Briquetes autorredutores de pellet feed e biochar de bagaço de cana-de-açúcar para uso em altos-fornos: desempenho de redução e caracterização estrutural avançada

Descrição

Tipo

Tese de doutorado

Título alternativo

Self-reducing briquettes of pellet feed and sugarcane bagasse biochar for blast furnace application: reduction performance and advanced structural characterization

Primeiro orientador

Membros da banca

Cláudio Batista Vieira
Ismael Vemdrame Flores
Valdirene Gonzaga de Resende
Fabrício Vilela Parreira

Resumo

O uso de biomassa em briquetes autorredutores constitui uma alternativa promissora para reduzir o consumo de combustíveis fósseis e as emissões de CO2 na indústria siderúrgica. Esta Tese tem como objetivo investigar o desempenho de redução e de resistência mecânica de briquetes autorredutores contendo pellet feed e biochar de bagaço de cana-de-açúcar, visando sua aplicação como carga complementar em altos-fornos. No Artigo 1, avaliou-se a influência da temperatura de pirólise do biochar (250, 400 e 550 °C) sobre o comportamento dos briquetes produzidos em escala laboratorial, enquanto o Artigo 2 investigou a evolução estrutural desses aglomerados, ampliando a compreensão dos fenômenos ocorridos durante a redução. A caracterização da biomassa bruta e dos biochars obtidos revelou aumento da área superficial e da porosidade com a elevação da temperatura de pirólise, bem como a decomposição dos principais componentes da biomassa e a degradação progressiva da estrutura carbonizada. Através de ensaios interrompidos, todos os briquetes demonstraram elevado desempenho de redução até 950 °C, embora o uso de biochar pirolisado a 550 °C (B550) tenha resultado em maior grau de metalização, alcançando 86% a 1250 °C em comparação com o valor de 28% em B250. A resistência mecânica dos briquetes diminuiu com o aumento da temperatura de aquecimento, atingindo valores mínimos a 950 °C (após a isoterma). A partir dessa temperatura, observou-se um comportamento de inchamento catastrófico em B400 e B550, fortemente influenciado pela formação de whiskers de ferro, sendo mais pronunciado nos briquetes com biochars obtidos em temperaturas de pirólise mais elevadas. A contração volumétrica observada em todos os briquetes a 1250 °C foi relacionada à sinterização das partículas de ferro metálico e à formação de escória, de modo que a redução interna uniforme apresentada em B400 contribuiu para a maior resistência em altas temperaturas. Tais resultados foram sustentados por análises combinadas de MEV e micro-CT. No Artigo 3, briquetes contendo 5%, 10% e 15% em massa de biochar pirolisado a 400 °C foram produzidos em escala piloto e testados sob diferentes condições de temperatura e atmosfera representativas da zona granular do alto-forno. Ferro metálico foi identificado a 950 °C, com intensificação da metalização com o aumento da temperatura e do teor de biochar. A atmosfera redutora externa favoreceu a formação de ferro nos aglomerados; entretanto, evidenciou-se maior eficiência de redução promovida pelo carbono sólido do biochar. Em comparação com cargas tradicionais como sinter e pelota, os briquetes apresentaram desempenho de redução consideravelmente superior. Briquetes com 10% de biochar (B10) exibiram maior resistência em altas temperaturas, proporcionando o melhor equilíbrio entre eficiência de redução e integridade mecânica. A menor resistência observada em B05 e B15 foi relacionada, respectivamente, à baixa metalização e à presença de carbono residual associada ao acúmulo de gases nos briquetes. Essa Tese demonstra que as condições de pirólise do biochar e sua proporção nos briquetes impactam significativamente o desempenho metalúrgico e mecânico desses aglomerados, contribuindo para o avanço do conhecimento relacionado ao uso de biochar como agente redutor e para o desenvolvimento de rotas siderúrgicas mais sustentáveis.

Abstract

The use of biomass in self-reducing briquettes constitutes a promising alternative to reduce fossil fuel consumption and CO2 emissions in the iron and steel industry. This Thesis aims to investigate the reduction and mechanical strength performance of self-reducing briquettes containing pellet feed and sugarcane bagasse biochar for application as a complementary burden in blast furnaces. In Article 1, the influence of biochar pyrolysis temperature (250, 400, and 550 °C) on the behavior of laboratory-scale briquettes was evaluated, while Article 2 investigated the structural evolution of these agglomerates, expanding the understanding of the phenomena occurring during reduction. Characterization of the raw biomass and the resulting biochars revealed an increase in surface area and porosity with increasing pyrolysis temperature, as well as decomposition of the main biomass components and progressive degradation of the carbonized structure. Based on interrupted experiments, all briquettes exhibited high reduction performance up to 950 °C, although the use of biochar pyrolyzed at 550 °C (B550) resulted in a higher metallization degree, reaching 86% at 1250 °C compared to 28% for B250. The mechanical strength of the briquettes decreased with increasing heating temperature, reaching minimum values at 950 °C after the isothermal stage. Above this temperature, a catastrophic swelling behavior was observed in B400 and B550, strongly influenced by the formation of iron whiskers, and was more pronounced in briquettes produced with biochars obtained at higher pyrolysis temperatures. The volumetric shrinkage observed in all briquettes at 1250 °C was associated with the sintering of metallic iron particles and slag formation, so that the more uniform internal reduction observed in B400 contributed to higher strength at elevated temperatures. These results were supported by combined SEM and micro-CT analyses. In Article 3, briquettes containing 5%, 10%, and 15% by mass of biochar pyrolyzed at 400 °C were produced at pilot scale and tested under different temperature and atmospheric conditions representative of the blast furnace granular zone. Metallic iron was detected at 950 °C, with metallization intensifying as temperature and biochar content increased. The external reducing atmosphere favored iron formation in the agglomerates; however, higher reduction efficiency was predominantly driven by the solid carbon from the biochar. Compared with conventional burdens such as sinter and pellets, the briquettes exhibited considerably superior reduction performance. Briquettes containing 10% biochar (B10) showed the highest mechanical strength at elevated temperatures, providing the best balance between reduction efficiency and mechanical integrity. The lower strength observed in B05 and B15 was associated, respectively, with low metallization and with the presence of residual carbon combined with gas accumulation within the briquettes. This Thesis demonstrates that the biochar pyrolysis conditions and its proportion in the briquettes significantly affect the metallurgical and mechanical performance of these agglomerates, contributing to the advancement of knowledge related to the use of biochar as a reducing agent and to the development of more sustainable steelmaking routes.

Assunto

Engenharia metalúrgica, Metalurgia extrativa, Biochar, Pirólise, Altos-fornos, Briquetes (Combustível)

Palavras-chave

Sustentabilidade, Pirólise, Briquete autorredutor, Redução, Resistência mecânica, Alto-forno, Biochar

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