Process and thermodynamics of hydrogen reduction of iron ore
DOI:
https://doi.org/10.47385/cadunifoa.v19.n54.5249Keywords:
Redução a hidrogênio, aço verde, termodinâmica, ferro-esponja, descarbonizaçãoAbstract
The interest in hydrogen reduction of iron ore lies in the pursuit of more sustainable and efficient steel production methods, aiming at the decarbonization of the steel industry. The H-DRI technology uses green hydrogen as a reducing agent, enabling steel production with a lower environmental impact. The process involves several stages: initially, the iron ore is preheated and fed into a shaft reduction furnace, where hydrogen is injected to reduce the ore to metallic iron, generating water vapor as a byproduct. This metallic iron, known as sponge iron (DRI), is then compressed into hot briquetted iron (HBI) for easier handling and transportation. Finally, the briquettes are melted in an electric arc furnace, where carburization and adjustment of the steel composition occur. The thermodynamics of iron ore reduction by hydrogen involves endothermic reactions, requiring additional energy to maintain a constant reduction temperature. The reduction occurs through a series of stages, starting with hematite (Fe2O3) being converted into magnetite (Fe3O4) and finally into metallic iron, with wüstite (Fe(1-x)O) as an intermediate at temperatures above 570°C. The Baur-Glässner diagram is used to predict the equilibrium conditions of the reduction reactions, indicating that higher temperatures and lower degrees of gas oxidation are favorable. This technology represents a significant advancement in the production of green steel, offering a promising solution for reducing greenhouse gas emissions.
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References
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
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