Technologie PERED de réduction directe : production de fer accélérée et écoénergétique

Technologie PERED pour la production de fer réduit direct

La technologie PERED, aussi connue sous le nom de technologie « Persian Reduction », est une technologie de réduction directe inventée et brevetée par « Mines and Metals Engineering GmbH » en 2007. Le procédé PERED convertit les oxydes de fer, sous forme de pellets ou de minerai en vrac, en produit hautement réduit apte à la sidérurgie. La réduction de l'oxyde de fer se fait sans fusion, par des gaz réducteurs à l'état solide dans un four à shaft vertical. Cette technologie améliore le procédé de réduction directe pour la production de fer réduit direct (FRD).

C'est un procédé de réduction directe à base de gaz, développé par une équipe de spécialistes expérimentés dans divers domaines de la réduction directe pour garantir que tous les flux des différents procédés sont intégrés au processus principal afin d'obtenir des résultats optimaux et efficaces. Le gaz le plus couramment utilisé est le gaz naturel reformé, mais d'autres gaz comme le gaz Corex, le gaz de four à coke, etc., peuvent aussi être utilisés. La technologie PERED réduit les coûts d'investissement, la consommation d'eau, les coûts de maintenance et la consommation d'énergie.

Dans PERED, la réduction s'effectue à température plus basse grâce à des méthodes de refroidissement améliorées et des émissions de gaz polluants réduites. Avec moins de chaleur, un gaz réducteur plus homogène, une alimentation en pellets mieux contrôlée et l'utilisation de compresseurs centrifuges, PERED nécessite moins d'eau, d'électricité et de gaz pour fonctionner, avec des dépenses d'exploitation et de maintenance moindres.

La production des usines PERED peut être sous forme de : (i) FRD à froid (CDRI), (ii) fer briqueté à chaud (HBI), (iii) combinaison CDRI/HBI, (iv) HBI/FRD à chaud (HDRI), (v) CDRI/HDRI.

Technologie écoénergétique améliorée

PERED est une technologie écoénergétique améliorée, économisant énergie et ressources. Elle optimise l'utilisation de l'énergie et des matières premières, réduisant les coûts de production avec l'avantage d'être plus respectueuse de l'environnement que les autres procédés de réduction directe à base de gaz. Elle offre aussi une flexibilité accrue en exploitation. Conçue pour accepter une grande variété de matières premières (minerais à haute teneur en soufre) et sources d'énergie. Le procédé peut utiliser jusqu'à 50 % de minerai en vrac. Il fonctionne à pression plus élevée (prouvée). Le gaz de procédé sec permet un débit de gaz plus élevé avec le même système, augmentant la production ou réduisant la consommation d'énergie pour une même production.

La première usine de réduction directe basée sur PERED, capacité 0,8 Mt/an, a démarré en juin 2017 à Shadegan, province du Khouzestan, Iran. L'usine a démarré sans problème. Produit : métallisation >93 %, teneur en carbone >1,5 %. Capacité de 75 t/h atteinte dès le premier jour avec de bons consommations utilités. Capacité nominale atteinte rapidement. Deuxième usine 0,8 Mt/an mise en service en octobre 2017 au complexe Mianeh Steel, province d'Azerbaïdjan Est, Iran (Fig 1). Deux autres usines 0,8 Mt/an et une de 0,3 Mt/an en construction. L'usine 0,3 Mt/an en Chine fonctionne au gaz de four à coke.

Améliorations du procédé PERED

Le procédé PERED comporte plusieurs améliorations par rapport aux technologies existantes de réduction directe à base de gaz. Les caractéristiques les plus notables :

• Procédé continu utilisant un flux ininterrompu de gaz réducteurs pour l'élimination de l'oxygène de l'alimentation en oxydes de fer et pour la cémentation du produit FRD.
• Consommation de carburant minimisée par recyclage du gaz de tête du four à shaft vertical dans le procédé.
• Système de reformage spécialement conçu pour utiliser le CO₂ produit lors de la réduction des oxydes de fer dans le four. Conçu pour la conversion catalytique du gaz naturel sans formation de suie. Élimine la nécessité d'une source externe d'O₂ pour l'oxydation partielle du méthane (CH₄).
• Conçu pour une récupération de chaleur maximale par préchauffage de l'air principal, du gaz naturel et du gaz d'alimentation.

Four à shaft vertical

L'innovation commence au four à shaft, unique en son genre, conçu pour améliorer les écoulements solides et gaz afin d'améliorer les réactions internes. Résultat : volume de zone de réduction plus important, taux de production plus élevé. Double injection de gaz réducteur améliorant la distribution du gaz. Alimentation et distribution de la charge améliorées pour de meilleurs résultats. Distribution améliorée grâce au nouveau tuyau d'alimentation breveté.

Zone supérieure (zone de réduction) – caractéristiques spéciales : (i) alimentation et distribution des oxydes par tuyaux d'alimentation spéciaux, (ii) optimisation du rapport hauteur/diamètre pour meilleure utilisation du four, (iii) optimisation des réactions de réduction : Fe(oxide)+CO=Fe(métal)+CO₂ et Fe(oxide)+H₂=Fe(métal)+H₂O.

Les réactions s'optimisent dans la zone de réduction car : (i) pas d'équipement dans cette zone, (ii) réduction de la génération de fines par amélioration de la distribution matière grâce aux tuyaux spéciaux, (iii) optimisation du volume de réduction effectif, (iv) conception éliminant pollution potentielle par fuites de gaz, (v) conception réduisant coûts d'investissement et maintenance.

Caractéristiques de conception de la zone de réduction : (i) double prélèvement gaz de tête depuis le fond bombé supérieur, (ii) profil de température de charge amélioré pour qualité produit uniforme, (iii) réduction entraînement fines/pellets vers conduit gaz de tête pour prolonger vie réfractaire, (iv) optimisation taille four pour volume zone réduction requis, (v) température gaz de sortie plus basse par efficacité améliorée = charge moindre sur épurateurs. Aussi : (i) double injection gaz réducteur, (ii) conception ports de souche rectangulaires pour injection gaz améliorée et maintenabilité, (iii) construction réfractaire conique pour gérer gonflement FRD, (iv) flexibilité températures et compositions gaz par injection O₂, (v) meilleure utilisation gaz de souche, (vi) meilleure distribution gaz dans le four, (vii) température lit uniforme, (viii) élimination risque d'agglomération dans le four, (ix) flexibilité minerai en vrac, (x) amélioration productivité et qualité produit.

Reformage in-situ dans le four

Le gaz de souche chaud contient CH₄, CO₂, H₂O. Au contact du fer métallique (catalyseur), il génère du gaz réducteur additionnel dans le four. Réactions :

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂  ΔH > 0
CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂  ΔH > 0

D'un côté, la réaction endothermique nécessite une température de gaz de souche plus élevée ; de l'autre, la dégradation des pellets/minerai, génération de fines et agglomération surviennent à hautes températures. La conception à double port de souche optimise la quantité de CH₄ dans le gaz de souche pour contrôler la température du lit.

Reformeur de gaz

Caractéristiques spéciales :

• Gaz naturel préchauffé dans l'échangeur de récupération des gaz de combustion du reformeur
• Système de récupération capte la chaleur des gaz de cheminée du reformeur
• Reformeur multi-chambres avec tubes catalytiques. Tubes de 250 mm Ø, conception compacte
• Catalyseur « Performex » développé spécialement pour le procédé

Zone de refroidissement

Alimentateurs de charge à rotation 360°. Conception de pointe pour performance meilleure et uniforme. Charge alimentée par quatre arbres rotatifs à contrôle indépendant. Zone froide = pas de chemise d'eau. Si agglomération se forme, délogée par rotation inverse et contrôle vitesse. Gaz de refroidissement injecté depuis collecteur extérieur, gaz chaud collecté uniformément par prises de forme. Pas de risque de défaillance collecteur (pas de réfractaire). Système de refroidissement conçu pour éliminer particules dans l'épurateur. Gaz compressé et envoyé vers zone de sortie produit bas du four.

Spécifications types usine 0,8 Mt/an

Tableau 1 : Spécifications types pour usine PERED
N°	Sujet	Unité	Valeur
1	Capacité	Mt/an	0,8
2	Taille pellets oxyde	mm	5-35
3	Diamètre four vertical	m	~5,5
4	Hauteur totale	m	~52
5	Taux production horaire	t/h	105
6	Heures fonctionnement/an	Heures	8 000
7	Température fonctionnement four	°C	850
8	Pression haute normale four	kg/cm² g	0,6
9	Pression basse normale four	kg/cm² g	2,1 max.
10	Besoin gaz réduction	Nm³/h	170 000
11	Gaz réduction par tonne produit	Nm³	1 600
12	Densité FRD	t/m³	1,7
13	Densité oxyde fer	t/m³	2,3

Atouts utiles d'une usine PERED

• Procédé éprouvé avec exploitation commerciale réussie
• Coût d'investissement spécifique faible
• Consommation spécifique d'énergie faible → coûts énergie réduits
• Coût d'exploitation faible
• Consommation spécifique d'eau faible
• Niveau pollution environnementale faible
• Multiples options produit : CDRI, HDRI, HBI
• Flexibilité matière : jusqu'à 50 % minerai en vrac
• Flexibilité pour minerais à haute teneur en soufre
• Conceptions disponibles pour capacités > 1 Mt/an