Étude expérimentale et modélisation de la réduction du minerai de fer par l'hydrogène

Experimental study and modeling of the iron ore reduction by hydrogen

• Auteur / Autrice : Damien Wagner
• Direction : Fabrice Patisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science et ingénierie des matériaux
• Date : Soutenance le 30/01/2008
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de science et génie des matériaux et de métallurgie (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Archambault
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Patisson, Pierre Archambault, Jean-Bernard Guillot, Ange Nzihou, Denis Ablitzer, Jean-Pierre Birat, Chris Treadgold
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Bernard Guillot, Ange Nzihou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minerais

Hydrogène

Mots clés libres

Réduction directe

Temps caractéristiques

Modélisation mathématique

Cinétique

Four à cuve

Minerai de fer

Hydrogène

Direct reduction

Characteristic times

Mathematical model

Kinetics

Hydrogen

Iron ore

Shaft furnace

Résumé

Cherchant des voies de réduction drastique des émissions de CO2 d’origine sidérurgique (projet européen ULCOS), nous avons envisagé une réduction du minerai de fer par l’hydrogène pur dans un réacteur du type four à cuve. L’approche suivie a associé bibliographie, expérimentation et modélisation. Le déroulement de la réaction chimique et sa cinétique ont été analysés à partir d’expériences thermogravimétriques et de caractérisations physico-chimiques d’échantillons en cours de réduction. Un modèle cinétique spécifique a été mis au point, qui simule les réactions successives, les différentes étapes du transport de matière et le frittage éventuel du fer, à l’échelle d’une particule de solide. Enfin, un modèle numérique bidimensionnel du four à cuve a été écrit. Il décrit l’évolution des températures et des compositions des solides et des gaz en tous points d’un réacteur fonctionnant sous hydrogène. Une des originalités de ce modèle est l’utilisation de la loi des temps caractéristiques additifs pour exprimer les vitesses des réactions. Celle-ci permet de coupler les deux échelles que sont celles des particules et du réacteur, tout en gardant des temps de calculs raisonnables. A partir des simulations réalisées, l’influence des paramètres du procédé a été quantifiée. Des conditions opératoires optimales ont été dégagées, qui illustrent bien le potentiel du procédé

In an effort to find new ways to drastically reduce the CO2 emissions from the steel industry (ULCOS project), the reduction of iron ore by pure hydrogen in a shaft furnace was investigated. The work consisted of literature, experimental, and modelling studies. The chemical reaction and its kinetics were analysed on the basis of thermogravimetric experiments and physicochemical characterisations of partially reduced samples. A specific kinetic model was designed, which simulates the successive reactions, the different steps of mass transport, and possible iron sintering, at the particle scale. Finally, a 2-dimensional numerical model of a shaft furnace was developed. It depicts the variation of the solid and gas temperatures and compositions throughout the reactor. One original feature of the model is using the law of additive characteristic times for calculating the reaction rates. This allowed us to handle both the particle and the reactor scale, while keeping reasonable calculation time. From the simulation results, the influence of the process parameters was assessed. Optimal operating conditions were concluded, which reveal the efficiency of the hydrogen process