Hydrogen reduction of industrial iron ore pellets : a multi-scale study from surface to core
Heidari, Aidin (2025-08-22)
Avaa tiedosto
Sisältö avataan julkiseksi: 22.08.2025
© University of Oulu, 2025. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2025. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202506234913
Kuvaus
Tiivistelmä
The transition towards sustainable ironmaking necessitates the replacement of carbon-based reduction processes with hydrogen-based alternatives to mitigate CO₂ emissions. This study investigates the reduction behavior of two types of industrial pellets utilized in direct reduction (DRI) and blast furnaces (BFs), using hydrogen (H₂) and carbon monoxide (CO) as reducing agents. The experimental analysis utilizes ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (APXPS) to examine the surface reduction mechanisms and a thermogravimetric analysis (TGA) to evaluate kinetic parameters in bulk scale.
DRI pellets achieved a higher metallization degree during surface reduction by hydrogen due to their higher porosity. Although adding CO to the reducing gas hindered the formation of metallic iron in DRI pellet, BF pellet reached to 20% metallization degree by a mixture of 50:50 CO:H₂. However, subsequent reoxidation of the reduced iron to wüstite and magnetite occurred due to increasing partial pressure of H₂O and CO₂ on the surface of the pellets.
Investigating the effect of water vapor on the hydrogen reduction of pellets showed that although complete reduction is thermodynamically possible with 30% water vapor in the system, the reduction of wüstite to iron could not start, even at high temperatures, due to a kinetic barrier. The effect of 20% water vapor on the reduction degree was dependent on the reduction temperature. Although adding 10% water vapor decreased the rate of reduction, it did not affect the reduction degree.
Siirtyminen kestävään raudanvalmistukseen edellyttää hiilipohjaisten pelkistysprosessien korvaamista vetyyn perustuvilla vaihtoehdoilla hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi. Tämä tutkimus tarkastelee kahden teollisen pellettityypin pelkistymiskäyttäytymistä suorapelkistyksessä (DRI) ja masuunissa (BF) käyttäen pelkistimenä vetyä (H₂) ja hiilimonoksidia (CO). Kokeellinen analyysi hyödyntää painetta kontrolloivaa röntgenfotoelektronispektroskopiaa (APXPS) pinnan pelkistysmekanismien tutkimiseen sekä termogravimetristä analyysia (TGA) kineettisten parametrien arviointiin suuremmassa mittakaavassa.
Tutkittaessa pinnan pelkistymistä vedyllä DRI-pelletti saavutti korkeamman metallisaatioasteen verrattuna BF-pellettiin, mikä johtui sen suuremmasta huokoisuudesta. Metallista rautaa ei muodostunut DRI-pelletissä, kun pelkistyskaasuun vedyn lisäksi lisättiin hiilimonoksidia. Kuitenkin BF-pelletti saavutti korkeamman metallisaatioasteen (20 %), kun pelkistyskaasujen suhde oli 50:50. Pelkistyneen raudan uudelleenhapettumista wüstiitiksi ja magnetiitiksi havaittiin tapahtuvan, kun H₂O- ja CO₂-osapaineet kasvoivat pelletin pinnalla.
Tutkittaessa vesihöyryn vaikutusta pelletin vetypelkistyksen aikana havaittiin, että vaikka täydellinen pelkistyminen on termodynaamisesti mahdollista vesihöyrypitoisuuden ollessa 30 %, wüstiitin pelkistyminen raudaksi ei tapahdu edes korkeissa lämpötiloissa kineettisten esteiden takia. Vesihöyrypitoisuuden ollessa 20 % pelkistymiseen vaikutti myös käytetty pelkistyslämpötila. Vaikka 10 prosentin vesihöyrypitoisuus hidasti pelkistysnopeutta, se ei vaikuttanut pelkistysasteeseen.
Original papers
-
Heidari, A., Niknahad, N., Iljana, M., & Fabritius, T. (2021). A review on the kinetics of iron ore reduction by hydrogen. Materials, 14(24), 7540. https://doi.org/10.3390/ma14247540 https://doi.org/10.3390/ma14247540
-
Heidari, A., Ghosalya, M. K., Alaoui Mansouri, M., Heikkilä, A., Iljana, M., Kokkonen, E., Huttula, M., Fabritius, T., & Urpelainen, S. (2024). Hydrogen reduction of iron ore pellets: A surface study using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy. International Journal of Hydrogen Energy, 83, 148–161. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.094 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.094
-
Heidari, A., Heikkilä, A., Iljana, M., & Fabritius, T. (2024). A comparison between the reduction behavior of DRI and BF pellets in H2 and CO atmospheres. Journal of Sustainable Metallurgy, 10(4), 2068–2084. https://doi.org/10.1007/s40831-024-00951-x https://doi.org/10.1007/s40831-024-00951-x
-
Heidari, A., Ilmakangas, T., Pöyhtäri, S., Heikkinen, E. P., Sulasalmi, P., & Fabritius, T. (in press). The influence of water vapor on hydrogen reduction of iron ore pellets. Ironmaking & Steelmaking.
Osajulkaisut
-
Heidari, A., Niknahad, N., Iljana, M., & Fabritius, T. (2021). A review on the kinetics of iron ore reduction by hydrogen. Materials, 14(24), 7540. https://doi.org/10.3390/ma14247540 https://doi.org/10.3390/ma14247540
-
Heidari, A., Ghosalya, M. K., Alaoui Mansouri, M., Heikkilä, A., Iljana, M., Kokkonen, E., Huttula, M., Fabritius, T., & Urpelainen, S. (2024). Hydrogen reduction of iron ore pellets: A surface study using ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy. International Journal of Hydrogen Energy, 83, 148–161. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.094 https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.08.094
-
Heidari, A., Heikkilä, A., Iljana, M., & Fabritius, T. (2024). A comparison between the reduction behavior of DRI and BF pellets in H2 and CO atmospheres. Journal of Sustainable Metallurgy, 10(4), 2068–2084. https://doi.org/10.1007/s40831-024-00951-x https://doi.org/10.1007/s40831-024-00951-x
-
Heidari, A., Ilmakangas, T., Pöyhtäri, S., Heikkinen, E. P., Sulasalmi, P., & Fabritius, T. (in press). The influence of water vapor on hydrogen reduction of iron ore pellets. Ironmaking & Steelmaking.
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38841]