Produção de gás redutor do minério de ferro a partir da gaseificação do biochar proveniente do capim elefante

Resumo

O aço é um dos materiais mais importantes utilizados na sociedade moderna, sua produção é baseada no uso de matérias-primas virgens, como minério de ferro e fontes de energia fósseis, como o carvão e o petróleo. Atualmente é dada ênfase à possibilidade de substituir parte das fontes de energia fóssil na fabricação de ferro por fontes renováveis como biomassas. O uso de biomassa durante no processo de redução direta do minério de ferro (DRI) pode eliminar emissões de CO2. O presente estudo investigou a produção do gás de síntese rico em H2 e CO derivado do processo gaseificação a vapor do biochar proveniente da biomassa capim elefante. O gás de redutor apresentou uma elevada produção de H2+CO (61,1 a 90,9%) podendo ser considerado uma rota limpa e renovável.

Palavras chaves

Biochar; gaseificação a vapor; gás redutor

Introdução

O aço é um dos materiais mais importantes na sociedade moderna e é produzido, em sua maioria, a partir de matérias-primas virgens, como minério de ferro e fontes de energia fósseis, como o carvão e o petróleo (SUOPAJÄRVI; PONGRÁCZ; FABRITIUS, 2013). Cerca de 3,5-5,0% das emissões antropogênicas totais de CO2 são geradas pela produção de ferro nos altos-fornos (BFs) (CHEN; WU; LIU, 2011). O aumento dos requisitos ambientais rigorosos, especialmente com as emissões de CO2, podem dificultar o desenvolvimento da tecnologia de fabricação de ferro de alto-forno (GUO et al., 2016). A Redução direta do minério de ferro (RDI- Direct Reduction of Iron ore) é um dos principais métodos de fabricação não alto-forno, como alternativa para substituir o clássico alto-forno, para a produção do ferro. No processo DRI, não só o carvão, mas também o gás natural, os gases do carvão ou o gás de síntese produzido na gaseificação de biomassa, podem ser utilizados em um processo químico complexo, convertendo o minério de ferro em um produto altamente metalizado e estável. No entanto, métodos tradicionais de redução a base de gás requerem recursos ricos em gás natural, que são derivados de combustível fóssil (GUO et al., 2016). O gás de síntese produzido a partir de culturas energéticas pode ser aplicado como fonte de energia e redutor para a fabricação de ferro do minério de ferro. A biomassa de capim-elefante (Pennisetum Purpureum) é uma promissora fonte de energia renovável, devido ao seu rápido crescimento, resistência a doenças, adaptabilidade e fácil propagação (STREZOV; EVANS; HAYMAN, 2008). O objetivo do presente estudo é avaliar a produção de gás redutor (H2 + CO) produzido a partir da gaseificação do capim-elefante para redução de minério de ferro.

Material e métodos

O capim-elefante utilizado nos experimentos de pirólise foi plantado na unidade rural da Universidade de Caxias do Sul (UCS). A biomassa foi triturada em um moinho de facas para obter o tamanho de partícula de 19 mm e seca em uma estufa a 105 °C durante 8 h. A pirólise foi realizada com aproximadamente 1 kg de amostra num reator de parafuso a uma temperatura de 400 °C e tempo de residência de 33 min. Uma descrição completa do reator foi dada por (FERREIRA et al., 2015). O processo de gaseificação foi realizado num reator de leito fixo com vapor como agente de gaseificação. Numa corrida típica, colocou-se 35 g de biochar no reator e depois aqueceu-se para atingir a temperatura desejada de 900 °C com uma taxa de aquecimento de 10 °C/min e mantida a esta temperatura durante 60 min. Durante o aquecimento do reator, o leito foi inertizado com um fluxo de nitrogênio de 0,5 L/ min. Quando a temperatura final foi atingida, o fluxo de nitrogênio foi alterado para fluxo de vapor a cerca de 0,5 kg/h. Após a reação, o reator foi arrefecido sob fluxo de nitrogênio. O vapor não reagido foi condensado em borbulhadores acondicionados em uma caixa com água, gelo e sal e os gases não condensáveis produzidos durante o experimento foram coletados em uma região isotérmica (0, 3, 6, 9, 15, 30, 45 e 60 min). Foi utilizado um medidor de gás para medir o volume de gás produzido. As análises de gás (H2 / CO / CH4 / CO2) foram realizadas por Cromatógrafo gasoso (GC) DANI Master.

Resultado e discussão

O rendimento de pirólise no reator de rosca transportadora foi de 37,5% de biochar, 28% de bio-óleo e 34,5% de biogás. No processo de gaseificação do biochar, observou-se que todos os componentes orgânicos foram completamente convertidos em gás e, portanto, apenas a cinza permanece ao final do processo. A evolução da concentração de gás durante a gaseificação é mostrada na Figura 1. Como pode ser visto na Figura 1, o rendimento do gás redutor foi instável ao longo do tempo, no entanto, o processo de gaseificação obteve uma elevada concentração de H2 (35,9- 90,4%), a concentração de CO varia entre 0,5 e 25,2%, e sua concentração foi maior em fase inicial, enquanto o CO2 teve uma concentração (9,1-38,9%) sendo mais estável ao longo do tempo. A soma da concentração de CO e H2 estava na faixa de 61,1 a 90,9%. De acordo com (BABICH et al., 2005), a taxa do gás redutor (H2 + CO), deve ser tão alta quanto possível na faixa de 90% para uso no processo DRI. No entanto, (GUO et al., 2016) alcançaram uma medida de redução de 97% do minério de ferro com 70,9% de gás redutor. A gasificação de serragem de pinheiro foi estudada por (LV et al., 2007), os autores encontraram concentrações de H2 e CO de e 52 e 15%, respectivamente, para gaseificação a 850 °C. Esses resultados demonstram que a gasificação do biochar proveniente de capim elefante está de acordo com a gasificação de biomassa em outras literaturas.

Figura 1: Composição do gás redutor no processo de gaseificação

Conclusões

Os resultados mostram uma elevada concentração de gás redutor (H2 + CO), variando entre 61,1 a 90,9%, obtido a partir da gaseificação a vapor do biochar. No entanto, além de H2 e CO, há também uma concentração significativa de CO2 nos gases. O teor máximo de H2 atinge 90,0% aos 60 minutos enquanto o teor máximo de CO atinge 25,2% no estágio inicial do ensaio. Finalmente, esses resultados mostraram que o biochar utilizada no processo de gaseificação tem um potencial muito promissor para contribuir para uma fabricação de aço mais ecológica.

Agradecimentos

Referências

BABICH, A. et al. Visualisation of a mathematical model of blast furnace operation for distance learning purposes. Revista de Metalurgia (Madrid), v. SPEC. VOL., p. 289–293, 2005.
CHEN, T.; WU, C.; LIU, R. Steam reforming of bio-oil from rice husks fast pyrolysis for hydrogen production. Bioresource Technology, v. 102, n. 19, p. 9236–9240, 2011.
FERREIRA, S. D. et al. Pyrolysis of Medium Density Fiberboard (MDF) wastes in a screw reactor. Energy Conversion and Management, v. 92, p. 223–233, 2015.
GUO, D. et al. Direct reduction of oxidized iron ore pellets using biomass syngas as the reducer. Fuel Processing Technology, v. 148, p. 276–281, 2016.
LV, P. et al. Bio-syngas production from biomass catalytic gasification. Energy Conversion and Management, v. 48, n. 4, p. 1132–1139, 2007.
STREZOV, V.; EVANS, T. J.; HAYMAN, C. Thermal conversion of elephant grass (Pennisetum Purpureum Schum) to bio-gas, bio-oil and charcoal. Bioresource Technology, v. 99, n. 17, p. 8394–8399, 2008.
SUOPAJÄRVI, H.; PONGRÁCZ, E.; FABRITIUS, T. The potential of using biomass-based reducing agents in the blast furnace: A review of thermochemical conversion technologies and assessments related to sustainability. Renewable and Sustainable Energy Reviews, v. 25, p. 511–528, 2013.