Avaliação de minérios e rejeitos industriais à base de ferro como transportadores de oxigênio e do resíduo do algodão colorido para o processo Biomass Chemical Looping Gasification – BCLG

dc.contributor.advisorMelo, Dulce Maria de Araújo
dc.contributor.advisor-co1Rubio, Iñaki Adánez
dc.contributor.advisorIDhttps://orcid.org/0000-0001-9845-2360pt_BR
dc.contributor.advisorLatteshttp://lattes.cnpq.br/3318871716111536pt_BR
dc.contributor.authorSantiago, Rebecca Araújo Barros do Nascimento
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/1877747013074680pt_BR
dc.contributor.referees1Delmonte, Mauricio Roberto Bomio
dc.contributor.referees1IDhttps://orcid.org/0000-0001-9016-4217pt_BR
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/9558299312183852pt_BR
dc.contributor.referees2Braga, Renata Martins
dc.date.accessioned2024-04-18T23:33:02Z
dc.date.issued2023-11-14
dc.description.abstractThe reduction of anthropogenic greenhouse gas (GHG) emissions has become one of the main environmental concerns of this century. Limiting global warming to 1.5°C by 2100, as established in the Paris Agreement, requires minimizing cumulative emissions of CO2 and other GHGs such as methane (CH4). In this context, the use of biofuels (biomass) combined with Carbon Capture and Storage (CCS) processes presents an attractive solution to achieve zero carbon dioxide emissions in industrial processes. Biomass Chemical Looping Gaseification (BCLG) has emerged as an innovative and advantageous option compared to conventional gasification, as it produces high-purity synthesis gas, undiluted with N2, and with lower energy and economic penalties. A fundamental criterion in the development of the BCLG process is the appropriate selection of an oxygen carrier (OC). Iron-based ores and waste materials are attractive in industrial Chemical Looping (CL) applications due to their low cost, abundance, and heterogeneous composition. Therefore, this doctoral thesis aims to assess the potential of four iron-based oxygen carriers: Brazilian iron ore (Carajás - CRJ), iron industry waste (Derramamento – DRM) and (Carepa - CRP), as well as a physical mixture of DRM with eggshell waste (DRM-RCO), for subsequent application in the BCLG process. The energy potential of colored cotton residue (BRAC) was analyzed through characterization techniques such as apparent density, proximate analysis, calorific value, and elemental chemical analysis. The oxygen carriers were evaluated using techniques such as X-ray Fluorescence (XRF), X-ray Diffraction (XRD), laser granulometry, picnometry, Field Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) with Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), Temperature Programmed Reduction (TPR), mechanical resistance, frictional loss (Air Jate Index), and reactivity assessment by thermogravimetry. Following the characterizations, it was found that BRAC biomass is a potential fuel due to its promising compositional and energetic characteristics for the BCLG process. Additionally, the CRJ oxygen carrier exhibited suitable physico-chemical properties to be evaluated in the discontinuous fluidized bed reactor – Batch Reactor, under conditions similar to CLC, using H2, CO, and CH4 as different fuel gases at temperatures of 850 °C, 900 °C, and 950 °C. The CRJ particles post-Batch were assessed by characterization techniques: mechanical resistance, AJI, XRD, FE-SEM, and reactivity analysis with H2 and CH4. It was possible to conclude that the CRJ carrier showed good fuel conversion and reactivity with H2, followed by CO fuel, and finally, with CH4. Furthermore, it did not exhibit carbon deposition, and minimal frictional loss was observed during 12 hours of operation, resulting in a service life of 12.030 hours. After tests in the Batch Reactor, the CRJ oxygen carrier did not experience agglomeration or defluidization issues and maintained its reactivity under hydrogen gas.pt_BR
dc.description.embargo2025-01-25
dc.description.resumoA redução das emissões antropogênicas de gases de efeito estufa (GEE) tornou-se uma das principais preocupações ambientais enfrentadas neste século. Limitar o aquecimento global a 1,5 ºC até 2100, conforme estabelecido no Acordo de Paris, requer minimizar as emissões cumulativas de CO2 e de outros GEE, como o metano (CH4). Nesse contexto, a utilização de biocombustíveis (biomassas) associado a processos de Captura e Armazenamento de CO2 (CAC) apresenta-se como uma solução atrativa a fim de alcançar zero emissões de dióxido de carbono em processos industriais. Biomass Chemical Looping Gaseification – BCLG surgiu como uma opção inovadora e vantajosa em relação a gaseificação convencional, pois produz gás de síntese de elevada pureza, não diluído em N2 e com menor penalidade energética e econômica. Um critério fundamental no desenvolvimento do processo BCLG é a seleção adequada de um transportador de oxigênio (TO). Minérios e rejeitos à base de ferro são atrativos em aplicações industriais Chemical Looping (CL) devido a seu baixo custo, abundância e composição heterogênea. Em vista disso, esta tese de doutorado tem como objetivo avaliar o potencial de quatro transportadores de oxigênio à base de ferro, como minério de ferro do Brasil (Carajás - CRJ), resíduos de ferro da indústria siderúrgica (Derramamento – DRM) e (Carepa - CRP), com também da mistura física do DRM com o resíduo da casca de ovo (DRM-RCO), para posterior aplicação no processo BCLG. Dessa forma, analisou-se o potencial energético do resíduo do algodão colorido (BRAC) através de técnicas de caracterizações como densidade aparente, análise imediata, poder calorífico e análise química elementar. Os transportadores de oxigênio foram avaliados por técnicas como Florescência de Raios X (FRX), Difração de Raios X (DRX), Granulometria a laser, Picnometria, Microscopia Eletrônica de Varredura por emissão de campo (MEV-FEG) com Espectroscopia por Energia Dispersiva de Raios X (EDX), Temperatura Programada de Redução (RTP), resistência mecânica, perda por atrito (Air Jate Index) e avaliação da reatividade por termogravimetria. Após às caracterizações, verificou-se que a biomassa BRAC é um potencial combustível pois apresentou características composicionais e energéticas promissoras para o processo BCLG. Como também, que o TO CRJ possuía propriedades físico-químicas apropriadas para ser avaliado no reator de leito fluidizado descontínuo – Reator Batch, sob condições semelhantes às de CLC, utilizando como gás combustível H2, CO e CH4 a diferentes temperaturas (850 °C, 900 °C e 950 °C). As partículas CRJ pós-Batch foram avaliadas por técnicas de caracterização: Resistência mecânica, AJI, DRX, MEV-FEG e análise da reatividade com H2 e CH4. Foi possível concluir que o transportador CRJ apresentou boa conversão do combustível e reatividade com H2, seguido do combustível CO e por fim, com CH4. Outrossim, não apresentou deposição de carbono e foi observado mínima perda por atrito durante 12h de operação, resultando em um tempo de vida útil de 12.030h. Após os testes no Reator Batch, o TO CRJ não apresentou problemas de aglomeração e desfluidização e manteve sua reatividade sob gás hidrogênio.pt_BR
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpt_BR
dc.description.sponsorshipConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPqpt_BR
dc.identifier.citationSANTIAGO, Rebecca Araújo Barros do Nascimento. Avaliação de minérios e rejeitos industriais à base de ferro como transportadores de oxigênio e do resíduo do algodão colorido para o processo Biomass Chemical Looping Gasification – BCLG. Orientadora: Dra. Dulce Maria de Araújo Melo. 2023. 139f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2023.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/58202
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE MATERIAISpt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectCaptura de CO2pt_BR
dc.subjectBCLGpt_BR
dc.subjectTransportadores de oxigêniopt_BR
dc.subjectMinério de ferropt_BR
dc.subjectRejeitos industriaispt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICApt_BR
dc.titleAvaliação de minérios e rejeitos industriais à base de ferro como transportadores de oxigênio e do resíduo do algodão colorido para o processo Biomass Chemical Looping Gasification – BCLGpt_BR
dc.title.alternativeEvaluation of iron-based ores and industrial wastes as oxygen carriers, and the colored cotton residue for the Biomass Chemical Looping Gasification Process – BCLGpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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