转底炉还原新流程相关设备及控制方法

XXX本科毕业设计（论文）转底炉还原新流程相关设备及控制方法研究气体的获得、控制及检测手段研究设计学生姓名学生学号院（系）材料工程系年级专业级材料科学与工程指导教师高级工程师（教授级）助理指导教师二七年六月本科毕业设计（论文）摘要摘要钒钛磁铁矿是含有铁、钒、钛等多金属元素的复合矿。采用转底炉煤基直接还原法处理钒钛磁铁矿是综合回收铁、钒、钛的新工艺流程，也是钒钛磁铁矿最好的综合利用途径，将带来巨大的经济效益和社会效益。转底炉煤基直接还原新流程，还原气氛是影响直接还原的重要因素之一。本文主要介绍在实验室条件下，研究出简单制取气体的方法，以CO2和N2为主。再用CO2C2CO的原理，生成CO，然后再按一定比例通入炉内，以保证炉内还原时的气氛要求。详细地介绍了实验室采用奧氏气体分析仪对气体进行分析。在温度达到1000，当CO2为03NM3/H，CO的含量可达70左右，其炉内的气氛可以通过改变CO2的流量以及温度来实现。关键词煤基直接还原，气氛控制，气体分析本科毕业设计（论文）ABSTRACTABSTRACTVANADIUMTITANIUMMAGNETITEISAMIXEDORETHATCONTAINSIRON,VANADIUM,TITANIUMANDOTHERELEMENTSITISANEWTECHNICALPROCESSTOSYNTHETICALLYRECOVERIRON,VANADIUM,TITANIUMBYTRANSGENICHEARTHFURNACECOALBASEDDIRECTREDUCTIONMETHOD,WHICHISTHEBESTAPPROACHTOTHECOMPREHENSIVEUTILIZATIONOFVANADIUMTITANIUMMAGNETITETHISMETHODWILLBENEFITOURECONOMYASWELLASOURCOMMUNITYTOTHEFURNACECOALBASEDDIRECTREDUCTIONPROCESS,REDUCINGATMOSPHEREISONEOFTHEIMPORTANTFACTORSTHISPAPERDESCRIBESASIMPLEMETHODTOMAKINGGAS,MAINLYCO2ANDN2ATTHELABORATORYCONDITIONSACCORDINGTOTHEPRINCIPLECO2C2CO,COISMADETHENWEPASSACERTAINPROPORTIONOFCOINTOFURNACETOENSURETHEFURNACEATMOSPHEREREDUCTIONREQUIREMENTSTHEMETHODTOGASPURIFICATIONOFLABORATORY,GASANALYSISANDCONTROLAREDESCRIBEDINDETAILWHENTHETEMPERATUREREACHES1000ANDTHEMOUNTOFCO2IS03NM3/H,THECONTENTOFCOCANREACHTOABOUT70,THEATMOSPHEREINFURNACECANBECHANGEDBYTHEFLOWOFCO2ANDTEMPERATUREKEYWORDSCOALBASEDDIRECTREDUCTION,CLIMATECONTROL,GASANALYSIS本科毕业设计（论文）目录目录摘摘摘摘要要要要IABSTRACTII1绪论绪论绪论绪论111本课题的研究背景本课题的研究背景本课题的研究背景本课题的研究背景1111钒钛磁铁矿的特性1112研究内容112直接还原工艺直接还原工艺直接还原工艺直接还原工艺2121几种直接还原工艺的比较2122三种煤基直接还原方法313转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿的意义转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿的意义转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿的意义转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿的意义42基础理论基础理论基础理论基础理论621气体的制备气体的制备气体的制备气体的制备、贮存和安全使用贮存和安全使用贮存和安全使用贮存和安全使用622气氛分析的分法气氛分析的分法气氛分析的分法气氛分析的分法7221气相色谱仪7222露点仪8223红外线分析仪823常用的气体净化剂常用的气体净化剂常用的气体净化剂常用的气体净化剂8231干燥剂8232脱氧剂和催化剂9233吸附剂103实验实验实验实验方法及设备方法及设备方法及设备方法及设备1131气体的获得方法及原理气体的获得方法及原理气体的获得方法及原理气体的获得方法及原理11311一氧化碳的发生11312二氧化碳11313氮气1132气体气体气体气体吸收吸收吸收吸收方法方法方法方法11321氢的吸收11322二氧化碳的吸收12323一氧化碳的吸收12324氧气的吸收12本科毕业设计（论文）目录33气体的检测气体的检测气体的检测气体的检测12331奥氏气体分析仪简介13332奥氏气体分析仪使用注意事项1334气体成分控制气体成分控制气体成分控制气体成分控制144实验研究实验研究实验研究实验研究及及及及结果分析结果分析结果分析结果分析1641实验研究实验研究实验研究实验研究16411实验药品的配制16412实验仪器及气体测定步骤1642实验结果与分析实验结果与分析实验结果与分析实验结果与分析19421实验结果19422分析与讨论22结结结结论论论论23参考文献参考文献参考文献参考文献24致致致致谢谢谢谢26本科毕业设计（论文）1绪论11绪论11本课题的研究背景111钒钛磁铁矿的特性钒钛磁铁矿是含铁、钒、钛等多金属元素的复合矿。其中，绝大部分钒和铁矿物呈类质同象，赋存于钛磁铁矿中，所以钒钛磁铁矿亦称钛磁铁矿或含钒钛磁铁矿。目前，钒钛磁铁矿已是当今世界钒生产的主要资源。随着地球上金红石、钛铁矿等天然钛资源被开发利用后逐渐减少，以及钛的广泛运用，使得钛原料供应紧张，由钒钛磁铁矿资源中获得的钛精矿或钛渣作为钛原料，以适应钛制品的比例日渐增加的需求。所以，钒钛磁铁矿中的铁、钒、钛资源的综合利用也将会日趋广泛。中国钒钛磁铁矿的矿藏，主要分布在西南的攀枝花西昌地区（简称攀西），其次是河北承德地区和安徽马鞍山地区等。其中，攀西地区的钒钛磁铁矿的储量最大，达100亿吨以上。据统计，该地区钒储量占全国钒总储量的604，占世界钒储量的122；钛储量占全国钛总储量的97，占世界钛储量的391。在目前技术水平下选矿回收的主矿物钛磁铁矿是由磁铁矿（FE3O4）、钛铁晶石（2FETIO2）、钛铁矿（FETIO3）及镁铝尖晶石（MGAL2O4）等组成的，其中钛铁尖晶石及钛铁矿片晶石都具有强磁性，与磁铁矿致密共生，不能用机械方法分离，而磁选出来的铁精矿TIO2含量很高。钛在矿石中主要以钛铁矿和片状钛铁矿矿物形态存在。钛铁矿呈粒状，具有弱磁性，可以单独回收得到钛精矿。但存在于钛磁铁矿中的钛铁尖晶石、片状钛铁矿不能单独回收而进入铁精矿。112研究内容转底炉煤基直接还原新流程，还原气氛是影响直接还原的重要因素之一。在还原过程中，其气氛主要是煤气燃烧后产生的CO、CO2、N2等主要成分，而气氛中的CO/CO2的比例是影响还原金属化率的重要条件之一1。为了获得一定成分的还原气氛，在实验室必须能够提供可变的气体成分，而工业气瓶没有CO，只有N2、CO2。因此，本课题的目的就是能在实验室条件下提供含有CO的气体成分。同时，对进入炉内的气体通过净化、检测、分析等相关设备的研究设计，以达到不同成分的气体满足还原试验的要求。国内外在实验室条件下都是针对不同的要求，在实验室条件下制备各种气体，比如用天然气转化为还原气体。CH4H2O3H2CO式（11）2CH4O24H22CO或CH4CO22H22CO式（12）也有用煤气发生炉产生还原气体或直接用氨气、氢气等还原气体。上述的方法都很复杂，而我们用的是最简单的获得还原气体的方法，与实际转底炉还原的本科毕业设计（论文）1绪论2成分是一致的（其中H2的含量很少）。同时研究了气体成分控制、分析方法等内容。12直接还原工艺直接还原铁是用优质铁矿石与还原剂（CO、H2）在约1000温度下，于回转窑或竖炉内，将铁矿石中的FE2O3的铁还原出来，得到含金属铁很高的产品即直接还原铁（英文DIRECTREDUCTIONIRON，缩写为DRI）2。在冶炼中矿石呈固态，保持原状。因内部失氧，出现许多微孔，又称海绵铁（英文SPONGEIRON）。用球团矿生产的DRI又叫金属化球团。铁矿石中的氧与CO或H2氧化后，生成CO2或H2O3。煤基DR、气基DR基本化学反应式CCO22CO式（13）FE2O33CO2FE3C式（14）CH4H2OCO3H2式（15）FE2O33H22FE3H2O式（16）FE2O33CO2FE3CO2式（17）直接还原分为固体（煤）还原剂法与气体（天然气）法。煤在窑中气化反应生成还原气CO，天然气在炉中裂化生成还原气H2和CO，再利用它们去还原铁。在直接还原中，气基法虽然具有生产效率高，生产规模大，能耗低和操作容易等优点，但其还原剂的一次能源为天然气，因此该法只能在天然气丰富的国家得到发展。而煤基法用煤作还原剂，较好地解决了气基法的不足，但其生产效率低，生产规模小，容易出现“结圈”、“结瘤”问题，因此操作难度大4。为此，世界上很多国家都在开发直接还原新技术。121几种直接还原工艺的比较直接还原（DIRECTREDUCTION）法是指不用高炉而将铁矿石炼制成海绵钛的生产过程，直接还原铁是一种低温下固态还原的金属铁5。这种产品未经熔化，仍保持矿石外形，但由于还原失氧形成大量气孔，在显微镜下观察形势海绵，因而也称为海绵铁。现在世界上直接还原法有四十多种，但按还原剂分为两大类，即气体还原剂法和固体还原剂法。按炉型分为竖炉法、固定床法、回转窑法和流态化床法四种。熔融还原（SMELTINGREDUCTION）法是指在熔融状态下把铁矿石还原成融态铁水的非高炉炼铁法。由于目前最成熟的COREX熔融还原法实际上其主要反应仍是固气还原（90以上），熔融还原的部分很少，故也将其纳入直接还原范畴。但必须指出，它的产品是高温铁水，这与传统的直接还原产品不一致。铁、钛的有效分离是钒钛磁铁矿综合利用最关键的瓶颈技术。本科毕业设计（论文）1绪论3122三种煤基直接还原方法回转窑还原熔分流程该流程虽基本打通工艺，可综合回收铁、钒、钛，但是没有经济效益，其主要特点如下1流程长与高炉流程相比较，其流程长、占地面积大，但是可以回收钛。与国外相比，多了冷却、磁选分离和增碳等工序。2操作技术难度大直接还原需要解决造球、“结圈”、冷却及防止再氧化、磁选分离等诸多问题。3铁、钒、钛收率低从精矿到铁水，铁、钒、钛的收率分别为6980、5396和7333，与高炉流程中铁收率9078、钒收率7474相比要差很远，新流程的最大优点在于回收了大部分钛6。4生产成本高试验的成本为每吨球团1400元左右，每吨铁近万元。隧道窑还原磁选流程隧道窑在还原工艺上是最成熟的。2002年中南工业大学、中南矿业研究院与攀钢合作完成了隧道窑罐装混合还原剂还原的实验，取得了较好的金属化率，铁、钛分离的效果也很好；但存在能耗高、耐火材料消耗大、生产效率低、自动化程度低等问题。转底炉还原分选或熔分流程转底炉的工艺特点是在13001350高温下，敞焰加热含碳球团的薄料层1540MM，实现快速还原（50MIN）7。即高温、快速、采用含碳球团是技术关键，其突出的优点是在高温下敞焰加热内配碳球团，实现快速还原。这与隧道窑法、回转窑法形成明显的优势，主要体现在以下几个方面。1生产率与投资采用隧道窑，物料在窑内的停留时间达十几小时，回转窑为数小时，而环形转底炉物料在炉内的停留时间只有几十分钟。因此，采用转底炉生产率高，投资低，约为回转窑的一半。但转底炉的加工制作较难，技术要求较高。2对炉料的要求由于在回转窑内炉料需不停的滚动，会带来物料磨损、破碎和粉末的产生。倘若炉料强度不够，粉尘控制不佳，窑内某点过热，势必会引起回转窑运行的“结圈”问题。为了减少粉末的产生及避免“结圈”，要求炉料（球团）具有较高的落下与耐磨强度。而转底炉法的炉料在炉底上静止，随炉底一起运行，对炉料的强度要求不高。3对燃料的要求转底炉可直接燃烧散煤（或煤气），对煤炭资源的适应性强。回转窑法则需要块煤为还原剂，对煤的挥发性、粘结性及熔点要求高，只有反应良好的烟煤和褐煤才适用，来源受到限制8。本科毕业设计（论文）1绪论44炉温转底炉为实现快速还原要求炉温高，允许的工艺操作参数范围很窄，对操作要求严格。回转窑为防止“结圈”，必须限制其温度并要求炉温稳定，过高的温度易引起“结圈”。13转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿的意义转底炉煤基直接还原是最近30年才发展起来的炼铁新工艺，虽然最初的目的只是用于处理含铁废料，但很快就有美国，德国以及日本等国将其开发应用于铁矿石的直接还原，并很快受到了冶金界的普遍关注。经过考察和调研，发现最适合钒钛磁铁矿综合利用的新流程是第三代炼铁技术转底炉炼铁工艺9。该工艺是最近20年才发展起来的炼铁新工艺，是含碳铁矿球团与环形转底炉（其结构如图11、图12）相结合生产金属化球团的工艺方法，我们称其为快速直接还原法。图11转底炉示意图图12转底炉断面图和平面图本科毕业设计（论文）1绪论5其优点如下使用冷固结含碳球团，取消了高温氧化球团生产环节；采用内配碳自还原，只需外部升温和传热；反应温度比传统直接还原工艺高300600；反应速度快，实验中球团在炉膛中的停留时间短；生产效率高，金属化率也大大提高10。可以避免高炉及回转窑直接还原等出现的问题，转底炉还原电炉熔分，得到铁水和炉渣，炉渣中富集的是钒钛铬氧化物，可以分别提取回收利用11。或者在电炉中将钒还原进入铁水，吹炼出钒渣，作为提钒原料，炉渣为钛渣，可直接作为钛白的原料，这样使铁钒钛全面得到回收利用，并有较高的回收率，生产成本低。采用这种新工艺就是用最少的投资、原材料和能源消耗，减少对周边环境的污染和提高的生产效率，使资源得以最合理的综合利用，可创造出最大的经济效益。国内外转底炉工艺使用的都是普通铁矿或其他含铁原料，都没有试验过钒钛磁铁矿。因此，要尽快进行转底炉直接还原钒钛磁铁矿的试验，可形成自己的知识产权，一旦成功可尽快产业化，产业化的设备建议立足于从国外引进主要设备的关键部件。对钒钛磁铁矿来说，采用转底炉这种工艺流程12工艺流程图如图13）。图13转底炉直接还原工艺流程图总之，转底炉煤基直接还原钒钛磁铁矿在投资和生产成本上占有较大优势，可以弥补产品质量的不足，成为传统工艺的有力挑战者。这将是攀西地区钒钛磁铁矿最好的综合利用途径，为实现现代工业化提供有力的技术支撑，将产生巨大的经济效益和社会效益。本科毕业设计（论文）2基础理论62基础理论21气体的制备、贮存和安全使用实验室常用的气体多装在弹式的高压贮气钢瓶内，由工人购入。常用钢瓶容量为40DM3，空瓶质量60KG，充气压力最大时为15MPA，可贮存6M3（0，100KPA）气体13。为了安全，不致误用，各种气体所用钢瓶外表都涂上不同的颜色，以便识别。例如，氧气用天蓝氮气用黑色、氢气用深绿色、二氧化碳用黑色、氩气用灰色、氯气用草绿色、氨气用黄色、硫化氢用白色、其他可燃气体用红色、非可燃气体用黑色。由于瓶内装的是高压气体，使用时必须经过减压阀门降压。瓶装高压气体有些在瓶内为液态，如CO2、CL2、NH3等。未经干燥的气体压入钢瓶后，水蒸气在高压瓶内会凝结成水。在缓慢放出气体时，气体中所含水蒸气量往往成饱和状态，并随着钢瓶内气压和温度而变化，其关系如表21。表21钢瓶放出气体含水蒸气量与温度压力的关系钢瓶气压MPA放出的气体中水蒸气的体积分数1063020101527715380142971648613317176931234619110011377208109104152291209460254133851728515675903251716686279200582045323841021563296313507453912199011005771381021001102在没有瓶装高压气体时，就需要自行制备。如CO，可将甲酸（HCOOH）滴本科毕业设计（论文）2基础理论7入加热到80的浓硫酸中脱水而制得14。使用气体时，要注意安全，即防毒、防火和防爆。在使用瓶装气体时，要事先明确辨认气体的种类，并严格按照操作规程谨慎操作。在使用氢气时，以防止瓶子漏气而使室内含氢到达爆炸限，最好将室内充分通风后再使用。氢气瓶应该放在离建筑物较远的专用房屋中，不宜在实验室内存放15。在制备可燃气体时，也要远离明火和电热丝。其气瓶使用规定如下购买和使用有制造许可证的企业的合格产品，不使用超期未检的气瓶。使用者必须到已办理充装注册的单位或经销注册的单位购气。气瓶使用前应进行安全状况检查，对盛装气体进行确认，不符合安全技术要求的气瓶严禁使用；使用时必须严格按照使用说明书的要求使用气瓶。气瓶的放置地点，不得靠近热源和明火，应保证气瓶瓶体干燥。盛装易起聚合反应或分解反应的气体的气瓶，应避开放射性线源。严禁用温度超过40的热源对气瓶加热。瓶内气体不得用尽，必须留有剩余压力或重量，永久气体气瓶的剩余压力应不小于005MPA；液化气体气瓶应留有不少于0510规定充装量的剩余气体。在可能造成回流的使用场合，使用设备上必须配置防止倒灌的装置，如单向阀、止回阀、缓冲罐等。22气氛分析的分法221气相色谱仪让混合气体通过一个充填有特种吸附剂色谱子柱，由于吸附剂对不同的气体分子具有不同的吸附效果，它们在吸附剂量表面停留的时间不同，来分析控制气氛的组成16。气相色谱的特点有高效能气相色谱的独特优点是它的高分离能力。气相色谱一次分析1020个组分的混合物是很容易的事，特别是近年来发展起来的毛细管色谱，它一次可以完成石油馏分中数百个组分的分离分析问题，这是其它分析技术无法比拟的。高选择性通过选择高选择性固定液，使对性质极为相似的组分间的分配系数有较大差别，以此来实现对如同位素、有机化合物的各种异构体的分离。如采用氧化铝涂敷氧化铁的色谱柱，并用二氧化碳部分去除活性，柱长3M，内径4MM。在零下196液氮温度下，氖气为载气，半小时内使氢的同位素氢、氘、氚所形成的六种异构体完全分离。高灵敏度本科毕业设计（论文）2基础理论8高灵敏度检测器可检测10111013G的物质。这对环境保护、生物基础代谢、法医科学等部门的分析鉴定尤为适用。由于气象色谱的灵敏度高，故样品用量极少，一般一次分析只需几微克。分析速度快一般几分钟，多至几十分钟即可完成一个比较复杂混合物的分离和分析过程。采用计算机控制气相色谱分析，使操作及数据处理完全自动化，更能加快分析的速度。其它仪器造价低，有利普及推广，其应用范围广，有机物的20，石油化工中约8595的分析任务由气相色谱来承担。气相色谱也能用于无机化合物的分析（包括阳离子和阴离子的分析），它在催化、热力学和动力学方面有广泛的应用。222露点仪露点仪是测量气氛中的水分的多少。水在气相中以水蒸气的形态存在。气相中水蒸气含量，存在一个限量。当达到这一限量或超出这个限量，水蒸气将从气相中析出，成为雾或珠，这个限量称为饱和度，出现雾和珠称为结露。这个饱和度和温度压力有关。温度高，饱和度大，压力高，饱和度小。在某一温度，气相中的水未达到饱和，将温度降低到另一较低温度时，达到饱和，那么称这较低的，使其达到饱和的温度称为该气体的露点。223红外线分析仪红外线分析仪的原理是不同波长的红外线可以有选择地被化合物气体吸收，根据此原理分析气氛组成17。红外线分析仪工作原理是当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收，其吸收关系服从朗伯比尔（LAMBERTBEER）吸收定律，即某些气体对红外光进行有选择性吸收，其吸收强度变化取决于被测气体的浓度。红外线气体分析仪的优点是精度和灵敏度高、测量范围宽、响应速度快、良好的选择性、稳定性和可靠性好、可实现多组分气体同时测量，能够连续分析和自动控制。缺点是不能分析对称结构无极性双原子分子及单原子分子气体。这一点可配合电化学检测器使其克服18。23常用的气体净化剂231干燥剂一般气体中常含有水蒸气，特别时水溶液（如吸收液、密封液等）接触过的气体中都不可避免的含有一定的水蒸气。实验室中常将气体流经干燥剂（吸水剂）脱水。本科毕业设计（论文）2基础理论9硅胶是实验室中常用的干燥剂。它是以SIO2为主体的玻璃状物质，是硅酸水凝胶脱水后的产物，其孔径平均为4NM，比表面积为300800M2/G，有很强的吸附能力，也是常用的一种吸附剂。它适用于处理相对湿度较大（40）的气体。相对湿度低于35时，其吸附容量迅速降低。在真空系统使用硅胶时，必须将它在真空下加热经过彻底脱水后才能用。硅胶吸水蒸气时要放热，用它来吸附高湿高温气体中的水蒸气时，须加适量冷却装置。硅胶为乳白色，为了指示其吸水程度，常将硅胶在氯化钴溶液中浸泡后再干燥而得到的蓝色的硅胶。无水氯化钴为蓝色，由于吸水程度的增加，含水氯化钴COCL2XH2O的颜色随结晶水X值的变化而改变如表22。表22含水氯化钴颜色随结晶水X值的变化X6421510颜色粉红红淡紫色暗红色紫蓝浅蓝当指示颜色变为粉红色时，表示含水量已相当与200PA的水蒸气压力，这时必须更换硅胶。经重新干燥处理后，含COCL2的硅胶又恢复为蓝色。硅胶的优点是可以再生，即在120150的烘箱中除水后，可反复使用，更换也比较方便，并可借氯化钴含水后颜色的改变来指示其吸水程度。232脱氧剂和催化剂用金属脱氧和催化脱氧是实验室中常用的气体脱氧方法，后者用于氢气的脱氧19。常用催化剂为铂（钯）石棉或105催化剂，可使氢气中的杂质氧与氢结合成水。铂或钯能起催化作用，石棉是载体。在400左右，氢气中的少量氧在催化剂的作用下迅速与氢结合成水。硫或砷的化合物易使这种催化剂中毒，须将它们预先由气体中除去。除去ASH3可用硝酸银水溶液吸收，其反应式如下12AGNO32ASH33H2OAS2O312HNO312AG式（21）借助于催化剂，使杂质吸附在催化剂表面上并与气体中的其它组分发生反应，转变为无害物质（因而可以允许留在气体中）或者转化为比原存杂质更易于除去的物质，这也是一种净化气体的有效方法。例如，氢气中含有少量氧气，在通过105催化剂时与氢结合为水蒸气，再经过干燥剂脱水，就可使氢气中的氧降到极低。105催化剂它是含钯003的分子筛，常作为常温常压下的脱氧催化剂，呈颗粒状。这种催化剂在寿命等方面比其它脱氧催化剂较优越，它与5A分子筛联合使用，在常温下可将电解氢提纯到很高的纯度。在使用它之前须进行活化处理，即在温度为36010、压力为0102KPA的粗真空下脱水2H，然后冷却到室温，严防通空气和水接触，再将待处理的氢气通过105催化剂还原1H后即可使用。105催化剂使用一段时间后其催化能力降低，必须再生。再生的方法是将它加热到300本科毕业设计（论文）2基础理论10350在压力为138KPA的粗真空下连续抽气46H，再冷却到室温即可。233吸附剂实验室常用的吸附剂有硅胶、活性炭和分子筛。实验室中常用多孔的固体吸附剂来吸附杂质气体。吸附与吸收的差别在于吸附仅发生在吸附剂表面。吸附剂的比表面越大，则其吸附量越大。常用吸附剂的比表面如表23。表23常用吸附剂的比表面积吸附剂硅胶活性炭13X分子筛10X分子筛4A分子筛5A分子筛比表面积M2/G300800100010301030800750800被吸气体由气流中迁移到固体表面的过程称为外扩散。被吸气体在固体微孔隙中的扩散称为内扩散。几种吸附剂的孔径尺寸由小到大的排列顺序是分子筛、硅胶、氧化铝、活性炭。孔径较大和孔径较浅，有利于加速内扩散的进行。吸附剂表面吸满了被吸物质达到饱和后，就需要更换吸附剂或进行再生处理。吸附剂再生的方法是加热、减压或吹洗。这些方法都是靠提高温度和降低被吸气体分压以促使被吸物质解吸。不同的吸附体系，其再生条件亦不同。例如，分子筛再生要在350左右，而硅胶只需在120150即可。炭经过加热活化处理，可以除去其孔隙中的胶状物质，增加其表面积，即成活性炭。它具有一定机械强度的黑色颗粒，其比表面积可达1000M2/G，同时它的孔径分布很广，孔隙也大，故吸附容量和吸附速率都较大。它对水蒸气的吸附能力并不强，但却能吸附一些有毒的气体如氯气、二氧化硫、砷化物等，因此它广泛用于防毒面具上。在气体净化技术中，通常将它置于催化剂前级以避免催化剂中毒20。分子筛是一种广泛应用的高效能多选择性的吸附剂。它是人工合成的泡沸石，是微孔型的具有立方晶格的硅铝酸盐。其骨架由硅氧四面体和铝氧四面体所构成。分子筛对进入孔道中的分子还具有选择性。分子的极性、不饱和程度、压力和温度等都是影响分子筛吸附性能的因素。分子筛为110M的白色粉末。为便于使用，通常加20黏土为结合剂，加压成型，制成直径为26MM的球型或15MM的柱状颗粒。本科毕业设计（论文）3实验方法及设备113实验方法及设备本课题主要是在实验室条件下，能用简单的方法提供还原条件下的气体。从而研究出简单制取气体的方法，以CO2和N2为主。再用CO2C2CO的原理，生成CO，然后再按一定比例通入炉内，以保证炉内还原时的气氛要求。31气体的获得方法及原理311一氧化碳的发生用甲酸（蚁酸HCOOH）制取在加热条件下HCOOHH2OCO式（31）用浓硫酸做脱水剂HCOOHGP2O5H2P2O7CO式（32）按前一方程分解加热过烈或HCOOH滴下过快，易引起爆炸。用草酸（H2C2O4）在加热条件下H2C2O4COCO2H2O式（33）其中，CO2用BAOH2溶液除去，用浓硫酸脱水。CCO22CO反应气体中有CO与CO2达平衡。温度升高时，CO增多。400以下时几乎全是CO2，到1000时，从理论上讲，应该几乎全是CO。在400500时，如有催化剂存在也可加速CO的生成。本试验需要的CO是由自制的管式电阻丝炉加热木炭，通入二氧化碳气体，使之在不同温度下转化为CO，按照试验条件控制CO/CO2不同比例提供给还原电炉的需要21。312二氧化碳实验室用二氧化碳钢瓶提供。313氮气实验室中氮气由工业氮气瓶提供。32气体吸收方法321氢的吸收采用如下溶液，在2克钯与5克苦味酸加22毫升1V的NAOH溶液，再加水本科毕业设计（论文）3实验方法及设备12稀释至100110ML，这样多的这种溶液能吸收氢4L，但它同时也能吸收O2、CO、CO2及不饱和烃等气体，这种溶液用过后，还可以复原，复原方法是滴入稀硫酸至沉淀为止（不能滴得过多），再滴入NAOH溶液使悬浮在水中的少量沉淀溶解，然后加入5克苦味酸钠。322二氧化碳的吸收KOH溶液浓度30每ML溶液可吸收CO28CC，适用于含CO223的气体中CO2。钠石灰用1份NAOH与2份CAO混合均匀（前者先配成溶液），然后蒸干，再在赤热温度下灼烧即成。NAOH溶液或湿润固体溶液浓度30时与KOH溶液的吸收能力相同。但因浓NAOH溶液常发生泡沫及析出难溶的NA2CO3结晶，故不如KOH溶液。碱石棉在500CC的50NAOH溶液中加入1KG粉状NAOH，然后加入石棉至湿润状物为止。再在150180下烘干4小时，冷却后成小块即成。还原剂C、ZN等，在高温下将CO2还原成CO。本试验采用浓度30的KOH溶液作为CO2吸收剂。323一氧化碳的吸收本试验采用氯化亚铜的氨性溶液作为CO吸收剂。一氧化碳被氯化亚铜的氨性溶液吸收，生成一氧化碳的氯化亚铜氨络合物，由气体体积的减少求出一氧化碳的含量。此方法可测含量02以上的一氧化碳。324氧气的吸收氧气吸收剂及其能力如表31。表31吸收氧气的吸收剂及性能名称吸收能力说明焦性没食子酸的碱溶液8CC/CC10克焦性没食子酸（C6H3OH2）加30CC热水，再用60KOH稀释到200CC，它吸收氧气，同时放出CO，它也能吸收CO2铜铵溶液大量NH4OH（比重095）加NH4CL至饱和，再放入粗铜线即成，吸氧后，因CUCU2，故溶液变兰色亚硫酸钠的碱性溶液60CCO2/GNA2S2O4将50克NA2S2O4加水200CC，用加40CCKOH溶液（按50克KOH加70CC水配成）纯铁黄磷8001520时，吸收很强，温度下降时减弱；0时基本不吸收。O2PP2O5，成白色薄膜凝于四壁本试验选用焦性没食子酸的碱溶液来吸收氧气。本科毕业设计（论文）3实验方法及设备1333气体的检测本试验采用奥氏气体分析仪来分析气体。331奥氏气体分析仪简介奥氏气体分析仪是一种经典的气体分析仪器，它是根据吸收气体的原理工作的。在工作中，混合气体的组成有选择地被某种特有的液体吸收。某种特定的液体只吸收某种特定的气体。根据吸收前后混合气的体积的测量，就可以分析气体的成分。气体分析仪广泛应用于汽车尾气检测；油化工生产过程中气体成份在线分析和监测；冶金工业中，高炉、转炉、焦炉工业炉窑等气体分析和监测；科学实验、环境保护、医疗卫生等行业气体分析和监测；生物医药、食品发酵、污水处理、垃圾填埋等过程气体测量；仓储、温室、室内等场所气体检测；烟道气在线连续检测（CEMS）等。奥氏气体分析仪工作原理是是利用不同的溶液来相继吸收气体试样中的不同组分。用30的氢氧化钾吸收试样中的二氧化碳；用焦性没食子酸钾溶液吸收试样中的氧气；用氨性氯化亚铜溶液来吸收试样中的一氧化碳，然后根据吸收前后试样体积的变化来计算各组分的含量。奥氏气体分析仪的优点是结构简单、价格便宜、维修容易。奥氏气体分析仪缺点是虽一次购置成本低但长期运行成本高，除去分析人员的成本，仅每年买试剂和玻璃器皿至少要1万多元，而且必须对气体进行人工取样，在实验室进行分析。332奥氏气体分析仪使用注意事项操作过程中1测定气体时，应做重复试验，双试验允许误差不得超过02ML。2经多次使用后，吸收剂的吸收能力会减弱或消失，因此，每次测定前应先测正常空气的氧含量，以校对仪器。3吸氧剂对氧的吸收能力随温度的降低而减少，在0时几乎不吸收。测氧最好在15以上进行，温度稍低时，可增加吸收次数。4应先测二氧化碳后测氧，顺序不能颠倒，否则氧吸收剂中的氢氧化钾也会吸收二氧化碳，影响测定结果。5测定时，水准瓶移上移下要缓缓进行，太快将产生猛然压力，吸收瓶内会出现气泡现象，或吸收液冲入梳形管，影响测定准确性。吸收剂如进入梳形管，应拆洗干净，放在通风处晾干之后可使用。6每次从量管上读数前，必须等待1分钟，以使管壁上液体流下。7通常在分析过程中维持温度、压力与测量试样时温度，压力一致，可省去本科毕业设计（论文）3实验方法及设备14换算工作，直接用各测量结果计算百分含量。操作结束后1排除量管及各吸收瓶中的气体。2如在操作过程中吸收液曾进入活塞或梳形管中，则提高水准瓶，用封闭液流动清洗。3如封闭液中指示剂变色，则应更换，新换的封闭液应用分析气体饱和。4如仪器短期内不用，应经常转动碱性吸收液瓶的活塞，以免粘住。5如仪器长期内不用，则将全部溶液到处并清洗干燥。34气体成分控制实验室所用的煤气发生炉是卧式的（如图31）。图31煤气发生炉整个气体控制示意图如图32，根据实验室自制的竖式电阻炉（如图33）所要求的气体成分，由玻璃转子流量计（如图34）控制气体的流量。图32气体控制图本科毕业设计（论文）3实验方法及设备15但是现在生产的煤气发生炉基本都是竖式的，煤是由上而下，气化剂则是由下而上地进行逆流运动，它们之间发生化学反应和热量交换。这样在煤气发生炉中形成了几个区域，一般我们称为“层”。按照煤气发生炉内气化过程进行的程序，可以将发生炉内部分为六层灰层、氧化层、还原层、干馏层、干燥层、空层。图33竖式电阻炉图34流量计虽然它们原理上都是相同的，但是也存在着一定的差别。卧式煤气发生炉在使用的过程中，不能及时补充木炭的消耗量。如果采用竖式煤气发生炉，就避免了木炭的消耗对结果的影响。本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析164实验研究及结果分析41实验研究411实验药品的配制二氧化碳吸收液用电子天平称取分析纯氢氧化钾300G，溶解在700ML的蒸馏水中，混匀。用30氢氧化钾吸收CO2及酸性气体CO22KOHK2CO3H2O式（41）氧吸收液用电子天平称取20G焦性没食子酸溶于200ML30的氢氧化钾溶液中。然后将焦性没食子酸的碱性吸收液灌入吸收管，再将通大气的液面上加入液体石蜡，使其与空气隔绝。用焦性没食子酸碱性溶液吸收氧C6H3OH33KOHC6H3OK33H2O式（42）2C6H3OK31/2O2C12H4OK3H2O式（43）一氧化碳吸收液称取54GCUCL和60G氯化铵，加入200ML蒸馏水中，搅拌成混浊液，加入浓氨水搅拌至溶液澄清，然后将其灌入吸收瓶，在配制溶液时可能发生氧化作用，溶液如呈黑色或绿黑色，就不能用，应先用CU或SNCL2使其复原，被复原后的溶液呈稻黄色。用氯化亚铜氨溶液吸收COCUCL2COCUCL2CO式（44）CUCL2CO4NH32H2O2NH4CLCU2COONH4式（45）封闭液先配制5硫酸溶液200ML，加LML甲基橙指示剂。或者取200ML80的氯化钠（NACL）饱和溶液，加23滴1020N的盐酸（HCL）和34滴甲基橙。使溶液呈现红色为止。用于量气管中进行测量。不饱和烃吸收液硫酸银的硫酸溶液用电子天平称取4G硫酸银，将其溶解于64ML水中，在玻璃棒不断搅拌下，缓缓加入浓硫酸400ML。412实验仪器及气体测定步骤测定准备安装前，仪器的全部玻璃部分用洗液洗涤干净并干燥。并按图41装配奥氏气本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析17体分析仪，用橡皮管小心将各部分连接起来，连接时玻璃管端面应对紧，并在每个活塞上涂上凡士林。于15吸收瓶中分别注入KOH溶液、饱和溴水溶液、焦性没食子酸碱液、氯化亚铜盐酸溶液、氯化亚铜氨溶液；6、7吸收瓶中注入10硫酸溶液（吸收液的注入量稍大于吸收瓶的1/2）；在吸收液上倒入58ML液体石蜡，以免空气和试剂接触；水准瓶中注入封闭液。图411904奥氏气体分析仪12接触式吸收瓶；35鼓泡式吸收瓶；6爆炸瓶；7左梳形架；8右梳形架；9双球量管、外套管；10燃烧瓶；11水准瓶；12洗气瓶；13三通活塞检查气密性先排除量管中的废气将右梳三通活塞旋至量气管与大气相通（位置A），提高水准瓶，排除气体至量气管内液面液面升至顶标线为止。后排除吸收瓶中的废气将三通活塞旋至梳形管与大气隔绝（位置B）打开吸收瓶1的活塞，放低水平瓶，使吸收液中的液面上升至标线，关闭活塞。依次用同样方法使各吸收瓶和爆炸瓶中的液面上升至标线。再将右梳三通活塞旋至位置A，提高水准瓶，排除气体至量气管内液面液面升至顶标线为止，将右梳三通旋至位置B，把水准瓶放在底板上，如果量管内稍微下降后保持不变，并且各吸收瓶的液面也不下降，则表示仪器不漏气，反之则表示漏气之处，应检查出并排除。本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析18取样将取回的球胆试样袋与左梳进样管相联，各吸收瓶的液面应在标线上，再将右梳三通活塞旋至与大气相通，提高水准瓶，排除气体至量气管内液面液面升至顶标线为止，关闭右梳三通活塞，把水准瓶放在底板上，将右梳三通旋至采气测量位置、左梳三通旋至进样位置，使气体进入量气管少许，此时吸入的气体中混有梳形管及各支管的空气，不能当作试样，应排入大气，故把右梳三通旋至与大气相通，提高水准瓶，排除气体至量气管内液面液面升至顶标线为止。往复上述步骤34次，方能正式取样。放低水准瓶，将球胆试样袋中的气体吸入量气管中，当液面下降至刻度线100以下少许时，调整水准瓶高度使水准瓶液面与量气管液面在同一高度，小心升高水准瓶，使量气管中液面升至刻度线100处，最后关闭左梳三通，再次检查量气管液面是否刚好在100处，如不是刚好在100处，打开左梳三通，调整至液面刚好在100处。测二氧化碳升高水准瓶，给量气管中待测气体施加压力，再打开吸收瓶1的活塞，于是待测气体进入KOH吸收瓶1，直至量气管内液面达到标线为止，然后放下水准瓶，将气体抽回，此时吸收瓶中液面刚好在吸收前的液面，如此往复吸收34次，在最后一次把气体全部吸回后，此时吸收瓶中液面刚好在吸收前的液面，关闭吸收瓶活塞、关闭右梳三通，调整水准瓶高度使水准瓶液面与量气管液面在同一高度，等待1MIN后读数。读出气体体积V1。吸收前后气体体积之差即是气体中所含CO2的体积。在读取体积读数后，应检查吸收是否完全，为此重复上述过程，如果体积之差不大于01ML，即认为已吸收完全。测不饱和烃、氧气以及一氧化碳按同样方法将剩余体积依次压入吸收瓶3，吸收瓶4，吸收瓶5、6，其测得的体积分别为V1、V2、V3。但注意，在吸收不饱和烃之后，因气体中带出溴蒸气而影响V1的准确测量，可将气体压入吸收瓶1中，吸收出去溴蒸气后在量体积V1。在吸收CO之后，因气体中带出氨蒸气而对V3有影响，可将气体压入吸收瓶6的硫酸溶液中，吸收除去后再测量体积V3。用煤气发生炉做了四次实验，第1次和第2次都是用新木炭作还原剂，改变二氧化碳的流量。在不同的温度下，用奥氏气体分析仪测得数据如表41（第1次为新木炭，VCO2035NM3/H；第2次为新木炭，VCO203NM3/H）。第3次和第4次是不改变二氧化碳的流量，改变炉内的木炭含量。在不同的温度下，用奥氏气体分析仪测得数据如表42（第4次为旧木炭，VCO205NM3/H；第4次为新木炭，VCO205NM3/H）。其中，总体积为读数为VML，吸收CO2后读数为V1ML，吸收本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析19O2后读数为V2ML，吸收CO后读数为V3ML。表41不同温度下测得的气体体积（CO2的流量不同）TVMLV1MLV2MLV3ML1212121260098498018618118217883817009669561981751951718252800938947296286286275181290093595858658857958015110210009569437657817497686574表42不同温度下测得的气体体积（CO2的流量相同）TVMLV1MLV2MLV3ML343434346009629681051959719032987009439571251831131782569800967965253264244255584690095594242350841250198104100097396968870567169611510542实验结果与分析421实验结果总体积为VML，吸收CO2后读数为V1ML，则CO2（VV1）V100式（41）吸收O2后读数为V2ML，则O2（V1V2）V100式（42）吸收CO后读数为V3ML，则CO（V2V3）V100式（43）由式（41）、式（42）和式（43），算出CO2、O2以及CO的百分含量。第1次和第2次实验结果如表43，第3次和第4次实验结果如表44。本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析20表43不同温度下气体的百分含量（CO2的流量不同）TCO2O2CO12121260081181504031019970079581703041171258006846981112286278900373386070848049910002001721714716736按照表43，绘制煤气发生炉温度与CO关系的曲线图（如图42），其中煤气发生炉两次试验都是用新木炭，CO2的流量分别为035NM3/H和03NM3/H。010203040506070806007008009001000T/CO/12图42煤气发生炉TCO关系曲线图表44不同温度下气体的百分含量（CO2的流量不同）TCO2O2CO343434600891799080568957008678091305931148007387260909192217900557461120732942110002932721709571610按照表44，绘制煤气发生炉温度与CO关系的曲线图（如图43），其中煤本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析21气发生炉两次试验CO2的流量都为05NM3/H，但是木炭的含量不同。010203040506070806007008009001000T/CO/34图43煤气发生炉TCO关系曲线图当煤气发生炉的温度恒定为850，CO2的流量为03NM3/H，且装入煤气发生炉的木炭为新木炭时，随着时间的变化，其CO的含量的变化如表45。绘制出时间T与CO关系的曲线图（如图44）。表45不同时间下CO的百分含量TH01234579CO36935433231528123216392根据表45，绘制出时间T与CO关系的曲线图（如图44）。01020304001234579T/HCO/图44煤气发生炉TCO关系曲线图本科毕业设计（论文）4实验研究及结果分析22422分析与讨论通过这次实验，证明利用CO2C2CO的原理来制CO是可行的，且具有一定的价值。在1000时，可以使CO含量达到70左右。在实验过程中，当通入CO2的流量越小，其CO的含量越高。随着温度的升高，CO2的转化率也相应的提高。从理论上讲，当炉内温度达到1000时，通入的CO2可以全部转化为CO。但实际上，最终测定出的CO的含量只有80左右，有一定的误差。在每次实验后，都应向煤气发生炉内补充木炭，以提高CO的含量。但由于煤气发生炉为横式装置，不利于炭的补充。所以，建议煤气发生炉采用竖式的发生炉。实验所得数据对转底炉煤基直接还原气氛控制这一部分提供了有利的数据，对此工艺进一步的提高有着很大的突破。本科毕业设计（论文）结论23结论转底炉煤基直接还原新流程，还原气氛是影响直接还原的重要因素之一。在还原过程中，其气氛主要是煤气燃烧后产生的CO、CO2、N2等主要成分，而气氛中的CO/CO2的比例是影响还原金属化率的重要条件之一。用CO2C2CO的原理，生成的CO，按一定比例通入炉内，可以保证炉内还原时的气氛要求，在1000时，CO的含量可以达到70左右。在实验过程中，当通入CO2的流量越小，其CO的含量越高。随着温度的升高，CO2的转化率也相应的提高。从理论上讲，当炉内温度达到1000时，通入的CO2可以全部转化为CO。但实际上，最终测定出的CO的含量只有80左右，有一定的误差。在每次实验后，都应向煤气发生炉内补充木炭，以提高CO的含量。但由于煤气发生炉为横式装置，不利于炭的补充