Circored et Circofer : Réduction efficace des fines de minerai de fer par réduction directe en lit fluidisé

Les procédés Circored et Circofer de production de fer

Les procédés Circored et Circofer sont des technologies de réduction des fines de minerai de fer basées sur le lit fluidisé. Ces procédés évitent totalement l'agglomération et utilisent directement les fines de minerai. Comme ils emploient du charbon non cokéfiable, l'installation d'une batterie de fours à coke n'est pas nécessaire. La technologie du lit fluidisé est idéalement adaptée aux processus à forte intensité énergétique comme la réduction directe, car elle permet des taux élevés de transfert de chaleur et de masse.

Les deux procédés ont été développés par Lurgi Metallurgie GmbH, Allemagne (aujourd'hui Outotec Oyj, Finlande) pour la production de fer réduit direct (FRD) à partir de fines de minerai. Pour les deux, des capacités supérieures à 1 million de tonnes par an sont possibles dans une seule unité de production, offrant des économies d'échelle améliorées.

Le procédé Circored est basé sur l'hydrogène (H₂), tandis que le procédé Circofer utilise le charbon. Circored a une configuration à deux étages pour atteindre un taux de métallisation de 90 à 95 %, alors que Circofer a une configuration à un seul étage atteignant une pré-réduction jusqu'à environ 70 % de métallisation. Le procédé Circofer à base de charbon produit un matériau pré-réduit pour les réacteurs de réduction par fusion comme AusIron ou les fours électriques de fusion – le produit final étant du métal chaud ou de la fonte.

Procédé Circored

Le procédé Circored utilise des lits fluidisés à l'échelle adoptée par Outotec pour d'autres applications. Le développement a commencé à la fin des années 1970 avec des essais pilotes à l'usine ELRED d'ASEA en Suède. Des tests ont aussi été menés dans l'unité de démonstration du réacteur CFB de 3 t/h chez Thyssen Stahl à Duisbourg, Allemagne, axés sur le traitement des déchets d'aciérie.

La première unité commerciale Circored a été construite en 1998 par Cliffs and Associates Ltd. au complexe industriel de Point Lisas à Trinité. L'usine a une capacité de 500 000 t/an de HBI. Elle n'est actuellement pas en fonctionnement.

Le procédé utilise le gaz naturel pour produire du FRD à partir de fines de minerai. C'est un processus à deux étages : le premier est un lit fluidisé circulatoire (CFB), le second un lit fluidisé bouillonnant (BFB). Un réchauffeur flash porte le FRD fin à la température de briquetage.

Le procédé Circored à base d'H₂ produit du FRD ou du fer briqueté à chaud (HBI) hautement métallisé pour alimentation directe dans un four à arc électrique (EAF). Il réduit la consommation d'énergie et les émissions, offrant une solution durable pour la sidérurgie. Ses caractéristiques clés sont : (i) utilisation directe des fines sans agglomération préalable (pelletisation ou frittage), et (ii) fonctionnement avec de l'hydrogène pur comme gaz réducteur, permettant une réduction à très faibles émissions de CO₂ et des températures basses limitant les risques d'agglomération. L'H₂ est produit par reformage du gaz naturel, mais peut aussi provenir d'autres sources comme l'électrolyse de l'eau.

La réaction chimique de base : Fe₂O₃ + 3H₂ → 2Fe + 3H₂O.

Premier étage : Réacteur CFB

Le CFB est choisi pour atteindre une pré-réduction de 65 à 70 % grâce à : (i) sa vitesse de glissement élevée entre gaz et solides, (ii) d'excellents transferts de chaleur et de masse, et (iii) un temps de séjour court (20-30 min). Les vitesses de gaz de 4-6 m/s permettent un réacteur de diamètre plus petit, réduisant les coûts d'investissement. Le CFB permet aussi d'utiliser les gaz de sortie du BFB comme gaz secondaire, améliorant l'utilisation globale du gaz.

Deuxième étage : Réacteur BFB

Le BFB est sélectionné pour la métallisation finale de 93-95 % en raison de sa cinétique plus lente. Caractérisé par des vitesses de gaz plus faibles (0,5-0,6 m/s) et des temps de séjour longs (2-4 h), les fines atteignent la réduction finale à 650 °C. Les réactions sont principalement contrôlées par diffusion. Le gaz de sortie du BFB passe au CFB. Le produit sort à ~650 °C, est chauffé en flash à ~700 °C pour le briquetage en HBI.

Circored utilise l'H₂ du reformage du gaz naturel comme seul réducteur (pas de CO), donnant un produit sans carbone. Une température < 650 °C évite l'agglomération des fines réduites. La basse température nécessite des volumes de gaz plus élevés, d'où une pression de fonctionnement de 4 kg/cm² pour réduire les débits réels.

Le gaz de procédé compressé est préchauffé à ~750 °C dans deux fours à gaz, injecté dans les deux étages. Le gaz de sortie du BFB alimente le CFB en gaz secondaire. Le gaz sortant du cyclone de recyclage du CFB est refroidi, passé au multi-cyclone pour récupération de poussières (recyclées au flash heater), puis lavé et refroidi pour élimination finale des poussières et de l'eau. Le gaz est recompressé, réchauffé et réinjecté.

Pour la récupération des poussières du laveur, un micro-granulage est utilisé : les particules ultra-fines sont agglomérées en micro-granules (~350 µm) avec un liant. Pas d'équipement de durcissement thermique supplémentaire : le durcissement se fait dans la section de préchauffage. Applicable aussi pour minerais ultra-fins type aliment de pelletisation.

Le gaz refroidi et nettoyé est recompressé, préchauffé à ~750 °C dans des réchauffeurs à gaz, puis réintroduit. L'H₂ frais du reformeur à vapeur (avec élimination CO₂) est ajouté après compression. Deux tiers du gaz frais vont au BFB, un tiers au CFB.

L'option de chargement à chaud permet d'alimenter directement le FRD chaud dans l'EAF sans briquetage.

Consommations types par tonne de HBI : (i) fines de minerai (67 % Fe) : 1 470 kg, (ii) électricité : 100 kWh, (iii) gaz naturel : 2,75 Gcal, (iv) eau : 0,6 m³, (v) main-d'œuvre : 0,23 h.

Avantages : (i) utilisation directe de fines à bas coût sans agglomération, (ii) réduction à l'H₂ = très faibles émissions CO₂, températures basses limitant l'agglomération, (iii) excellents transferts chaleur/masse en CFB, (iv) coûts d'investissement et d'exploitation faibles.

• Consommation gaz : 2,75 Gcal/t (faible)
• Électricité pour acier liquide via Circored-HBI-EAF : 901 kWh/t acier

Émissions CO₂ liées au procédé et totales (incl. électricité) : 1,2 et 2,02 t/t acier. La route Circored-EAF émet ~50 % du CO₂ de la route haut fourneau-convertisseur (avec H₂ par reformage conventionnel). Si H₂ par électrolyse et électricité EAF sont d'origine renouvelable, réduction CO₂ jusqu'à 90 %.

Procédé Circofer

Similaire à Circored, Circofer réduit les fines avec du charbon en CFB, le gaz réducteur étant produit par gazéification in-situ du charbon. Température de fonctionnement ~950 °C, sans production de gaz d'export excédentaire. L'utilisation cohérente de la technologie CFB assure transferts chaleur/masse exceptionnels, distribution uniforme de température et excellente utilisation chaleur/gaz.

Un pilote de 5 t/j a été installé à Francfort, Allemagne, pour tester divers minerais et charbons et simuler les conditions industrielles. Le FRD produit (>93 % métallisation) vise mini-acieries et aciéries d'alliages pour aciers spéciaux, mais utilisable aussi en aciéries intégrées.

Description du procédé

La pré-réduction Circofer consiste en un CFB où le minerai est réduit par CO et H₂ de la gazéification du charbon. Le gaz de sortie préchauffe le minerai dans un préchauffeur à suspension à deux étages. Le minerai est ensuite réchauffé par char recyclé et combustion partielle du charbon à l'oxygène dans le générateur de chaleur. Après préchauffage, le gaz est refroidi dans une chaudière à récupération (générant vapeur pour l'épurateur CO₂) et dans un laveur Venturi pour éliminer la vapeur d'eau. Le CO₂ est éliminé dans un épurateur, le gaz CO/H₂ retournant à l'étage de réduction.

Matières premières : charbon, char, fines de minerai (0,1-1,0 mm). Charbon toute variété avec température de fusion des cendres >1 050 °C et matières volatiles 10-40 %. Charbon à faibles cendres (<15 %) souhaitable pour minimiser la charge circulante et le volume de laitier en cas de chargement direct en four de fusion.

Circofer combine lits fluidisés circulants et stationnaires. Les fines sont préchauffées dans un préchauffeur intégré à deux étages avant le premier étage de réduction (CFB avec générateur de chaleur intégré). La combustion partielle du charbon à l'oxygène fournit la chaleur et le char nécessaire comme carbone réducteur et anti-agglomération. Cela permet la pré-réduction CFB à 950 °C sans agglomération.

Fines de minerai et char recyclé (séparation magnétique avant briquetage) sont préchauffés à ~800 °C dans un système CFB à deux étages utilisant la chaleur sensible du gaz de sortie. Chargés dans le CFB via un gazéificateur. Charbon injecté dans le gazéificateur à ~1 000 °C, oxydé partiellement à l'O₂ pour générer la chaleur. Solides et gaz entrent au CFB : réduction à ~950 °C jusqu'à ~70 % métallisation. Solides transférés au réacteur FB pour réduction finale à ~93 %. Produit métallisé, cendres et char excédentaire sortent du FB à ~730 °C, séparation magnétique. Produit métallisé briqueté à chaud ~680 °C. Char non magnétique recyclé.

Composition type du FRD Circofer : Fe total 92,7 %, Fe métallique 85,8 %, métallisation 92,6 %, C 1,32 %, SiO₂ 1,25 %, Al₂O₃ 2,62 %, CaO 0,06 %.

Après réduction finale, séparation magnétique à chaud. Deux options : (1) recycler la majeure partie du char et briqueter le produit hautement métallisé en HBI ; (2) fusion immédiate du FRD chaud (AusIron) – avantage : économies d'énergie substantielles en « une seule chauffe », le carbone excédentaire servant de source d'énergie pour la fusion.

Circofer se caractérise par un circuit de gaz fermé. Le gaz de gazéification et réduction est refroidi, dépoussiéré, puis l'eau et le CO₂ sont épurés. Le gaz à fort pouvoir réducteur est compressé, réchauffé et recyclé. Les hautes températures et la réaction de Boudouard permettent une haute utilisation du gaz et un fonctionnement sans gaz d'export.

Le gaz circule en circuit fermé : gaz de sortie du réacteur → préchauffeur minerai → refroidissement ~220 °C en chaudière à récupération → dépoussiérage filtre à manches → quenching et lavage (élimination vapeur) → épuration CO₂ (utilisant vapeur de la chaudière) → compression → réinjection dans les deux réacteurs et gazéificateur.

Caractéristiques clés du procédé Circofer :

• Utilise le charbon
• Fines de minerai sans agglomération ni pré-traitement
• Préparation matière minimale
• Transferts chaleur/masse exceptionnels (technologie lit fluidisé)
• Système énergétique fermé, demande énergie primaire minimisée
• Pas d'énergie excédentaire
• Pas de déchets dangereux
• Respectueux de l'environnement, faibles émissions
• Flexibilité : production HBI vendable, ou FRD chaud vers four de fusion pour métal chaud
• Augmente significativement la capacité du four de fusion aval (AusIron)
• Diminue la consommation électrique du four électrique aval