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Energiron : réduction directe propre et rentable pour la production de fer

Technologie de réduction directe Energiron

La technologie de réduction directe Energiron est une technologie de réduction directe à base de gaz. Le processus Energiron convertit les boulettes ou le minerai de fer en morceaux en fer métallique. Elle utilise la technologie de réduction directe HYL développée conjointement par Tenova et Danieli et est une solution compétitive et respectueuse de l'environnement pour réduire le coût de production de l'acier liquide. Elle utilise une configuration d'usine simple, a une flexibilité pour utiliser différentes sources de gaz réducteurs et a une utilisation très efficace et flexible des minerais de fer. Un facteur clé dans de nombreux avantages du processus est directement lié à son fonctionnement sous pression.

Energiron est le nom du produit fer réduit direct (FRD) produit par la technologie de réduction directe Energiron. Le produit est ainsi nommé car il transporte une énergie substantielle qui est réalisée pendant le processus de fabrication de l'acier.

Energiron est un produit hautement métallisé avec une teneur en carbone (C) contrôlable dans la gamme de 1,5 % à 5,0 %. La teneur plus élevée en C d'Energiron génère de l'énergie chimique dans le processus de fusion au four à arc électrique (FAE). La caractéristique de stabilité unique du FRD Energiron en fait un produit qui peut être transporté en toute sécurité et facilement sans briquettage, suivant les directives standard de l'OMI (Organisation Maritime Internationale).

Le processus est flexible pour produire trois formes de produit différentes, selon les exigences spécifiques de chaque utilisateur. Les trois formes de FRD Energiron sont : FRD froid, BFC (briquettes de fer à chaud) ou FRD chaud (« Hytemp » fer avec une température de décharge supérieure à 700 °C). Le déchargement de FRD froid est normalement utilisé dans une aciérie adjacente proche de l'usine de réduction directe. Il peut également être expédié et exporté. Le BFC est le FRD qui est déchargé à chaud, briquetté, puis refroidi. C'est un produit commercial généralement destiné à l'exportation outre-mer. Le Hytemp Energiron est le FRD déchargé à chaud, transporté pneumatiquement de l'usine de réduction directe vers une aciérie adjacente pour son alimentation directe dans le four à arc électrique (FAE).

Les travaux de développement initiaux ont été réalisés par Hylsa. En 1977, Hylsa a créé une nouvelle division opérationnelle (technologies HYL) dans le but de développer et commercialiser formellement les technologies de réduction directe. En 2005, Techint Technologies a acquis les technologies HYL. Plus tard, cette division a été appelée Tenova HYL. En 2006, une alliance stratégique a été formée par Tenova et Danieli pour la conception et la construction d'usines de réduction directe à base de gaz sous la nouvelle marque « Energiron ». La première usine commerciale du processus HYL ZR (zéro-réformeur) a démarré en 1998. La première usine Energiron ZR de nouvelle génération d'une capacité de 2 millions de tonnes par an est installée chez Suez Steel et la plus grande usine Energiron au monde en un seul module d'une capacité de 2,5 millions de tonnes par an est installée chez Nucor Steel.

Processus de réduction directe Energiron

Le processus de réduction directe Energiron utilise un four à puits de réduction pour produire du FRD. Il est conçu pour convertir les boulettes/minerai en morceaux en fer métallique par l'utilisation de gaz réducteurs dans un four à puits à lit mobile solide-gaz. L'oxygène (O₂) est éliminé du minerai de fer par des réactions chimiques basées sur l'hydrogène (H₂) et le monoxyde de carbone (CO), pour la production de FRD hautement métallisé. Le processus est flexible pour produire trois formes différentes de produit Energiron pour convenir à l'utilisateur final. Un aspect clé du processus est le contrôle indépendant de la métallisation et du carbone (C) du produit. Le processus de réduction directe Energiron est basé sur le schéma ZR.

Les gaz réducteurs chauds sont alimentés à l'intérieur du four à puits dans la zone de réduction. À l'intérieur du four, ces gaz s'écoulent vers le haut en contre-courant par rapport au lit mobile de charge de fer. La distribution du gaz est uniforme et il y a un degré élevé de contact direct entre le gaz et le solide, sans restrictions physiques à l'écoulement des solides ou des gaz à l'intérieur de l'unité. Le gaz d'échappement (gaz de tête) quitte le four à puits à environ 400 °C et passe par le récupérateur de chaleur du gaz de tête, où l'énergie du gaz est récupérée pour produire de la vapeur. Alternativement, l'énergie du gaz d'échappement peut être utilisée pour préchauffer le flux de gaz réducteur, puis le gaz d'échappement peut être refroidi par le processus de quenching/lavage au moyen d'eau de refroidissement.

Le gaz de lavage refroidi passe par le compresseur de recyclage du gaz de refroidissement pour être recyclé vers le four à puits, après avoir été complété avec du gaz naturel (GN). Le GN est injecté en appoint dans le circuit de gaz de refroidissement pour une efficacité et un contrôle optimaux des processus de refroidissement et de carburisation.

L'élimination de l'O₂ du minerai de fer est accomplie par l'action des gaz réducteurs chauds et ensuite le produit est carburisé. Une vanne rotative, située au bas du four à puits, régule l'écoulement gravitaire continu de la charge vers le bas à travers le four de réduction. L'Energiron est déchargé par des mécanismes automatisés, consistant en des silos et écluses sous pression. Des distributeurs d'alimentation spécialement conçus assurent l'écoulement uniforme des solides à l'intérieur du four à puits. Pour le FRD froid, un gaz de refroidissement est alimenté dans la partie conique inférieure du four à environ 40 °C, s'écoulant vers le haut en contre-courant par rapport au lit mobile de FRD.

Pour le déchargement et l'utilisation de produit chaud, le circuit de refroidissement est éliminé et le FRD chaud est déchargé en continu à plus de 700 °C. Pour le système de transport pneumatique « Hytemp », le produit est transporté au moyen d'un gaz porteur vers les silos de surpression situés à l'aciérie, pour une alimentation contrôlée au four à arc électrique. Pour la production de BFC, le FRD chaud est déchargé en continu à plus de 700 °C vers les machines de briquettage à chaud disposées en dessous. Le BFC est refroidi dans des convoyeurs de refroidissement vibrants utilisant de l'eau de refroidissement et ensuite déchargé sur le convoyeur de transport de BFC.

L'une des caractéristiques inhérentes du flux de processus Energiron qui a une grande importance environnementale, est l'élimination sélective des sous-produits générés par le processus de réduction, à savoir l'eau (H₂O) et le dioxyde de carbone (CO₂). Ces sous-produits sont éliminés par les systèmes de lavage du gaz de tête et d'élimination du CO₂, respectivement. L'élimination sélective de H₂O et CO₂ optimise les besoins en appoint. L'H₂O produite pendant le processus de réduction est condensée et éliminée du flux de gaz et la plupart des poussières entraînées avec le gaz sont également séparées. Le gaz lavé est ensuite passé par le compresseur de recyclage du gaz de processus, où sa pression est augmentée. Le gaz comprimé, après avoir été envoyé à l'unité d'élimination du CO₂, est mélangé avec l'appoint de GN, fermant ainsi le circuit de gaz réducteur.

Le schéma Energiron ZR se caractérise par : (i) utilisation de gaz réducteurs riches en H₂ avec un rapport H₂/CO d'environ 5, (ii) température de réduction élevée généralement supérieure à 1050 °C, et (iii) pression de fonctionnement élevée normalement dans la gamme de 6 kg/cm² à 8 kg/cm² à l'intérieur du four à puits à lit mobile. La pression de fonctionnement plus élevée permet : (i) faible fluidisation, (ii) apport plus élevé de fines, (iii) une productivité élevée d'environ 10 tonnes par heure par mètre carré, (iv) consommation de minerai de fer plus faible, (v) vitesses de gaz réducteur faibles d'environ 2 mètres par seconde, et (vi) consommation d'énergie plus faible due à un facteur de compression plus faible. Cela résulte en des fours à puits plus petits, favorise une distribution homogène du gaz à travers le lit de solides, et minimise les pertes de poussière (moins de 1 %) par entraînement dans le gaz de tête en raison de la force d'entraînement plus faible. Cela résulte également en un écart-type très faible dans la qualité de l'Energiron premier produit, en plus de réduire la consommation globale de minerai de fer (environ 1,4 tonnes de minerai de fer par tonne de FRD avec criblage à 3,2 mm et pas de refusion). Cela réduit à son tour les coûts d'exploitation globaux. Une autre caractéristique distincte de ce schéma de processus, sans réformeur intégré/extérieur, est la flexibilité plus large pour la carburisation du FRD.

Automatisation du processus

Le processus Energiron combine différents processus physico-chimiques complexes qui doivent être optimisés pour produire l'ensemble désiré de réactions chimiques et d'échanges de chaleur et de masse parmi la variété de phases gazeuses, liquides et solides. Pour cette raison, un système d'automatisation complet est utilisé qui utilise à son tour la dernière technologie disponible dans le domaine des contrôleurs de processus, diagnostics logiciels, haute disponibilité et fonctions de sécurité. Le processus est contrôlé par plus de 5 500 variables analogiques et numériques, qui sont automatiquement analysées par le système d'automatisation. Toutes les variables de processus provenant des instruments de terrain sont constamment collectées par les divers systèmes d'acquisition (API, IHM), fournissant un ensemble précieux d'informations pour surveiller et optimiser le processus en continu. Le logiciel avancé du processus Energiron tire parti de cet énorme potentiel en gérant la collecte intégrée de données, l'analyse et le reporting web avec de puissants outils statistiques pour soutenir la prise de décision. Cela permet finalement d'optimiser davantage l'efficacité du processus, en détectant les points de consigne optimaux en temps réel, avec d'importantes économies d'énergie qui en découlent.

Le système de contrôle Energiron est basé sur une architecture consistant en un système de niveau 1 traditionnel pour le contrôle des équipements avec un « système de contrôle distribué » (SCD), plus un système de niveau 2, non seulement pour la supervision du processus, le suivi des données et la création de rapports de production, mais aussi pour l'optimisation du processus. Un « Modèle de Reconstruction du Processus » (MRP) a été développé. Il utilise les signaux d'instrumentation provenant de l'API et des équations physiques afin de fournir une description complète de l'état de l'usine. De cette façon, il est possible de calculer de nombreux éléments normalement non mesurables tels que la composition du gaz de tête et le rapport red/ox pertinent.

Réactions du processus

Trois types de réactions chimiques ont lieu pendant le processus. Ce sont : (i) réactions de reformage, (ii) réactions de réduction, et (iii) réactions de carburisation. Les réactions suivantes ont lieu pendant le raffinage in-situ.

2CH₄ + O₂ = 2 CO + 4 H₂
CH₄ + CO₂ = 2CO + 2H₂
CH₄ + H₂O = CO + 3 H₂
2H₂ + O₂ = 2 H₂O
CO₂ + H₂ = CO + H₂O

Les réactions qui ont lieu pendant la réduction et pendant la carburisation du FRD sont les suivantes.

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂
Fe₂O₃ + 3 H₂ = 2Fe + 3H₂O
3Fe + CH₄ = Fe₃C + 2H₂
3 Fe + 2 CO = Fe₃C + CO₂
3 Fe + CO + H₂ = Fe₃C + H₂O

La feuille de flux du processus Energiron standard est à la Fig. 1.

Energiron : réduction directe propre et rentable pour la production de fer

Fig. 1 : Feuille de flux du processus Energiron

L'équilibre énergétique typique du processus Energiron est montré à la Fig. 2.

Energiron : réduction directe propre et rentable pour la production de fer

Fig. 2 : Équilibre énergétique typique du processus Energiron

Usine et équipements

L'usine de réduction directe Energiron se compose principalement des installations et équipements suivants avec leurs caractéristiques.

Paramètres d'exploitation et consommations spécifiques

Les caractéristiques typiques du produit du processus Energiron ZR sont données dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Caractéristiques typiques du produit
N°ArticleUnitéFRDBFCFer Hytemp
1Métallisation%92 – 9592 – 9592 – 95
2Carbone%1,5 – 5,51,5 – 2,51,5 – 5,5
3Température°C4040> 600
4Densité en vract/m³1,602,501,60
5Densité apparentet/m³3,205,003,20
6Taille nominalemm6 – 15110 x 60 x 306 – 15
7Fe₃C%25 – 6025 – 3025 – 60

Les paramètres d'exploitation typiques et les consommations spécifiques pour le processus Energiron ZR sont donnés dans le Tableau 2.

Tableau 2 : Paramètres d'exploitation typiques & consommations spécifiques pour le processus Energiron ZR
N°ArticleUnitéFRD froidBFCFRD chaud
1Carbone%4,52,52,54,54,5
2Métallisation%9393939393
3Température FRD°C4040700700700
4Charge de fert/t1,361,391,411,361,39
5Gaz naturelGcal/t2,252,202,232,352,25
6ÉlectricitékWh/t6565806565
7OxygèneNm³/t4253534853
8Eaum³/t0,80,81,10,80,8
9AzoteNm³/t1212191818

Les émissions typiques du processus Energiron ZR sont données dans le Tableau 3.

Tableau 3 : Émissions typiques du processus Energiron ZR
N°ÉmissionsUnitéValeur
1NOx avec brûleurs ultra-faibles NOxmg/Nm³50 – 80
2NOx avec élimination catalytique sélectivemg/Nm³10-50
3COmg/Nm³20-100
4Poussières de la cheminée réchauffeur/réformeurmg/Nm³1 – 5
5Poussières de l'époussetage manutention matériauxmg/Nm³5 – 20

Caractéristiques du processus Energiron ZR

Le processus Energiron ZR a réduit la taille et amélioré l'efficacité des usines de réduction directe. Les gaz réducteurs sont générés par reformage in-situ des hydrocarbures du gaz naturel à l'intérieur du four à puits de réduction, en alimentant le GN en appoint dans le circuit de gaz réducteur et l'injection d'O₂ à l'entrée du four à puits. Dans le processus, une efficacité de réduction optimale est atteinte, puisque les gaz réducteurs sont générés dans la section de réduction. Pour cette raison, un réformeur de gaz réducteur externe n'est pas requis. Normalement, l'efficacité énergétique globale du processus Energiron ZR est supérieure à 80 %, qui est optimisée par le reformage in-situ à l'intérieur du four à puits. Le produit emporte la majeure partie de l'énergie fournie au processus, avec des pertes d'énergie minimales vers l'atmosphère.

L'impact sur la taille de l'usine de l'élimination du réformeur de gaz externe est significatif. Pour une capacité de 1 million de tonnes par an, la surface requise diminue d'environ 60 %. Cela facilite également la localisation de l'usine de réduction directe adjacente à l'aciérie.

Un avantage supplémentaire du processus Energiron ZR est la flexibilité pour la carburisation du FRD, qui permet d'atteindre des niveaux de C jusqu'à 5 %. Cela est dû au potentiel de carburisation amélioré des gaz à l'intérieur du four, qui permettent la production principalement de Fe₃C. Le FRD avec une teneur élevée en Fe₃C a une réactivité beaucoup plus faible que le FRD normal puisque une chaleur de dissociation plus élevée est nécessaire pour le Fe₃C.

Les conditions d'exploitation existant dans le processus de réduction directe Energiron sont caractérisées par une température élevée (supérieure à 1050 °C), la présence de H₂O et CO₂ comme oxydants produits par la combustion partielle du gaz réducteur avec injection d'O₂. Ces conditions favorisent le reformage in-situ des hydrocarbures. Une fois H₂ et CO générés, la réduction simultanée du minerai de fer et la carburisation subséquente du FRD ont lieu à l'intérieur du réacteur, faisant de ce schéma de processus un processus très efficace en termes d'utilisation d'énergie et de consommation énergétique globale.

Le schéma de base Energiron ZR permet l'utilisation directe du GN. Les usines utilisant le processus Energiron pour la réduction directe peuvent également utiliser des équipements conventionnels de reformage vapeur-GN en tant que source externe de gaz réducteurs, qui a longtemps caractérisé le processus de réduction directe à base de gaz. À la place du GN, d'autres gaz tels que H₂, syngaz produit par des systèmes de gazéification du charbon, coke de pétrole et combustibles fossiles similaires, et gaz de cokerie (COG), entre autres, peuvent également être utilisés comme sources potentielles de gaz réducteur, selon la situation et la disponibilité particulières. Dans tous les cas, le même schéma de processus de base est utilisé indépendamment de la source de gaz réducteur.

Une caractéristique unique de la technologie Energiron ZR est sa capacité à produire des niveaux de carbone contrôlés élevés dans le FRD sous forme de carbure de fer (Fe₃C) (généralement supérieur à 90 %). Des niveaux de carbone dans le FRD jusqu'à 5 % peuvent être obtenus, en raison des conditions existant dans la zone de réduction du réacteur. Ces conditions consistent en une concentration élevée de méthane (CH₄) (environ 20 %) avec le H₂ et le CO, et la haute température du lit. Ces conditions favorisent la diffusion du C dans la matrice de fer et la précipitation de Fe₃C. Le FRD avec une teneur élevée en Fe₃C montre une réactivité beaucoup plus faible que le FRD normal.

Une caractéristique importante de l'usine de réduction directe Energiron est la possibilité de concevoir le processus pour une exigence nulle d'eau d'appoint. Cela est possible principalement parce que l'eau est un sous-produit de la réaction de réduction puisqu'elle est condensée et éliminée du flux de gaz. En conséquence, avec l'adoption d'un système d'eau en circuit fermé basé sur l'utilisation d'échangeurs de chaleur à eau au lieu de tours de refroidissement conventionnelles, il n'y a pas besoin d'eau d'appoint fraîche et en fait un petit flux d'eau est disponible à la limite de batterie.

Émissions de l'usine de réduction directe Energiron

Les émissions de l'usine Energiron sont conformes aux réglementations environnementales les plus strictes. Cela est réalisé principalement en raison de la nature du processus lui-même. La technologie Energiron est efficace par conception grâce à sa configuration de processus. Donc, tout en atteignant une efficacité thermique globale élevée dans l'usine, il n'y a pas de besoin significatif de préchauffer l'air de combustion à des températures élevées dans le réformeur (lorsqu'il est utilisé) ou dans le réchauffeur, éliminant ainsi la possibilité de génération élevée de NOx. L'émission de NOx peut être réduite davantage en adoptant des brûleurs ultra-faibles NOx. Une amélioration supplémentaire peut être obtenue avec l'application de la technologie SCR (réduction catalytique sélective).

Energiron est une technologie de réduction directe très propre disponible. Selon la configuration, une usine Energiron peut éliminer de 60 % à 90 % des émissions totales de CO₂. Les émissions de CO₂ peuvent être considérablement différentes entre les deux technologies employées pour la production de FRD. Indépendamment de l'utilisation de GN, syngaz, ou COG, l'appoint de gaz réducteurs à l'usine de réduction directe contient du C, soit sous forme d'hydrocarbures et/ou de composés carbonés (CO, CO₂). De plus, indépendamment de la configuration du processus de réduction directe, seulement 15 % à 40 % (selon la teneur en C dans le FRD) quitte le processus sous forme de C combiné dans le FRD, le reste part en CO₂.

Puisque le FRD produit par le processus Energiron ZR contient un pourcentage plus élevé de C, une quantité moindre de C est éliminée sous forme de CO₂. La différence dans la génération de gaz CO₂ peut être remarquée lorsqu'elle est comparée à la génération de gaz CO₂ dans une configuration de réduction directe avec un réformeur catalytique externe intégré à un four à puits de réduction directe est utilisée comme source d'appoint de gaz réducteur. Dans le cas de la génération dans une configuration de réduction directe avec un réformeur catalytique externe intégré à un four à puits de réduction directe, sur le total de l'appoint de GN du processus contenant 140 kg de C par tonne de FRD, environ 25 kg de C par tonne de FRD (17 %) quitte le processus comme partie du FRD et le reste est libéré comme gaz de combustion du réformeur. Ces chiffres se comparent à 110 kg de C par tonne de FRD, dont 40 kg de C par tonne de FRD (36 %) sont dans le FRD produit dans le cas du processus Energiron ZR. En outre, sur les 70 kg de C par tonne de FRD restants, 65 kg de C sont sélectivement éliminés sous forme de CO₂ pur, qui peut être utilisé pour d'autres applications ou séquestré. L'élimination des deux sous-produits générés par le processus de réduction H₂O et CO₂ améliore l'utilisation du gaz dans le processus à plus de 95 %. En bref, le processus Energiron fournit une élimination sélective intégrée d'environ 65 % de l'apport total de C sous forme de CO₂ (environ 240 kg de CO₂ par tonne de FRD).

Les usines Energiron offrent l'option unique de récupération sélective du CO₂. Le système d'absorption du CO₂ ne capture pas seulement le CO₂, mais aussi le soufre, chaque fois qu'il est présent dans le flux de gaz de processus, réduisant l'émission globale de SO₂ de l'usine d'environ 99 %.

H₂ comme gaz réducteur

Dans les usines de fer et d'acier, l'H₂ devrait remplacer le C comme source d'énergie pour le processus de réduction du minerai de fer dans un avenir proche. Dans le cas des processus de réduction directe à base de gaz, l'H₂ va remplacer le GN. Le processus Energiron ZR est déjà prêt à utiliser n'importe quelle quantité d'H₂ en remplacement du GN sans ajustements majeurs d'équipement. En fait, dans le schéma de processus Energiron ZR, l'utilisation de l'H₂ se reflétera dans un fonctionnement plus fluide et une augmentation de la productivité puisque l'exigence de reformage in-situ du gaz GN va être moindre.

L'utilisation de concentrations d'H₂ aussi élevées que 70 % à l'entrée du four à puits de réduction est déjà bien prouvée dans les usines de réduction directe Energiron existantes, ce qui implique un réformeur à vapeur pour produire les gaz réducteurs (H₂ et CO).

Cependant, avec l'utilisation de l'H₂ en remplacement du GN comme apport d'énergie, il y aura une diminution du % C dans le FRD car cela diluera la concentration de CH₄ dans le gaz réducteur, mais en raison de la configuration de processus flexible du schéma Energiron ZR en termes de distribution d'appoint au circuit de réduction et à l'utilisation du carburant, il est possible d'atteindre 3,5 % C même à 35 % d'apport d'énergie sous forme d'H₂ (ou environ 64 % en volume – Nm³ par tonne de FRD). Pour 70 % d'H₂ comme énergie (environ 88 % en volume – Nm³ par tonne de FRD), le C attendu dans le FRD sera inférieur à 2,0 %.

Alliance avec NSENGI

En 2014, Tenova HYL et Danieli ont conclu un accord avec Nippon Steel & Sumikin Engineering Co., Ltd. (NSENGI) pour combiner et commercialiser leur technologie de réduction directe Energiron avec une technologie de haut fourneau optimisée, ainsi que la technologie de syngaz (gazéification du charbon à haute efficacité et technologie d'utilisation des gaz de sous-produits des aciéries) développée et détenue par NSENGI. Le but de la nouvelle alliance est de combiner les activités de recherche et développement avec leurs expertises respectives en réduction directe Energiron, haut fourneau et technologies de syngaz, avec l'objectif ultime de développer une nouvelle technologie de production de fer qui réduira les émissions de CO₂ et les coûts d'exploitation, tout en augmentant la productivité et/ou en diminuant les dépenses en capital pour les installations sidérurgiques intégrées.

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