Optimisation du gaz de haut fourneau : génération, utilisation et efficacité

Le procédé haut fourneau (HF) est la technologie dominante pour produire la fonte liquide (FL) nécessaire à la sidérurgie et la fonte de fonderie. La FL est le produit principal. Lors de sa production, le gaz de haut fourneau (GHF) est généré simultanément. Le GHF est le sous-produit issu de la montée gazeuse de l'air de soufflage à travers la charge dans le HF en exploitation.

Bien que la combustion partielle du carbone dans le HF vise à réduire le minerai (éliminer O₂), le volume de gaz généré fait du HF aussi un producteur de gaz. Le GHF est une source majeure d'énergie chimique consommée hors process HF et impacte fortement le bilan gaz d'une aciérie intégrée. Prioritairement, l'excédent GHF est consommé dans divers fours de l'aciérie et en chaudière centrale avec autres gaz sous-produits (gaz cokerie, gaz convertisseur). Le paramètre décisif sur l'utilité du GHF est son pouvoir calorifique.

Vue simplifiée de l'exploitation

Figure 1 : vue illustrative simple montrant GHF sortant sommet fourneau.

Figure 1 : Vue simple exploitation haut fourneau

Pendant production FL, air chaud soufflé par tuyères. O₂ air réagit avec carbone (coke) → CO₂ et CO : (i) C + O₂ = CO₂, (ii) CO₂ + C = 2CO. Gaz produit monte dans shaft chargé minerais, fondants, coke. Après réactions chimiques et parcours ~25–30 m, GHF sort comme gaz combustible chauffé, chargé poussières, pouvoir calorifique (PCI) faible.

Carbone (coke) et CO = agents réducteurs charge minerai : hématite (Fe₂O₃), wüstite (FeO), magnétite (Fe₃O₄). Oxydes réduits → Fe + CO₂. Ex. réduction hématite : (i) Fe₂O₃ + 2C = 2Fe + CO + CO₂, (ii) Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂.

Source gazeuse supplémentaire : décomposition calcaire/dolomite (fondants basiques élimination impuretés) : (i) CaCO₃ = CaO + CO₂, (ii) MgCO₃ = MgO + CO₂.

Tous ces changements dans zone réaction. Important pour composition GHF : équilibre chimique gaz émis régi par réaction réversible Boudouard (2CO = CO₂ + C) → ratio CO/CO₂ fixe pour température donnée. Résultat : grandes quantités CO₂, CO, N₂ chauds montent pendant que charge fraîche descend vers zone réaction.

Constituants gazeux additionnels possibles selon variables systématiques. Ex : réducteurs additionnels injectés (charbon pulvérisé, fioul, gaz naturel, plastiques recyclés) pour réduire coke charge → amélioration rendement four. Intégrité charge à maintenir → injection vapeur ou O₂ avec réducteurs additionnels. Ces ajouts → taux fluctuants H₂ et H₂O dans air soufflé → affectent réactions réversibles water-gas shift : (i) C + H₂O = CO + H₂, (ii) CO + H₂O = CO₂ + H₂.

Composition chimique globale GHF = dynamique, dépend paramètres exploitation. Figure 2 : composition volumique sèche représentative exploitation type.

Figure 2 : Composition type représentative gaz haut fourneau

Volume spécifique GHF (Nm³/t FL), composition, PCI dépendent paramètres exploitation : (i) caractéristiques matières charge, (ii) quantité fondants, (iii) distribution matières dans shaft, (iv) grade FL, (v) quantité combustible auxiliaire injecté, (vi) température air chaud, (vii) teneur O₂ soufflage. Paramètres exploitation = importance pratique pour gestion énergétique aciérie intégrée. Quantité GHF transférée autres consommateurs = fonction gaz produit HF et gaz consommé fours à air chaud HF.

CO + CO₂ volume total GHF au sommet : 37–53 % volume total. Ratio CO/CO₂ : 1,25:1 à 2,5:1. % CO élevé → GHF dangereux. H₂ : 1–7 % selon type/quantité combustible injecté tuyères. Composant majoritaire = N₂. CH₄ jusqu'à 0,2 %. Hydrocyanure (HCN) et cyanogène (C₂N₂) peuvent se former (réaction N₂ air + C coke, catalysée oxydes alcalins). Gaz très toxiques. GHF : 200–2000 mg/Nm³ composés cyano.

GHF sort sommet à 120–370 °C, pression 350–2500 mm Hg. Emporte 20–115 g/Nm³ vapeur eau + 20–40 g/Nm³ poussières (« poussières de foyer »). Taille particules : quelques µm à 6 mm.

GHF quasi incolore (blanchâtre), inodore. Caractéristiques principales : (i) PCI très faible ~700–850 kcal/Nm³, (ii) densité relativement élevée ~1,250 kg/Nm³ (0 °C, 1 atm = STP), (iii) température flamme théorique basse ~1455 °C, (iv) vitesse propagation flamme faible < autres combustibles gazeux, (v) flamme non lumineuse, (vi) auto-inflammation ~630 °C, (vii) limite explosivité inférieure (LEL) 27 % et supérieure (UEL) 75 % mélange air-gaz conditions normales. Densité GHF = plus élevée combustibles gazeux → en cas fuite, s'accumule en bas. Haute teneur CO = gaz dangereux.

Haute pression sommet GHF utilisée pour faire tourner générateur (turbine récupération pression sommet, TRT). TRT produit énergie électrique jusqu'à 35 kWh/t FL sans brûler combustible. TRT sec > TRT humide en puissance.

Épuration du GHF

GHF sortant sommet contient 20–40 g/Nm³ poussières → inutilisable tel quel. Poussières : particules fines coke, matières charge, composés formés réactions internes. Épuration en deux étapes : (i) épuration primaire, (ii) épuration secondaire.

Épuration primaire : dépoussiéreurs, cyclones, ou combinaison. Principe gravité pour particules grosses (> 0,8 mm). Gaz passe dépoussiéreur → particules grosses éliminées. Dépoussiéreur = structure cylindrique 20–30 m diamètre, hauteur 20–30 m. Revêtement isolation → évite condensation humidité GHF → poussières restent sèches, s'écoulent librement partie conique bas pour enlèvement périodique.

Gaz envoyé dépoussiéreurs par descente unique, entre par sommet via tuyau vertical descendant à l'intérieur. Tuyau s'évase base (entonnoir inversé) → vitesse gaz diminue en descendant → la plupart poussières grosses tombent hors flux, déposées cône bas. Fond fermé, sortie gaz près sommet → inversion 180° sens écoulement → dépôt poussières supplémentaire.

Après dépoussiéreur → épuration secondaire. Deux types : épuration sèche (filtres manches pour fines) ou humide (lavage gaz en épurateurs multi-étages).

Utilisations du GHF

Chaleur sensible gaz sommet premièrement utilisée 1832 pour préchauffer air froid. Échangeur monté sommet fourneau à l'origine. 1845 : premières tentatives utilisation chaleur combustion GHF, mais combustion réussie seulement 1857. Progrès utilisation retardé probablement : forte teneur poussières, problèmes épuration/manutention, bas coût combustibles solides. Hausse coûts autres combustibles + concurrence → utilisation forcée.

Passé : usage limité chauffage fours air chaud HF et chaudières multi-combustibles. Pas jugé économique autres usages (caractéristiques). Années récentes : facteurs élargissant usage : (i) hausse coûts combustibles achetés, (ii) améliorations techniques épuration → propreté gaz, (iii) développement technologie préchauffage GHF.

Aciéries intégrées : GHF normalement utilisé mélangé gaz cokerie et/ou gaz convertisseur. Gaz mélangé = combustible divers fours aciérie. GHF sans mélange ni préchauffage : fours air chaud HF, fosses trempe, fours normalisation/revenu, fours noyaux fonderie, moteurs gaz soufflage, chaudières production électricité, turbines gaz production électricité. Avancées récentes : utilisation directe four frittage.

Avantage thermique moteurs gaz soufflage/production électricité doit surmonter investissement lourd + maintenance. Chaufferie moderne : haute pression/ température vapeur + turbosoufflantes/générateurs efficaces → avantage thermique moteurs gaz réduit → justification difficile. Usines Asie/Europe : turbines gaz raccordées directement générateurs réussies. GHF préchauffé + air préchauffé : chauffage cokeries, fosses trempe, fours réchauffage réussis.

GHF préchauffé = propreté minimum 0,023 g/Nm³. Tous cas utilisation : précautions supplémentaires empêcher échappement GHF non brûlé (CO toxique élevé).

Opérations HF où PCI GHF ~700 kcal/Nm³ → mélange nécessaire avec autres gaz combustibles pour température air chaud très élevée depuis four.