» » Применение кислорода
21.05.2015

Идея применения воздуха, обогащенного кислородом, для интенсификации технологических процессов была высказана Д.И. Менделеевым. В своем капитальном труде «Основы химии», Д.И. Менделеев писал, что применением кислорода «...можно получать высокие температуры, полезные во многих (особенно в металлургических) производствах...» и далее: «... быть .может, придет время, когда указанным путем смогут на заводах и вообще для практики обогащать воздух кислородом».
На протяжении ряда лет кислород при.менялся главным образом для сварки и резки металла, а потому и развитие производства кислорода определялось потребностями этих видов техники. Но с тридцатых годов появилось новое направление — использование кислорода для интенсификации технологических процессов в ряде отраслей народного хозяйства. И если первые исследовательские работы по применению кислорода в металлургии и химии были начаты в бывш. СССР в 1932 г., а развитие кислородного машиностроения уже в предвоенное время обеспечило успешное проведение опытных работ в промышленном масштабе по выплавке ферросилиция в доменных печах, то ныне кислород прочно входит в практику ряда отраслей народного хозяйства черной и цветной металлургии, газовой и химической промышленности и др. Широкому и все возрастающему внедрению кислорода благоприятствует непрестанный рост энергетики нашей страны.
Подсчеты показывают, что для выплавки 1 г чугуна приходится расходовать около 2400 воздуха, а при выплавке цветных металлов расход воздуха возрастает до десятков и даже сотен тысяч кубометров на тонну металла. При этом вместе с кислородом в производственный цикл принудительно вводится четырехкратное количество ненужного для процесса азота.
Присутствие в дутье балластного инертного газа приводит к понижению скорости окислительных и восстановительных процессов и непроизводительному увеличению мощности воздуходувных средств, а следовательно, к увеличению капитальных затрат и эксплуатационных расходов. Кроме того, присутствие азота повышает скорость движения газового потока в печах и, следовательно, увеличивает механический вынос пылевидных частиц; в связи с этим увеличивается потребная мощность газоочистительных и дымососных установок.
Азот воздуха, проходя через металлургический агрегат, увеличивает потребление топлива на его нагревание до температуры печи, уносит с собой значительное количество тепла, большая часть которого бесполезно теряется, разбавляет печные газы и понижает в них концентрацию ценных компонентов — сернистого газа, окиси углерода и паров металлов. Поэтому совершенно понятно стремление металлургов заменять воздух технологическим кислородом или обогащать его в определенной степени кислородом везде, где это целесообразно.
Очевидно, что процентное содержание кислорода в обогащенном им воздухе может быть определено по формуле
Применение кислорода

где у — концентрация кислорода в смеси, %;
В — количество подаваемого в единицу времени воздуха, м3/час;
Z — коэффициент, учитывающий потери воздуха по тракту;
К — количество подаваемого в единицу времени кислорода, м3/час;
а — доля чистого кислорода в техническом кислороде.
Применение кислорода

Взаимосвязь между величинами у, К и В иллюстрируется рис. 1, кривые которого дают представление о расходе кислорода, необходимого для соответствующего обогащения вариантных количеств воздуха.
Допустим, что общий объем дутья, подаваемого в агрегат в единицу времени как при воздушном дутье, так и при дутье, обогащенном кислородом, остается постоянным. В этом случае изменения в протекании процесса будут обусловлены изменением парциальной упругости (концентрации) кислорода в дутье.
При сжигании топлива или окислении сульфидов скорость процесса определяется в общем виде уравнением
Применение кислорода

где рО2 — парциальное давление кислорода в дутье.
При данной температуре
Применение кислорода

Из приведенного уравнения видно, что скорость окислительных процессов прямо пропорциональна концентрации кислорода в дутье. Другими словами, при работе на чистом кислороде, скорость процесса при прочих равных условиях должна возрасти почти в 5 раз по сравнению со скоростью процесса при обычном воздушном дутье. Вот почему отнюдь не случаен, интерес, проявляемый металлургами, к возможности использования чистого кислорода. Однако, как будет показано ниже, применение чистого кислорода, особенно в пирометаллургических процессах, не всегда технически возможно и экономически целесообразно.
Общеизвестно, что первый этап восстановительного металлургического процесса сводится к сжиганию топлива с образованием окиси и двуокиси углерода; второй этап — восстановление металлов окисью углерода из их кислородных соединений и частичная регенерация окиси углерода по реакции
Применение кислорода

Скорость процесса сжигания топлива, как указывалось выше, описывается уравнением
v = k1pO2

а скорость второго — восстановительного этапа определяется концентрацией окиси углерода в газовой фазе. Но концентрация окиси углерода в газовой фазе в неравновесных условиях зависит от скорости реакции:
СО2 + С = 2СО.

Поскольку эта скорость обусловлена в основном температурой, концентрация окиси углерода в газовой фазе определяется концентрацией кислорода в дутье. Таким образом, скорость восстановительных процессов — шахтной плавки свинцового и никелевого агломератов, вельцевания, фьюмингования и других, так же как и процессов окислительных, пропорциональна концентрации кислорода в дутье.
Вместе с тем концентрация кислорода в дутье определяет состав и температуру отходящих газов. В зависимости от технологического процесса, обогащенное дутье обусловливает повышение калорийности горючих газов, обеспечивает получение газов с повышенным содержанием SО2 и т. д. При этом уменьшение количества газов, приходящегося на единицу продукции, упрощает и удешевляет очистку их.
В настоящем разделе освещены некоторые вопросы производства технического кислорода и рассмотрены основные направления и отдельные примеры применения кислорода в процессах цветной металлургии.