Biocombustibles pour l'élaboration de l'acier

La fabrication d’acier requiert beaucoup d’énergie. Selon une enquête de 2002, la consommation d’énergie au Canada pour la fabrication de fer et d’acier était de 247 pétajoules (Rapport du SCIAN sur la consommation d’énergie). Les principales sources d’énergie pour ce secteur sont le coke, le gaz de cokerie et le gaz naturel; ils comptent pour 80 % de l’énergie consommée. Cette grande dépendance envers des sources d’énergie non renouvelables fait de l’industrie sidérurgique l’un des plus importants émetteurs de gaz à effet de serre (GES).

En 2005, l’émission de GES associée à la production de fer et d’acier au Canada était de 13 Mt d’équiv. CO2, plaçant cette industrie au 2e rang des plus grands émetteurs parmi plusieurs secteurs industriels secondaires. Ce secteur était également responsable de 18 % des émissions de GES pour l’ensemble du secteur manufacturier.

Les aciéries intégrées utilisent le convertisseur basique à oxygène (CBO) du haut fourneau pour produire de l’acier. Pendant ce processus, le minerai de fer et le coke (préparés par la pyrolyse du charbon) sont placés dans le haut fourneau où le minerai de fer est réduit chimiquement et fondu mécaniquement en fer métallique fondu. Dans le but de réduire la consommation de coke nécessaire à ce processus, la majorité des hauts fourneaux modernes sont également munis de dispositifs secondaires d’injection de combustibles pour permettre l’utilisation directe de combustibles à base de carbone.

Le fer fondu ainsi produit est régulièrement prélevé du haut fourneau et transféré au CBO afin d’abaisser son contenu en carbone et de le convertir en acier. On peut refondre les contenants métalliques recyclés en les plaçant dans le CBO ou en utilisant un four électrique à arc pour augmenter la production d’acier de l’aciérie. L’acier fondu ainsi obtenu est affiné davantage dans la poche de coulée où il est soumis à des réglages fins de sa température et de sa chimie avant le coulage.

Le carbone ajouté dans le haut fourneau sert à la fois à réduire le minerai en fer et de source d’énergie pour la fonte. Étant donné ce rôle bivalent, la majorité des sources d’énergie non renouvelable ne comportant pas de carbone ne sont pas appropriées pour la fabrication de fer dans un haut fourneau. Étant donné l’importance d’atténuer les émissions de CO₂ dans le système de fabrication de coke à l’aide d’un haut fourneau, il est proposé de substituer le biocombustible au combustible fossile. Tout comme le combustible fossile, le biocombustible est à base de carbone, mais le CO₂ libéré pendant sa combustion n’augmente pas la concentration de GES dans l’atmosphère. Ainsi, le biocombustible est capable d’atténuer les répercussions environnementales de la fabrication de fer et de fournir le carbone nécessaire au maintien de la productivité du four.

Le biocombustible peut être utilisé de 2 façons dans le système de fabrication de coke dans le haut fourneau. Il peut remplacer une partie du mélange de charbon qui sert à fabriquer du coke, d’où l’appellation « bio-coke » (figure 1) et être injecté directement dans le four en tant que combustible auxiliaire (figure 2).

De la recherche expérimentale est réalisée à CanmetÉNERGIE pour étudier la résistance à chaud et à froid du bio-coke. Le but est de préparer un bio-coke apte à l’utilisation dans le haut fourneau. Des simulations numériques ont également été réalisées pour examiner l’effet de l’injection directe de biocombustible sur le comportement du haut fourneau et sa capacité à fabriquer du fer. Les résultats de ces simulations démontrent que le charbon était le biocombustible dont l’injection directe était la plus efficace pour atténuer la production de GES. De plus, les conditions du four n’étaient pas modifiées de façon significative par l’injection de charbon, et la capacité de fabrication de fer pouvait être maintenue. Une substitution complète de l’injection de combustible fossile par l’injection de biocombustible pourrait réduire les émissions de GES dans la fabrication d’acier de près de 25 %, soit de 13 Mt/an à 9,8 Mt/an.