Physics and Chemistry of Solid State Direct Reduction of Iron Ore by Hydrogen Plasma

Калі Чаран Сабат

doi:10.15330/pcss.22.2.292-300

Автор(и)

Калі Чаран Сабат Національний технологічний інститут Маулана Азад, Бхопал, Індія

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.22.2.292-300

Ключові слова:

відновлення залізної руди, пряме відновлення заліза, губчасте залізо, процес виробництва заліза, воднева плазма, нетеплова плазма, фізика плазми, хімія плазми, термодинаміка плазми, кінетика плазми

Анотація

На даний час залізо отримують із залізних руд, додаючи карбон із вугілля. Виробничий процес складається з багатьох етапів, що потребує великих капіталовкладень, обладнання для масштабного виробництва та продукує велику кількість вуглекислого газу (CO₂), відповідального за забруднення навколишнього середовища. Докладаються значні зусилля щодо заміни карбону воднем (Н₂). Хоча Н₂ є найсильнішим відновником, все ж, він має термодинамічні та кінетичні обмеження. Однак, такі термодинамічні та кінетичні обмеження можна усунути водневою плазмою (ВП). ВП містить молекулярно-атомні та іонні стани водню, що збуджуються в ротаційному середовищі. Усі вони сприяють термодинамічним перевагам, роблячи стандартну вільну енергію Гіббса більш негативною, що спричинює можливість відновлення оксидів заліза при низьких температурах. Окрім термодинамічної переваги, такі збуджені види збільшують внутрішню енергію ВП, що зменшує енергію активації, роблячи тим самим процес відновлення простішим та швидшим. Окрім термодинамічної та кінетичної переваги ВП, побічним продуктом реакції є екологічно безпечна вода. У цьому огляді обговорюється фізика і хімія відновлення залізної руди за допомогою ВП, наголошуючи на твердотільному відновленні залізної руди. Відновлення залізної руди за допомогою ВП має значний потенціал і є привабливим процесом відновлення.

Посилання

K.C. Sabat, A.B. Murphy, Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science 48(3), 1561 (2017) (https://doi.org/10.1007/s11663-017-0957-1 ).

E. Basson, World Steel Association (09 April), (2021) (https://www.worldsteel.org/en/dam/jcr:f7982217-cfde-4fdc-8ba0-795ed807f513/World%2520Steel%2520in%2520Figures%25202020i.pdf ).

A. Carpenter, IEA Clean Coal Centre, (2012)

(https://usea.org/sites/default/files/012012_CO2%20abatement%20in%20the%20iron%20and%20steel%20industry_ccc193.pdf ).

K.C. Sabat, P. Rajput, R.K. Paramguru, B. Bhoi, B.K. Mishra, Plasma Chemistry and Plasma Processing 34(1), 1 (2014) (https://doi.org/10.1007/s11090-013-9484-2 ).

G. Bachner, J. Mayer, K.W. Steininger, A. Anger-Kraavi, A. Smith, T.S. Barker, Ecological Economics 172(106631), (2020) (https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2020.106631 ).

P. Rajput, K.C. Sabat, R.K. Paramguru, B. Bhoi, B.K. Mishra, Ironmaking & Steelmaking 41(10), 721 (2014) (https://doi.org/10.1179/1743281214Y.0000000186 ).

K.C. Sabat, R.K. Paramguru, S. Pradhan, B.K. Mishra, Plasma Chemistry and Plasma Processing 35(2), 387 (2015) (https://doi.org/10.1007/s11090-014-9602-9 ).

K.C. Sabat, R.K. Paramguru, B.K. Mishra, Plasma Chemistry and Plasma Processing 36(4), 1111 (2016) (https://doi.org/10.1007/s11090-016-9710-9 ).

K.C. Sabat, R.K. Paramguru, B.K. Mishra, Plasma Chemistry and Plasma Processing 37(4), 979 (2017) (https://doi.org/10.1007/s11090-017-9818-6 ).

K.C. Sabat, R.K. Paramguru, B.K. Mishra, Plasma Chemistry and Plasma Processing 38(3), 621 (2018) (https://doi.org/10.1007/s11090-018-9880-8 ).

J. Mayer, G. Bachner, K.W. Steininger, Journal of Cleaner Production 210, 1517 (2019) (https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.11.118 ).

J.-M. Oh, J.-H. Seo, J.-W. Lim, Japanese Journal of Applied Physics 59(SA), SAAB07 (2019) (https://iopscience.iop.org/article/10.7567/1347-4065/ab43a0/meta ).

S.K. Samal, M.K. Mohanty, S.C. Mishra, B. Mishra, Plasma Processing of Iron Ore, in: Iron Ores, Intech Open 2020 (http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.94050 ).

Y. Nakamura, M. Ito, H. Ishikawa, I. Michihisa, I. Hideki, Plasma Chemistry and Plasma Processing 1(2), 149 (1981) (https://doi.org/10.1007/BF00564577 ).

B. Abolpour, M.M. Afsahi, A. Soltani Goharrizi, M. Azizkarimi, Ironmaking & Steelmaking 1 (2017) (https://doi.org/10.1080/03019233.2017.1405146 ).

K. Furuyama, K. Yamanaka, E. Higurashi, T. Suga, Japanese Journal of Applied Physics 57(2S1), 02BC01 (2018) (https://doi.org/10.7567/JJAP.57.02BC01 ).

J. Yoo, D. Lee, J. Lee, T. Kim, H. Jin, G.S. Yun, ArXiv Preprint ArXiv:2102.13369 (2021) (https://arxiv.org/abs/2102.13369#:~:text=26%20Feb%202021%5D-,Catalytic%20effect%20of%20plasma%20in%20lowering%20the%20reduction%20temperature,_%7B2%7DO_%7B3%7D&text=Atmospheric%20pressure%20plasma%20(APP)%20generates,are%20useful%20for%20surface%20activations.&text=A%20near%2Dinfrared%20laser%20is,to%20control%20the%20surface%20temperature ).

H.J. Sceats, PhD Dissertation, (2018) (https://hdl.handle.net/11124/172534 ).

L. Guo, J. Gao, S. Zhong, Q. Bao, Z. Guo, Journal of Iron and Steel Research International 26(1), 32 (2019) (https://doi.org/10.1007/s42243-018-0078-3 ).

X. Chen, S. Shen, L. Guo, S.S. Mao, Chemical Reviews 110(11), 6503 (2010) (https://doi.org/10.1021/cr1001645 ).

A. Kudo, Y. Miseki, Chem. Soc. Rev. 38(1), 253 (2009) (https://doi.org/10.1039/B800489G ).

H.Y. Sohn, M. Olivas-Martinez, Journal of Metals 66(9), 1557 (2014) (https://doi.org/10.1007/s11837-014-1120-y ).

K.C. Sabat, International Conference on Applied Physics, Power and Material Science 1172(1), 1 (2019) (https://doi.org/10.1088/1742-6596/1172/1/012043 ).

K.C. Sabat, Journal of Physics: Conference Series 1172(1), 1 (2019) (https://doi.org/10.1088/1742-6596/1172/1/012086 ).

K.C. Sabat, Plasma Chemistry and Plasma Processing 39(4), 1071 (2019) (https://doi.org/10.1007/s11090-019-09963-y ).

S. Seetharaman, Treatise on Process Metallurgy Volume 1: Process Fundamentals (Waltham, MA 02451, USA, Elsevier, 2013) (https://www.sciencedirect.com/book/9780080969862/treatise-on-process-metallurgy ).

S. Seetharaman, Treatise on Process Metallurgy Volume 2: Process Phenomena (Waltham, MA 02451, USA, Elsevier, 2013) (https://www.sciencedirect.com/book/9780080969848/treatise-on-process-metallurgy ).

S. Seetharaman, Treatise on Process Metallurgy Volume 3: Industrial Processes (Waltham, MA 02451, USA, Elsevier, 2013) (https://www.sciencedirect.com/book/9780080969886/treatise-on-process-metallurgy ).

NASA Science, (accessed April 9, 2021) (https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/ast07sep99_1 ).

A.B. Murphy, M. Tanaka, K. Yamamoto, S. Tashiro, T. Sato, J.J.J. Lowke, Journal of Physics D: Applied Physics 42(19), 194006 (2009) (https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/19/194006 ).

R. Ye, A.B. Murphy, T. Ishigaki, Plasma Chemistry and Plasma Processing 27(2), 189 (2007) (https://doi.org/10.1007/s11090-007-9055-5 ).

A.B. Murphy, Journal of Physics D: Applied Physics 46(22), 224004 (2013) (https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/22/224004 ).

A.B. Murphy, Plasma Chemistry and Plasma Processing 20(3), 279 (2000) (https://doi.org/10.1023/A:1007099926249 ).

S.C. Snyder, A.B. Murphy, D.L. Hofeldt, L.D. Reynolds, Physical Review E 52(3), 2999 (1995) (https://doi.org/10.1103/PhysRevE.52.2999 ).

A.B. Murphy, Plasma Chemistry and Plasma Processing 15(2), 279 (1995) (https://doi.org/10.1007/BF01459700 ).

A.B. Murphy, Plasma Chemistry and Plasma Processing 20(3), 279 (2000) (https://doi.org/10.1023/A:1007099926249 ).

A.B. Murphy, Chemical Physics 398(1), 64 (2012) (https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2011.06.017 ).

A.B. Murphy, C.J.J. Arundelli, Plasma Chemistry and Plasma Processing 14(4), 451 (1994) (https://doi.org/10.1007/BF01570207 ).

A.B. Murphy, E. Tam, Journal of Physics D: Applied Physics 47(29), (2014) (https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/29/295202 ).

J. Aubreton, M.F.F. Elchinger, P. Fauchais, Plasma Chemistry and Plasma Processing 18(1), 1 (1998) (https://doi.org/10.1023/A:1021785125690 ).

A.B. Murphy, M. Tanaka, S. Tashiro, T. Sato, J.J.J. Lowke, Journal of Physics D: Applied Physics 42(11), 115205 (2009) (https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/11/115205 ).

P. Andre, J. Aubreton, M.F. Elchinger, V. Rat, P. Fauchais, A. Lefort, A.B. Murphy, Plasma Chemistry and Plasma Processing 24(3), 435 (2004) (https://doi.org/10.1007/s11090-004-2278-9 ).

V. Rat, A.B. Murphy, J. Aubreton, M.F. Elchinger, P. Fauchais, Journal of Physics D: Applied Physics 41(18), 183001 (2008) (https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/18/183001 ).

A.B. Murphy, Plasma Chemistry and Plasma Processing 35(3), 471 (2015) (https://doi.org/10.1007/s11090-015-9620-2 ).

Y. Liu, S. Zhang, B. Huang, D. Dai, A.B. Murphy, T. Shao, Journal of Physics D: Applied Physics 54(9), 95202 (2020) (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/abca61/meta ).

S. Tashiro, N. Mukai, Y. Inoue, A.B. Murphy, T. Suga, M. Tanaka, Materials 13(7), 1619 (2020) (https://doi.org/10.3390/ma13071619 ).

Y. Guo, D.H. Seo, J. Hong, D. Su, H. Wang, J. Zheng, X. Li, A.B. Murphy, K.K. Ostrikov, International Journal of Hydrogen Energy 43(41), 18735 (2018) (https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.07.204 ).

F. Chen, Y. Mohassab, S. Zhang, H.Y. Sohn, Metallurgical and Materials Transactions B: Process Metallurgy and Materials Processing Science 46(4), 1716 (2015) (https://doi.org/10.1007/s11663-015-0345-7 ).

H.Y. Sohn, Y. Mohassab, Journal of Sustainable Metallurgy 2(3), (2016) (https://doi.org/10.1007/s40831-016-0054-8 ).

M.E. Choi, PhD Dissertation, The University of Utah, USA, 2010.

J. Meichsner, M. Schmidt, R. Schneider, H.-E.H.E. Wagner, Nonthermal Plasma Chemistry and Physics (2013) (https://doi.org/10.1201/b12956 ).

D. Staack, B. Farouk, A. Gutsol, A. Fridman, Plasma Sources Science and Technology 17(2), 25013 (2008) (https://doi.org/10.1088/0963-0252/17/2/025013 ).

P.J. Bruggeman, N. Sadeghi, D.C.C. Schram, V. Linss, Plasma Sources Science and Technology 23(2), 023001 (2014) (https://doi.org/10.1088/0963-0252/23/2/023001 ).