Green Ironmaking – Direct Reduction of Iron Ore Pellets with Hydrogen Gas at Varying Temperature

Abstract

Dagens jernproduksjon (Fe) med masovner er et voksende miljøproblem, ettersom det brukes store mengder med råmaterialer som bidrar til mye CO2-utslipp. Direkte redusert jernproduksjon (DRI) med hydrogen (H2) har vekket stor interesse grunnet bærekraftig utvikling og den grønne omstillingen, ettersom denne prosessen bidrar med mindre CO2-utslipp. Hovedprinsippet med oppgaven har dermed blitt å studere hvilke temperaturer som oppnår best direkte reduksjon av jernmalm pellets i hydrogen atmosfære.

Jernmalm pelletene undersøkt under det eksperimentelle arbeidet er levert fra Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) i Sverige. Den eksperimentelle metoden som oppgaven opprinnelig var basert på var Termogravimetrisk analyse (TGA), men grunnet instrument feil, ble eksperimentene utført med en høy-temperatur vakuum ovn i stedet, ved bruk av H2 gass som reduksjonsmiddel. De reduserte prøvene ble analysert ved bruk av elektronmikroskop (SEM) og elektronspektroskopi mikroskop (SEM-EDS), for å observere endringer i overflate struktur og kjemisk sammensetning. Modelleringsprogramvaren HSC Chemistry 9 (Metso Outotec) ble brukt til beregninger ved likevekt for å undersøke mengde rent jern som ideelt kunne bli produsert ved de ulike temperaturene undersøkt.

Det ble oppdaget at høyere temperaturer bidro til bedre reduksjon av jernmalm pelletene med stor indikasjon som viste til større mengder jern produsert og mer porøs pellet struktur. Fremtidig arbeid burde undersøke reduksjonen ved høyere temperaturer ved å bruke TGA instrument. I tillegg kan det være interessant å variere gass sammensetning og trykket i reaksjonskammeret for å undersøke deres effekt på den reduserende jernpelleten.

Today’s iron (Fe) production using blast furnaces is a growing environmental problem, as coal as a raw material contributes to significant CO2 emissions. Direct reduced iron (DRI) production with hydrogen (H2) has raised interest regarding sustainability and the green transition, as this process contributes to lower CO2 emissions. The primary purpose of the present work has therefore been to study at which temperature the best direct reduction of iron ore pellets in a hydrogen atmosphere is achieved.

The iron ore pellets examined in the experimental part of the work were obtained from Luossavaara-Kiirunavaara Aktiebolag (LKAB) in Sweden. The experimental method that the project was initially based on was Thermogravimetric Analysis (TGA). However, due to instrumental failure, the experiments were performed in a High-Temperature Vacuum Furnace instead using H2 gas as the reducing agent. The reduced samples were analysed using a Scanning Electron Microscope (SEM) and Electron Dispersive Spectroscopy (EDS) to observe any changes in surface structure and chemical composition. The modelling software HSC Chemistry 9 (Metso Outotec) was used to perform calculations at equilibrium to observe the amount of pure iron that ideally could be produced at the different temperatures investigated.

It was established that higher temperatures contribute to a better direct reduction of the iron ore pellets with strong indications of a more significant amount of iron produced and a more porous pellet structure. Future work should investigate the reduction at higher temperatures and be carried out using TGA equipment. In addition, it may be interesting to vary the gas composition and the pressure in the reaction chamber to investigate their effect on the reducing iron ore pellets.