Trong công nghiệp luyện kim, gang được sản xuất bằng phương pháp luyện kim đen trong lò cao hoạt động liên tục. Giả sử một mẻ lò cao sản xuất 56 tấn gang chứa 96% sắt và 4% carbon về khối lượng. Để vận hành mẻ luyện gang này, người ta nạp vào lò quặng hematite (chứa 96% Fe2O3 về khối lượng còn lại là SiO2), than cốc (chứa 90% carbon về khối lượng còn lại là tạp chất trơ) và đá vôi kỹ thuật (chứa 95% CaCO3 về khối lượng còn lại là tạp chất trơ) vừa đủ để chuyển hóa hoàn toàn SiO2 thành xỉ. Đồng thời, người ta thổi vào lò 95193,6 m³ không khí giàu oxygen (chứa 25% O2 và 75% N2 về thể tích) để đốt cháy than cốc nhằm cung cấp nhiệt lượng và tạo ra chất khử. Khí thoát ra ở đỉnh lò cao chỉ gồm ba khí N2, CO2 và CO, trong đó N2 chiếm 53,57% về thể tích. Biết toàn bộ nguyên tố Fe trong quặng được khử và chuyển vào gang; các tạp chất trơ không tham gia phản ứng và được hòa tan hoàn toàn trong xỉ lỏng. Các khí thoát ra ở điều kiện chuẩn, tỉ lệ về thể tích cũng bằng tỉ lệ về số mol.
a) Viết phương trình hóa học xảy ra ở các quá trình tạo chất khử, khử Fe2O3 và tạo xỉ.
b) Tính khối lượng quặng hematite (tấn) và khối lượng đá vôi kỹ thuật (tấn) tối thiểu đã nạp vào lò cao.
c) Tính khối lượng than cốc (tấn) tối thiểu đã tiêu thụ cho mẻ sản xuất trên.
d) Tín chỉ carbon là một loại “giấy phép”, theo quy ước, 1 tín chỉ carbon cho phép doanh nghiệp được quyền phát thải 1 tấn CO2 vào khí quyển (1 mol CO cũng được quy đổi thành 1 mol CO2). Theo luật, mức phát thải CO2 miễn phí là 1,5 tấn CO2/tấn gang. Nếu vượt quá mức phát thải miễn phí, phải mua thêm tín chỉ carbon, giá của mỗi tín chỉ carbon trên sàn giao dịch hiện tại là 250000 VND. Tính số tiền (VND) mà nhà máy phải bỏ ra để mua thêm tín chỉ carbon khi sản xuất lượng gang trên.
(a) Quá trình tạo chất khử:
C + O2 (t°) —> CO2
C + CO2 (t°) —> 2CO
Quá trình khử Fe2O3:
CO + 3Fe2O3 (t°) —> 2Fe3O4 + CO2
CO + Fe3O4 (t°) —> 3FeO + CO2
CO + FeO (t°) —> Fe + CO2
Quá trình tạo xỉ:
CaCO3 (t°) —> CaO + CO2
CaO + SiO2 (t°) —> CaSiO3
(b) mFe = 56.96% = 53,76 tấn
—> m quặng = 53,76.160/(2.56.96%) = 80 tấn
mSiO2 = 80.4% = 3,2 tấn
—> m đá vôi kỹ thuật = 3,2.100/(60.95%) = 5,614 tấn
(c) Khí đưa vào lò (tổng 3840 kmol) gồm N2 (2880 kmol) và O2 (960 kmol)
—> n khí thoát ra khỏi lò = 2880/53,57% = 5376,14 kmol
—> nCO2 + nCO thoát ra khỏi lò = 5376,14 – 2880 = 2496,14 kmol = 2,49614 (triệu mol)
nC (từ CaCO3) = nSiO2 = 3,2/60 = 0,05333 (triệu mol)
mC trong gang = 56.4% = 2,24 tấn
—> m than cốc đưa vào lò = [12(2,49614 – 0,05333) + 2,24]/90% = 35,06 tấn
(d) mCO2 phát thải quy đổi = 44.2,49614 = 109,83 tấn
mCO2 miễn phí = 56.1,5 = 84 tấn
mCO2 chênh lệch cần mua = 109,83 – 84 = 25,83 tấn
Số tiền = 250.25,83 = 6457,5 (nghìn đồng)