Tese de Doutorado

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.

The direct reduction of iron ore with hydrogen (H-DR) is a promising technology for achieving carbon neutrality in the steel industry, providing an immediate solution to replace the traditional carbon-intensive iron production process. Advancing this technology requires a comprehensive understanding of reaction and transport mechanisms across multiple scales, as the performance of the process at the industrial macroscopic scale is significantly affected by solid transformations driven by non-catalytic gas-solid reactions at the microstructural scale of the pellets. This study investigates the H-DR process through an experimental approach and the development of a detailed mathematical model, encompassing both pellet and reactor scales. At the pellet scale, a multivariate experimental design of direct reduction of industrial hematite pellets using pure hydrogen was investigated to evaluate the effect of pellet diameters (10.516.5 mm), porosity (0.360.44), and temperature (6001200°C) on the reduction rate of the process. A strong interactive effect between temperature and pellet size was observed, indicating that these variables cannot be analyzed independently. Increasing the temperature and decreasing the pellet size significantly favor the reduction rate, while the effect of porosity within the studied range was not relevant. Changes in pellet size during the reduction were negligible, except at temperatures above 1000°C due to crack formation. Microscopic analysis of complete and partial reduction of iron oxide pellets at temperatures from 600 to 900°C revealed the significant impact of temperature on microstructural changes during reduction. Furthermore, isothermal and non-isothermal mathematical models for porous pellets were developed based on the finite element method to describe the reaction and transport mechanisms of the H-DR process. The models considered the grain model, including the three reduction reactions and changes in porosity, as well as solid transformations along the pellet radius during reduction. Simulation results under different conditions showed good agreement with experimental data, and a significant improvement in model prediction was observed when changes in pellet tortuosity were considered, particularly at higher temperatures. Additionally, simulations of solid and gas concentrations and temperature profiles along the pellet radius during the reduction process highlighted the transient behavior of the process. At the reactor scale, a multiscale moving-bed reactor model was developed to simulate non-catalytic gas-solid reactions and evaluate parameters at the pellet scale that hierarchically impact the performance at the reactor scale. The reactor and solid particles were treated as two distinct coupled physical domains, enabling the computation of solid transformations and gas flow distribution along both scales. Since no commercial H-DR data was available, the model was successfully validated using the MIDREX direct reduction process. Predictions for the H-DR process highlight the substantial impact of H2 molar flow on reactor performance. A sensitivity multivariate analysis revealed the significant effect of pellet structural characteristics and gas inlet operational conditions, such as temperature, molar flow rate, and gas concentration. Increased pellet porosity offers flexibility for process optimization, enabling the use of lower H2 percentages and temperatures. Additionally, 2D simulations of the multi-scale reactor showed that the H-DR process exhibits greater heterogeneity in gas concentration and temperature distribution compared to existing industrial direct reduction processes. These findings offer critical insights for system engineering, enabling the optimization of operational conditions and the design of pellets with ideal characteristics for the H-DR process, thereby advancing the implementation of CO2-free technologies.