Procédés de combustion industriels | Fours et procédés industriels

À CanmetÉNERGIE, nous nous efforçons d’améliorer et de mettre au point des procédés novateurs à faible taux d’émissions. Pour les nouvelles centrales, des procédés améliorés peuvent être utilisés pour modifier l’efficacité énergétique d’un système. Parfois, il est possible d’appliquer ces stratégies pour moderniser des centrales existantes. Voici des exemples de procédés améliorés :

• Fer de réduction directe
• Bouletage du minerai de fer
• Haut fourneau alimenté à l’oxygène qui produit du fer et captage du dioxyde de carbone (CO₂)
• Contrôle industriel des COV-GES (composé organique volatil - gaz à effet de serre) à l’aide du plasma non thermique

Fer de réduction directe
Nous avons contribué à la mise au point du bouletage à froid et des schémas de production connexes pour la mise au point des procédés de production de fer de réduction directe. Le procédé de production de fer de réduction directe peut être utilisé pour remplacer les technologies classiques utilisant le four à coke et le haut fourneau. Les procédés de production de fer de réduction directe ont été mis au point, mais ils en sont encore à leur début. Bien qu’il soit généralement admis que les avantages de ces procédés sur le plan de l’efficacité sont mesurables, l’industrie utilise encore les procédés classiques de fabrication d’acier qui sont reconnus comme étant inefficaces et qui génèrent beaucoup d’émissions néfastes pour l’environnement.
Bouletage du minerai de fer
Nous avons établi un partenariat de recherche et de développement avec la Compagnie minière Québec Cartier dans le but de trouver des moyens de réduire l’énergie et les émissions associées à la production de boulettes de minerai de fer qui seront utilisées dans l’industrie sidérurgique canadienne. Les travaux de recherche seront axés sur la mise au point d’une technologie à haut rendement énergétique novatrice pour le bouletage de minerai de fer qui a lieu entre l’exploitation minière et l’utilisation du haut fourneau. La production de fer et d’acier compte pour environ 10 % de la consommation d’énergie industrielle du Canada, et contribue au même pourcentage à ses émissions industrielles de gaz à effet de serre (GES). Le bouletage est responsable d’environ 15 % de ces totaux. Les partenaires travaillent à réduire l’énergie et les émissions liées au bouletage d’au moins 30 % au moyen de travaux de recherche, de développement et d’innovation.
Haut fourneau alimenté à l’oxygène qui produit du fer et capte du CO₂
La quantité de fer produite à partir de minerai à l’appui de la production d’acier au Canada était d’environ 9 Mt en 2006. Cette quantité de fer a presque exclusivement été produite par la technologie utilisant un haut fourneau. Étant donné que l’agent réducteur utilisé dans ce processus est le monoxyde de carbone (CO), les émissions de GES associées aux opérations de production de fer dans un haut fourneau sont importantes. On estime à plus de 10 Mt la quantité de CO₂ libéré par l’exploitation de hauts fourneaux en 2006.
Nous avons mené une étude de faisabilité technique et économique d’un nouveau procédé de production de fer et de captage de CO₂. Ce procédé utilise de l’oxygène au lieu de l’air pour fabriquer du fer dans un haut fourneau. Il procure plusieurs avantages :

• L’utilisation d’un souffle riche en oxygène renforce grandement le procédé de production de métal chaud et se traduit par une augmentation de la productivité.  
• Les opérations de souffle à l’oxygène peuvent également être intégrées à la production d’énergie à cycle mixte. Le fonctionnement sans azote produit un gaz d’échappement du four propre qui dégage beaucoup de chaleur, ce qui permet l’utilisation du gaz d’échappement dans la production d’énergie à l’aide d’une turbine à gaz. De plus, la chaleur résiduelle du haut fourneau peut être utilisée pour la production d’énergie à l’aide d’une turbine à vapeur.  
• Le gaz d’échappement du four peut également être utilisé pour produire de l’hydrogène, une matière utile. La concentration du gaz d’échappement sans CO du haut fourneau est élevée. À des concentrations adéquates et à l’aide d’un catalyseur, le CO peut réagir avec la vapeur pour produire de l’hydrogène et du CO₂ par la conversion à la vapeur d’eau.

Contrôle des COV-GES industriels à l’aide du plasma non thermique
Le plasma non thermique est un état de décharge à faible énergie des molécules gazeuses. L’intensité de son énergie est si faible que la température des molécules et de ses espèces chimiques excitées n’augmente pas; cependant, les radicaux et les ions peuvent subir des réactions chimiques. Dans les applications de contrôle des émissions industrielles, les composés organiques volatils (COV) et les autres GES sont oxydés ou décomposés par le plasma non thermique en des espèces inoffensives.
Nous sommes affairés à la mise au point de la technologie du plasma à décharge sur barrière électrique pour atténuer les COV et les GES industriels (certains COV sont des GES puissants). L’un des GES suscitant un grand intérêt est l’hexafluorure de soufre (SF6). Le SF6 fait partie des GES les plus dangereux et il est grandement utilisé dans l’industrie du coulage et de la fusion du magnésium, pour la fabrication de semi-conducteurs et dans les appareillages de connexion pour le transport d’électricité. Le SF6 possède un potentiel de réchauffement de la planète de 23 900. Autrement dit, l’émission d’une tonne de SF6 est équivalente à l’émission de 23 900 tonnes de CO2. Au Canada, la quantité annuelle d’émission de SF6 est de 2,7 Mt. À l’heure actuelle, il n’existe aucune méthode pour récupérer ou détruire le SF6 utilisé dans les procédés industriels.

Dans le cadre des travaux effectués sur la technologie du plasma à décharge sur barrière diélectrique, un nouvel élément de décharge en forme d’étoile a été conçu et mis à l’essai, un élément permettant une décharge de plasma robuste et efficace. Près de 100 % de la décomposition du SF6 a été obtenu à une vaste gamme de concentrations de SF6. L’efficacité énergétique de la technologie mise au point pour la réduction de ce GES est d’environ 766 684 kg d’équiv. CO2/MWh, plus ou moins 2 ordres de grandeur plus élevés que le captage du CO2 des chaudières de production d’énergie par épuration par solvant aux amines.
Bien que les travaux de recherche actuels de CanmetÉNERGIE visent le SF6, la technologie et l’installation de recherche peuvent servir aux travaux sur d’autres COV et GES industriels. Nous sommes également à la recherche de partenaires, de collaborateurs et d’utilisateurs intéressés par la technologie de décomposition du SF6. Pour de plus amples renseignements, contactez-nous.

Géré par CanmetÉNERGIE au centre de recherche d'Ottawa (Ontario).