第五章还原反应 第五章还原反应 金属氧化物在高温下还原为金属是火法冶金中最重要的一个冶炼过程,广泛地应用于黑色、有 色及稀有金属冶金中。火法还原按原料和产品的特点可分为以下几种情况。氧化矿或精矿直接还原 为金属,如锡精矿和铁矿石的还原熔炼;硫化精矿经氧化焙烧后再还原,如铅烧结矿、锌焙烧矿的 还原:湿法冶金制取的纯氧化物还原为金属,如三氧化钨粉的氢还原、四氯化钛的镁热还原:含两 种氧化物的氧化矿选择性还原其中一种氧化物,另一种氧化物富集在半成品中,如钛铁矿还原铁后 得出含高二氧化钛的高钛渣等。按所用还原剂的种类来划分,还原过程可分为气体还原剂还原、固 体碳还原、金属热还原等,以下将按还原剂类型来讨论氧化物的还原原理。由于火法冶金过程需要 用燃料燃烧来得到高温,而燃料与还原剂又是相互联系的,因而本章也将讨论燃烧反应的热力学 51燃烧反应 火法冶金所用的燃料中,固体燃料有煤和焦碳,其可燃成分为C;气体燃料有煤气和天然气;液 体燃料有重油等,其可燃成分主要为CO和H。冶金用还原剂有时是燃料本身,如煤和焦碳;有时是 燃料燃烧产物,如C0和H。参与燃烧的助燃剂为O主要来自空气,有时是氧化物中所含的0ε。而燃烧 和还原的气体产物则为CO2和水蒸气。因而,燃烧反应是与C-0系和C—H0系有关的反应。 5.1.1C-0系燃烧反应热力学; 碳氧系主要有以下四个反应。 碳的气化反应(也称为贝一波反应、布多耳反应) C+CO2=2CO,△G=170707-174.47T,J 煤气燃烧反应 2COO2=2CO2,△G=-56480+173.64T,J 碳的完全燃烧反应: C+O2=CO2,△G=-394133-0.84T,J 碳的不完全燃烧反应 2C+O2=2CO,△G=-223426-08431T,J (4) 反应(3)和(4)由于碳在高温下与氧反应可同时生成C0和C0,因而不能单进行研究,通常其热力 学数据由反应(1)和(2)间接求出,即反应(1)加反应(2)得出反应(3),而反应(1)的两倍加上反应 (2)得到反应(4) 由教材第111页图5-1可看出,碳的完全燃烧和不完全燃烧反应的△G在任何温度下都是负值, 温度升高变得更负,因而这两个反应在高温下能完全反应。在O2充足时,C完全燃烧成CO2,而O2不足 时将生成一部分C0,而C过剩时,将生成C0 煤气燃烧反应的ΔG随温度升高而加大,因而温度高时,C0不易反应完全。对碳的气化反应,温 度低时为正值,温度高时为负值,这一特征决定了气化反应的平衡对气相成分有着明显的影响 以下着重分析煤气燃烧反应和碳的气化反应 1.煤气燃烧反应 2C0+02=2CO2,△G°=-564840+173.64T,J第五章 还原反应 93 第五章 还原反应 金属氧化物在高温下还原为金属是火法冶金中最重要的一个冶炼过程，广泛地应用于黑色、有 色及稀有金属冶金中。火法还原按原料和产品的特点可分为以下几种情况。 氧化矿或精矿直接还原 为金属，如锡精矿和铁矿石的还原熔炼； 硫化精矿经氧化焙烧后再还原，如铅烧结矿、锌焙烧矿的 还原； 湿法冶金制取的纯氧化物还原为金属，如三氧化钨粉的氢还原、四氯化钛的镁热还原；含两 种氧化物的氧化矿选择性还原其中一种氧化物，另一种氧化物富集在半成品中，如钛铁矿还原铁后 得出含高二氧化钛的高钛渣等。 按所用还原剂的种类来划分，还原过程可分为气体还原剂还原、固 体碳还原、金属热还原等，以下将按还原剂类型来讨论氧化物的还原原理。由于火法冶金过程需要 用燃料燃烧来得到高温，而燃料与还原剂又是相互联系的，因而本章也将讨论燃烧反应的热力学。 5.1 燃 烧 反 应 火法冶金所用的燃料中，固体燃料有煤和焦碳，其可燃成分为C；气体燃料有煤气和天然气；液 体燃料有重油等，其可燃成分主要为CO和H2。冶金用还原剂有时是燃料本身，如煤和焦碳；有时是 燃料燃烧产物，如CO和H2。参与燃烧的助燃剂为O2主要来自空气，有时是氧化物中所含的02。而燃烧 和还原的气体产物则为CO2和水蒸气。因而，燃烧反应是与C—O系和C—H—O系有关的反应。 5.1.1 C—O 系燃烧反应热力学； 碳氧系主要有以下四个反应。 碳的气化反应(也称为贝—波反应、布多耳反应)： C+CO2=2CO, ΔG0 =170707－174．47T，J (1) 煤气燃烧反应 2CO+O2=2CO2, ΔG0 =－56480+173．64T，J (2) 碳的完全燃烧反应： C+O2=CO2， ΔG0 =－394133－0.84T，J (3) 碳的不完全燃烧反应： ２C+O2=２CO，ΔG0 =－223426－0.8431T，J (4) 反应(3)和(4)由于碳在高温下与氧反应可同时生成CO和C02，因而不能单进行研究，通常其热力 学数据由反应(1)和(2)间接求出，即反应(1)加反应（2）得出反应(3)，而反应(1)的两倍加上反应 (2)得到反应(4)。 由教材第111页图5—1可看出，碳的完全燃烧和不完全燃烧反应的△Go 在任何温度下都是负值， 温度升高变得更负，因而这两个反应在高温下能完全反应。在O2充足时，C完全燃烧成CO2，而O2不足 时将生成一部分CO，而C过剩时，将生成CO。 煤气燃烧反应的ΔG0 随温度升高而加大，因而温度高时，CO不易反应完全。对碳的气化反应，温 度低时为正值，温度高时为负值，这一特征决定了气化反应的平衡对气相成分有着明显的影响。 以下着重分析煤气燃烧反应和碳的气化反应。 1．煤气燃烧反应 2CO+O2＝2CO2，ΔG0 ＝一564840+173．64T，J 93