Processo de produção de ferro usando redução direta com hidrogênio para zerar as emissão de CO2: um estudo em multi-escala das reações gás-sólido não catalíticas.

Autor(es)

Patrícia Metolina

• Tipo de documento: Tese de Doutorado
• Imprenta: São Paulo.
• Instituição: Universidade de São Paulo (USP). Escola Politécnica (EP/BC)
• Data de defesa: 2024-09-13

Membros da banca

Roberto Guardani; José Adilson de Castro; Gabriela Cantarelli Lopes; José Luis de Paiva; Tiago Ramos Ribeiro

• Orientador: Roberto Guardani

Resumo

A redução direta do minério de ferro com hidrogênio (H-DR) é uma tecnologia promissora para alcançar a neutralidade de carbono na indústria siderúrgica, oferecendo uma solução imediata para substituir o processo tradicional de produção de ferro, altamente emissor de CO2. O avanço dessa tecnologia requer uma compreensão abrangente dos mecanismos reacionais e de transporte em múltiplas escalas, uma vez que o desempenho do processo em escala macroscópica industrial é afetado significativamente pelas transformações sólidas provocadas pelas reações não-catalíticas gás-sólido na escala microestrutural das pelotas. Este estudo investiga a processo H-DR através tanto de uma abordagem experimental quanto do desenvolvimento de uma modelagem matemática mais detalhada, abrangendo as escalas de pelota e de reator. Na escala da pelota, o efeito multivariado do diâmetro (10,5-16,5 mm), porosidade (0,36-0,44) e temperatura de redução (600-1200°C) na taxa de redução direta de pelotas industriais de hematita com hidrogênio puro foi avaliado usando um planejamento experimental. Observou-se uma forte interação entre a temperatura e o tamanho da pelota, indicando que essas variáveis não podem ser analisadas independentemente. O aumento da temperatura e a diminuição do tamanho da pelota favorecem consideravelmente a taxa de redução, enquanto o efeito da porosidade na faixa estudada não foi relevante. As mudanças no tamanho das pelotas durante a redução foram consideradas desprezíveis, exceto em temperaturas acima de 1000 °C devido à formação de fissuras. Além disso, análises microscópicas de reduções parciais e completas de pelotas de óxido de ferro em temperaturas de 600 a 900°C revelaram o impacto significativo da temperatura nas mudanças microestruturais durante a redução. Paralelamente, modelos matemáticos isotérmicos e não-isotérmicos para as pelotas porosas foram desenvolvidos baseados no método dos elementos finitos para descrever os mecanismos reacionais de transporte do processo H-DR. Os modelos consideraram o modelo de grão incluindo as três reações de redução e as mudanças de porosidade, além das transformações sólidas ao longo do raio das pelotas durante o tempo de redução. Os resultados das simulações realizadas em diferentes condições mostraram uma boa concordância com os dados experimentais, e uma melhoria significativa da predição do modelo foi observada quando as mudanças na tortuosidade das pelotas foram consideradas, particularmente nas temperaturas mais altas. Além disso, as simulações das concentrações de sólidos e gás e perfis de temperatura ao longo do raio das pelotas durante o processo de redução evidenciaram o comportamento transitório do processo. Na escala de reator, modelos em multi-escala do leito móvel de pelotas foram desenvolvidos para simular as reações não catalíticas gás-sólido da redução direta do minério de ferro e avaliar parâmetros na escala de pelotas que impactam hierarquicamente o desempenho na escala de reator. O reator e as pelotas sólidas foram tratados como dois domínios físicos distintos e acoplados, permitindo o cálculo das transformações sólidas e da distribuição do escoamento do gás em ambas as escalas. Como não há dados comerciais disponíveis do processo H-DR, o modelo foi validado satisfatoriamente usando dados de plantas MIDREX de redução direta. Os resultados preditivos para o processo H-DR destacaram o impacto substancial da vazão molar de H2 no desempenho do processo. As análises de sensibilidade multivariada revelaram o efeito significativo das características estruturais das pelotas e das condições operacionais da entrada de gás no processo como a temperatura, vazão molar e concentração dos gases. O aumento da porosidade das pelotas oferece uma flexibilidade para a otimização do processo, permitindo o uso de menores percentuais de H2 e temperaturas. Adicionalmente, as simulações 2D do reator multi-escala revelaram que o processo H-DR apresenta uma maior heterogeneidade na distribuição da concentração de gases e de temperatura comparado ao processo industrial de redução direta existentes. Esses resultados fornecem informações importantes para a engenharia do sistema, permitindo otimizar as condições operacionais e configurar pelotas com características ideais para o processo H-DR, contribuindo para a implementação de tecnologias com zero emissões de CO2 no setor industrial. (AU)

• Processo FAPESP: 19/05840-3 - Modelagem matemática e simulação computacional de sistemas de reação gás-sólido em leito móvel: aplicação ao processo de redução direta do minério de ferro
• Beneficiário: Patrícia Metolina
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado