novembre 2013

À la recherche de chaleur

La technologie CSIRO vise à convertir la chaleur provenant du laitier en de l'énergie utilisable.

Par Alexandra Lopez-Pacheco

Des chercheurs du groupe de production durable de métal du Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO, l'organisation australienne de la recherche scientifique et industrielle du Commonwealth) avancent à grand pas vers la commercialisation d'un procédé de granulation par voie sèche qui transforme le laitier chaud en un produit générant des revenus. Les centaines de millions de laitier en fusion générées lors de la fabrication d'acier chaque année constituent actuellement un produit dérivé dont l'industrie doit s'accommoder, et ce malgré ses avantages limités.

« On produit plus d'un milliard de tonnes d'acier dans le monde chaque année, qui génèrent entre 200 et 300 millions de tonnes de laitier, une source considérable de chaleur que l'on ne récupère pas », déclare Sharif Jahanshahi, responsable de la thématique en matière de production durable de métal chez CSIRO.

Le procédé de traitement de laitier en fusion à 1 500°C consistait généralement à le laisser refroidir à l'air, mais cela impliquait que des tonnes de déchets de laitier solidifié devaient être décomposées puis transportées. Et toute cette chaleur était gaspillée. D'après les chercheurs de CSIRO, environ 1,8 gigajoule de chaleur est perdue pour le refroidissement de chaque tonne de laitier de haut fourneau en fusion. Pour comprendre ce que représente ce gaspillage, la quantité totale d'énergie gaspillée à l'échelle mondiale durant cette étape correspond approximativement à un cinquième du volume d'énergie générée par le secteur de production d'électricité du Canada.

De nos jours, l'approche la plus courante pour le refroidissement de ces laitiers consiste à utiliser de l'eau pour les refroidir et les transformer en granulés. Ainsi, le laitier est transformé en granules lisses qui sont utilisées comme substituts pour le ciment Portland et qui génèrent des revenus (de 25 à 35 $ par tonne en Australie par exemple). Plutôt que de s'en débarrasser comme d'un déchet, la transformation du laitier en un produit qui peut être vendu représente incontestablement un pas en avant, des points de vue environnemental autant qu'économique. Cependant, toute cette énergie accumulée dans le laitier chaud est néanmoins perdue lors de la granulation par voie humide, de même que l'eau douce utilisée pour ce procédé ; on estime qu'entre 1 000 et 1 500 litres d'eau s'évaporent pour chaque tonne de laitier traitée. Le procédé peut également se révéler potentiellement dangereux, explique M. Jahanshahi. « La granulation par voie humide engendre un risque potentiel d'explosions lorsque le laitier contient des métaux en fusion tels que le fer ou les mattes. »

Le Saint-Graal de l'efficacité

Depuis les années 1980, divers chercheurs ont tenté de développer un procédé de granulation par voie sèche en décomposant le laitier en fusion en petites gouttelettes par des voies mécaniques telles que le tir à l'air comprimé, les filtres rotatifs à tambour ou les disques tournants, suivies par la solidification des gouttelettes de laitier et parallèlement la récupération de la chaleur haute température avec de l'air. Mais ils ont toujours été confrontés à des obstacles, et aucun n'est parvenu à ce jour à se rapprocher d'une commercialisation possible.

En 2002, une équipe à CSIRO a décidé de relever le défi. Les chercheurs ont commencé par analyser et évaluer les travaux de recherche antérieurs et en ont conclu que la méthode la plus proche d'une solution à ce problème était la granulation par voie sèche à l'aide d'un disque tournant ou d'une cellule rotative. Cette méthode utilisait le moins d'énergie possible pour atomiser le laitier en fusion et offrait un procédé plus efficace et contrôlé. Malheureusement, les tentatives antérieures visant à utiliser des disques tournants avaient échoué en raison des grands problèmes rencontrés au niveau de la conception et du fonctionnement, par exemple par rapport au besoin de supprimer la laine de laitier et de manipuler des gouttelettes et des granules chaudes.

« La granulation par voie sèche avec un disque tournant est un procédé extrêmement rapide qui décompose le laitier en de fines gouttelettes par le biais des forces centrifuges », explique Dongsheng Xie, chargé de projet chez CSIRO. « Le laitier se déploie et se décompose en une fraction de seconde. Il faut produire de petites gouttelettes de laitier pour un échange rapide et efficace de chaleur, de manière à pouvoir les refroidir très vite pour produire le produit lisse qui servira de substitut pour le ciment. »

Cependant, comme ce procédé est très rapide, il peut facilement mal tourner. « Même si l'on produit des gouttelettes, leur manipulation et la récupération de la chaleur est une tâche complexe », ajoute M. Xie. En 2006, son équipe avait fait d'importantes découvertes qui ont permis aux chercheurs de concevoir un procédé pour atteindre simultanément la granulation par voie sèche et la récupération de la chaleur. Ce procédé qu'ils ont développé repose sur deux étapes. La première implique de placer le laitier en fusion dans un granulateur à sec qui le pulvérise en petites gouttelettes. Ces dernières sont rapidement refroidies à l'air et se solidifient. Elles sont ensuite traitées par le biais d'un échangeur de chaleur à lit mobile à contre-courant où elles sont refroidies à température pratiquement ambiante et la chaleur est recueillie. Un élément important pour réussir ce procédé est l'utilisation précise de l'air dans chaque unité. Elle doit être aussi minime que possible afin d'optimiser la température du débit d'air sortant.

Des partenaires pour garantir le succès

Pour démontrer leur procédé, les chercheurs de CSIRO ont construit en 2007 une centrale pilote contenant un granulateur de 1,2 mètre de diamètre qui traitait jusqu'à 0,6 tonne de laitier par heure. Au vu des bons résultats générés par ces tests, ils ont agrandi ce modèle à une usine à l'échelle semi-industrielle en 2009 qui pouvait transformer jusqu'à six tonnes de laitiers par heure. « La prochaine étape consistera à atteindre l'échelle industrielle de manière à pouvoir traiter entre 20 et 60 tonnes par heure et à présenter ce procédé sur le site d'un haut fourneau. Ceci confirmera la performance et à partir de là, nous pourrons procéder à la commercialisation. En réalité, cela prendra sans doute entre deux et trois ans », ajoute M. Xie.

Terry Norgate, un ingénieur chimiste qui travaillait avec l'équipe du projet avant de prendre sa retraite il y a peu de temps, a mené une analyse économique détaillée des avantages de la granulation par voie sèche et a constaté que les coûts d'investissements et d'exploitation de cette méthode correspondraient approximativement à la moitié de ceux encourus par la granulation par voie humide, tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre, l'utilisation de l'eau et les déchets.

D'après les estimations de M. Norgate, le coût d'exploitation du procédé de granulation par voie sèche serait d'environ 4,74 $ par tonne de laitier pour une usine traitant 300 000 tonnes par an de laitier, avec un coût d'investissements d'environ 9 millions $, sans compter les coûts d'investissements associés à l'utilisation de la chaleur résiduelle récupérée.

CSIRO est actuellement en cours de négociations confidentielles avec des partenaires industriels potentiels afin de s'agrandir et de mener des essais industriels sur le site d'un haut fourneau. « La prochaine étape sera primordiale », déclare M. Xie. « Nous devons trouver un partenaire qui peut concevoir et construire une usine de granulation par voie sèche, et gérer toutes les difficultés opérationnelles sur place. Avec ce procédé, nous devons pouvoir démontrer la conception et nous assurer que tous les processus matériels peuvent se poursuivre. Nos tests en laboratoires sont limités par la quantité de laitier disponible, mais au cours de la prochaine étape, nous devrions avoir [la] possibilité de tester notre conception en fonctionnement continu. Cependant, on peut constater de nombreuses variations et fluctuations du laboratoire à l'industrie, aussi nous nous efforcerons de collaborer étroitement avec nos partenaires pour surmonter ces problèmes. »

S'ils y parviennent, ces centaines de millions de tonnes de laitier en fusion dans le monde entier pourraient bien devenir partie intégrante d'une solution rentable qui aide à produire de la chaleur et de l'énergie et pose les bases de constructions dans un monde plus vert tout en générant des revenus : une situation triplement gagnante.

Traduit par Karen Rolland

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