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Tese de Doutorado
DOI
Documento
Autor
Nome completo
Jorge Luís Coleti
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2019
Orientador
Banca examinadora
Tenório, Jorge Alberto Soares (Presidente)
Diaz, Francisco Rolando Valenzuela
Junca, Eduardo
Paola, Jean Carlo Camasmie de
Restivo, Thomaz Augusto Guisard
Título em português
Utilização de carvões provenientes de biomassas como fonte de energia renovável na autorredução de briquetes confeccionados com poeira de aciaria LD, elétrica e ferrita de zinco.
Palavras-chave em português
Autorredução
Biomassa
Carvão
Cinética
Ferrita de zinco
Poeira de aciaria elétrica
Poeira de aciaria LD
Resumo em português
A siderurgia é uma indústria de base que gera diversos resíduos. Muitos desses com um teor metálico considerável. Parte dos resíduos necessitam ser depositados em aterros, gerando um passivo ambiental para as empresas. As poeiras de aciaria (LD e elétrica) são dois dos principais resíduos gerados por este setor. No mesmo sentido, biomassas muitas vezes são descartadas sem a devida valorização. Entre as biomassas, pode-se citar a casca de eucalipto e o rejeito de processamento da palmeira de dendê. Estes materiais, podem ser uma fonte de carbono para a redução de minérios de ferro ou resíduos que contenham óxidos de ferro. Portanto, para que haja a redução do volume destes resíduos, é necessário o conhecimento, domínio e implementação de novas rotas que permitam a reciclagem dos mesmos. Assim, o objetivo desta pesquisa foi caracterizar as poeiras de aciaria LD (PLD), aciaria elétrica (PAE), sintetizar a ferrita de zinco (FeZn) e aplicá-las na formulação de briquetes autorredutores utilizando carvões obtidos a partir de resíduo de palma, casca de eucalipto e carvão vegetal como fontes de carbono. Além disso, estudar a cinética e os mecanismos controladores envolvidos na reação de redução dos briquetes contendo essas biomassas. Para isso, as poeiras de aciaria elétrica, LD e a ferrita de zinco sintética foram caracterizadas por meio de difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura, análise de área superficial específica, espectrometria de infravermelho, análise termogravimétrica, análise granulométrica por difração à laser e espectrometria de emissão atômica por plasma acoplado indutivamente. Para os carvões foram determinados os teores de voláteis, cinzas e carbono fixo, além de, análise granulométrica e de reatividade ao CO2. Posteriormente foram confeccionados briquetes autorredutores considerando 50% em excesso de carbono da composição estequiométrica. A redução dos briquetes foi realizada em balança termogravimétrica estabelecendo patamares de temperatura de 700?C a 1100?C para utilização do método cinética FSIA "Forced Stepwise isothermal analysis". A poeira de aciaria LD apresentou um teor de ferro de 52,97% e como principais fases a magnetita e a wustita. Para a poeira de aciaria elétrica o teor de ferro foi 31,11% e o teor de zinco 19,25% e as fases encontradas foram a franklinita, magnetita e zincita. A cinética de redução dos briquetes com poeira de aciaria LD apresentou a reação química como etapa controladora com energias de ativação aparente entre 62kJ/mol e 138,6kJ/mol para a faixa de 700?C a 800?C. Para a segunda etapa entre 850?C e 950?C o controle por difusão foi identificado com energias de ativação entre 333,4kJ/mol e 450kJ/mol. Por sua vez, a redução da poeira de aciaria elétrica apresentou como etapa controladora a função de limite de fase, as energias de ativação desta etapa entre 700?C e 800?C variaram de 137,6kJ/mol a 200,3kJ/mol. A segunda etapa entre 850?C e 1000?C a difusão foi a etapa controladora com energias variando de 360,5kJ/mol a 378,8kJ/mol. Por fim, a ferrita de zinco apresentou na sua primeira etapa a reação química como etapa controladora entre 700?C e 850?C, com energias de ativação variando entre 85,8kJ/mol e 172,2kJ/mol. Para a segunda etapa entre 900 e 1000?C foi obtido um controle misto de reação química e difusão, com energias de ativação entre 143,5kJ/mol e 538,2kJ/mol.
Título em inglês
Use of biomass coals as a source of renewable energy in self-reducing briquettes of both LD and electric arc furnace dust and synthetic zinc ferrite.
Palavras-chave em inglês
Basic oxygen furnace dust
Biomass
Electric arc furnace dust
Kinetics
Self-reducing
Zinc ferrite
Resumo em inglês
The steelmaking companies generate several types of wastes. In some cases, the waste containing elevated content of iron. The electric arc furnace dust (EAFD) and the basic oxygen furnace dust (BOFD) are examples of those waste. On the other hand, biomass of eucalyptus bark and wastes from palm oil processing are discard without the proper valorization. These materials can be an alternate source of carbon to reducing process of iron oxides. Therefore, studies that encourage the use of these wastes are necessary to decrease their disposal. However, it is necessary to obtain knowledge and domain to implement new routes to recycle them. Thus, the aim of this work was to characterize the electric arc dust furnace, basic oxygen dust furnace and synthetic zinc ferric in order to elaboration self-reducing briquettes using palm oil coal, eucalyptus bark coal and charcoal as the source of carbon in process of iron oxide reduction. In addition, it was studied the kinetic parameters and controller mechanisms involved in the reduction reaction of briquettes containing biomass. To do it, the wastes and synthetic zinc ferrite were characterized by x-ray diffraction, scanning electron microscopy, surface area, size analysis and chemical analysis. It was determined the contend of ash, volatile materials and fixed carbon in the coals. In addition, the size analysis and the reactivity with CO2 were also determined. The briquettes were made containing 50% of excess of carbon. The reduction was conducted on thermobalance in the temperature range of 700-1100°C. Isothermals were applied in each 50°C with 25 minutes long in order to apply the kinetic method Forced Stepwise isothermal analysis (FSIA). The results showed that the BOFD presented 52.97% of iron and major phases are magnetite and wustite. The EAFD presented a content of iron of 31.11% and zinc of 19.25%. The mainly phases found were franklinite, magnetite and zincite. The kinetics analysis to BOFD showed that was chemical reaction with apparent activation energies between 62-138.6kJ/mol at 700-800?C. The second stage between 850- 950°C was controlled by diffusion with activation energies in the range of 333.4kJ/mol and 450kJ/mol. On the other hand, the reduction of electric arc furnace dust presented the phase-boundary function as the control stage in the range of 700-800?C. The activation energies were in the range of 137.6- 200.3kJ/mol. The second step between 850-1000°C was controlled by diffusion with activation energies from 360.5kJ/mol to 378.8kJ/mol. The synthetic zinc ferrite presented in its first step the chemical reaction as a controller mechanism between 700?C and 850?C, with activation energies from 85.8kJ/mol to 172.2kJ/mol. In the second stage between 900?C and 1000?C a mixed control of chemical reaction and diffusion was obtained, with activation energies between 143.5kJ/mol and 538.2kJ/mol.
 
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Data de Publicação
2019-10-21
 
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