Injection de gaz de cokerie : booster l'efficacité du haut fourneau et réduire les émissions de CO2

Injection de gaz de cokerie dans un haut fourneau

L'industrie sidérurgique est l'un des principaux consommateurs d'énergie et donc responsable d'émissions élevées de dioxyde de carbone (CO2). Malgré une diminution remarquable des émissions spécifiques de CO2 par la plupart des usines sidérurgiques, la quantité totale d'émissions de CO2 augmente dans le monde en raison de l'augmentation continue de la production d'acier, qui a atteint 1606 millions de tonnes en 2013. Aujourd'hui, l'industrie sidérurgique fait face à une demande croissante de minimiser la consommation d'énergie et les émissions de gaz, en particulier des processus de réduction du fer. L'utilisation efficace des gaz de sous-produits est essentielle pour la rentabilité de l'exploitation d'une usine sidérurgique en raison des volumes d'énergie élevés et des coûts impliqués. L'injection de gaz de cokerie (COG) dans le haut fourneau moderne est l'une des mesures efficaces pour l'industrie sidérurgique afin d'atteindre une réduction du fer à faible teneur en carbone, des économies d'énergie et une réduction des émissions.

Le coke est un intrant essentiel du processus de réduction du fer et est produit en chauffant du charbon dans des fours à coke. Pour fabriquer du coke, le charbon est chauffé en l'absence d'oxygène pour en chasser les matières volatiles. Le COG est produit comme sous-produit du processus dans le cas de batteries de fours à coke à récupération de sous-produits, normalement installées dans les usines sidérurgiques. La quantité spécifique de COG générée pendant la cokéfaction dans les fours à coke à sous-produits se situe entre 290 et 340 Nm³/t de charge de charbon selon les matières volatiles dans la charge.

Le COG est actuellement utilisé après son nettoyage du goudron, du naphtalène, du benzène brut, de l'ammoniac et du soufre pour le chauffage des cowpers de haut fourneau, des fours d'allumage en usine d'agglomération, des fours de réchauffage en laminoirs et la production d'énergie électrique en centrale.

Le COG a une composition composée d'environ 55-58 % H2, 25-27 % CH4, 6-7 % CO et de petits pourcentages de CO2, N2, hydrocarbures et autres éléments. Depuis que la composition du COG est riche en hydrogène, elle a attiré beaucoup d'attention ces dernières années pour son utilisation dans les processus de réduction.

Le COG peut également être un réducteur dans le haut fourneau. L'injection de COG est un processus qui consiste à injecter de grands volumes de gaz de cokerie dans la gueuse d'un haut fourneau (HF). Cela fournit non seulement une source de carbone supplémentaire, mais accélère aussi la production de fonte liquide tout en réduisant le besoin de coke métallurgique pour les réactions dans le haut fourneau. La technologie d'injection de COG réduit également les émissions absolues de CO2 ainsi que les émissions de SO2 du haut fourneau.

Des essais d'injection de gaz dans le haut fourneau ont été réalisés aux États-Unis au milieu des années 1990.

Dans un effort pour économiser l'énergie et réduire les coûts, USS (US Steel) a développé un système à leurs travaux de Mon Valley, situés juste à l'extérieur de Pittsburgh, Pennsylvanie, qui leur a permis d'utiliser le COG dans leurs hauts fourneaux. Bien que d'autres sidérurgistes en Amérique du Nord aient tenté cela, USS est le premier à avoir utilisé avec succès le COG dans des hauts fourneaux. Pour y parvenir, USS nettoie minutieusement le gaz, augmente sa pression et utilise des tuyères de haut fourneau modifiées. La mise en œuvre de ce projet a coûté environ 6 millions USD et a entraîné une économie annuelle de 6,1 millions USD, donnant un retour sur investissement simple de juste moins d'un an. Outre les économies de coûts, l'injection de COG dans le haut fourneau a également contribué à la diminution de la consommation d'énergie et des émissions de CO2.

L'injection de COG dans le haut fourneau influence les conditions de la gueuse et la réduction du minerai de fer. La combustion des hydrocarbures du COG devant les tuyères par l'oxygène du soufflage entraîne un développement de gaz monoxyde de carbone et d'hydrogène qui augmente le potentiel de gaz réducteur par rapport au N2. Les calculs théoriques et les essais industriels réalisés sur le remplacement du gaz naturel par le COG dans le HF ont montré une consommation de coke plus faible et une production de fonte plus élevée. La haute efficacité du COG est due au fait qu'il contient 3,5 à 4 fois moins d'hydrocarbures que le gaz naturel. Cela améliore la combustion dans le foyer de la tuyère, active la colonne de coke et augmente l'utilisation des gaz dans le fourneau. Il a été remarqué qu'un volume plus élevé et un pouvoir calorifique plus élevé du gaz de gueulard de HF peuvent être générés par l'injection de COG dans le haut fourneau. De plus, la température moyenne due à l'injection de COG augmente avec la distance par rapport à l'extrémité de la lance.

Il convient de souligner que les conditions dans la gueuse sont très complexes et influencent également les conditions dans la tuyère et donc la combustion des gaz réducteurs. De plus, l'augmentation de température est plus élevée en cas d'injection de COG en raison d'une combustion plus complète et de la haute valeur calorifique du gaz (environ 4000 à 4400 kcal par mètre cube normal).

Le COG injecté au niveau de la tuyère est normalement accompagné d'un enrichissement en oxygène de l'air chaud soufflé. Le COG doit être comprimé pour l'injection et nécessite donc une unité de compresseur, ce qui signifie une augmentation de la consommation d'énergie. L'injection d'oxygène dans l'air soufflé réduit le débit spécifique du gaz, causant une réduction de la température de gueulard et une augmentation de la température adiabatique de flamme dans la gueuse (RAFT) aux tuyères. Ces effets sont compensés par l'injection de COG. Ainsi, une injection combinée d'oxygène et de COG au niveau de la tuyère augmente la productivité du haut fourneau. Chaque 1 % d'enrichissement en oxygène du soufflage chaud améliore la productivité de 2,0 % à 2,5 %. Un schéma typique d'injection de COG dans un haut fourneau est donné à la Fig. 1.

Fig 1 Schéma de l'injection de COG dans un haut fourneau

L'injection de COG dans le haut fourneau est pratiquée dans certains pays avec différents taux d'injection allant d'environ 30 à 280 Nm³/t HM. Dans certains hauts fourneaux, le COG n'est injecté qu'occasionnellement car sa disponibilité gratuite à l'usine intégrée est limitée. La flexibilité de l'utilisation du COG peut être améliorée car le gaz peut être déplacé entre le haut fourneau et d'autres utilisateurs du gaz disponible, selon le besoin du moment. Ainsi, le gaz injecté dans le haut fourneau se substitue à des agents réducteurs alternatifs qui devraient être achetés auprès de sources externes.

De plus, il a été rapporté que le niveau maximal d'injection de COG à la tuyère du haut fourneau est estimé à 0,1 tonne COG/t HM selon les conditions thermochimiques. Le ratio de remplacement coke/COG atteint normalement 0,4-0,45 kg/Nm³ (environ 0,98 tonne de coke/tonne de COG) contre 0,8-0,85 kg/Nm³ pour le gaz naturel (GN).

Un modèle mathématique a été développé par MEFOS, Suède, pour une tuyère d'injection dans un haut fourneau afin de simuler la combustion lors de l'injection de gaz réducteur. La modélisation mathématique de l'injection de COG dans les tuyères de haut fourneau a indiqué que de meilleures conditions de combustion et des taux d'injection plus élevés sont atteints en utilisant deux lances d'injection comparé à une seule. L'injection de COG avec une seule lance a entraîné : (i) une vue très inhomogène de la température et de la vitesse, (ii) l'écoulement atteint la fin de la gueuse à haute vitesse, (iii) températures les plus élevées à la fin de la gueuse, et (iv) pas de surchauffe de la tuyère. L'injection de COG avec deux lances a entraîné : (i) profondeur de pénétration significativement diminuée, (ii) distributions plus homogènes de température, vitesse et concentration de gaz, (iii) combustion plus uniforme similaire à l'injection de fuel lourd, et (iv) pas de surchauffe de la tuyère. D'autres points liés à l'utilisation d'une ou deux lances dans un haut fourneau typique sont donnés ci-dessous.

• Avec une lance d'injection unique, la quantité maximale d'injection est de 10 000 Nm³/h. Si la quantité d'injection est plus élevée, une partie du gaz ne combustera pas dans la tuyère mais entrera dans le haut fourneau non brûlée.
• Pour deux lances d'injection, la quantité maximale d'injection est augmentée à 15 000 Nm³/h, grâce à de meilleures conditions de combustion. Les conditions sont meilleures car la vitesse d'entrée du gaz est plus faible, la turbulence dans le tuyau de la tuyère est accrue, et une plus grande partie du gaz de cokerie est en contact avec le soufflage, c'est-à-dire que la surface de réaction est plus grande.
• L'effet de la variation des angles d'injection des lances sur les résultats prédits n'est pas évident.

Un aperçu d'un système de lances de tuyère typique est montré à la Fig. 2. Il comprend deux lances d'injection pour l'injection de COG, insérées dans le tuyau de soufflage, un tuyau de soufflage et une tuyère en cuivre.

Fig 2 Système typique de lances de tuyère avec deux lances.