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

Damien Wagner

Description

Sous la direction de Fabrice Patisson
Thèse soutenue le 30 janvier 2008: INPL
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
-Réduction directe
-Temps caractéristiques
-Modélisation mathématique
-Cinétique
-Four à cuve
-Minerai de fer
-Hydrogène
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
-Direct reduction
-Characteristic times
-Mathematical model
-Kinetics
-Hydrogen
-Iron ore
-Shaft furnace
Source: http://www.theses.fr/2008INPL004N/document

Sujets

• Cinétique
• Minerai de fer
• Hydrogène

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

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Institut National Polytechnique de Lorraine Ecole Doctorale EMMA




Etude expérimentale et modélisation de la
réduction du minerai de fer par
l’hydrogène


THESE
Présentée et soutenue publiquement le 30 janvier 2008
pour l’obtention du grade de

Docteur de l’Institut National Polytechnique de Lorraine
(Science et Ingénierie des Matériaux)



présentée par

Damien WAGNER
Ingénieur ENSIC


Composition du jury

Jean-Bernard GUILLOT Rapporteurs
Ange NZIHOU
Denis ABLITZER Examinateurs
Pierre ARCHAMBAULT
Jean-Pierre BIRAT
Fabrice PATISSON
Chris TREADGOLD


Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de Métallurgie – UMR 7584 CNRS-INPL
- 1
- 2 Remerciements



Ce travail a été réalisé au Laboratoire de Science et Génie des Matériaux et de
Métallurgie (LSG2M), à l’Ecole des Mines de Nancy. Il a été financé sur des fonds alloués
par l’Union Européenne, à qui j’adresse mes remerciements.
J’exprime ma sincère gratitude à Monsieur Pierre Archambault, directeur du LSG2M,
pour l’accueil qu’il m’a réservé dans son laboratoire, et l’honneur qu’il m’a fait en acceptant
de présider le jury de thèse. De la même manière, je suis très reconnaissant envers Monsieur
le Professeur Denis Ablitzer pour avoir rendu mon intégration au sein de son équipe de
recherche aussi aisée. Je le remercie également pour sa participation au Jury de thèse.
J’adresse mes plus vifs remerciements à Monsieur Fabrice Patisson, qui a dirigé cette
recherche. Je suis sensible à la confiance qu’il m’a largement témoignée, à l’aide et aux
conseils qu’il m’a prodigués. C’est en bénéficiant de sa grande compétence que ma formation
de chercheur a progressé. J’ai toujours eu plaisir à travailler avec lui, dans des relations basées
sur la franchise et l’estime.
Je désire remercier Monsieur le Professeur Jean-Bernard Guillot et Monsieur le
Professeur Ange Nzihou, pour avoir accepté d’examiner ce travail et d’en être les rapporteurs.
Je suis très reconnaissant envers Monsieur Jean-Pierre Birat, Ingénieur de Recherche
de la Direction technique d’ArcelorMittal Maizières, ainsi qu’envers Monsieur Chris
Treadgold, Ingénieur de Recherche chez Corus pour les discussions que nous avons pu avoir
au cours de ces trois années et pour avoir accepté de faire partie du Jury.
Enfin, je souhaiterais exprimer mes remerciements aux différentes personnes qui ont
eu une part active dans la réalisation de mon travail de thèse. Tout d’abord Bernard Rouat,
Krista Lumsden et Olivier Devisme pour leur aide précieuse dans la réalisation des
expériences sans lesquelles la modélisation ne serait rien. Ensuite, Pierre Delcroix et Pascal
Boulet pour les analyses Mössbauer et rayons X. Enfin, toutes les autres personnes du
laboratoire avec qui j’ai toujours eu de bons rapports et qui m’ont toujours aidé dans la
mesure de leurs moyens.

- 3 - 4 Table des matières


Table des matières..................................................................................................................3

Nomenclature.........................................................................................................................7

Introduction.........9

I. Travail bibliographique .....................................................................................................13
I.1. Aspects stoechiométriques et thermodynamiques ..........................................13
I.2. Cinétique de la réaction .................................................................................16
I.2.1. Etapes d’une réaction gaz-solide............................................................16
I.2.2. Réduction de l’hématite en fer ...............................................................17
I.2.3. Réduction de la wüstite en fer................................................................20
I.3. Mécanismes et morphologies.........................................................................26
I.3.1. Etapes de la réduction de l’hématite en fer.............................................26
I.3.2. Mécanismes de la réduction de la wüstite en fer.....................................28
I.3.2.a. Mme général de la réduction de la wüstite....................................28
I.3.2.b. Différentes morphologies ......................................................................29
I.3.2.c. Mise en place des différentes morphologies...........................................32
I.3.2.d. Phénomène de collage...........................................................................37
I.4. Comparaison avec la réduction par CO..........................................................41
I.5. Conclusion....................................................................................................42

II. Travail expérimental ........................................................................................................45
II.1. Dispositif expérimental..................................................................................45
II.2. Matières premières et conditions de référence................................................47
II.3. Expériences et résultats .................................................................................48
II.3.1. Conditions de référence et reproductibilité.............................................48
II.3.2. Observations au Microscope Electronique à Balayage............................48
II.3.3. Influence de la taille de l’échantillon initial............................................50
II.3.4. Influence de la température....................................................................52
II.3.5. Influence de la teneur en hydrogène dans le gaz réducteur .....................55
II.3.6. Influence du débit total de gaz ...............................................................56
II.3.7. Influence de la présence d’eau dans le gaz réducteur..............................56
II.3.8. Essais interrompus59
II.3.9. Porosimétrie au mercure, pycnométrie et BET .......................................62
II.4. Construction du modèle cinétique..................................................................65
II.4.1. Les mécanismes de la réduction.............................................................66
II.4.2. La structure du solide et les étapes cinétiques.........................................66
II.4.3. Lois cinétiques globales et par étapes.....................................................67
II.5. Modèle d’ensemble et constantes cinétiques ..................................................73
II.5.1. Le modèle cinétique Excel.....................................................................73
II.5.2. Calcul de la vitesse globale....................................................................73
II.5.3. Résultats et détermination des paramètres cinétiques .............................74
II.6. Conclusion....................................................................................................80
- 5 III. Travail de modélisation...................................................................................................81
III.1. Les fours à cuve.........................................................................................81
III.2. Objectifs et démarche ................................................................................82
III.3. Travaux antérieurs.....................................................................................83
III.4. Le problème modélisé83
III.5.s équations.............................................................................