Jean Pierre BIRAT et Rémy NICOLLE Arcelor R&D, IRSID, Maizières lès Metz. Les émissions de gaz à effet de serre : un défi pour la sidérurgie

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1 Jean Pierre BIRAT et Rémy NICOLLE Arcelor R&D, IRSID, Maizières lès Metz Les émissions de gaz à effet de serre : un défi pour la sidérurgie Réduire les émissions de CO2: la nécessité d une rupture technologique La relation de l humanité avec l environnement a changé. En effet, les activités humaines ont atteint un niveau qui affecte l équilibre de la biosphère en raison de la croissance démographique, de l urbanisation et de la croissance du PIB. Les problèmes les plus sérieux sont aujourd hui, ceux de la biodiversité et du réchauffement. Figure 1 : Accumulation de CO2 et réchauffement global Fig. 1 bis : - les prévisions du changement climatique au XXIème siècle Le réchauffement global de la planète est de plus en plus clairement lié aux activités humaines : l utilisation intensive des réserves de carbone fossile, accumulées à une échelle de temps géologique et dissipées à l échelle de quelques siècles apparaît comme étant la cause première de ce réchauffement. Si le poids des transports et du résidentiel est important (>6%), la source principale(environ 5%) demeure les combustibles fossiles (d origine industrielle et individuelle y compris la contribution des transports).

2 6 5 Emissions de CO2 France 18MT 4 3 1% 4% 2 38% 1 transports transports CO2 CH4 HCFC N2O O3 23% 25% combustion exploitation hydrocarbures industrie pratiques agricoles fossile organique industrie agriculture transports Figure 2 : La contribution des gaz au renforcement de l effet de serre Les émissions en France en 1998 (Observatoire de l énergie) La sidérurgie est l une des industries consommatrices de carbone puisque de l ordre de 5 à 6% des émissions mondiales de carbone d origine humaine provient de la sidérurgie. Notre monde moderne s est construit en grande partie grâce à l acier, qui reste, probablement, le premier matériau utilisé, en raison de son spectre large de propriétés et d utilisation et de son faible coût ; aucun autre matériau n est susceptible de prendre toute sa place aujourd hui dans de meilleures conditions. De ce fait l acier va continuer à jouer un rôle essentiel dans le développement de l humanité, en particulier dans les économies en développement. La limitation des émissions de carbone représente un défi formidable pour la sidérurgie car les procédés actuels ont acquis une efficacité remarquable et ont un point de fonctionnement proche des limites imposées par la thermodynamique. La mise au point de procédés alternatifs dont les concepts existent aujourd hui mais qui doit être traduite en termes d industrialisation et en termes économiques, ne pourra se faire qu à l échelle des changements technologiques de notre industrie : 1 à 2 ans. 1. L acier contribue à la baisse des productions de CO2 Le progrès technique dans la sidérurgie a déjà beaucoup contribué à la diminution des émissions de CO 2 : - par une organisation plus rationnelle de la production regroupée en unités cohérentes, - par une gestion rationnelle et maîtrisée de l énergie, - par la mise en continu des procédés (coulée continue, recuit continu, enfournement direct ) - par une politique résolue de recyclage de l acier qui minimise les besoins énergétiques de l élaboration par la voie ferrailles par rapport à la voie minerais - par la réalisation de considérables économies d énergie : en 5 ans la consommation énergétique à la tonne d acier produit a été divisée par 2,6 - par une amélioration spectaculaire de la marche des hauts-fourneaux puisqu en 5 ans la consommation de combustible est passée de 15kg à près de 42kg pour une tonne de fonte. kg/t acier liquide % en 4 ans mise au mille (kg/tf) Transports Industrie agriculture Autres, branche énergie agglomeration injection fuel reductibilité répartition gazeuse injection charbon Résidentiel-tertiaire Centrales électrique minerais riches total fioul charbon coke Figure 3: La diminution de la consommation d énergie dans la sidérurgie française Figure 4.Consommation de combustible au haut fourneau au cours des 6 dernières années

3 En ce qui concerne le haut fourneau, de nombreuses actions d innovation technique et de R&D ont contribué à cette chute de la consommation énergétique : - la préparation de la charge (agglomération des minerais, amélioration de leur réductibilité, utilisation de minerais à forte teneur en fer), - les injections de combustibles aux tuyères en substitution au coke (d abord de fioul puis, après 1974 de charbon), - l amélioration de la répartition des gaz dans le haut fourneau (qui s est traduite à la fois par une meilleure utilisation chimique du gaz et par une diminution importante des pertes thermiques). La pratique du recyclage contribue, elle aussi, aux diminutions de l utilisation de carbone et de consommations énergétiques. Elle concerne non seulement les ferrailles, recyclées pour une large part dans des fours électriques, mais aussi les co-produits; ainsi, l addition de laitier dans la fabrication de ciment économise 12,5kg CO 2 par tonne de ciment pour 1% de laitier ajouté kg CO2/tonne cimen % de laitier HF granulé Figure 5.: L utilisation de laitier dans le ciment permet de limiter la production de CO 2 Cet effort technique a concerné non seulement les procédés mais aussi les produits car le développement des aciers à composition et structures maîtrisées et leur utilisation encore plus rationnelle dans des solutions acier permet aujourd hui d assurer la même fonction avec moins d acier : c est non seulement le cas en Europe des boîtes boisson de 33cl dont la masse est passée de 4g en 1973 à 28g en 1998, mais aussi des automobiles pour lesquelles l utilisation des aciers à haute résistance combinée à de nouvelles techniques d assemblage telle que celle des flancs raboutés, permet de réaliser un allègement important de la caisse en blanc. Les travaux réalisés par le consortium ULSAB mettent en œuvre 8% d aciers à haute résistance ce qui contribue ainsi à diminuer les coûts énergétiques nécessaires à l élaboration des véhicules, les coûts énergétiques de fonctionnement (consommation d essence) du fait de l allègement, tout en augmentant la sécurité. Un allègement de 25% du poids de la caisse de l automobile conduit ainsi à une diminution de la production de CO 2 de 14kg pendant les 12 ans de sa durée de vie moyenne. 2. La limite ultime de consommation de carbone du haut fourneau La recherche des limites du haut fourneau La consommation élevée de carbone est liée essentiellement aux besoins de la réduction des minerais de fer au haut fourneau. Les ratios techniques de marche montrent toutefois une stabilisation des performances énergétiques (Europe, Japon par ex). Aujourd hui, le haut fourneau a atteint sa maturité et son point de fonctionnement est très proche de ceux fixés par la thermodynamique (écart à l idéalité ω voisin de ) (1,2). En fait, le haut fourneau se compose de deux zones d échange de matière et d énergie superposées: - un échangeur inférieur à température supérieure à 95 C, siège de la fusion des minerais, de la séparation entre le fer et les éléments de la gangue et de la combustion du coke et du charbon aux tuyères qui fournit l énergie nécessaire à la réduction fusion du minerai. Ce sont ses besoins énergétiques qui définissent la consommation de l appareil. De ce point de vue, le coke joue un rôle essentiel: en effet, c est lui qui assure, dans la zone inférieure du haut fourneau, le maintien de la perméabilité de l appareil aux gaz lorsque les matières fondent. De fait, on a cherché à minimiser son utilisation en le substituant par des formes d énergie et de réducteurs moins coûteux (le fioul dans les années 6-7, le charbon depuis la fin des années 8). On a ainsi pu atteindre des consommations de coke de l ordre de 27kg/tf sans perturber la marche de l appareil et des valeurs inférieures sont probablement possibles. Mais la consommation énergétique de l appareil reste voisine de 42kg de combustible au total (3,4,5). - un échangeur supérieur, récupérateur de l énergie produite dans la zone inférieure, dans lequel la charge est préchauffée par le gaz, à contre courant, ce qui permet de récupérer la chaleur sensible du gaz et contribue au rendement énergétique élevé du haut fourneau. En outre, le gaz réducteur formé dans l échangeur inférieur réduit en partie les minerais en fer métallique, ce qui limite fortement les besoins thermiques globaux de l appareil. La présence simultanée de ces deux échangeurs au sein d un même réacteur se traduit donc par un couplage fort et donc par un compromis qui définit aujourd hui la consommation la plus basse possible du haut fourneau (3,4) voisine de 42 kg/tf dans les conditions de marche actuelle, voisine de 37 kg/tf si l on savait adapter au mieux la réactivité des matières premières coke et minerais.

4 Le haut fourneau sans azote (6) Pour continuer à progresser, il est donc nécessaire de découpler ces deux réacteurs, ce que le haut fourneau à recyclage peut réaliser. Dans ces conditions, la limite ultime de consommation de carbone du haut fourneau serait la quantité de coke (23kg /tf) nécessaire à la bonne perméabilité du haut fourneau, l énergie et les réducteurs étant apportés par d autres sources (hydrogène par exemple, électricité) Dans son principe le haut fourneau à recyclage (5) vise donc à déconnecter les deux échangeurs du haut fourneau: y d y v y t y r Y=O/Fe P Q/q d y r y p X=O/C Haut fourneau Sans azote Chemin opératoire Gaz décarbonaté Bilan thermique Y v oxygène injection Y t oxygène recyclage tuyère Y r oxygène recyclage bas de cuve Y d oxygène réduction directe du fer Y p oxygène fuite -Les besoins thermiques de l échangeur inférieur sont limités à ceux relatifs au strict chauffage des matières de 9 C à leur température de coulée. Pour ce faire, on reporte dans la zone à basse température toute la réduction des oxydes de fer, évitant ainsi la réaction, forte consommatrice en énergie, de réduction directe par le carbone au dessus de 95 C. -La réduction totale des oxydes de fer doit être impérativement réalisée par le gaz à température inférieure ou égale à 9 C. Ceci n est possible qu en augmentant fortement le recyclage du gaz de gueulard débarrassé de son gaz carbonique, en bas de la cuve du haut fourneau. On obtient ainsi le débit gazeux nécessaire à la réduction complète des oxydes, débit, fixé par l échange à contre courant gaz-solide et par les limites thermodynamiques des équilibres de réduction. -La limitation des volumes gazeux traversant le haut fourneau en utilisant de l oxygène à la place d air pour la combustion aux tuyères et en recyclant le gaz de gueulard épuré aux tuyères (constitué essentiellement de CO, il remplace l azote du fait de sa capacité calorifique voisine). Figure 6 Diagramme opératoire du HF à recyclage Les réactions gaz solide : un sujet critique pour le nouveau procédé La faisabilité de ce nouveau procédé impose que la réactivité des matières soit adaptée à ces nouvelles contraintes : - contraintes géométriques : le minerai devra être complètement réduit en bas de cuve. Par rapport aux conditions classiques actuelles du haut fourneau (gaz à 53% azote 4%CO 7%H2), l élimination de l azote va entraîner une forte augmentation de la pression partielle de CO, un facteur favorable à l atteinte de cinétiques de réduction rapides, mais l absence d hydrogène va ralentir fortement la vitesse de réduction ; - contraintes de taux d avancement de la réaction de réduction. temps (secondes) y = -,7636x - 6,2512 R 2 =,9941 y = -,6572x + 2,566 R 2 =,9919 Prévision modèle expérience Figure 7: Les étapes finales de la réduction sont plus lentes que celles prévues par la théorie de réduction en régime chimique perte de masse (mg) Fer FeO La réalisation d une réduction complète des oxydes de fer risque de se heurter aux difficultés d élimination de l oxygène aux étapes ultimes de la réduction ; en effet, au cours de la réduction, chaque grain s entoure d une couche de fer dense à travers laquelle l oxygène doit diffuser pour que la réaction s effectue. Cette étape lente est aujourd hui réalisée à haute température (>12 C). Le fait de la réaliser à plus basse température pourrait s avérer pénalisant. En effet, toute augmentation de la réduction des oxydes par le carbone dans la zone inférieure de l appareil se traduirait par la production d excédents de gaz, la diminution du recyclage en bas de cuve et l augmentation de la «purge» de l appareil.

5 De la même manière, les réactions de combustion du coke aux tuyères devront aussi faire l objet d un ré-examen afin de vérifier que les nouvelles conditions de température et de composition du gaz (oxygène, CO 2 ) n ont aucune influence négative. 3. Du progrès incrémental à la nécessaire rupture: le triangle de l énergie et des réducteurs La réduction des oxydes de fer et l apport d énergie correspondant ne peuvent être réalisés, de manière réaliste, que par trois agents : le carbone, l hydrogène et l électricité (6,7). Le recyclage des ferrailles, pour une très large part au four électrique, a apporté depuis les années 9, une contribution importante à la réduction des émissions de CO 2 ; la consommation de carbone se trouve réduite non seulement en raison des besoins thermiques plus faibles, essentiellement liés au chauffage et à la fusion du fer, mais aussi en raison de la faible part de l électricité d origine thermique dans la production française. Carbon Coke Blast Furnace 25 Emissions of CO2 (kg/tls) Sequestration of CO 2 Syngas Natural Gas Coal Redsmelt NG Prereduction Smelting Reduction from coal Blast Furnace + plasma COREX+MIDREX+EAF BF with re cycling no C from electricity France scenario average world scenario H 2 H 2 prereduction H 2 by electrolysis of H 2 O EAF Electrolysis Electricity Hydrogen Electrons Figure 8 Le triangle des réducteurs et de l'énergie 5 Recycling EAF + 83 kg DRI Iron (pig or hot) input (kg/tls) Figure 9 Du haut fourneau à la préréduction H2 et au four électrique L accroissement de l utilisation de ferrailles pour l élaboration de l acier contribue aussi à la baisse des émissions de CO 2. Toutefois, son taux de recyclage pourrait être limité par l incidence de certaines impuretés sur les propriétés de l acier. En outre, le taux de collecte des ferrailles est déjà élevé aujourd hui (2 à 4Mt). Pour ces deux raisons, il est nécessaire de faire appel à du fer issu de la filière minerai. Le chemin qui conduit aux plus faibles consommations de carbone passe par les étapes suivantes : - l utilisation accrue de ferrailles recyclées d une part au convertisseur, d autre part au four électrique - l utilisation accrue de procédés de pré-réduction du minerai associés à la fusion au four électrique ou à l enfournement au convertisseur ; ces procédés, dans leur diversité, peuvent connaître des évolutions dans un vaste domaine, depuis la réduction au carbone jusqu à la réduction à l hydrogène pur en passant par l utilisation du gaz naturel, - la diminution de la mise au mille de combustibles fossiles au haut fourneau par recyclage du gaz de gueulard Les solutions plus radicales de diminution de la production de CO 2 lors de la fabrication de l acier ne peuvent s appuyer que sur 3 axes : - la séquestration du gaz carbonique : le développement des techniques de piégeage et de séquestration du CO 2 (aquifères, fond des océans, réservoirs vidés de leur pétrole ou gaz) pourrait constituer une alternative. Cela nécessite néanmoins d extrapoler les procédés de décarbonatation à une taille compatible avec nos procédés. En outre, le coût énergétique de l injection profonde du CO 2 devrait être pris en compte. - L hydrogène constitue un réducteur particulièrement adapté, mais il n est pas disponible en grandes quantités aujourd hui et sa production par reforming de gaz naturel est aussi source de CO 2. La pré-réduction à l hydrogène a été développée, ces 4 dernières années, jusqu au stade industriel à travers les procédés H-iron, Circored ou Iron carbide mais ces projets ont été abandonnés. Le développement d autres techniques de fabrication d hydrogène jusqu au stade industriel est donc indispensable pour envisager une sidérurgie basée sur l hydrogène. Un procédé de pré-réduction à l hydrogène pur couplé à une fusion électrique constituerait une technique particulièrement attrayante d élaboration de l acier mettant en jeu très peu de carbone. - De manière plus lointaine, l électrolyse peut être envisagée pour réduire les minerais de fer. Plusieurs techniques ont été mises en œuvre (réduction en milieu sulfate pour production directe d un foil de fer, réduction en milieu sodique d une pulpe de minerai, réduction en milieu sels fondus à plus haute température). Les consommations énergétiques citées seraient de 2 à 25GJ/tacier mais dépendent de la productivité du procédé. Les surfaces d électrodes nécessaires à produire le fer par ces techniques seraient importantes.enfin, la plantation d arbres, en particulier des espèces à croissance rapide, permettrait de séquestrer une partie du carbone. Pour cela, il faudrait

6 que le bois soit conservé ou que la surface plantée vienne alimenter les réacteurs sidérurgiques ; c est ainsi que les premiers ateliers sidérurgiques ont été associés à de vastes forêts, c est ainsi qu au Brésil, des forêts continuellement replantées alimentent des hauts fourneaux à charbon de bois. Vers une nécessaire rupture des filières de production Le réchauffement global constitue un défi considérable pour nos sociétés. Pour la sidérurgie, la diminution des productions spécifiques de CO2 est une remise en cause fondamentale. Par des décennies de progrès technique, les réacteurs actuels ont atteint des performances techniques voisines de celles prévues par la thermodynamique et leur efficacité thermique est excellente. Dans ce contexte très contraint aussi sur le plan économique, les gains de CO 2 envisageables ne dépassent pas 1 à 15%. Au niveau mondial, la sidérurgie est encore en phase de croissance dans les pays en développement. Lorsque les ferrailles issues de cette phase de développement seront recyclées, il sera alors possible de diminuer à nouveau la consommation spécifique de CO 2 par tonne d acier. Toutefois, l attente de ces jours meilleurs ne répond pas nécessairement aux urgences du processus lancé à Kyoto, de sorte que la mise au point de nouveaux procédés ou nouvelles filières risque d apparaître non seulement indispensable mais aussi attrayante. Ce développement ne sera possible que par un effort volontaire collectif important. Le développement de solutions industrielles viables tant sur le plan technique que sur le plan économique implique des efforts collectifs importants d études, de conception et de mise au point technologique si l on veut déboucher sur des réalisations pratiques industrielles à une échelle de temps de dix à quinze ans. Références bibliographiques (1) J.Michard, Etude du haut fourneau Cahier du CESSID Metz (1959) (2) A.Rist, N.Meysson, J.Metals (1967), 19, 5-59 (3) R. Nicolle, R.Capelani, JB.Guillot, A.Rist, Rev. Met. CIT Oct (4) F.Graffeuille, N.Jusseau, M.Schneider, F.Mosser, R.Nicolle, Y de Lassat, The drive to coke rates less than 3kg: from the concepts to the practice, 2ème congrès européen du haut fourneau Glasgow sept 91 (5) JM.Steiler, State of the art of Blast Furnace Ironmaking, 1998 ICSTI/Ironmaking proceedings AIME J.P. Birat, F. Hanrot, E. Hess, X. le Coq, G. Danloy, CO2 mitigation technologies in the Steel Industry: a benchmarking study based on process calculations METEC'3, 3rd ICSTI, Düsseldorf, 16-2 June, 23 (7) JP.Birat, M.Antoine, A.Dubs, H.Gaye, Y.de Lassat, R.Nicolle, JL.Roth, Vers une sidérurgie sans carbone? Rev Mét vol 9 3/