Processo e termodinâmica da redução a hidrogênio do minério de ferro
DOI:
https://doi.org/10.47385/cadunifoa.v19.n54.5249Palavras-chave:
Redução a hidrogênio, aço verde, termodinâmica, ferro-esponja, descarbonizaçãoResumo
O interesse na redução a hidrogênio do minério de ferro reside na busca por métodos de produção de aço mais sustentáveis e eficientes, visando à descarbonização do setor siderúrgico. A tecnologia H-DRI utiliza hidrogênio verde como agente redutor, possibilitando a produção de aço com menor impacto ambiental. O processo envolve várias etapas: inicialmente, o minério de ferro é pré-aquecido e alimentado em um forno de eixo de redução, onde o hidrogênio é injetado para reduzir o minério a ferro metálico, gerando vapor de água como subproduto. Este ferro metálico, conhecido como ferro-esponja (DRI), é então comprimido em briquetes de ferro quente (HBI) para facilitar o manuseio e o transporte. Finalmente, os briquetes são fundidos em um forno elétrico a arco, onde ocorre a carburização e ajuste da composição do aço. A termodinâmica da redução do minério de ferro pelo hidrogênio envolve reações endotérmicas, necessitando de energia adicional para manter a temperatura de redução constante. A redução ocorre através de uma série de etapas, começando com a hematita (Fe2O3) que é convertida em magnetita (Fe3O4) e, finalmente, em ferro metálico, com a wüstita (Fe(1-x)O) como intermediário em temperaturas acima de 570°C. O diagrama de Baur-Glässner é utilizado para prever as condições de equilíbrio das reações de redução, indicando que temperaturas mais altas e baixos graus de oxidação do gás são favoráveis. Esta tecnologia representa um avanço significativo na produção de aço verde, oferecendo uma solução promissora para a redução das emissões de gases de efeito estufa.
Downloads
Referências
BARARZADEH LEDARI, Masoumeh; KHAJEHPOUR, Hossein; AKBARNAVASI, Hossein; EDALATI, Saeed. Greening steel industry by hydrogen: Lessons learned for the developing world. International Journal of Hydrogen Energy, v. 48, n. 94, p. 36623-36649, 5 Dec. 2023. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923022930. Acesso em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.06.058
CIRINEU, Grace Regina. "AÇO VERDE": estado da arte, desafios e perspectivas para a siderurgia sustentável no Brasil. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/18562. Acesso em: 16/04/2024
DE LA GARZA, Alejandro. TIME (USA). The world’s steel comes at a steep climate cost. A Swedish company is trying to change that. 28 Apr. 2022. Disponível em: https://time.com/6171369/ssab-sweden-green-steel/. Acesso em: 5 maio. 2024.
EL-HUSSINY, Naglaa; SHALABI, Mohamed E. H. A self-reduced intermediate product from iron and steel plants waste materials using a briquetting process. Powder Technology, v. 205, n. 1-3, p. 217-223, 10 Jan. 2011. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0032591010005036. Acesso em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.09.017
ELSADEK, Mohamed; MOUSA, Elsayed; AHMED, Hesham. Green approach to ironmaking: Briquetting and hydrogen reduction of mill scale using novel binders. International Journal of Hydrogen Energy, v. 62, p. 732-738, 10 Apr. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319924009844.Acesso em: 09/05/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.03.152
GERBASE, Annelise Engel. Sinterização em fornos rotativos no processo SL/RN: estudo em laboratório. Trabalho realizado na Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e dos Materiais - PPGEM, Porto Alegre. p. 91. 1979. Disponível em: http://hdl.handle.net/10183/189692. Acesso em: 16/04/2024
KHAN, Muhammad Haider Ali; SITARAMAN, Tarun; HAQUE, Nawshad; LESLIE, Greg; SAYDAM, Serkan; DAIYAN, Rahman; AMAL, Rose;
KARA, Sami. Strategies for life cycle impact reduction of green hydrogen production – Influence of electrolyser value chain design. International Journal of Hydrogen Energy, v. 62, p. 769-782, 10 Apr. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319924000922. Acesso em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.01.081
KYOTO, Protocol. Kyoto Protocol. United Nations Framework Convention on Climate Change (CMNUCC),p. 22, 1997. Disponível em: https://unfccc.int/resource/docs/convkp/kpeng.pdf. Acesso em: 16/04/2024
LI, Yunfei; LIN, Richen; O'SHEA, Richard; THAORE, Vaishali; WALL, David; MURPHY, Jerry D. A perspective on three sustainable hydrogen production technologies with a focus on technology readiness level, cost of production and life cycle environmental impacts. Heliyon, v. 10, n. 5, 15 Mar. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844024026689 Acesso em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e26637
MOLINA, Santiago; GOMEZ-SORIANO, Josep; LOPEZ-JUAREZ, Marcos; OLCINA-GIRONA, Miguel. Evaluation of the environmental impact of HCNG light-duty vehicles in the 2020–2050 transition towards the hydrogen economy. Energy Conversion and Management, v. 301, 1 Feb. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890423013146. Acesso em: 09/05/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117968
OLIVEIRA, Rhayza Victoria Matos; COSTA, José Arnaldo Santana; ROMÃO, Luciane Pimenta Cruz. Bifunctional green nanoferrites as catalysts for simultaneous organic pollutants reduction and hydrogen generation: Upcycling strategy. Journal of Environmental Management, v. 351, Feb. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0301479723027822.Acesso em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.119994
RIBEIRO, Tiago Ramos. Reforma catalítica de metano para redução direta de ferro. 2019. Tese (Doutorado em Engenharia Metalúrgica e de Materiais) - Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2019. doi:10.11606/T.3.2019.tde-17122020-120229. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-17122020-120229/pt-br.php. Acesso em: 09/05/2024
SEFTEJANI, Masab Naseri*; SCHENK, Johannes. Thermodynamics of liquid iron ore reduction by hydrogen thermal plasma. Metals. This article belongs to the special edition Ironmaking and Steelmaking, vol. 8, no. 12, 1051,p. 1-17, 11 Dec. 2018. Disponível em: https://doi.org/10.3390/met8121051. Acesso em: 16/04/2024 DOI: https://doi.org/10.3390/met8121051
SILVA, André Carlos. Simulação computacional da redução direta de minério de ferro em fornos MIDREX. 2010. 158 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2010. Disponível em : http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2433. Acesso em: 13/04/2024
SPRINGER, Hauke; SOUZA FILHO, Isnaldi R.; CHOISEZ, Laurine; ZARL, Michael Andreas; QUICK, Christian; HORN, Alexander; SCHENK, Johannes. Iron ore wires as consumable electrodes for the hydrogen plasma smelting reduction in future green steel production. Sustainable Materials and Technologies, v. 39, Apr. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214993723002208. Acesso em: 09/05/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.susmat.2023.e00785
SSAB (Suécia). SSAB entrega primeiro aço livre de combustíveis fósseis do mundo. 31 ago. 2021. Disponível em: https://www.ssab.com/pt-br/noticias/2021/08/ssab-entrega-primeiro-aco-livre-de-combust%C3%ADveis-fosseis-do-mundo. Acessado em: 6 abr. 2024.
TRINCA, Antonio; PATRIZI, Daniele; VERDONE, Nicola; BASSANO, Claudia ; VILARDI, Giorgio. Toward green steel: Modeling and environmental economic analysis of iron direct reduction with different reducing gases. Journal of Cleaner Production, v. 427, 15 Nov. 2023. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652623032390#:~:text=2.1.%20Reaction%20kineticsReduction%20reactions. Acessado em: 13/04/2024
UNIDO, UNITED NATIONS INDUSTRIAL DEVELOPMENT ORGANIZATION; Viena. Major global economies announce collaboration to drive the global decarbonization of steel and cement. 01 Jun. 2021. Disponível em: https://www.unido.org/news/major-global-economies-announce-collaboration-drive-global-decarbonization-steel-and-cement. Acesso em: 5 maio. 2024.
WANG, Changlong; WALSH, Stuart D. C.; WENG, Zhehan; HAYNES, Marcus W.; SUMMERFIELD, Daisy; FEITZ, Andrew. Green steel: Synergies between the Australian iron ore industry and the production of green hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, v. 48, n. 83, p. 32277-32293, 1 Oct. 2023. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319923022930.Acessado em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.05.041
YAO, Shang Heng; ZHU, Haojun; ZHANG, Si; CHANG, Huimin; WANG, Heming. Green steel: The future path towards sustainable automotive manufacturing. Resources, Conservation and Recycling, v. 200, Jan. 2024. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921344923004536. Acessado em: 13/04/2024 DOI: https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2023.107319
ZUGLIANO, Alberto; PRIMAVERA, Alessandra; PIGNATTONE, Dino; MARTINIS, Alessandro*. Online modelling of ENERGIRON direct reduction shaft furnaces. 16th IFAC Symposium on Automation in Mining, Mineral and Metal Processing, San Diego, California, USA, p. 346-351, 25-28 Aug. 2013. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1474667016313349 Acesso em: 16/04/2024 DOI: https://doi.org/10.3182/20130825-4-US-2038.00013
Downloads
Publicado
Como Citar
Edição
Seção
Licença
Copyright (c) 2024 Cadernos UniFOA
Este trabalho está licenciado sob uma licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Declaração de Transferência de Direitos Autorais - Cadernos UniFOA como autor(es) do artigo abaixo intitulado, declaro(amos) que em caso de aceitação do artigo por parte da Revista Cadernos UniFOA, concordo(amos) que os direitos autorais e ele referentes se tornarão propriedade exclusiva desta revista, vedada qualquer produção, total ou parcial, em qualquer outra parte ou meio de divulgação, impressa ou eletrônica, sem que a prévia e necessária autorização seja solicitada e, se obtida, farei(emos) constar o agradecimento à Revista Cadernos UniFOA, e os créditos correspondentes. Declaro(emos) também que este artigo é original na sua forma e conteúdo, não tendo sido publicado em outro periódico, completo ou em parte, e certifico(amos) que não se encontra sob análise em qualquer outro veículo de comunicação científica.
O AUTOR desde já está ciente e de acordo que:
- A obra não poderá ser comercializada e sua contribuição não gerará ônus para a FOA/UniFOA;
- A obra será disponibilizada em formato digital no sítio eletrônico do UniFOA para pesquisas e downloads de forma gratuita;
- Todo o conteúdo é de total responsabilidade dos autores na sua forma e originalidade;
- Todas as imagens utilizadas (fotos, ilustrações, vetores e etc.) devem possuir autorização para uso;
- Que a obra não se encontra sob a análise em qualquer outro veículo de comunicação científica, caso contrário o Autor deverá justificar a submissão à Editora da FOA, que analisará o pedido, podendo ser autorizado ou não.
O AUTOR está ciente e de acordo que tem por obrigação solicitar a autorização expressa dos coautores da obra/artigo, bem como dos professores orientadores antes da submissão do mesmo, se obrigando inclusive a mencioná-los no corpo da obra, sob pena de responder exclusivamente pelos danos causados.
