Towards lower CO₂ emissions in iron and steelmaking : hydrogen-assisted reduction and cement-free briquettes

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>The European Union has set an ambitious target to limit the global temperature increase to less than 2°C. To fulfill this goal, the carbon emissions level should be reduced to 80–95% of the 1990 level by 2050. One of the most energy-intensive industries worldwide is the iron and steel industry. One approach to tackling this issue is to eliminate fossil-based reducing agents and utilize hydrogen to produce iron. Moreover, massive quantities of carbon and iron-bearing residues are generated at different stages of the steelmaking processes. In this research, the influence of hydrogen and water vapor on the reduction of acid iron ore pellets was studied in conditions simulating an operating blast furnace. Pellets reduced in a hydrogen-containing gas were found to achieve a higher reduction rate and extent, and also resulting in higher surface area and porosity. Additionally, several side streams from iron and steelmaking were used to produce cold bonded briquettes for use in a blast furnace utilizing an ettringite \((\mathrm{C}_{3}\mathrm{A}•3\mathrm{C\bar{S}}•32\mathrm{H})\) -based binder. The ettringite-based binder was produced primarily using ladle slag and used as an alternative to ordinary Portland cement as a binder in briquettes. Briquettes produced using ettringite-based binder were found to possess several technical, environmental, and economic advantages, including excellent compression and drop damage resistance compared to reference briquettes made using ordinary Portland cement, especially after 2 and 7 days of curing. Moreover, laboratory tests were conducted to assess the suitability of self-reducing and slag-forming briquettes produced from side streams to be used in an electric arc furnace. Briquettes were made using organic and inorganic binders. Tests were carried out to assess the mechanical, chemical, and thermal properties through a series of tests, including a thermogravimetric analyzer (TGA) coupled with a mass spectrometer (MS), dilatometry, and melting trials. Based on the laboratory test results, two briquettes out of the seven tested briquettes were deemed suitable for an electric arc furnace, three of the briquettes were considered unsuitable, and two of the briquettes were considered of limited use. </p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Euroopan Unioni on asettanut kunnianhimoisen tavoitteen rajoittaa maapallon lämpötilan nousu alle 2 °C:seen. Jotta tavoitteeseen päästäisiin, vuoteen 2050 mennessä hiilidioksidipäästöjä tulisi vähentää 80–95 % verrattuna vuoden 1990 tasoon. Yksi maailman energiaintensiivisimmistä teollisuuden aloista on raudan ja teräksen valmistus. Eräs keino on vähentää fossiiliperäisten pelkistysaineiden käyttöä ja hyödyntää vetyä raudan valmistuksessa. Lisäksi valtavat määrät hiiltä ja rautaa sisältäviä sivuvirtoja muodostuu eri vaiheissa teräksen valmistuksen prosessiketjua. Tässä työssä on tutkittu vedyn ja vesihöyryn vaikutusta happamien rautapellettien pelkistymiseen masuunia jäljittelevissä olosuhteissa. Vetyä sisältävässä kaasuatmosfäärissä pelkistetyt pelletit pelkistyivät nopeammin ja saavuttivat korkeamman pelkistysasteen suuremman BET pinta-alan ja huokoisuuden ansiosta. Lisäksi useita raudan ja teräksen valmistuksen sivuvirtoja käytettiin kylmäpuristettujen masuunibrikettien valmistuksessa hyödyntäen ettringiitti \((\mathrm{C}_{3}\mathrm{A}•3\mathrm{C\bar{S}}•32\mathrm{H})\) -pohjaista sideainetta. Ettringiitti-pohjainen sideaine valmistettiin etupäässä senkkakuonasta ja sillä korvattiin perinteinen Portland-sementti briketin sideaineena. Ettringiitti-pohjaisesta sideaineesta valmistetuissa briketeissä havaittiin useita teknisiä, taloudellisia ja ympäristöön liittyviä etuja verrattuna Portland-sementistä valmistettuihin referenssibriketteihin kuten erinomainen puristuslujuus ja vähäinen vaurioalttius pudotuksessa erityisesti 2 ja 7 päivän kovettumisen jälkeen. Lisäksi selvitettiin sivutuotevirroista valmistettujen itsepelkistyvien ja kuonaa muodostavien brikettien soveltuvuutta valokaariuuniprosessiin laboratoriokokein. Briketeissä käytettiin sekä orgaanisia että epäorgaanisia sideaineita. Mekaanisia, kemiallisia ja korkealämpötilaominaisuuksia arvioitiin tekemällä erilaisia testejä kuten termogravimetria (TGA) yhdistettynä massaspektrometriin (MS) sekä dilatometri- ja sulamiskokeita. Laboratoriotestitulosten pohjalta seitsemästä brikettilaadusta kahden todettiin soveltuvan valokaariuuniin, kolme brikettilaatua osoittautui ei-soveltuviksi valokaariuuniin ja kahden arvioitiin soveltuvan rajoitetusti valokaariuuniin.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Abdelrahim, A., Iljana, M., Omran, M., Vuolio, T., Bartusch, H., & Fabritius, T. (2020). Influence of H2–H2O content on the reduction of acid iron ore pellets in a CO–CO2–N2 reducing atmosphere. ISIJ International, 60(10), 2206–2217. <a href="https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-734">https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-734</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020061142827">Self-archived version</a></p></li><li><p>Abdelrahim, A., Nguyen, H., Omran, M., Kinnunen, P., Iljana, M., Illikainen, M., & Fabritius, T. (2022). Development of cold-bonded briquettes using by-product-based ettringite binder from ladle slag. Journal of Sustainable Metallurgy, 8(1), 468–487. <a href="https://doi.org/10.1007/s40831-022-00511-1">https://doi.org/10.1007/s40831-022-00511-1</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2022051635649">Self-archived version</a></p></li><li><p>Abdelrahim, A., Aula, M., Iljana, M., Willms, T., Echterhof, T., Steinlechner, S., Mombelli, D., Mapelli, C., Omran, M., Preiss, S., & Fabritius, T. (2022). Suitability of self‐reducing and slag‐forming briquettes for electric arc furnace use based on laboratory tests. Steel Research International, 93(2), 2100472. <a href="https://doi.org/10.1002/srin.202100472">https://doi.org/10.1002/srin.202100472</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202201199474">Self-archived version</a></p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Abdelrahim, A., Iljana, M., Omran, M., Vuolio, T., Bartusch, H., & Fabritius, T. (2020). Influence of H2–H2O content on the reduction of acid iron ore pellets in a CO–CO2–N2 reducing atmosphere. ISIJ International, 60(10), 2206–2217. <a href="https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-734">https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2019-734</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2020061142827">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Abdelrahim, A., Nguyen, H., Omran, M., Kinnunen, P., Iljana, M., Illikainen, M., & Fabritius, T. (2022). Development of cold-bonded briquettes using by-product-based ettringite binder from ladle slag. Journal of Sustainable Metallurgy, 8(1), 468–487. <a href="https://doi.org/10.1007/s40831-022-00511-1">https://doi.org/10.1007/s40831-022-00511-1</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe2022051635649">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li><li><p>Abdelrahim, A., Aula, M., Iljana, M., Willms, T., Echterhof, T., Steinlechner, S., Mombelli, D., Mapelli, C., Omran, M., Preiss, S., & Fabritius, T. (2022). Suitability of self‐reducing and slag‐forming briquettes for electric arc furnace use based on laboratory tests. Steel Research International, 93(2), 2100472. <a href="https://doi.org/10.1002/srin.202100472">https://doi.org/10.1002/srin.202100472</a></p><p><a href="https://urn.fi/urn:nbn:fi-fe202201199474">Rinnakkaistallennettu versio</a></p></li></ol></div>