Fabrication du fer par haut fourneau et émissions d'oxyde de carbone

Fabrication du fer par haut fourneau et émissions d'oxyde de carbone

Il est largement reconnu que le dioxyde de carbone (CO2) dans l'atmosphère est le principal composant influençant le réchauffement climatique par l'effet de serre. Depuis 1896, la concentration de CO2 dans l'atmosphère a augmenté de 25 %. L'industrie sidérurgique est connue comme une industrie énergivore et comme un important émetteur de CO2. Ainsi, le changement climatique est identifié par la sidérurgie comme un défi environnemental majeur. Bien avant les conclusions du Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat en 2007, les principaux producteurs de fer et d'acier ont reconnu que des solutions à long terme sont nécessaires pour lutter contre les émissions de CO2 de l'industrie sidérurgique. Par conséquent, l'industrie sidérurgique a été très proactive dans l'amélioration de la consommation d'énergie et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES).

Dans l'environnement actuel du changement climatique, au sein de l'industrie sidérurgique, il existe une volonté constante de réduire les coûts énergétiques, de réduire les émissions et d'assurer une réutilisation maximale de l'énergie des déchets. Dans les procédés traditionnels de production de fer et d'acier, l'émission de CO2 est inévitable, en particulier pour le procédé de haut fourneau (BF), qui nécessite du carbone (C) comme combustible et agent réducteur pour convertir l'oxyde de fer à l'état métallique, et est donc le processus principal de génération de CO2 dans une usine sidérurgique intégrée. La politique climatique est en fait un moteur important pour le développement ultérieur de la technologie de fabrication du fer par BF.

De manière critique, parmi les défis auxquels est confrontée l'opération BF figure la décarbonation. Des mesures importantes ont été prises par l'industrie sidérurgique pour augmenter l'efficacité thermique de l'opération BF, mais en fin de compte, il existe une limite stricte à la décarbonisation, associée au besoin de C comme réducteur chimique. Depuis les années 1950, d'importants efforts de R&D (recherche et développement) ont été menés pour rendre plus performante la technologie sidérurgique BF. Ces efforts de R&D comprennent (i) l'amélioration de la qualité du coke et de l'aggloméré, (ii) l'enrichissement en oxygène (O2), (iii) l'injection d'autres réducteurs comme le charbon pulvérisé et le gaz naturel, (iv) la répartition de la charge, et (v) les technologies de mesure, etc. sur. Dans les années 1950, le taux de réducteur était d'environ 1000 kilogrammes par tonne de métal chaud (kg/tML), et depuis lors, il a été réduit d'un facteur 2 en raison des efforts de R&D et de la mise en œuvre des résultats des efforts de R&D.

La consommation d'agent réducteur au BF conventionnel est aujourd'hui d'environ 500 kg/tML approchant seulement 5 % au-dessus des valeurs thermodynamiques les plus basses possibles en fonctionnement BF classique. Le procédé BF est aujourd'hui un procédé très développé fonctionnant à proximité des limites thermodynamiques d'efficacité. Il n'y a pas d'améliorations majeures évidentes qui devraient fondamentalement réduire sa demande de C ou améliorer de manière significative son efficacité thermique, mais, puisque le BF est le principal générateur d'émissions, les efforts pour atténuer l'impact environnemental de l'industrie doivent, par nécessité, être concentré sur le processus de fabrication du fer BF.

Des technologies révolutionnaires de fabrication du fer sont nécessaires pour réduire davantage la consommation de C ou les émissions de CO2. Plusieurs technologies ont été proposées pour réduire davantage l'utilisation de carbone fossile et la réduction des émissions de CO2 dans le procédé BF lui-même. Celles-ci incluent (i) le recyclage du CO du gaz de gueulard BF, (ii) l'utilisation de la biomasse, (iii) la substitution du CO par H2 comme agent réducteur, (iv) l'utilisation de fer à réduction directe (DRI) C-pauvre, fer briqueté (HBI), ou fer à faible teneur réduite (LRI), (v) utilisation de matériaux composites C, (vi) utilisation d'énergie électrique pauvre en C, et (vii) captage et stockage du CO2 (CCS), etc. L'approche nécessaire consiste à proposer des améliorations progressives qui offrent des étapes pour réduire les émissions ou produire davantage à partir du potentiel existant dans le processus actuel.

Il est inévitable que, lors de l'examen de ces technologies, un certain nombre de thèmes transversaux autour de l'économie et des émissions globales de CO2 doivent être pris en compte. Par exemple, l'utilisation de CO2 et de gaz de procédé comme matières premières chimiques peut nécessiter l'achat de combustibles supplémentaires pour les fours de réchauffage, ce qui peut avoir un impact sur les coûts des travaux intégrés, la qualité de l'acier et les émissions totales de CO2. Toute solution à approfondir doit avoir le potentiel de réaliser une optimisation multi-composants de ces aspects individuels.

Les principaux défis auxquels sera confrontée l'exploitation future du BF sont donc (i) la réduction significative des dépenses d'investissement et d'exploitation pour générer un retour durable sur les dépenses d'investissement tout au long du cycle économique, et (ii) la réduction des émissions effectives de CO2 à un point encore inférieur à celui déterminé à partir de la thermodynamique chimique de le procédé classique à base de coke. Pour faire face à ces défis, il est essentiel d'identifier un certain nombre d'opportunités technologiques. Ceux-ci sont décrits ci-dessous.

Meilleures technologies de recyclage des gaz et de capture du carbone

La réduction de l'entrée C est limitée par l'équilibre de réduction du gaz dans le BF. La diminution de l'apport de C peut être obtenue en abaissant le taux de réduction directe (réaction endothermique) en renforçant la réduction des gaz à l'intérieur du BF par décarbonatation et recirculation des gaz de tête par injection dans le four. Le schéma de principe typique d'un haut fourneau avec recyclage des gaz de tête (TGR) est illustré à la figure 1.

Fig 1 Schéma de principe typique d'un haut fourneau avec recyclage des gaz de gueulard

Toute solution de décarbonisation de la voie BF nécessite un élément de capture de C. Pour parvenir à une réduction substantielle du CO2 (supérieure à 50 %), l'application de la technologie CSC est nécessaire, bien qu'il existe un consensus général dans l'industrie selon lequel des réductions supérieures à 80 % ne sont pas possibles. Une variation encourageante sur la capture de C est le recyclage du gaz de tête dans le procédé de fabrication du fer par le procédé BF. C'est la technologie la plus prometteuse qui permet de réduire significativement les émissions de CO2 et consiste à recycler le CO et le H2 du gaz sortant du BF par le haut.

La technologie TGR est principalement basée sur la réduction de l'utilisation de C fossile (coke) par la réutilisation des agents réducteurs (CO et H2) après l'élimination du CO2 du gaz de gueulard. Cela conduit à des besoins énergétiques moindres. Les principales technologies du TGR-BF sont (i) l'épuration du CO2 du gaz de tête et l'injection du solde réduisant les composants CO et H2 du gaz de tête dans le puits BF et les tuyères du foyer, (ii) un apport de C fossile inférieur en raison de la réduction de la quantité de coke taux, (iii) l'utilisation d'O2 pur au lieu d'un souffle d'air chaud à la tuyère du foyer, c'est-à-dire l'élimination de l'azote (N2) du processus, et (iv) la récupération du CO2 pur du gaz de tête pour le stockage souterrain.

La plupart des schémas de capture C sont généralement associés au stockage, mais l'utilisation peut également être envisagée. Cette connexion entre la capture et l'utilisation du C met en évidence un domaine de recherche important qui intéresse actuellement l'intégration des processus. Par rapport à des aspects tels que la collecte, le transport et le stockage, le domaine de l'intégration des processus par la modernisation d'un BF existant avec un système de capture C, a reçu peu d'attention.

Il faut s'attendre à ce que pour la majorité des sites où fonctionnent des BF, le captage du C soit mis en service aux côtés des BF qui fonctionnent depuis de nombreuses décennies. Il existe un potentiel d'interférence de processus significative associée à des aspects tels que la qualité du gaz, la pression, les protocoles opérationnels et l'optimisation relative de l'usine d'utilisation du BF et du C. La modernisation et l'exploitation ultérieure doivent être réalisées sans compromettre l'efficacité opérationnelle ou la qualité des produits des actifs existants.

Dans ce domaine de l'intégration des procédés, les techniques avancées de simulation et de modélisation des procédés doivent être déployées pour optimiser la combinaison d'un système de capture BF et C intégré. À cet égard, une combinaison de modélisation thermo-fluide, de cinétique de processus et de modélisation économique de processus, alignée sur une compréhension des paramètres clés du processus de fabrication du fer, est requise. Compte tenu d'un tel objectif, l'application de la capture C aux opérations BF existantes peut être réalisée.

Réduction d'hydrogène

Le défi environnemental important pour le procédé BF est l'utilisation de C comme réducteur chimique. Cela a une limite thermodynamique dure, en dessous de laquelle une réduction supplémentaire du C n'est pas possible sans un changement de processus significatif. Un tel changement de processus est un passage partiel de C à l'hydrogène (H2) comme réducteur. Des exemples d'agents réducteurs à haute teneur en H2 sont les déchets plastiques (CnHm) ou le gaz naturel (avec le composant principal CH4). Le H2 est déjà utilisé dans les procédés de réduction directe pour la production de DRI et il existe donc une compréhension de base des mécanismes et de la thermodynamique chimique, mais il existe une opportunité de poursuivre la recherche et l'innovation sur les procédés autour de la mesure dans laquelle l'équilibre entre la réduction de H2 et le C la réduction peut être déplacée dans le four.

L'utilisation de déchets plastiques (WP) pour promouvoir la réduction de H2 dans le BF se fait par injection de WP dans le BF. Le WP est injecté sous forme solide à travers les tuyères de la même manière que le charbon pulvérisé (PC). Normalement, cela se fait sous la forme d'une co-injection de WP et de charbon dans le BF. L'énergie de combustion du WP est généralement au moins aussi élevée que celle du PC normalement injecté, et leur rapport plus élevé de H2 à C signifie que moins de CO2 est produit dans le BF à partir des processus de combustion et de réduction du minerai de fer. De plus, la consommation d'énergie est plus faible puisque H2 est un agent réducteur plus favorable que C. L'injection de WP augmente la concentration de H2 gaz bosh. Étant donné que la vitesse de réaction chimique de la réduction de H2 est supérieure à celle du CO, l'étendue de la réaction de Boudouard diminue à mesure que le gaz bosh H2 augmente. Le CO2 et le H2O sont présents dans la partie supérieure du BF en raison de la réduction des oxydes de fer.

Pour promouvoir la réduction de H2 dans le haut fourneau, une autre méthode est à l'étude dans le cadre du projet COURSE50 au Japon, dont les travaux ont commencé en 2008. Ce projet est une tentative de réduction des émissions de CO2 en développant davantage la technique d'injection de gaz réducteur dans le BF puits, en combinaison avec l'amplification de H2 par reformage des gaz de four à coke. La technologie de réduction de H2 proposée par ce projet consiste en une augmentation de H2 par (i) le reformage du gaz de four à coke, (ii) la technologie de réduction du minerai de H2 et (iii) la technologie de fabrication de coke pour le haut fourneau à réduction de H2. Dans ce projet, le gaz réducteur est injecté dans le puits BF. À partir de l'équilibre de quantité de mouvement de deux gaz, il a été constaté que la zone de pénétration du gaz d'injection dans le puits est proportionnelle au débit de gaz d'injection et que la réduction du minerai de fer est favorisée par H2. Cependant, la réduction de H2 étant une réaction endothermique, une attention particulière est nécessaire pour le maintien de la température en tête de four.

Matériaux de roulement en carbone alternatifs

Les matériaux porteurs C alternatifs sont les agglomérats composites C (CCA) ou les composites de fer C (CIC). Ce sont des agglomérats de matière carbonée et d'un mélange d'oxyde de fer et sont une sorte de coke formé contenant du fer métallique. Le matériau carboné peut être des fines de coke, du charbon, du charbon de bois, des fines d'usine riches en C, de la biomasse, des déchets plastiques, etc., tandis que l'oxyde de fer peut être des minerais de fer à faible teneur, des fines d'usine riches en fer, etc. C composite les matériaux en raison de l'effet catalytique des particules de fer ont une réactivité remarquablement élevée avec le gaz CO2 par rapport au coke métallurgique. Normalement, les matériaux composites C réagissent avec le gaz CO2 à partir d'une température inférieure d'environ 150 degrés C à celle du coke métallurgique.

La réaction de réduction du minerai est favorisée par les matériaux composites C en raison (i) de la réactivité plus élevée de ces matériaux, et (ii) du fait que la réaction de perte de solution de ces matériaux commence à partir d'une température plus basse. L'utilisation de tels agglomérats aide non seulement à atténuer les émissions de CO2, mais également à économiser du coke et de l'énergie. La faible distance entre le fer et le C dans de tels agglomérats améliore considérablement la cinétique de la réaction. Les autres avantages qui peuvent être visualisés lors de l'utilisation de tels agglomérats sont (i) la possibilité d'utiliser des fines riches en fer et/ou C en usine, (ii) une température de gazéification plus faible en raison de l'effet de couplage entre la réaction de gazéification et l'oxyde de fer (wustite ) réduction, et (iii) moins de dépendance à l'égard des processus de préparation du minerai à forte intensité de CO2 et d'énergie.

La méthode de production de matériaux composites C consiste à broyer, mélanger et briqueter des matériaux contenant du fer bon marché et du charbon non cokéfiant ou légèrement cokéfiant, suivi d'un chauffage et d'une carbonisation dans un four à cuve. La résistance de ces matériaux est une propriété importante pour l'alimentation BF, et la résistance au même niveau que le coke métallurgique peut être obtenue, même à partir de matières premières de faible qualité, par l'effet de densification du briquetage et un contrôle de température relativement précis dans le four à cuve. .

Les matériaux porteurs de C peuvent également être introduits dans le procédé BF de plusieurs manières. Dans le processus de frittage, la biomasse ou le WP peut partiellement remplacer le poussier de coke. Les fines en usine peuvent être utilisées comme source de C et de fer. Dans la cokéfaction, des tentatives ont été faites pour ajouter de la biomasse, ainsi que du WP au mélange de charbon à coke. Des matériaux alternatifs contenant du carbone peuvent soit être chargés dans le BF par le haut avec des matériaux de charge sous forme de morceaux, soit les fines ou la biomasse de l'usine riche en carbone peuvent être injectées dans le BF par les tuyères.

Recyclage des fumées dans les poêles à gaz BF

Une nouvelle technologie connue sous le nom de « recyclage des gaz de combustion » (FGR) est en cours de développement pour les poêles à air chaud. Cette technologie implique la conversion des poêles, de la combustion air-combustible à la combustion oxy-combustible augmentant le pourcentage de CO2 des gaz de combustion. La température de la flamme générée va être modérée par la recirculation des gaz résiduaires vers les brûleurs du poêle. La comparaison schématique des opérations de poêle à air-combustible conventionnelles et des opérations d'oxy-combustible améliorées utilisant le recyclage des gaz de combustion est illustrée à la Fig 2.

Fig 2 Comparaison schématique des opérations de poêle à air-combustible conventionnelles et des opérations améliorées d'oxy-combustible utilisant le recyclage des gaz de combustion

Le fonctionnement FGR des poêles peut se faire sur la base d'un débit massique constant ou d'un débit volumique constant des produits de combustion. Un débit massique constant garantit que le transfert de chaleur par convection est inchangé par rapport aux opérations conventionnelles air-combustible, et le recyclage des gaz de combustion chauds réduit les besoins en énergie de combustion des poêles. L'option de débit volumique constant survient en raison de la densité accrue des produits de combustion, lorsque les gaz de combustion sont recyclés. Dans ce mode, la récupération de chaleur peut être combinée à des taux de gazage accrus du brûleur, ce qui se traduit par des températures de vent chaud plus élevées et un potentiel de consommation de coke plus faible dans le BF.

Compte tenu du potentiel de capture de C, la teneur en CO2 des gaz de combustion est essentiellement doublée par rapport aux pratiques de chauffage conventionnelles pour les poêles. En termes de masse, les gaz de combustion contiennent 0,8 tonne de CO2/tonne de métal chaud (HM), ce qui représente plus d'un tiers des niveaux d'émissions spécifiques actuels. La génération de l'O2 nécessaire pour faciliter cela réduit légèrement les avantages du captage du carbone en raison de l'énergie consommée pour faire fonctionner l'usine de séparation de l'air. Cela réduit le potentiel net de réduction des émissions d'environ 6 %.

Le recyclage des gaz de combustion dans les poêles élimine l'utilisation d'air et de gaz de four à coke dans le processus de combustion. Par conséquent, la génération d'oxydes de soufre et d'oxydes nitreux est sensiblement réduite. Les objectifs spécifiques de cette nouvelle technologie en cours de développement comprennent (i) la confirmation d'une teneur en CO2 de 40 % à 50 % dans les gaz de combustion modifiés, (ii) la vérification de la récupération de la chaleur perdue et l'amélioration de l'efficacité thermique des poêles, et (iii) confirmation que les nouvelles conditions de fonctionnement maintiennent ou augmentent la température du vent chaud délivré au BF et évitent ainsi les impacts négatifs sur le fonctionnement du BF.