Modélisation d'un four à cuve de réduction directe du minerai de fer par l'hydrogène pur

Modelling a DR Shaft Operated with Pure Hydrogen using a Physical-chemical and CFD Approach

Résumé

Concevoir une nouvelle filière d'élaboration de l'acier fondée sur l'hydrogène semble prometteur si l'on considère les faibles émissions de CO₂ qui en résulteraient. Dans le programme ULCOS, cette filière est we comme une option à long terme, essentiellement conditionnée par l'émergence d'une économie de l'hydrogène. Pour anticiper son possible développement, on a décidé d'évaluer le procédé de réduction directe en four à cuve par H₂ pur et de déterminer ses conditions opératoires optimales grâce à une approche de modélisation mathématique, complétée par des expérimentations adaptées. Nous avons ainsi spécifiquement développé un modèle mathématique, appelé REDUCTOR, qui simule le procédé et prédit ses performances. Ce modèle est fondé sur une description mathématique détaillée des phénomènes physico-chimiques et thermiques réels. En particulier, la cinétique de réduction est tirée d'essais expérimentaux en laboratoire. La version actuelle du modèle ne tient compte que de la réaction par l'hydrogène mais une extension à la réduction par CO est prévue de manière à ce que ce modèle puisse aussi être utilisé pour simuler et optimiser les procédés de réduction directe existant actuellement. Les premiers résultats ont confirmé que la réduction par H₂ était plus rapide que par CO, ce qui permet d'envisager un réacteur sous Hz bien plus compact que les fours actuels des procédés MIDREX ou HYL.

Abstract

The hydrogen-based route could be a valuable way to produce steel considering its low carbon dioxide emissions. In ULCOS, it is regarded as a long-term option, largely dependent on the emergence of a hydrogen economy. To anticipate its possible development, it was decided to check the feasibility of using 100% H₂ in a Direct Reduction shaft furnace and to determine the best operating conditions, through appropriate experimental and modelling work. We developed from scratch a new model, called REDUCTOR, for simulating this process and predicting its performance. This sophisticated numerical model is based on the mathematical description of the detailed physical, chemical and thermal phenomena occurring. In particular, kinetics were derived from experiments. The current version is suited to the reduction with pure hydrogen, but an extension of the model to CO is planned so that it will also be adapted to the simulation and optimisation of the current DR processes. First results have confirmed that the reduction with hydrogen is much faster than that with CO, making it possible to design a hydrogen-operated shaft reactor quite smaller than current MIDREX and HYL.