Calcul thermodynamique du rendement en fer métallique et des émissions de CO2 dans le procédé de réduction directe en four à colonne alimenté au gaz

Transformer un gaz résiduel en métal utile

L’acier soutient la vie moderne, mais sa production libère d’importantes quantités de dioxyde de carbone. En Chine, où plus de la moitié de l’acier mondial est produit, réduire ces émissions est essentiel pour atteindre les objectifs climatiques. Cette étude explore comment un sous‑produit sous‑exploité des usines de cokéfaction, appelé gaz de four à coke, pourrait être utilisé à la fois comme combustible et comme agent chimique pour produire du fer plus efficacement dans un type de réacteur appelé four à colonne, tout en diminuant la pollution carbonée.

Pourquoi les cheminées de l’acier comptent

La production d’acier repose généralement sur le charbon dans de hauts fourneaux, qui entraînent des émissions élevées de carbone. Parallèlement, les usines de cokéfaction qui préparent le charbon pour la sidérurgie libèrent de grands volumes de gaz riches en hydrogène et en méthane. Une grande partie de ce gaz est brûlée ou gaspillée. Comme il a un impact climatique par unité d’énergie comparable à celui du gaz naturel, mieux utiliser ce sous‑produit pourrait aider à remplacer des combustibles fossiles extraits ou importés. La question que les auteurs adressent est jusqu’à quel point le gaz de four à coke peut alimenter des fours à colonne à base de gaz qui transforment le minerai de fer en fer solide, et ce que cela signifierait pour les émissions de dioxyde de carbone.

Construire une usine virtuelle de fer

Plutôt que de faire fonctionner des installations pilotes coûteuses, les chercheurs ont créé un modèle thermodynamique détaillé, une sorte d’usine virtuelle fondée sur les lois de la conservation de l’énergie et de la matière. Ils suivent le gaz de four à coke lorsqu’il est d’abord chauffé et reformé dans un four séparé pour produire un mélange riche en hydrogène, puis envoyé dans le four à colonne où il arrache l’oxygène des boules de minerai de fer. Le modèle suit la quantité de fer métallique produite, la quantité de gaz consommée pour les réactions chimiques et pour le chauffage, et la quantité de dioxyde de carbone évacuée avec les gaz d’échappement. En faisant varier des paramètres clés tels que la teneur en fer du minerai, la proportion de fer convertie en métal, et la température à laquelle se forme le fer métallique, ils ont pu voir comment chaque choix influence à la fois le rendement et les émissions.

La qualité du minerai prime sur les réglages fins

Un résultat clair est que la teneur en fer du minerai est le levier principal. Lorsque la teneur en fer passe d’un minerai relativement pauvre à 45 % à un minerai plus riche à 70 %, la masse de fer métallique produite pour une quantité donnée de gaz de four à coke augmente de plus de 60 %. Parallèlement, le dioxyde de carbone émis par tonne de métal chute fortement, d’environ 1,2 tonne à environ 0,74 tonne. Cela s’explique par le fait qu’un minerai plus riche contient moins de matière non métallique qui doit être chauffée mais ne se transforme jamais en fer. Moins de roche inutile dans le mélange signifie moins de gaz brûlé uniquement pour fournir de la chaleur, et plus de gaz disponible pour réduire réellement l’oxyde de fer en métal.

Ajuster les conditions du four

L’équipe a aussi examiné deux réglages opérationnels à l’intérieur du four à colonne : la complétude de la transformation du minerai en métal et la température à laquelle se produit l’étape finale de réduction. Augmenter le degré de métallisation tend à accroître à la fois le rendement en fer et les émissions de dioxyde de carbone par tonne de produit solide, mais réduit les émissions par tonne de métal pur car la même quantité de gaz produit plus de fer utile. Élever légèrement la température de formation du fer métallique réduit le rendement en métal et augmente les émissions, puisque l’exploitation à plus haute température exige du gaz supplémentaire pour le chauffage. Globalement, ces facteurs ont de l’importance, mais beaucoup moins que le fait de partir d’un minerai de meilleure qualité.

Recycler les gaz chauds pour réduire le gaspillage

Le modèle montre que l’équilibre thermique, et pas seulement les réactions chimiques, contrôle en grande partie la quantité de gaz nécessaire au système. Lorsque les gaz chauds d’échappement provenant du haut du four à colonne sont brûlés dans le four de chauffage, seulement environ un cinquième de ce gaz épuré est nécessaire pour couvrir la demande de chauffage. Les quatre cinquièmes restants peuvent, en principe, être débarrassés du dioxyde de carbone puis renvoyés dans le système comme gaz réducteur frais. Dans un exemple pratique utilisant une cokéfaction produisant du gaz à partir de 1,2 million de tonnes de coke par an, le gaz disponible pourrait soutenir la production d’environ 4,9 millions de tonnes de fer métallique par an dans un four à colonne, tout en maintenant les émissions annuelles de dioxyde de carbone limitées par la quantité de gaz produite et en réduisant les émissions par tonne de fer.

Ce que cela signifie pour un acier plus propre

Pour les lecteurs intéressés par une industrie compatible avec le climat, la conclusion est que l’utilisation réfléchie du gaz résiduel existant et une meilleure qualité de minerai peuvent réduire notablement l’empreinte carbone de la production de fer. L’étude ne promet pas des émissions nulles, mais cartographie les limites thermodynamiques de ce que peuvent atteindre des fours à colonne alimentés au gaz de four à coke. En donnant la priorité aux minerais riches en fer, en recyclant la majeure partie des gaz d’échappement chauds et en évitant les surchauffes inutiles, les producteurs d’acier pourraient obtenir plus de métal avec la même quantité de combustible tout en émettant moins de dioxyde de carbone dans l’atmosphère.

Citation: Jiang, X., Deng, X., Fan, X. et al. Thermodynamic calculation of metallic Fe yield and CO₂ emissions in gas-based shaft furnace direct reduction process. Sci Rep 16, 15263 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45162-4

Mots-clés: gaz de four à coke, four à colonne, fer réduit directement, décarbonation de l’acier, modélisation thermodynamique