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http://hdl.handle.net/1843/79789
Type: | Tese |
Title: | Valorização sinérgica de voláteis de biomassa e rejeitos de mineração de ferro |
Authors: | Manoel Vítor Borel Gonçalves |
First Advisor: | Maurício Covcevich Bagatini |
First Co-advisor: | Ismael Vemdrame Flores |
First Referee: | Juliana Gonçalves Pohlmann |
Second Referee: | Bruno Deves Flores |
Third Referee: | Cláudio Batista Vieira |
metadata.dc.contributor.referee4: | Fabrício Vilela Parreira |
metadata.dc.contributor.referee5: | Flávio de Castro Dutra |
Abstract: | A cadeia produtiva de ferro e aço é altamente dependente de combustíveis fósseis, fazendo com que o setor contribua com cerca de 8% de toda a emissão antropogênica de CO2. Agentes redutores baseados em biomassa são considerados uma oportunidade para diminuir as emissões de CO2 fóssil. Além dos gases de efeito estufa, grandes quantidades de resíduos sólidos também são geradas no setor mínero-metalúrgico, sendo o beneficiamento do minério de ferro responsável pela geração de cerca de 1,4 bilhões de toneladas de rejeitos por ano, o que torna latente e estratégica a sua recuperação em países com alta produção de minério de ferro. Nesse contexto, a presente Tese teve como propósito investigar a redução de óxidos de ferro a partir dos voláteis de biomassa, com foco na determinação dos fenômenos envolvidos e no impacto sinergético sobre os produtos sólidos e gasosos gerados. Na primeira etapa do trabalho, avaliou-se o potencial redutor da matéria volátil proveniente do eucalipto in natura e de finos de carvão vegetal sobre o minério de ferro granulado, visando compreender os fenômenos associados aos diferentes agentes redutores. Os resultados mostraram que até 980 ºC ocorreu uma transformação mineralógica significativa, sendo a wüstita a fase majoritária obtida com ambos os tipos de biomassa. Testes interrompidos a 600 ºC evidenciaram a deposição de carbono na superfície do minério, especialmente com eucalipto in natura. As características morfológicas da wüstita indicaram que o minério reduzido pelos voláteis da biomassa in natura teve o carbono depositado como principal agente redutor, enquanto a redução com voláteis do carvão vegetal se deu principalmente pelo H2. A partir da primeira etapa, na qual se utilizou um minério de ferro de alto teor para reduzir a influência de impurezas e analisar com precisão os efeitos de agentes redutores de diferentes biomassas na mineralogia e morfologia do produto final, a segunda etapa expandiu a investigação. Ela explorou o efeito sinérgico dos voláteis do bagaço de cana-de-açúcar (SCB) em combinação com os óxidos de ferro presentes no rejeito de mineração de ferro (IOT), com foco na recuperação de ferro, na deposição de carbono no material ferroso e na produção de hidrogênio biogênico. Diferentes razões SCB/IOT foram testadas e observou-se que a menor quantidade de SCB em relação ao IOT proporcionou maior rendimento de H2, resultante principalmente do craqueamento catalítico do alcatrão. Os ensaios a 1000 ºC resultaram na obtenção de um material reduzido constituído de wüstita, faialita e ferro metálico, sendo que a maior proporção de biomassa favoreceu a metalização, atingindo 18,9% de Fe0. Contudo, na temperatura de 600 ºC foi possível obter um produto rico em magnetita (96,7%) e com 3,5% de C depositado, o que promoveu uma recuperação magnética de 98% em massa do total de rejeito tratado. Os resultados alcançados nesse trabalho propõem uma abordagem sinérgica tecnicamente viável para valorizar a matéria volátil resultante da pirólise de diferentes biomassas e como alternativa para a recuperação do ferro contido no montante de rejeitos de barragens da atividade minerária que atende a siderurgia. |
Abstract: | The iron and steel production chain is highly dependent on fossil fuels, causing the sector to contribute about 8% of all anthropogenic CO2 emissions. Biomass-based reducing agents are considered an opportunity to reduce fossil CO2 emissions. In addition to greenhouse gases, large amounts of solid waste are also generated in the mining and metallurgical sector, with iron ore beneficiation being responsible for generating approximately 1.4 billion tons of tailings per year, making their recovery crucial and strategic in countries with high iron ore production. In this context, the present Thesis aimed to investigate the reduction of iron oxides using biomass volatiles, focusing on determining the phenomena involved and the synergistic impact on the generated solid and gaseous products. In the first stage of the work, the reduction potential of volatiles from raw eucalyptus and charcoal fines on lump iron ore was evaluated, aiming to understand the phenomena associated with different reducing agents. The results showed that up to 980 ºC a significant mineralogical transformation occurred, with wüstite being the major phase obtained with both biomasses. Interrupted tests at 600 ºC evidenced carbon deposition on the ore surface, especially with raw eucalyptus. The morphological characteristics of wüstite indicated that the ore reduced by volatiles from raw biomass had carbon deposition as the main reducing agent, while the reduction with charcoal volatiles was mainly driven by H2. Based on the first stage, in which high-grade iron ore was used to minimize the influence of impurities and accurately analyze the effects of reducing agents from different biomasses on the mineralogy and morphology of the final product, the second stage expanded the investigation. It explored the synergistic effect of volatiles from sugarcane bagasse (SCB) in combination with the iron oxides present in iron ore tailings (IOT), focusing on iron recovery, carbon deposition in the ferrous material, and the production of biogenic hydrogen. Different SCB/IOT ratios were tested, and it was observed that the lower SCB amount relative to IOT provided a higher H2 yield, mainly resulting from tar catalytic cracking. The tests at 1000 ºC resulted in the production of a reduced material consisting of wüstite, fayalite, and metallic iron, with a higher biomass proportion favoring metallization, reaching 18.9% of Fe0. However, at 600 ºC it was possible to obtain a product rich in magnetite (96.7%) with 3.5% deposited carbon, promoting a magnetic recovery of 98% by mass of the total treated tailings. The results achieved in this work propose a technically viable synergistic approach to valorize the volatile matter resulting from the pyrolysis of different biomasses and as an alternative for recovering iron contained in the amount of tailings from mining activities that supply the steel industry. |
Subject: | Engenharia metalúrgica Metalurgia extrativa Resíduos sólidos industriais Óxidos de ferro Biomassa |
language: | por |
metadata.dc.publisher.country: | Brasil |
Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
Publisher Initials: | UFMG |
metadata.dc.publisher.department: | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA METALÚRGICA |
metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica, Materiais e de Minas |
Rights: | Acesso Aberto |
metadata.dc.rights.uri: | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/ |
URI: | http://hdl.handle.net/1843/79789 |
Issue Date: | 9-Aug-2024 |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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