Tecnored : Procédé innovant de production de fer sans coke

Procédé Tecnored pour la production de fer

Le procédé Tecnored a été développé par « Tecnored Desenvolvimento Tecnológico S.A. » du Brésil et est basé sur un fourneau de réduction à lit mobile à basse pression qui réduit des pellets auto-liants, carbonés, auto-fondants et auto-réducteurs à froid. La réduction est effectuée dans un fourneau à shaft de faible hauteur de conception distincte à des températures de réduction typiques. Le procédé produit de la fonte (fer liquide).

La technologie Tecnored a été conçue et développée pour être un procédé de production de fer « sans coke », évitant ainsi l'investissement et l'exploitation de fours à coke nuisibles à l'environnement tout en réduisant significativement les émissions de gaz à effet de serre dans la production de fonte.

Le procédé Tecnored utilise une combinaison de soufflage chaud et froid et ne nécessite pas d'oxygène additionnel. Il élimine le besoin d'usines à coke, d'usines de sinter et d'usines d'oxygène en tonnage. Par conséquent, le procédé a des coûts d'exploitation et d'investissement beaucoup plus faibles que ceux des voies traditionnelles de production de fer.

Le procédé Tecnored est flexible quant au type de matières premières ferreuses et carbonées qu'il peut traiter. La capacité du procédé à fondre soit des pellets, soit des briquettes, ou même des charges mixtes des deux, fournit les moyens d'utiliser une large gamme de matériaux d'alimentation alternatifs. Le procédé a une bonne productivité et une haute efficacité énergétique.

Le procédé Tecnored est également revendiqué comme étant approprié pour la production de ferro-alliages tels que le ferro-manganèse.

Historique du développement

L'historique du développement du procédé Tecnored comprend différentes phases avec différents objectifs, testant une large gamme de matières premières et utilisant des tailles et concepts distincts du réacteur.

Pendant la période 1979 à 1985, des activités de développement ont été menées concernant l'utilisation de pellets auto-réducteurs contenant des cendres de pyrite comme charge métallique dans des fours cubilot. Ce concept d'auto-réduction a été adapté pour développer le nouveau procédé. En 1985, le concept du fourneau Tecnored a été formulé, incluant les alimentateurs latéraux pour le combustible solide et la post-combustion dans le shaft supérieur comme les deux caractéristiques principales de la technologie. En 1985, l'assemblage du premier prototype du fourneau Tecnored a commencé dans la ville de Joinville située dans l'état de Santa Catarina au Brésil pour expérimenter le processus de réduction à l'échelle pilote.

Pendant la période 1985 à 1990, le développement du procédé a eu lieu dans un petit fourneau circulaire de 400 mm de diamètre, visant à démontrer la faisabilité du concept du nouveau fourneau ainsi qu'à établir les premiers paramètres opérationnels et géométriques. Pendant cette phase de développement, une bonne alimentation et vidange continues (jusqu'à 24 h de chauffe continue) ont été atteintes, ce qui a corroboré l'adéquation du concept du fourneau Tecnored. Bien que les résultats atteints dans cette phase étaient expressifs, plus que la méthode empirique de développement, une meilleure compréhension fondamentale du procédé était requise pour décider des prochaines étapes du développement. Par conséquent, pour la conception et la construction d'un fourneau pilote plus grand, une modélisation mathématique très complète du comportement d'un pellet auto-réducteur dans le fourneau Tecnored a été construite.

Pendant la période 1990 à 1993, le développement du procédé a été effectué dans un fourneau circulaire plus grand de 600 mm de diamètre. Cela a été fait dans le but d'atteindre des campagnes plus longues, une stabilité opérationnelle plus élevée, des ajustements géométriques et opérationnels basés sur la modélisation mathématique et un rendement plus élevé de la post-combustion. Les résultats atteints pendant cette phase ont été de longues périodes de stabilité opérationnelle lisse, contrôle et maintenance du taux d'alimentation de la charge, contrôle de la procédure de vidange du laitier et de la fonte, améliorations sur la fluidodynamique du procédé, et évaluation rapprochée du profil thermique et gazeux à l'intérieur du fourneau. Cependant, le fourneau de 600 mm a approché sa limite pour assister au développement expérimental de la technologie et donc, après 3 ans d'expériences, il a été décidé de continuer le processus de développement dans un nouveau fourneau pilote plus grand avec 1000 mm de diamètre. Aussi, la modélisation mathématique du procédé dans cette période a indiqué que pour atteindre une production plus élevée en plus du fourneau plus grand, pour le maintien d'un raceway et d'une ingénierie de flamme appropriés sur le fourneau Tecnored, la géométrie du fourneau doit être changée de circulaire à section transversale rectangulaire.

Pendant la période 1994 à 1995, les développements de procédé ont été effectués dans un fourneau circulaire de 1000 mm de diamètre. Cela a été fait dans le but de confirmer les paramètres géométriques et opérationnels dans un grand fourneau, ainsi que de vérifier la limitation croissante des fours circulaires comme indiqué par la modélisation. Les résultats atteints pendant l'opération du fourneau pilote circulaire plus grand ont confirmé une haute stabilité opérationnelle, un bon contrôle du fourneau, une longue durée de campagne, une bonne qualité de fonte et de laitier, etc. Aussi, le fourneau pilote de 1000 mm de diamètre a confirmé la prédiction de la modélisation mathématique que la taille du fourneau ne pouvait pas augmenter tout en étant circulaire, ouvrant la voie à la création du concept modulaire, c'est-à-dire qu'avec un fourneau rectangulaire, il serait possible d'augmenter la production en ajoutant des modules supplémentaires tout en gardant une section transversale fixe. Cela a conduit à la décision de construire une tranche modulaire à taille réelle du fourneau pilote Tecnored de section transversale rectangulaire.

En 1996, le test du nouveau concept de fourneau a été effectué en utilisant un petit fourneau pilote avec une seule tuyère. Les résultats opérationnels atteints ont corroboré l'adéquation du nouveau concept pour la production de fer basé sur l'utilisation d'agglomérés auto-réducteurs. Basé sur les résultats, une tranche modulaire à taille réelle du fourneau pilote Tecnored a été construite.

Pendant la période 1997 à 2000, la procédure d'atténuation des risques et les tests assistés par la conception du fourneau industriel utilisant une tranche à taille réelle ont été effectués. Basé sur cette nouvelle conception rectangulaire, la modularité du fourneau a pu être exploitée par la construction et les tests réussis du fourneau cellulaire préliminaire. Dans cette phase, des essais continus en campagnes d'une semaine dans la tranche modulaire à échelle réelle ont été effectués dans plus de 100 tests séparés, totalisant 1000 heures d'opération. Au cours du développement sur ces 100 essais, plus de 1000 tonnes de fonte de haute qualité ont été produites. La qualité de la fonte était similaire à la fonte du haut fourneau. L'achèvement réussi de l'étape pilote du développement du procédé Tecnored a ouvert la voie à la construction d'installations à échelle industrielle pour les usines d'unités de fer vierge, ainsi que les usines pour le recyclage des déchets miniers et sidérurgiques.

Pendant l'opération, le fourneau pilote Tecnored s'est avéré être une méthode novatrice et très bénéfique pour développer ce procédé métallurgique et les paramètres de conception fondamentaux du fourneau requis pour la première installation d'exploitation ont été déterminés pendant le cours des tests pilotes. Les tests ont aidé au développement d'un projet pour la construction d'une usine de démonstration industrielle (IDP), avec une capacité de 75 000 tonnes par an.

L'IDP est située dans la municipalité de Pindamonhangaba dans l'état de São Paulo au Brésil. Pendant 2008-2009, la construction de l'IDP a été achevée et les licences d'exploitation obtenues. En 2011, les modifications pour les dispositifs périphériques et accessoires du fourneau Tecnored ont été achevées, le projet pour le développement des matières premières a commencé, et le démarrage du fourneau Tecnored a débuté. En 2012, l'opération du fourneau Tecnored a commencé ainsi que les études de faisabilité pour la construction d'une usine plus grande de capacité 300 000 tonnes par an à Carajas, dans l'état de Para au Brésil.

Le procédé Tecnored

Le procédé Tecnored est une nouvelle approche de la technologie de production de fer qui utilise des agglomérés auto-réducteurs à liant froid (pellets ou briquettes), produits à partir de fines de minerai de fer ou de résidus ferreux, plus des fines de coke de pétrole, charbon, charbon de bois, ou résidus carbonés. Ces matériaux, mélangés avec des agents fondants et liants, sont agglomérés et cuits sur sécheur, produisant des briquettes/pellets qui ont une résistance suffisante pour les exigences physiques et métallurgiques du procédé Tecnored. Les agglomérés produits sont fondus dans un fourneau à shaft de haute efficacité et de conception unique connu sous le nom de fourneau Tecnored. Le fourneau Tecnored, en raison de sa faible hauteur de shaft, utilise des combustibles solides à faible coût, tels que le coke de pétrole vert, le charbon ou les semi-cokes.

La caractéristique principale de ce procédé est qu'il utilise des matériaux relativement peu coûteux tels que les fines de minerais de fer ou d'oxydes résiduels et les fines de charbon/charbon de bois (ou coke de pétrole) comme réducteur/combustible. Le fourneau Tecnored est le cœur du procédé.

La fiche de procédé schématique du procédé est à la Fig. 1.

Fig. 1 Fiche de procédé schématique du procédé Tecnored

Le procédé consiste en la pelletisation de fines de minerai de fer avec une taille inférieure à 140 mailles, de fines de coke avec une taille inférieure à 200 mailles, et d'un fondant tel que la chaux hydratée de taille inférieure à 140 mailles en utilisant du ciment comme liant. Les pellets sont cuits et séchés à 200 °C avant d'être alimentés au sommet du fourneau Tecnored. La pression interne du fourneau est maintenue dans la gamme d'environ 0,25 kg/cm² à 0,37 kg/cm². Le temps de résidence total de la charge dans le fourneau est d'environ 30 à 40 minutes. Le combustible solide de taille variant de 40 mm à 80 mm est alimenté dans le fourneau sous la zone de pellets chauds en utilisant des alimentateurs latéraux. L'air chaud à environ 1150 °C est soufflé à travers des tuyères situées sur le côté du fourneau pour fournir l'air de combustion pour le coke. Une petite quantité de gaz de fourneau est autorisée à s'écouler à travers les alimentateurs latéraux pour l'utiliser pour le séchage et le préchauffage du combustible solide. L'air froid est soufflé à un point plus haut pour favoriser la post-combustion du CO dans le shaft supérieur. En cas d'utilisation de combustible solide à haute teneur en soufre, nécessite un système de nettoyage élaboré pour les gaz de fourneau afin de respecter les réglementations environnementales. La fonte produite est vidangée dans une poche sur un chariot à poche, qui peut basculer la poche pour le désulfurage. Le fer liquide est désulfuré dans la poche, et le laitier ratissé dans un pot à laitier.

Le fourneau a trois zones : (i) zone de shaft supérieur, (ii) zone de fusion, et (iii) zone de shaft inférieur.

Dans la zone de shaft supérieur du fourneau, le combustible solide est chargé dans le shaft supérieur. La réaction de Boudouard (CO₂ + C = 2 CO) sur le combustible est prévenue ce qui économise de l'énergie. La post-combustion dans cette zone du fourneau brûle le CO ce qui fournit de l'énergie pour le préchauffage et la réduction de la charge. Aussi à l'intérieur des pellets, les réactions suivantes ont lieu à un taux très rapide :

FeₓOᵧ + yCO = xFe + yCO₂
yCO₂ + yC = 2yCO

Dans la zone de fusion, la réoxydation est prévenue en raison de l'atmosphère réductrice dans la charge. La fusion de la charge a lieu sous atmosphère réductrice.

Dans la zone de shaft inférieur du fourneau, du combustible solide de basse qualité est chargé. Le combustible solide de basse qualité peut aussi inclure des plastiques de rebut et des pneus usagés en raison de la faible hauteur du shaft du fourneau. Dans cette zone, la réduction résiduelle des oxydes de fer restants et les réactions de laitier des matériaux de gangue et des cendres de combustible ont lieu à l'état liquide. Aussi, le surchauffage des gouttelettes de métal et de laitier a lieu. Ces gouttelettes de métal et de laitier surchauffées s'enfoncent par gravité vers la sole du fourneau et s'y accumulent.

Le procédé utilise deux entrées différentes d'unités de carbone : (i) le réducteur, et (ii) le combustible solide, optimisant la flexibilité du procédé. L'agent réducteur est normalement des fines de charbon mais pratiquement des fines de tout type de matériau enrichi en carbone peuvent être utilisées. Il est ajouté dans le mélange à partir duquel les agglomérés auto-réducteurs (pellets ou briquettes) sont produits. La quantité de fines de charbon requise est établie par un ratio C/F (carbone sur fines de minerai), généralement suffisant pour atteindre la réduction complète de la charge, en fournissant simplement la chaleur nécessaire pour le procédé. Dans l'auto-réduction, le CO externe ne joue pas un rôle significatif dans le processus de réduction.

Le combustible solide en morceaux est chargé à travers les alimentateurs latéraux (pour éviter la réaction de Boudouard endothermic de perte de solution dans le shaft supérieur) et est responsable de former le lit de char et de fournir la plupart de l'énergie demandée par le procédé. Cette énergie est formée par le soufflage primaire (C + O₂ = CO) et par le soufflage secondaire, où le CO en amont, généré par la gazéification du combustible solide au foyer, est brûlé (CO + ½O₂ = CO₂). La Fig. 2 montre une coupe transversale schématique du fourneau Tecnored, où ces deux caractéristiques importantes sont mises en évidence.

Fig. 2 Coupe transversale du fourneau Tecnored

Puisque la fonction ultime des deux unités de carbone utilisées dans le procédé Tecnored est différente, il y a des spécifications distinctes de ces deux unités de carbone, non seulement en termes de composition chimique, mais aussi par rapport à la gamme de taille. La portion de combustible solide requiert du matériau en morceaux, typiquement 40 mm à 80 mm de taille, capable de gérer les besoins physiques et thermiques requis des combustibles solides dans le procédé Tecnored.

Le combustible en morceaux utilisé dans le fourneau Tecnored est requis pour créer la perméabilité dans le foyer du fourneau pour un écoulement uniforme des phases liquide et gazeuse. Donc, le combustible solide sélectionné pour être utilisé dans le procédé, au point final de l'alimentateur latéral, après le processus de charification (Fig. 3), doit fournir un char en morceaux, avec un squelette assez fort pour supporter la charge de la charge, ainsi qu'une bonne réactivité pour promouvoir un RAFT (température de flamme adiabatique du raceway) et une géométrie de flamme appropriés. Il doit aussi être capable de créer le ratio CO/CO₂ désiré au sommet du lit de char.

Fig. 3 Processus de charification du combustible solide dans le fourneau Tecnored

Cependant, il est plutôt important de mentionner que la charge mécanique imposée au lit de char est extrêmement faible, en raison de la haute productivité volumétrique du fourneau, résultant en un fourneau avec une hauteur de shaft inférieure. Cette caractéristique du procédé est l'une des principales raisons qui expliquent la capacité du fourneau à fonctionner sans l'utilisation de coke et permettre l'utilisation de combustibles solides de basse qualité.

Les consommations spécifiques de combustibles par tonne de fonte sont de 250 kg de charbon et 310 kg de combustible solide pour produire de la fonte avec 3 % à 4,5 % de carbone et 0,2 % à 1,0 % de Si. La température de la fonte est normalement dans la gamme de 1380 °C à 1430 °C.