Optimisation d'une lance d'injection de charbon puvérisé

La production d’acier est majoritairement basée sur la réduction du carbone contenu dans le charbon et est effectuée par des hauts fourneaux. Le principe global est le suivant : un débit important d’air chaud (1200K) est injecté en même temps que du charbon pulvérisé dans le haut fourneau via une tuyère d’injection. Ceci permet la combustion des matières premières (charbon préchauffé et minerai) et la fonte du minerai de fer. La fonte produite est récupérée à la base du haut fourneau pour être ensuite transformée en acier. Cependant, les réactions de réduction engagées dans le processus de production d’acier sont à l’origine d’émissions de gaz polluants (NOx, …) et de gaz à effet de serre (CO2). Pour contrôler et réduire ces émissions, l’industrie sidérurgique développe de nouvelles technologies. Parmi ces dernières, la capture du CO2 par oxy-combustion semble prometteuse. Elle consiste à décarboner les gaz produits par les réactions de réduction, et à les brûler dans la tuyère. Alors, le vent chaud n’est plus de l’air chaud, et l’oxy-combustion des gaz recyclés permet une capture du CO2 plus efficace. Dans le cadre du projet TGR-BF, ArcelorMittal souhaite étudier le comportement d’une tuyère d’injection fonctionnant en oxy-combustion grâce à la simulation numérique (Computational Fluid Dynamics – CFD) qui est aujourd’hui assez mature pour être intégrée aux processus industriels de conception, en complément de campagnes d’essais. Afin de simuler au mieux le fonctionnement d’une tuyère d’injection, la méthode aux grandes échelles a été utilisée et les différents processus physiques engagés dans la combustion du charbon ont été implémentés. Notamment, un nouveau modèle pour la dévolatilisation (pyrolyse) du charbon dans de conditions de hautes températures et pour des taux de chauffe élevés a été utilisé. Ce modèle, développé par T. Maffei, permet de capturer la bonne quantité et la bonne composition des matières volatiles éjectées de la particule de charbon pendant la pyrolyse. La combustion des espèces volatiles est traitée grâce à une méthode de chimie complexe avec l’utilisation d’un schéma réduit développé spécifiquement pour cette étude. L’effet de la turbulence sur la flamme est pris en compte grâce au modèle d’épaississement de flamme (TF-LES) dynamique. La validation du modèle de dévolatilisation a été faite en confrontant les données expérimentales trouvées dans la bibliographie tandis que la vérification du schéma cinétique réduit a été effectuée en le comparant au schéma détaillé GRI-3.0 sur des flammes 1D. Puis, l’ensemble des modèles est utilisé pour la simulation LES du brûleur swirlé de Cambridge. Enfin, la tuyère d’injection dans son fonctionnement en oxy-combustion est étudiée.