Ingénierie et chimie du processus du haut fourneau

A haut fourneau est un four métallurgique utilisé pour sent et produire des métaux industriels, généralement du fer à porc mais aussi d'autres métaux tels que le plomb ou le cuivre. Le Blast est la fourniture de l'air de combustion au-dessus de la pression atmosphérique.Dans un haut fourneau, le carburant (coke), le minerai et le flux (calcaire) sont fournis en continu à partir du haut de la fournaise, tandis que l'air chaud (parfois enrichi d'oxygène) passe par une série de tubes appelés Tuyeres, de sorte que comme le comme le comme le comme le comme le comme le comme le comme le comme le comme le Le matériau tombe vers le bas, des réactions chimiques se produisent dans toute la fournaise, la réaction. Les produits finaux sont généralement des phases en métal fondu et des scories sortant du fond et des gaz déchets (gaz de combustion) sortant du sommet de la fournaise.

Le flux de l'écoulement vers le bas du minerai et le contact avec le flux ascendant des gaz de combustion de co-chiens chauds est un processus d'échange à contre-courant et de réaction chimique.En revanche, les fours à air (tels que les fours réverbératoires) sont naturellement aspirés, généralement par convection de gaz chauds dans le conduit, sous cette large définition, les aciéries en fer, les usines de conversion d'étain et les plantes de fusion de plomb seraient classées comme haut fourneaux. Cependant, le terme est généralement limité à ceux utilisés pour fondre le minerai de fer pour produire du fer à porc (un matériau intermédiaire utilisé pour produire de l'acier de base) et des fours d'arbre utilisés en conjonction avec des plantes de frittage dans la fusion métallique de base.On estime que les hauts fourneaux sont responsables de plus de 4% des émissions mondiales de gaz à effet de serre entre 1900 et 2015, mais sont difficiles à décarboniser

Ingénierie et chimie des processus

Le haut fourneau fonctionne sur le principe de réduction chimique, où le monoxyde de carbone convertit l'oxyde de fer en fer élémentaire. Les hauts fourneaux diffèrent des fours à rugissement et réverbératoires dans ce que dans les hauts fourneaux, les gaz de combustion entrent en contact direct avec le minerai et le fer, permettant au monoxyde de carbone de se diffuser dans le minerai et de réduire l'oxyde de fer. Les fours ne le font pas. Une autre différence est que les usines d'acier fonctionnent en mode lot, tandis que les hauts fourneaux fonctionnent en continu pendant de longues périodes. que celui de l'acier ou du fer pur; Le fer, au contraire, ne fonde pas dans l'usine.La silice doit être retirée du fer à porc. Il réagit avec l'oxyde de calcium (calcaire brûlé) et forme des silicates, qui flottent à la surface du fer à porc fondu sous forme de laitier. Historiquement, le fer de meilleure qualité a été produit en utilisant du charbon de bois pour empêcher la contamination du soufre.La colonne en mouvement vers le bas des produits de minerai, de flux, de coke ou de charbon de bois et de réaction doit avoir une porosité suffisante pour le passage des gaz de combustion. Pour assurer cette perméabilité, la taille des particules du coke ou du charbon de bois est très importante. Assez pour ne pas être écrasé par le poids du matériau au-dessus.

La principale réaction chimique produisant le fer en fusion est:

Fe₂O₃ + 3CO → 2FE + 3CO₂

Cette réaction pourrait être divisée en plusieurs étapes, le premier étant que l'air préchauffé soufflé dans la fournaise réagit avec le carbone sous forme de coke pour produire du monoxyde de carbone et de la chaleur:

2 c_(S) + O_{2 (g)} → 2 CO_(g)

Le monoxyde de carbone chaud est l'agent réducteur du minerai de fer et réagit avec l'oxyde de fer pour produire du fer fondu et du dioxyde de carbone. . AU TOP, où la température se situe généralement entre 200 ° C et 700 ° C, l'oxyde de fer est partiellement réduit à l'oxyde de fer (II, III), Fe₃O₄.

3 Fe₂O_{3 (s)} + CO_(g) → 2 Fe₃O_{4 (s)} + CO_{2 (g)}

Les températures de 850 ° C, plus bas dans la fournaise, le fer (II, III) est réduit davantage en fer (ii) oxyde:

Fe₃O_{4 (s)} + CO_(g) → 3 FEO_(S) + CO_{2 (g)}

Le dioxyde de carbone chaud, le monoxyde de carbone non réagi et l'azote de l'air traversent le four à mesure que le matériau d'alimentation frais se déplace dans la zone de réaction. Alors que le matériau se déplace vers le bas, les gaz à contre-courant préchauffent la charge d'alimentation et décomposent le calcaire en oxyde de calcium et en dioxyde de carbone:

Caco_{3 (s)} → Cao_(S) + CO_{2 (g)}

L'oxyde de calcium formé par la décomposition réagit avec diverses impuretés acides dans le fer (notamment la silice), pour former un scories fayalitiques qui est essentiellement du silicate de calcium, casio ₃:

Sio₂ + Cao → Casio₃

Alors que l'oxyde de fer (II) se déplace vers la zone avec des températures plus élevées, allant jusqu'à 1200 ° C degrés, il est encore réduit en métal de fer:

Feo_(S) + CO_(g) → Fe_(S) + CO_{2 (g)}

Le dioxyde de carbone formé dans ce processus est rééduit en monoxyde de carbone par le coke:

C_(S) + CO_{2 (g)} → 2 CO_(g)

L'équilibre dépendant de la température contrôlant l'atmosphère de gaz dans le four est appelé la réaction de Boudouard:

2CO ⇌ CO₂ + C.

"Pig Iron " produit dans les hauts fourneaux a une teneur en carbone relativement élevée d'environ 4 à 5%, et contient souvent trop de soufre, ce qui le rend très cassant et d'une utilisation commerciale immédiate limitée. . La majeure partie du fer de porc produite dans les hauts fourneaux est traitée en outre pour réduire la teneur en carbone et en soufre et produire divers grades d'acier utilisés dans les matériaux de construction, les voitures, les navires et les machines. se fait en ajoutant de l'oxyde de calcium, qui réagit avec le sulfure de fer contenu dans le fer à fonte pour former du sulfure de calcium (connu sous le nom de désulfurisation de la chaux). Fon de porc pour former de l'acier brut.Bien que l'efficacité des hauts fourneaux ait continué d'évoluer, les processus chimiques dans les hauts fourneaux sont restés les mêmes. L'un des plus grands inconvénients des hauts-four est la production de CO2 inévitable car le fer est réduit de l'oxyde de fer par le carbone, et en 2016, il n'y a pas d'alternatives économiques que l'acier est l'une des plus grandes industries émettrices du CO2 au monde (voir les gaz à effet de serre) sont Enquêter sur plusieurs alternatives telles que les déchets plastiques, la biomasse ou l'hydrogène en tant qu'agent réducteur, ce qui peut réduire considérablement les émissions de carbone.

Une initiative européenne appelée ULCOS (ultra-faible CO2 Steelmaking) relève des défis posés par les émissions de gaz à effet de serre du haut fourneau.Les nouveaux itinéraires de procédés ont été proposés et étudiés de manière intensive pour réduire les émissions spécifiques (CO2 par tonne d'acier) d'au moins 50%. Certains reposent sur la capture de dioxyde de carbone et le stockage supplémentaire (CCS), tandis que d'autres choisissent de décarboniser la production d'acier en passant à l'hydrogène, à l'électricité et à la biomasse. est en cours de développement et est à l'échelle des hauts fourneaux à l'échelle commerciale.