Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Bio-coal pre-treatmeant for maximized addition in briquettes and coke
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering, Sustainable Process Engineering.
2017 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

Carbon dioxide emissions to the atmosphere today cause problems around the world. In Sweden, the steel production contributes significantly to carbon dioxide emissions. The steel industry challenge is to improve the metallurgical processes to decrease the carbon dioxide emissions. One way to reduce the emissions is to use renewable carbon sources.

The blast furnace process is a counter current reduction process for ironmaking. Raw materials such as iron ore agglomerates, coke and slag formers are charged at the top of the furnace while oxygen-rich blast air and powdered coal are injected in the bottom. The gases produced by combustion rise through the burden on the top of the furnace. The combustion of carbon produces carbon monoxide which is the reducing gas used for the reduction of iron oxides to pig iron. The process is the highest producer of CO2 emissions in Sweden; biomass can partially replace fossil carbon in coal blends for cokemaking, coal powder for coal injection and coke in self-reducing briquettes.

 The purpose of this project was to maximize the addition of biomass in coal blends for cokemaking and the addition in briquettes produced for the recovery of iron bearing rest products. The challenge with biomass in cokemaking is its low density and high reactivity which decrease the coke yield and coke strength at the same time that it increases the coke reactivity. The coke quality has to be kept at sufficient quality in order to avoid effects on productivity and process stability in the blast furnace. The addition of biomass in briquettes is limited due to the low density of the biomass which may affect the strength of the briquettes. The effect of the addition of sawdust in coke and briquettes has been studied to understand the effect on reaction behaviour of bio-coal.

Heat-treatment of sawdust with high volatile coal was performed in order to achieve a coating of coal on the sawdust surface and get less reactive sawdust. Torrefied sawdust contained 23 wt. % fixed carbon while the pre-treatment of sawdust with high volatile coal increased the content to about 60 wt. %. Pre-treated sawdust was added to coal blend for coke making and briquettes containing iron oxide.

The pre-treated sawdust was added to five coal blends for coke production, the contents were 5, 10 and 20 wt. %, and a base blend was used as reference. Coke reactivity, chemical composition and cold compression strength in coke were studied. This work resulted in an improved bulk density; up to 20 wt. % pre-treated sawdust could be added to the coal blend and still keep a bulk density of 800 kg/m3. The coke yields in cokes with pre-treated sawdust were comparable to the coke reference. The temperature at which carbon in coke began to be consumed was slightly higher in coke containing sawdust treated with 50 wt. % high volatile coal. It was estimated that the CO2 emission from fossil coal could be reduced with 8.6 % per ton hot metal (THM) with the addition of 10 wt. % pre-treated sawdust to coal blends for cokemaking. The addition of 20 wt. % pre-treated sawdust could reduce the CO2 emission with 10% per THM.

In addition, two different mixes of briquettes were produced, one with torrefied sawdust and one with pre-treated sawdust. The chemical composition and reduction of iron oxides in briquettes was also studied and evaluated. Briquettes with treated sawdust were more compact, i.e. had a higher density than briquettes containing torrefied sawdust. The amount of hematite that could be added to the briquette mixes was 0.107 moles in briquettes with torrefied sawdust and 0.112 moles in briquettes with pre-treated torrefied sawdust.

Abstract [sv]

Koldioxidutsläppet till atmosfären orsakar idag problem runt om i världen. I Sverige bidrar stålproduktionen avsevärt till koldioxidutsläppet. Stålindustrin har som en utmaning att förbättra de metallurgiska processerna för att sänka utsläppet av koldioxid. Ett sätt att sänka koldioxidutsläppen är att minska påverkan genom att använda förnybara kolkällor. Masugnsprocessen är en kontinuerlig reduktionsprocess för råjärnframställning och en av processerna där det används reduktionsmedel från fossila kolkällor. Råmaterial som järnmalm, koks och slaggformare chargeras på toppen av ugnen medan syrgasberikad blästerluft och pulveriserat kol injiceras i botten av ugnen genom masugnens formor. De gaser som produceras vid förbränning stiger upp genom beskickningen upp till ugnens topp. Vid förgasning av kol bildas kolmonoxid som är den reducerande gasen, den möjliggör reduktionen av järnoxider vid framställning av råjärn. Torrefierad biomassa kan delvis ersätta fossilt kol i kolblandningarna för kokstillverkning, i kolinjektionen och i briketter.

Syftet med detta projekt var att maximera mängden tillsatt biomassa i kolblandningarna för kokstillverkning och i briketter för återvinning av järnbärande restprodukter. Utmaningen med biomassa i kokstillverkningen är den höga reaktiviteten och den låga densiteten av kol, vilket resulterar i låg koksutbyte när den tillsätts i kolblandningar. Biomassa innehåller också en högt halt flyktiga ämnen vilket resulterar i koks med låg hållfasthet och hög reaktivitet. Kokskvalitén måste behållas för att undvika processvariationer i masugnen. Tillsatsen av biomassa i briketter, är begränsat då biomassa kan påverka briketternas hållfasthet. Effekten av tillsatsen av biomassa i koks och briketter har studerats för att kunna förstå reaktionsbeteendet i dessa när torrefied sågspån och förbehandlat sågspån med hög fluiditetskol har tillsatts till blandningarna.

Värmebehandling av torrifierat sågspån med en hög fluiditeteskol gjordes för att uppnå en mindre reaktiv biomassa. Torrifierat sågspån innehöll 22.9 viktsprocent kol, förbehandlingen av sågspån med hög fluiditetskol ökade halten till cirka 60 viktsprocent.

Den behandlade sågspånen tillsattes till fem kolblandningar för koksframställning, 5, 10 och 20 viktprocent tillsattes till en bas blandning som användes referens. Koksreaktiviteten, kemisk sammansättning och hållfasthet i koks studerades. Arbetet resulterade i en förbättrad bulkdensitet då upp till 20 viktprocent förbehandlad biomassa kunde tillsättas i kolblandningen och fortfarande behålla en bulkdensitet på 800 kg/m3. Koksutbytet i alla koks med förbehandlat sågspån var jämförbart med koksreferensen. Temperaturen där kemisk kol i koks började förbrukas, var något högre i koks som innehöll sågspån med 50 viktsprocent hög fluiditetskol. Koldioxidutsläppen från fossilt kol per ton råjärn (THM) uppskattades att vara 8,6 % lägre med tillsatsen av 10 viktprocent förbehandlat sågspån i kolblandningar för kokstillverkning. Tillsatsen av 20 viktprocent skulle innebära en minskning på 10 % per ton råjärn.

Briketter med två olika blandningar framställdes, en blandning med torrifierat sågspån och en blandning med behandlat sågspån. Briketterna karakteriserades genom att analysera den kemiska sammansättningen och reduktionen av järnoxider i termisk reducerade briketter. Briketter med behandlat sågspån var mer kompakta, d.v.s. hade en högre densitet än briketter som innehöll torrifierad sågspån. Mängden hematit som kunde tillsättas i mixen med torrifierad sågspån var 0.107 mol, medan i mixen med förbehandlat sågspån 0.112 mol kunde tillsättas.

Place, publisher, year, edition, pages
2017. , 84 p.
Keyword [en]
Blast furnace process, coal blend, sawdust, bio-coal, reduction, coke yield, reactivity behavior, self-reducing briquettes, iron oxides.
Keyword [sv]
Masugnsprocess, kolblandning, bio-koks, sågspån, reduktion, järnmalm, koksutbyte, självreducerande briquetter, järnoxider
National Category
Chemical Process Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-66465OAI: oai:DiVA.org:ltu-66465DiVA: diva2:1155499
External cooperation
Swerea Mefos
Subject / course
Student thesis, at least 30 credits
Educational program
Sustainable Process Engineering, master's level
Supervisors
Examiners
Projects
Bio4metalsCAMM
Available from: 2017-11-09 Created: 2017-11-08 Last updated: 2017-11-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6033 kB)9 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6033 kBChecksum SHA-512
8eab945f69aa5d9fb9602fc7307a6a9ce14658176ce5e2de1af58fc678bfee8cd72fe0db21448970316a1af379ce7a86b7d4c69d967f8829f12852817356bd28
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Sustainable Process Engineering
Chemical Process Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 9 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 31 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf