Nouveau procédé de réduction directe du minerai de fer utilisant de la biomasse

Novel iron ore direct reduction process using biomass

• Auteur / Autrice : Tao Wang
• Direction : Fabrice Patisson, Olivier Mirgaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Hervé Combeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Patisson, Olivier Mirgaux, Loïc Favergeon, Frédéric Marias, Muriel Marchand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Favergeon, Frédéric Marias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Environnement

Sidérurgie

Fours métallurgiques

Biomasse -- Gazéification

Fer -- Minerais

Réduction directe (métallurgie)

Mots clés libres

Réduction directe

Minerai de fer

Biomasse

Sidérurgie

Four à cuve

Modélisation mathématique

Direct reduction

Iron ore

Biomass

Steelmaking

Shaft furnace

Mathematical modelling

Résumé

La substitution du carbone fossile par du carbone biogénique issu de la biomasse pourrait réduire considérablement la contribution de l'industrie sidérurgique au réchauffement climatique. L'objectif de ce travail de thèse était de poser les bases et d'analyser un procédé innovant d'élaboration du fer, dénommé BIORED (biomass-based iron ore reduction). Dans celui-ci, des boulettes de minerai de fer et de la biomasse granulaire sont chargées au sommet d'un four à cuve vertical. Le minerai est réduit par CO issu de la gazéification in-situ de la biomasse (réaction de Boudouard). Nous avons déterminé les cinétiques de dévolatilisation et de gazéification de la biomasse choisie, du charbon de bois, par thermogravimétrie. Ces cinétiques ont été modélisées par la méthode des réactions indépendantes en parallèle et l'équation de Langmuir-Hinshelwood, respectivement. Nous avons transformé un modèle existant de simulation du procédé de réduction directe du minerai de fer par les gaz pour tenir compte des deux solides et des réactions associées à la biomasse. Les résultats du nouveau modèle montrent que dans le réacteur BIORED, la gazéification prend place en bas du four, tandis que la réduction du minerai de fer s'étage, la réduction de la wustite en fer métallique étant l'étape la plus longue. Le degré de métallisation obtenu est satisfaisant et le mélange de gaz d'échappement (CO-CO₂) pourrait être recyclé pour réutiliser CO et économiser l'énergie. Nous avons développé un protocole expérimental spécifique pour la validation du modèle et les résultats de l'expérience correspondent relativement bien aux résultats numériques. Enfin, les possibilités de développement potentiel du procédé BIORED dans certaines régions du monde ont été quantifiées, et une analyse du cycle de vie de la fabrication d'acier sur la base de ce procédé a montré une diminution considérable des émissions de CO₂ (moins 96 %) et de la plupart des autres impacts sur l'environnement, par rapport à la filière usuelle haut fourneau et convertisseur.

Substituting fossil carbon with biogenic carbon from biomass could considerably reduce the contribution of the steel industry to global warming. The objective of this thesis was to introduce and analyse an innovative ironmaking process, called BIORED (biomass-based iron ore reduction). In this process, iron ore pellets and granular biomass are loaded together at the top of a vertical shaft furnace. The ore is reduced by CO produced from the in-situ gasification of the biomass (Boudouard reaction). The devolatilisation and gasification kinetics of the selected biomass, charcoal, were determined from thermogravimetry experiments. These kinetics were modelled by the scheme of independent parallel reactions and the Langmuir-Hinshelwood equation, respectively. We used an existing numerical model of a gas-based direct reduction process to create a new one that considers two solids and the biomass-related reactions. The model results show that the gasification takes place at the bottom of the BIORED reactor, while the reduction of the iron ore occurs step-wisely, with the reduction of wustite to metallic iron being the slowest. The degree of metallisation is satisfactory and the top gas (CO-CO2 mixture) could be recycled to reuse CO and save energy. We developed a specific experimental protocol for the validation of the model. The experimental results satisfactorily agree with the numerical ones. Eventually, the potential industrial development of the BIORED process in different regions of the world was assessed, and a life cycle assessment of a new steelmaking route based on BIORED process showed a considerable reduction in CO2 emissions (96% less) and most other environmental impacts, compared to the conventional Blast Furnace-Basic Oxygen Furnace route.