Réduction des Émissions de CO₂ dans la Ferronnerie au Haut Fourneau

Ferronnerie au Haut Fourneau et Émissions de Dioxyde de Carbone

Il est largement reconnu que le CO₂ atmosphérique est le principal composant influençant le réchauffement climatique par effet de serre. Depuis 1896, la concentration de CO₂ a augmenté de 25 %. L'industrie sidérurgique est énergivore et émettrice significative de CO₂. Le changement climatique est identifié comme défi environnemental majeur. Bien avant les conclusions du GIEC 2007, les grands producteurs ont reconnu le besoin de solutions long terme pour les émissions CO₂. L'industrie a été très proactive dans l'amélioration de la consommation d'énergie et la réduction des gaz à effet de serre (GES).

Dans l'environnement actuel du changement climatique, l'industrie sidérurgique cherche constamment à réduire coûts énergétiques, émissions et maximiser la réutilisation d'énergie perdue. Dans les procédés traditionnels, l'émission de CO₂ est inévitable, surtout pour le haut fourneau (HF) qui requiert du carbone (C) comme combustible et agent réducteur pour convertir l'oxyde de fer en état métallique, étant le principal générateur de CO₂ dans une aciérie intégrée. La politique climatique est un moteur important pour le développement de la technologie HF.

Critiquement, parmi les défis du HF : la décarbonation. Des progrès significatifs ont été faits pour augmenter l'efficacité thermique, mais il y a une limite dure liée au besoin de C comme réducteur chimique. Depuis les années 1950, R&D importante pour rendre la ferronnerie HF plus efficace : (i) qualité coke/aggloméré améliorée, (ii) enrichissement O₂, (iii) injection autres réducteurs (charbon pulvérisé, gaz naturel), (iv) distribution charge, (v) technologies mesure. Dans les années 1950, taux réducteur ~1000 kg/t HM, réduit par facteur 2 grâce R&D et mise en œuvre.

La consommation d'agent réducteur au HF conventionnel est maintenant ~500 kg/t HM, n'approchant que 5 % au-dessus des valeurs thermodynamiques minimales possibles en opération HF classique. Le HF est un procédé hautement développé opérant près des limites thermodynamiques d'efficacité. Aucune amélioration majeure évidente n'est attendue pour réduire fondamentalement sa demande en C ou améliorer significativement son efficacité thermique, mais comme le HF est le générateur d'émissions prédominant, les efforts pour atténuer l'impact environnemental doivent se concentrer sur la ferronnerie HF.

Des technologies de rupture sont nécessaires pour réduction significative consommation C ou émissions CO₂. Plusieurs technologies proposées : (i) recyclage CO gaz de tête HF, (ii) utilisation biomasse, (iii) substitution CO par H₂ comme réducteur, (iv) utilisation DRI/HBI/LRI pauvres en C, (v) matériaux composites C, (vi) énergie électrique pauvre en C, (vii) CSC. Cependant, l'approche doit proposer des améliorations incrémentales offrant des étapes pour réduire émissions ou produire plus du potentiel existant.

En considérant ces technologies, thèmes transversaux économie et émissions CO₂ globales doivent être considérés. Exemple : utilisation CO₂ et gaz procédés comme matières premières chimiques peut nécessiter achat combustibles additionnels fours réchauffage, impactant coûts usine intégrée, qualité acier, émissions totales CO₂. Toute solution doit avoir potentiel d'optimisation multi-composants de ces aspects.

Défis clés futurs HF : (i) réduire dépenses capital/exploitation significativement pour retour sur investissement durable, (ii) réduire émissions CO₂ effectives même en-dessous de la thermodynamique chimique du procédé coke conventionnel. Pour ces défis, identifier opportunités technologiques décrites ci-dessous.

Recyclage Gaz de Tête et Technologies Capture Carbone

La réduction d'apport C est limitée par l'équilibre de réduction gaz dans HF. La baisse d'apport C peut être atteinte en abaissant le ratio réduction directe (réaction endothermique) en renforçant la réduction gazeuse dans HF par décarbonatation et recirculation gaz de tête par injection dans le four. Diagramme flux type HF avec recyclage gaz de tête (TGR) : Fig 1.

Toute solution décarbonatation filière HF nécessite capture C. Pour réduction CO₂ substantielle (> 50 %), application technologie CSC nécessaire, bien que consensus industriel : réductions > 80 % impossibles. Une variation encourageante : recyclage gaz de tête dans ferronnerie HF. Technologie la plus prometteuse pour réduire significativement CO₂ : recyclage CO et H₂ du gaz quittant HF par le haut.

Technologie TGR basée sur : baisse usage C fossile (coke) par réutilisation agents réducteurs (CO, H₂) après élimination CO₂ gaz de tête → besoins énergétiques moindres. Technologies principales TGR-HF : (i) épuration CO₂ gaz de tête + injection composants réducteurs CO/H₂ aux tuyères shaft et foyer, (ii) apport C fossile moindre (taux coke bas), (iii) O₂ pur au lieu air chaud tuyères foyer (élimination N₂), (iv) récupération CO₂ pur gaz de tête pour stockage souterrain.

La plupart schémas capture C associés stockage, mais utilisation aussi possible. Cette liaison capture-utilisation souligne domaine recherche actuel : intégration procédés. Comparé à collecte, transport, stockage, l'intégration par rétrofitage HF existant avec système capture C a peu reçu d'attention.

Attendu que pour la majorité sites HF, capture C commissionnée auprès HF opérant depuis décennies. Potentiel interférence procédé significative : qualité gaz, pression, protocoles opérationnels, optimisation relative HF et usine utilisation C. Rétrofitage et exploitation ultérieure sans compromettre efficacité opérationnelle ni qualité produit actifs existants.

Dans intégration procédés, simulation/modélisation avancée à déployer pour optimiser combinaison HF intégré + système capture C. Combinaison modélisation thermofluide, cinétique procédé, modélisation économique traversant procédé, alignée compréhension paramètres clés ferronnerie. Avec tel focus, application capture C à HF existants réalisable.

Réduction à l'Hydrogène

Défi environnemental majeur HF : utilisation C comme réducteur chimique. Limite thermodynamique dure, en-dessous de laquelle réduction C supplémentaire impossible sans changement procédé significatif. Un tel changement : bascule partielle C vers hydrogène (H₂) comme réducteur. Exemples agents réducteurs haute teneur H₂ : plastiques déchets (CnHm) ou gaz naturel (principal CH₄). H₂ déjà utilisé réduction directe pour DRI, compréhension base mécanismes/thermodynamique, mais opportunité recherche/innovation sur étendue bascule équilibre réduction H₂ vs C dans fourneau.

Utilisation plastiques déchets (PD) pour promouvoir réduction H₂ dans HF : injection PD dans HF. PD injecté solide par tuyères façon similaire charbon pulvérisé (CP). Normalement co-injection PD + charbon. Énergie combustion PD ≥ CP normalement injecté, ratio H₂/C plus élevé → moins CO₂ produit dans HF combustion/réduction minerais. Aussi consommation énergie moindre car H₂ réducteur plus favorable que C. Injection PD augmente concentration H₂ gaz bosse. Vitesse réaction réduction H₂ > CO → étendue réaction Boudouard réduit avec augmentation H₂ gaz bosse. CO₂ et H₂O présents partie haute HF par réduction oxydes fer.

Autre méthode promouvant réduction H₂ dans HF : projet COURSE50 Japon, commencé 2008. Tentative réduire CO₂ en développant injection gaz réducteur shaft HF, combiné amplification H₂ par reformage gaz four à coke. Technologie réduction H₂ proposée : (i) reformage gaz four à coke pour augmentation H₂, (ii) technologie réduction minerai par H₂, (iii) technologie cokéfaction pour HF réduction H₂. Gaz réducteur injecté shaft HF. Bilan impulsion deux gaz : zone pénétration injection shaft proportionnelle débit injection, réduction minerai promue par H₂. Attention : réduction H₂ endothermique → maintenance température sommet fourneau critique.

Matériaux Porteurs de Carbone Alternatifs

Matériaux C alternatifs : agglomérés composites C (CCA) ou composites fer-C (CIC). Agglomérés mélange matière carbonée + oxyde fer, sorte de coke formé contenant fer métallique. Matière carbonée : fines coke, charbon, charbon de bois, fines usine riches C, biomasse, plastiques déchets, etc. Oxyde fer : minerais bas grade, fines usine riches fer. Matériaux composites C ont réactivité remarquablement élevée avec CO₂ vs coke métallurgique (effet catalytique particules fer). Réagissent CO₂ ~150 °C plus bas que coke métallurgique.

Réaction réduction minerai promue par matériaux composites C : (i) réactivité plus élevée, (ii) réaction perte solution commence T° plus basse. Utilisation tels agglomérés : atténue émissions CO₂, économie coke/énergie. Distance rapprochée fer-C améliore cinétique réaction. Autres bénéfices : (i) utilisation fines usine fer/C, (ii) T° gazéification plus basse (effet couplage réaction gazéification/réduction wüstite), (iii) moins dépendance procédés préparation minerai intensifs CO₂/énergie.

Méthode production matériaux composites C : broyage, mélange, briquetage minerais ferreux peu coûteux + charbon non-cokéfiable/peu cokéfiable, suivi chauffage carbonisation four à shaft. Résistance mécanique importante pour alimentation HF, résistance niveau coke métallurgique atteignable même matières premières basse qualité, par effet densification briquetage et contrôle température précision comparative four shaft.

Matériaux porteurs C introduits HF par plusieurs voies. Procédé agglomération : biomasse/PD substituent partiellement coke breeze. Fines usine source C et fer. Cokéfaction : essais ajout biomasse, PD mélange charbon cokéfiable. Matériaux C alternatifs : chargés HF par sommet avec charge comme morceaux, ou fines C riches/biomasse injectées tuyères.

Recyclage Gaz de Fumée dans Fours à Air Chaud HF

Nouvelle technologie « recyclage gaz de fumée » (FGR) en développement pour fours à air chaud. Conversion fours : combustion air-combustible → oxy-combustible, augmentant % CO₂ gaz fumée. Température flamme modérée par recirculation gaz fumée vers brûleurs four. Comparaison schématique air-combustible conventionnel vs oxy-combustible amélioré avec recyclage gaz fumée : Fig 2.

Opération FGR fours : base débit massique constant ou volumique constant. Débit massique constant : transfert chaleur convectif inchangé vs air-combustible conventionnel, recyclage gaz fumée chaud réduit besoin énergie combustion fours. Option débit volumique constant : densité produits combustion augmentée par recyclage gaz fumée. Ce mode : récupération chaleur combinée débits gaz brûleurs augmentés → températures air chaud plus hautes, potentiel consommation coke HF plus basse.

Potentiel capture C : teneur CO₂ gaz fumée essentiellement doublée vs chauffage conventionnel fours. En masse : gaz fumée contient 0,8 t CO₂/t HM, > 1/3 émissions spécifiques actuelles. Génération O₂ requis réduit bénéfices capture C marginalement (énergie usine séparation air). Réduit potentiel réduction émissions nettes ~6 %.

Recyclage gaz fumée fours élimine utilisation air et gaz four à coke combustion. Génération SOx et NOx réduite substantiellement. Objectifs spécifiques : (i) confirmer teneur CO₂ 40-50 % gaz fumée modifiée, (ii) vérifier récupération chaleur résiduelle et efficacité thermique accrue fours, (iii) confirmer nouvelles conditions maintiennent/augmentent T° air chaud livré HF → éviter impacts négatifs opération HF.