Воднева енергетика та чорна металургія
Воднева енергетика, технологічний прогрес та екологічна безпека в галузі чорної металургії.Пряме відновлення оксиду заліза воднем.
Метод прямого відновлення заліза воднем у наші дні, як технологічний процес, залишився без зміни - спеціально підготовлена, тобто збагачена, руда - концентрат, де міститься основний оксид заліза відновлюється в шахтній печі за допомогою твердого палива, як це було в давнину, або з цією метою використовується конвертований газ – природний метан, але перетворений на суміш водню і чадного газу (СО).
3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H 20Fe3O4+H2=3FeO+H 2OFeO+H2=Fe+H 2O
Як встановлено в даний час, можна відновлювати концентрати руди, які ще не перетворені на котуни. Більше того, виявилося, що концентрат відновлюється навіть із більшою швидкістю, ніж виготовлені з нього котуни. Однак на шляху до цього процесу стоять труднощі суто технологічного характеру.
Найбільш цікавим способом відновлення оксиду заліза є можливість використання водню в режимі горіння. Сам процес відновлення піде досить швидко, більше того, при цьому не виникає зайвих домішок: продукт відновлення – залізо та вода. Однак отримання та зберігання водню пов'язане з безліччю суто технічних та економічних труднощів. Тому водень поки що використовують лише для одержання металевих порошків.
Існує технологія середньотемпературного відновлення оксиду заліза, коли протікає процес горіння та прямої дії водню при температурі 470-8100С. Відновник - водень або в чистому вигляді, або з домішкою окису вуглецю. Залізо, природно, знаходиться у твердому стані, утворюючи привідновлення своєрідної губки.
Аналіз наведених вище даних дає підстави для таких висновків:
Серед реакцій відновлення оксидів заліза воднем лише реакція (1.1) є екзотермічною. Зі зростанням температури відношення (%Н2 Про) / (%Н2) у рівноважній газовій фазі цієї реакції зменшуватиметься;
Реакції (1.4), (1.7), (1.10) є ендотермічними. Тому зі зростанням температури відношення (%Н2 Про)/(%Н2) у рівноважній газовій фазі цих реакцій буде збільшуватися.
Вплив температури зміну складу рівноважної газової фази кожної з реакцій відновлення оксидів заліза воднем показано малюнку 1 пунктирними лініями.
Слід звернути увагу, що криві, що характеризують склади рівноважних газових сумішей для реакцій відновлення оксидів заліза оксидом вуглецю і воднем, перетинаються при температурі 8100С. З аналізу реакції водяного газу відомо, що за умови дотримання умови
Оксид вуглецю і водень при цій температурі мають однакову хімічну спорідненість до кисню.
При температурах нижче 8100 З більш високою хімічною спорідненістю до кисню має оксид вуглецю.
Кінцевим продуктом скрізь є залізо, вода та вуглекислий газ, причому воду можна знову використовувати для отримання водню та кисню. Таким чином, з'являються реальні можливості здійснити замкнутий цикл відновлення заліза воднем і створити безвідходне виробництво.
Проте досі водень одержують двома випробуваними методами – гідролізом води та її електролітичним розкладанням, простіше кажучи, електролізом. Існує , щоправда, хімічне розкладання, вигідніше, але вона настільки поширене, потім є ряд суто технічних причин. Пошук нових способівпродовжується, бо важливість проблеми безперечна.
Вперше у світовій практиці при проведенні наукових та дослідно-конструкторських робіт при випробуванні водневої турбогенераторної установки нового покоління відповідно до патенту на винахід № 2678688, вченими ЗАТ НВПГГ «Грантбуд» було виявлено унікальне нове явище – відновлення окису заліза воднем.
Ця обставина не входило до плану та програми лабораторних робіт з вивчення отримання водню в турбогенераторній установці. При аналізі газів, що виходять з водневої турбогенераторної установки, науковцями була використана проміжна горизонтальна газовідвідна труба діаметром 279 мм, товщиною стінки 8 мм і довжиною 2500 мм, повністю покрита окисом заліза із зовнішньої та внутрішньої сторін, що знаходилася близько 10 років під впливом навколишнього середовища опади і т.д.) (рис.2)
Мал. 2. Початок проведення лабораторних досліджень.
Завданнями, поставленими перед вченими в даний період випробувань, були визначення температури горіння водню на виході газовідвідної труби за допомогою термопара ТП (межа визначення температури до 1500оС) та аналіз газів із застосуванням приладу «Тесто-300». Час проведення експерименту становив близько 35 хвилин. За цей період було виявлено, що вплив водню при температурі горіння 900оС на газовідвідну трубу, що використовується в даному досвіді, сприяло процесу відновлення окису заліза у внутрішній стороні на 100% по всій товщині і частково із зовнішнього боку за рахунок впливу пального водню, який виходив в обмеженій кількості . (Рис.3)
Мал. 3. Відновлення окису заліза воднем.
Достовірні факти, дослідно-експериментальні дослідження та як показано на Рис.1, що криві5, 5а і реакція відновлення оксиду заліза перетинаються при температурі горіння водню 9000С – все це дає повну підставу заявити про можливість застосування водневих турбогенераторних установок у металургії для відновлення оксиду заліза воднем з фантастично низькою собівартістю, що відкриває можливість приступити до переробки відходів оксиду заліза, обсяг яких у всьому світі становить близько 1 трлн.250 млрд. тонн, і які порушують екологічну стабільність у регіонах, які активно добувають і переробляють залізну руду.
Попередні розрахунки та перші експерименти показали: можливість отримувати водень з такою низькою собівартістю, що «воднева металургія» набуде нарешті надійної економічної основи з урахуванням повної екологічної безпеки водневого відновлення оксиду заліза.
Як видно, існує необхідність введення в металургію пряме водневе відновлення оксиду заліза, що забезпечує безвідходне виробництво чорної металургії.
Пряме водневе відновлення оксиду заліза – лише початок технологічного прогресу у чорній металургії. Але й інші ланки – чи то конвертери, електропечі, заводи-автомати, апарати малооперационной технології – вимагають хорошої вихідної сировини. Ним буде відновлений воднем оксид заліза.
Металургію майбутнього небезпідставно часто називають водневою. Нині водень коштує дорого. Його отримання, зберігання та транспортування пов'язані з безліччю суто технічних проблем. Однак зроблені експерименти та попередні розрахунки показують, що можна отримувати водень з такою низькою собівартістю, використовуючи винахід ЗАТ НВПГЗ «Грантбуд», що «воднева металургія» набуде надійної економічної основи.А якщо врахувати повну екологічну безпеку водневих турбогенераторних установок, то сумнів у тому, що саме вони визначають майбутнє металургії, що відкриває величезні можливості в сучасному світі.
(У цій статті в тому числі використані матеріали з веб-сайтів та навчальних посібників)
Доктор наук, заслуженийраціоналізатор-винахідник РФ,заслужений будівельник України Г.Г. Аракелян