Procédé FINEX : Production avancée de fer liquide à partir de fines de minerai et charbon non cokéfiable

Procédé FINEX pour la production de fer liquide

Le procédé de réduction-fusion FINEX a été développé par Primetals Technologies (Autriche) et le sidérurgique sud-coréen Posco. C'est une alternative commerciale éprouvée à la filière haut fourneau (HF) pour la production de fonte (HM), comprenant HF, usine de sinter et cokerie. Ce procédé utilise directement du charbon non cokéfiable et des fines de minerai de fer sans aucune agglomération.

Dans le procédé FINEX, le minerai de fer fin est préchauffé et réduit en FRI (fer réduit direct) fin dans un système de trois réacteurs à lit fluidisé avec gaz de réduction issu du gazéifieur-fondeur. Les réacteurs à lit fluidisé permettent d'utiliser des minerais fins au lieu de minerai en blocs ou de granulés.

Résultat : ni cokerie ni agglomération de minerai ne sont nécessaires. Le briquetage du minerai pré-réduit et du charbon, l'injection de charbon pulvérisé, et le chargement contrôlé du gazéifieur-fondeur (MG) améliorent le taux de combustible. Le FRI fin produit est compacté et chargé sous forme de FCI (fer compacté à chaud) dans le gazéifieur-fondeur pour produire de la fonte. Le FCI chargé est réduit en fer métallique et fondu. La chaleur nécessaire est fournie par la gazéification du charbon à l'oxygène pur (O₂). Le procédé FINEX est respectueux de l'environnement, utilisant des fines de minerai et du charbon à bas coût.

L'utilisation d'O₂ pur produit un gaz d'exportation avec de faibles teneurs en azote (N₂). Sa valeur calorifique nette est plus de deux fois celle du gaz de gueulard d'HF, permettant un recyclage partiel pour la réduction ou la génération de chaleur/énergie.

Historique de développement

Recherches à l'échelle laboratoire (15 t/j) de 1992 à 1996. Essais sur pilote de 150 t/j en 1999. Usine de démonstration de 0,6 Mt/an à Pohang (Posco) démarrée en juin 2003 (trois réacteurs à lit fluidisé). Depuis février 2004, production stable > 0,7 Mt/an. Première usine commerciale FINEX de 1,5 Mt/an mise en service en avril 2007. Suite au succès, développement d'une usine de 2,0 Mt/an à Pohang, opérationnelle depuis janvier 2014.

Matières premières principales

Charbon

Critères d'évaluation initiaux pour charbons/mélanges adaptés au FINEX :

• Carbone fixe (C fix) ≥ 55 %
• Cendres ≤ 25 %
• Matières volatiles (VM) < 35 %
• Soufre (S) < 1 %

Exigences supplémentaires de stabilité thermique pour former un lit de coke stable dans le gazéifieur-fondeur. La stabilité thermique est vérifiée par des procédures d'essai spéciales.

Le FINEX peut fonctionner sans coke grâce à la charge inférieure dans le lit de coke du gazéifieur-fondeur et l'utilisation d'O₂. En cas de variation de qualité des briquettes de charbon ou de fluctuations du degré de réduction, du coke breeze (< 30 mm) est parfois utilisé avant/après arrêt ou si la température de la fonte baisse. L'exploitation actuelle maintient un niveau constant de coke breeze pour minimiser ces effets. La qualité du coke breeze utilisé n'est pas adaptée à l'HF (résistance ~60 % du coke HF). Pour atteindre zéro coke breeze, des optimisations sont nécessaires : optimisation du liant, technologie de préchauffage des briquettes de charbon. Les caractéristiques du charbon pour FINEX vs HF sont Fig. 1.

Minerai de fer

Généralement 100 % de fines de sinter sont chargées dans les réacteurs à lit fluidisé. 30-50 % de fines de granulés peuvent aussi être utilisés. Les types et mélanges sont décidés selon propriétés chimiques/physiques : teneur totale Fe, structure, granulométrie. Comme pour l'HF, la teneur en Fe détermine la productivité. Le ratio de mélange tient compte de la qualité et du coût. Comme la vidange de scories à haute alumine (Al₂O₃) est plus tolérable en FINEX qu'en HF, des minerais à plus haute teneur en Al₂O₃ peuvent être utilisés. Aucune limitation pour la structure d'alimentation (hématite, goethite) pour les lits fluidisés. La flexibilité des minerais pour FINEX est Fig. 2.

Le procédé

Le FINEX se distingue par la production de fonte de haute qualité basée sur le chargement direct de fines de minerai et de charbon comme réducteur et source d'énergie. La caractéristique clé : la production de fer se fait en deux étapes séparées. Dans une série de trois réacteurs à lit fluidisé, le minerai fin est réduit en FRI, puis compacté (FCI) et transporté au gazéifieur-fondeur par convoyeur à chaud. Le charbon et les briquettes chargés dans le gazéifieur-fondeur sont gazéifiés, fournissant l'énergie pour la fusion et le gaz de réduction. Le diagramme de flux est Fig. 3.

La fonte est produite en deux étapes :

1. Réduction en réacteurs à lit fluidisé (3 étages) : Les fines de minerai sont préchauffées et réduites en FRI fin. Le premier réacteur (R3) sert principalement au préchauffage. Les fines sont chargées avec flux (calcaire/dolomite) dans la série de réacteurs. Le minerai descend à travers les trois réacteurs, chauffé et réduit en FRI par le gaz de réduction (issu de la gazéification du charbon dans le gazéifieur-fondeur) circulant en contre-courant.
2. Fusion dans le gazéifieur-fondeur : Le FRI réduit est compacté en FCI, transporté par système pneumatique au sommet du gazéifieur-fondeur et chargé directement avec le charbon. Réduction finale et fusion du FCI.

Route du minerai : Système de transport pneumatique vers la tour de réacteurs à lit fluidisé. Chargement dans la série. Gaz de réduction généré dans le gazéifieur-fondeur traverse chaque réacteur en contre-courant (R1→R3). Températures et compositions typiques du gaz de réduction dans les trois réacteurs : Tableau 1.

Tableau 1 : Atmosphère gazeuse typique pour réacteur à lit fluidisé 3 étages (FINEX)
Paramètre/Composant	Unité	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	%	Nil	Nil	Nil

Le minerai fin est fluidisé par le courant de gaz et réduit progressivement à chaque étape. À la sortie du dernier réacteur, le fer réduit est compacté pour produire le FCI. Le FCI est transporté via système de transport à chaud au sommet du gazéifieur-fondeur où il est chargé directement avec le charbon. Réduction finale et fusion s'ensuivent.

Route du charbon : Charbons non cokéfiables et briquettes chargés directement dans le gazéifieur-fondeur par système à écluse. Après chute sur le lit de coke, dégazage. Les hydrocarbures libérés (nocifs) sont immédiatement dissociés en CO et H₂ grâce aux températures > 1 000 °C dans le dôme. L'O₂ injecté dans la partie basse gazéifie le charbon, générant chaleur pour la fusion et gaz de réduction riche en CO/H₂. Ce gaz, sortant du dôme, est nettoyé dans un cyclone à chaud avant d'entrer dans les réacteurs à lit fluidisé. Après fusion du FRI, la vidange se fait comme en HF standard. La qualité de la fonte FINEX est similaire à celle de l'HF.

Le gaz d'exportation FINEX est un sous-produit précieux. Le gaz propre sortant du sommet des réacteurs peut servir à : production de FRI, génération d'électricité, production de gaz de synthèse pour l'industrie chimique. Composition typique des gaz : Tableau 2.

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

Consommations spécifiques typiques (par tonne de fonte) :

• Combustible sec : ~720 kg/t HM
• Minerai de fer : ~1 600 kg/t HM
• Additifs (calcaire, dolomite) : ~285 kg/t HM
• O₂ : ~460 Nm³
• N₂ : ~270 Nm³
• Énergie : ~190 kWh/t HM
• Réfractaires : ~1,5 kg/t HM

Caractéristiques de la fonte FINEX : C ~4,5 %, Si ~0,7 %, Mn ~0,07 %, P ~0,07 %, S ~0,04 %, température ~1 500 °C.

Caractéristiques du gaz d'exportation : CO ~34 %, CO₂ ~43 %, H₂ ~13 %, H₂O ~3 %, CH₄ <1 %, N₂/Ar ~6 %, H₂S <100 ppm, poussières 5 mg/Nm³, pression 0,1 kg/cm², température ~40 °C, PCI 1 300-1 500 kcal/Nm³. ~1,9 Gcal de gaz d'exportation par tonne de HM.

Aspects environnementaux

Le FINEX permet de récupérer du CO₂ de haute pureté pour capture/stockage (CCS). Le CO₂ récupéré peut aussi servir à la récupération assistée de pétrole ou autres usages économiques. Possible grâce à l'O₂ pur dans le gazéifieur-fondeur : le gaz d'exportation contient peu de N₂, permettant d'éliminer le CO₂ en haute concentration du gaz de recyclage et de générer du CO₂ >95 % pur après purification. Taux d'émission CO₂ FINEX sans CCS : 99 % de la moyenne HF ; avec CCS : 55 %.

Le FINEX est un procédé au charbon pour réduction du minerai en fer, puis fusion en fonte. Certaines substances nocives sont inévitables selon le mélange matières premières. Comme le FINEX capture la plupart des polluants dans la scorie (état inerte) et détruit les hydrocarbures dans le dôme du gazéifieur-fondeur, les émissions sont très faibles. Émissions par tonne de HM : poussières ~58 g/t, SOx ~32 g/t, NOx ~94 g/t.

Avantages du procédé FINEX

• Utilisation de fines de minerai de fer de basse qualité comme aliment oxydé.
• Utilisation de charbons non cokéfiables comme réducteur.
• Contrôle indépendant des processus de réduction et fusion.
• Économie avantageuse : coûts d'investissement et d'exploitation significativement réduits.
• Bénéfices environnementaux.
• Flexibilité matières premières et opération (ex: minerais à haute Al₂O₃).
• Production de fonte de qualité similaire à l'HF.
• Gaz d'exportation à PCI élevée utilisable pour divers usages (électricité, FRI, produits chimiques).
• Alternative commerciale éprouvée à la filière HF.
• Application en site existant (brownfield) dans aciérie intégrée donne synergies avec l'HF.