Procédé Finex pour la production de fonte liquide

  Procédé FINEX pour la production de fonte liquide

Le procédé de fusion-réduction FINEX a été développé par Primetals Technologies, Autriche et le fabricant d'acier sud-coréen Posco. Le procédé FINEX est un procédé de fabrication de fer alternatif éprouvé dans le commerce pour la production de métal chaud (HM) en plus de la voie de traitement du haut fourneau (BF), composé de BF, d'une usine d'agglomération et d'un four à coke. Ce procédé est basé sur l'utilisation directe de charbon non cokéfiable. Le procédé FINEX peut utiliser directement des fines de minerai de fer sans aucune sorte d'agglomération.

Dans le procédé FINEX, le minerai de fer fin est préchauffé et réduit en DRI fin (fer réduit directement) dans un système de réacteur à lit fluidisé à trois étages avec un gaz de réduction produit à partir d'un gazéificateur de fusion. Les réacteurs à lit fluidisé permettent au procédé FINEX d'utiliser des minerais fins au lieu de minerai en morceaux ou de boulettes.

En conséquence, le procédé ne nécessite ni cokéfaction ni agglomération de minerai. Le briquetage du minerai pré-réduit et du charbon, l'injection de charbon pulvérisé et le chargement contrôlé du gazéificateur de fusion (MG) permettent d'améliorer le taux de combustible pour le procédé. Le DRI fin produit dans le système de réacteur à lit fluidisé est compacté puis chargé sous forme de HCI (fer compacté à chaud) dans le gazéificateur de fusion pour produire du métal chaud (HM). Le HCl chargé est réduit en fer métallique et fondu. La chaleur nécessaire à la réduction métallurgique et à la fusion est fournie par la gazéification du charbon avec de l'oxygène (O2) de haute pureté. Le procédé FINEX est un procédé respectueux de l'environnement qui utilise du minerai de fer fin et du charbon à faible coût.

Le procédé FINEX utilise de l'O2 de haute pureté, résultant en un gaz d'exportation avec seulement de faibles quantités d'azote (N2). Comme son pouvoir calorifique net (CV) est plus de deux fois supérieur à celui du gaz de gueulard BF, il peut être partiellement recyclé pour des travaux de réduction ou peut être utilisé pour la production de chaleur ou d'énergie.

Travail initial

La recherche fondamentale à l'échelle du laboratoire avait été effectuée avec une unité de laboratoire de 15 tonnes/jour de 1992 à 1996. Les résultats de cette unité ont été utilisés pour les opérations de test d'une usine pilote de 150 tonnes/jour en 1999. L'usine de démonstration FINEX de 0,6 millions de tonnes par an (Mtpa) a été construit dans les usines de Pohang de Posco et a commencé la production en juin 2003. Cette usine dispose de trois réacteurs à lit fluidisé. Depuis février 2004, l'usine en démonstration a produit régulièrement à un rythme de plus de 0,7 million de tonnes par an de métal chaud. Posco a mis en service la première usine commerciale FINEX d'une capacité de 1,5 Mtpa en avril 2007. Sur la base des résultats positifs de cette usine, Posco et Primetals Technologies ont décidé de développer l'usine FINEX d'une capacité de 2,0 Mtpa à Pohang. L'usine a été mise en service en janvier 2014.

Principales matières premières

Le charbon et le minerai de fer sont les deux principales matières premières. Les principaux critères pour une évaluation initiale des charbons ou des mélanges de charbon adaptés au procédé FINEX sont (i) la teneur en C fixe (carbone) à un minimum de 55 %, (ii) la teneur en cendres à un niveau maximum de 25 %, (iii) Teneur en VM (matières volatiles) inférieure à 35 %, et (iv) Teneur en S (soufre) inférieure à 1 %. En plus de ces caractéristiques générales, le charbon doit répondre à certaines exigences liées à la stabilité thermique afin de permettre la formation d'un lit de charbon stable dans le fondoir-gazéifieur. La stabilité thermique des charbons potentiels pour le procédé FINEX est vérifiée à l'aide de procédures d'essais spéciales en laboratoire.

Le procédé FINEX peut fonctionner sans coke en raison de la charge de charge plus faible dans le lit de charbon du fondoir-gazéifieur et de l'utilisation d'O2. En cas de modification de la qualité des briquettes de charbon et des fluctuations du degré de réduction, une certaine brise de coke (moins de 30 mm) est généralement utilisée avant et après un arrêt ou en cas de baisse de la température HM pour maintenir la productivité et réduire le rapport de carburant. L'opération actuelle fournit un niveau constant de poussier de coke pour minimiser les effets décrits ci-dessus. La qualité du poussier de coke utilisé dans le procédé FINEX n'est pas adaptée à l'opération BF et a une teneur d'environ 60 % de coke BF. Pour parvenir à une opération sans brise de coke, plusieurs optimisations de fonctionnement sont essentielles, telles que l'optimisation du liant et le développement d'une technologie de préchauffage des briquettes de charbon. Les caractéristiques du charbon pour le procédé FINEX et sa comparaison avec les caractéristiques du charbon pour la sidérurgie BF sont données à la figure 1.

Fig 1 Caractéristiques du charbon ou procédés FINEX et BF

Dans le cas du minerai de fer, en général, 100 % du minerai fin d'alimentation d'agglomération est chargé dans des réacteurs à lit fluidisé. 30 % à 50 % d'alimentation en granulés peuvent également être utilisés. Les types et le mélange de minerai de fer sont décidés en fonction des propriétés chimiques et physiques telles que la teneur totale en fer (Fe), la structure de la composition et la taille des grains, etc. Comme dans le cas de la production de HM par le procédé BF, la teneur en Fe du minerai de fer détermine la productivité. Le rapport de mélange doit être décidé à la fois en tenant compte de la qualité du minerai et du coût. Étant donné que l'extraction de scories d'alumine plus élevée (Al2O3) est plus tolérable dans le procédé FINEX que dans le procédé BF, des minerais de fer à teneur plus élevée en Al2O3 peuvent également être utilisés. Normalement, il n'y a aucune limitation dans l'alimentation de la structure du matériau d'hématite et de goethite pour les réacteurs à lit fluidisé. La flexibilité des minerais de fer adaptés au procédé FINEX est illustrée à la figure 2.

Fig 2 Flexibilité des minerais de fer pour le procédé FINEX

Le processus

Le procédé FINEX se distingue par la production de HM de haute qualité sur la base de fines de minerai de fer directement chargées et de charbon comme réducteur et source d'énergie. La principale caractéristique du procédé FINEX est que la production de fer s'effectue en deux étapes distinctes. Dans une série de trois réacteurs à lit fluidisé, le minerai de fer fin est réduit en DRI, qui est ensuite compacté (HCI) et transporté vers un fondoir-gazéifieur par un convoyeur de métal chaud. Le charbon et les briquettes de charbon chargés dans le fondoir-gazéifieur sont gazéifiés, fournissant l'énergie nécessaire à la fusion en plus du gaz de réduction. Le schéma de traitement du processus FINEX est donné à la figure 3.

Fig 3 Organigramme du processus FINEX

La fonte liquide est produite dans le procédé FINEX en deux étapes. Dans la première étape, les fines de minerai de fer sont préchauffées et réduites en fines DRI dans des réacteurs à lit fluidisé en trois étapes. Le premier réacteur (R3) sert principalement de réacteur de préchauffage des fines de minerai de fer. Les fines de minerai de fer sont chargées dans la série de réacteurs à lit fluidisé avec des fondants tels que le calcaire et/ou la dolomite. Les fines de minerai chargées se déplacent vers le bas à travers les trois réacteurs où les minerais sont chauffés et réduits en DRI au moyen du gaz réducteur qui est obtenu à partir de la gazéification du charbon dans le générateur de fusion. Cela réduit les flux de gaz à contre-courant par rapport au mouvement du minerai.

Selon l'itinéraire du minerai de traitement, un système de transport pneumatique transporte les fines de minerai vers la tour du réacteur à lit fluidisé. Le minerai fin est ensuite chargé dans la série de réacteurs à lit fluidisé. Le gaz de réduction généré dans le fondoir-gazéifieur traverse chacun des réacteurs à lit fluidisé à contre-courant de la direction du minerai (de R1 à R3). La température typique et la composition du gaz de réduction dans les trois réacteurs à lit fluidisé sont données dans l'onglet 1.

Tab 1 :Atmosphère gazeuse typique pour un réacteur à lit fluidisé à trois étages pour le procédé FINEX
Paramètre/Composant	Unité	Réacteur à lit fluidisé
		R1	R2	R3
Température	°C	760	750	480
CO	%	45.4	39.3	32.7
CO2	%	20.4	29.2	26.7
H2	%	17.2	16.9	14.3
H2O	%	5.4	7.3	7.8
N2	%	11.6	6.6	18.4
CH4	%	Néant	Néant	Néant

Le minerai de fer fin est fluidisé par le courant gazeux et le minerai est de plus en plus réduit à chaque étape du réacteur. Après la sortie du fer réduit du réacteur à lit fluidisé final, il est ensuite compacté pour produire du HCl. Le HCI est ensuite transporté via un système de transport à chaud vers le haut du gazéifieur du fondoir où il est directement chargé avec du charbon dans le gazéifieur du fondoir. La réduction finale et la fusion du HCI ont alors lieu.

Conformément à la voie du charbon de procédé, les charbons non cokéfiants et les briquettes de charbon sont directement chargés dans le gazéifieur du fondoir via un système de trémie verrouillable. Une fois que le charbon tombe sur le lit de carbonisation, le dégazage a lieu. Les hydrocarbures libérés, nocifs pour l'environnement, sont immédiatement dissociés en CO (monoxyde de carbone) et H2 (hydrogène). Cela est dû aux températures élevées qui prévalent, dépassant 1 000 degrés Celsius dans le dôme du fondoir-gazéifieur. L'O2 injecté dans la partie inférieure du fondoir-gazéifieur gazéifie le charbon, générant de la chaleur pour le travail de fusion ainsi que la production d'un gaz de réduction de grande valeur composé principalement de CO et de H2. Ce gaz, qui sort du dôme du fondoir-gazéifieur, est d'abord nettoyé dans un cyclone à gaz chauds avant d'entrer dans les réacteurs à lit fluidisé. Après la fusion du DRI, la procédure de taraudage est effectuée exactement de la même manière que dans la pratique BF standard. La qualité du HM issu du procédé FINEX est similaire à celle du HM produit en BF.

Le gaz d'exportation FINEX est un sous-produit précieux du procédé FINEX. Le gaz d'exportation propre sortant du haut des réacteurs à lit fluidisé peut être utilisé pour une grande variété d'applications. Il s'agit notamment de la production de DRI, de la production d'électricité et de la production de gaz de synthèse pour l'industrie chimique. La composition typique des différents gaz produits dans le procédé FINEX est donnée dans l'onglet 2.

Tab 2 Composition typique des gaz
Composition du gaz	Unité	CO	CO2	H2	N2
Hors gaz	%	35-36	32-33	14-15	10-11
Gaz produit	%	53-54	2-3	24-25	17-18
Gaz de queue	%	17-18	65-66	10-11	2-3

  Le débit de gaz dans le procédé FINEX est donné à la Fig 4.

Fig 4 Flux de gaz dans le procédé FINEX

Les consommations spécifiques typiques des matériaux et des utilités dans le procédé FINEX sont (i) du combustible sec autour de 720 kg/tML, (ii) du minerai de fer autour de 1 600 kg/tML, (iii) des additifs (calcaire et dolomie) autour de 285 kg/tML tML, (iv) O2 environ 460 N cum, (v) N2 environ 270 N cum, (vi) puissance environ 190 kWh/tML, et (vii) réfractaires environ 1,5 kg/tML.

Les caractéristiques du HM produit par le procédé FINEX consistent en (i) C environ 4,5 %, (ii) silicium (Si) environ 0,7 %, (iii) manganèse (Mn) environ 0,07 %, (iv) phosphore (P) environ 0,07 %, (v) soufre (S) autour de 0,04 %, et (vi) température autour de 1 500 deg C.

Les caractéristiques du gaz d'exportation du procédé FINEX consistent en (i) CO environ 34 %, (ii) CO2 environ 43 %, (iii) H2 environ 13 %, (iv) H2O environ 3 %, (v) CH4 moins de 1 %, (vi) N2/Ar environ 6 %, (vii) H2S inférieur à 100 ppm (parties par million), (viii) poussière 5 mg (milligrammes)/N cum, (ix) pression 0,1 kg/cm², (x) température autour de 40 degrés C, et (xi) CV dans la plage de 1 300 kcal/N cum à 1 500 kcal/N cum. Environ 1,9 giga calories du gaz exporté sont produites par tonne de HM.

Aspects environnementaux du processus

Le procédé FINEX a la possibilité) de récupérer du CO2 de haute pureté pour le captage et le stockage du CO2 (CCS). Outre le stockage, le CO2 récupéré peut également être utilisé pour l'amélioration de la récupération du pétrole ainsi que pour d'autres utilisations économiques. Cela est possible en raison de l'utilisation d'O2 de haute pureté dans le gazéifieur du fondoir pour la gazéification du charbon et, par conséquent, le gaz d'exportation ne contient que de faibles quantités de N2. Cela permet d'éliminer le CO2 en concentration élevée du gaz de recyclage et de générer après une purification supplémentaire du CO2 de haute pureté avec un pourcentage de CO2 supérieur à 95 %. Les taux d'émission de CO2 pour le procédé FINEX sans CSC et avec CSC sont respectivement de 99 % et 55 % par rapport au taux moyen d'émission de CO2 dans le cas du procédé sidérurgique BF.

Le procédé FINEX est un procédé à base de charbon pour la réduction du minerai de fer en fer, qui est ensuite fondu en HM. Une certaine quantité de substances nocives pour l'environnement est inévitable en raison du mélange de matières premières. Le procédé FINEX captant la plupart des polluants à l'état inerte dans le laitier et les hydrocarbures libérés étant détruits dans le dôme du gazéifieur du fondoir, les émissions de substances nocives sont très faibles. Les valeurs d'émissions par tonne de HM pour les poussières, les SOx et les NOx sont respectivement d'environ 58 grammes par tonne (g/t), d'environ 32 g/t et d'environ 94 g/tonne.

Avantages du processus FINEX

Les divers avantages du procédé FINEX comprennent (i) l'utilisation des minerais de fer fins à faible teneur comme charge d'oxyde, (ii) l'utilisation des charbons non cokéfiants comme agent réducteur, (iii) le contrôle indépendant des processus de réduction et de fusion, (iv ) économie avantageuse en raison de coûts d'investissement et d'exploitation considérablement réduits, (v) avantages environnementaux, (vi) flexibilité dans la sélection des matières premières et dans l'exploitation, telle que l'utilisation possible de minerais de fer de qualité inférieure (par exemple, des minerais de fer à teneur plus élevée en Al2O3), ( vii) production de HM qui est similaire à la qualité du HM du BF, (viii) gaz d'exportation avec un CV plus élevé qui peut être utilisé à différentes fins (par exemple, production d'électricité, production de DRI et production de produits chimiques), (ix ) un processus de fabrication de fer alternatif éprouvé dans le commerce, et (x) l'application de friches industrielles dans une aciérie intégrée donne des synergies avec le BF.