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Procédés hautes températures et environnement

 

La thématique « Procédés à haute température et environnement », née il y a une dizaine d’années de la volonté de notre équipe de mettre son expertise relative aux procédés de transformation de la matière à haute température au service de légitimes préoccupations environnementales, est aujourd’hui portée, au-delà de notre communauté, par les attentes citoyennes en matière de respect de l’environnement et la nécessité d’assurer le caractère durable du développement industriel. Les principales compétences développées dans le cadre de ces travaux sont relatives à l'étude théorique et expérimentale des réactions gaz-solides, la modélisation mathématique et la simulation numérique multi-physique et multi-échelles, l'analyse systémique et l'analyse de cycle de vie (ACV). Les activités de recherche actuelles s’inscrivent dans les quatre axes suivants:

 

Progresser dans l’évaluation environnementale des procédés

 

Nous avons depuis quelques années mis au point une méthodologie originale pour évaluer l’empreinte environnementale des procédés. Celle-ci repose sur un couplage entre analyse systémique et analyse du cycle de vie (Figure 1). Son premier intérêt est de conférer une plus grande rigueur à l’établissement de l’inventaire du cycle de vie (respect des bilans de masse et d’énergie, ainsi que de la physico-chimie élémentaire) et le second est d’apporter une dimension prédictive à l’ACV. La modélisation systémique des procédés autorise en effet le calcul de l’inventaire de procédés futurs, pour lesquels les données d’inventaire n’existent pas. Cette méthodologie a été appliquée avec succès à l’évaluation environnementale d’une usine sidérurgique intégrée classique (thèse A.M. Iosif), ainsi qu’à l’évaluation de procédés sidérurgiques en rupture conçus dans le cadre du programme ULCOS (post-doc O. Mirgaux, thèse K. Afanga). Nous l’utilisons actuellement pour l’évaluation environnementale de la filière de cogénération électricité/chaleur à partir de biomasse (thèse J. François, en collaboration avec LRGP et LERMAB). A l’avenir, cette méthodologie pourrait être améliorée par la prise en compte de scénarios économiques (disponibilité et coût des matières premières, prix du CO2) et en envisageant l’introduction du temps dans l’établissement des profils environnementaux. Nos projets dans le cadre du Labex DAMAS et de l’IRT M2P vont dans ce sens. En termes de modélisation systémique, on s’orientera vers une modélisation plus fine des procédés étudiés, incluant notamment les aspects cinétiques, jusque-là non pris en considération dans nos approches et la formation des polluants présents en faibles quantités.

<font size="1"><i>Fig. 1 : Principe du couplage entre analyse systémique et analyse du cycle de vie</font></i>
<font size="1"><i>Fig. 2 : Carte du titre molaire en NO dans un lit de déchets en combustion (axe y dilaté)</font></i>

Prédire la formation des polluants

Les procédés industriels fonctionnant à haute température sont par essence très susceptibles d’engendrer la formation de composés polluants ou précurseurs de polluants (NOx, COV, métaux lourds vaporisés, poussières, dioxines). La connaissance fine des mécanismes physico-chimiques et thermiques responsables de l’émission de ces polluants, incluant les aspects thermodynamiques et cinétiques, est un préalable à la modélisation des processus de formation et de transformation de ces composés.
Dans certains cas, il est alors possible d’agir à la source d’émission pour prévenir la formation des polluants. Exemple récent, nous avons développé un logiciel (Garbed-ss) qui simule le fonctionnement d’un incinérateur d’ordures ménagères sur grille mobile. Intégré à ce logiciel, un sous-modèle rend compte de la formation des NOx, décrite à partir de l’ensemble des mécanismes susceptibles de les engendrer (thermique, prompt, azote combustible et via N2O) ou de les détruire (réduction hétérogène et recombustion) (thèse A. Asthana) (Figure 2). Nous travaillons actuellement, en collaboration avec le LRGP à Nancy, à étudier la possibilité de détruire in situ les dioxines formées à partir du lit.
Un autre enjeu est de pouvoir prédire les flux de certains composés mineurs, présents en faibles concentrations mais susceptibles d’être des polluants ou des précurseurs de polluants, dans les modèles systémiques simplifiés de procédés. Il faut alors obtenir des cinétiques ou des cinétiques apparentes d’émission fiables à partir d’un minimum de paramètres.

Favoriser le développement de la biomasse

La biomasse est la source de carbone renouvelable dont nous disposons. Sous réserve d’une exploitation durable et raisonnée de ses ressources, on peut légitimement espérer qu’elle participe à la solution d’un certain nombre de nos problèmes énergétiques. Nous nous y intéressons de deux points de vue : celui de sa valorisation thermochimique et celui de son emploi comme combustible renouvelable et neutre vis-à-vis des émissions de CO2 dans les procédés métallurgiques. Sur le premier thème, nous collaborons avec le CEA Grenoble (LITEN/LTB) pour maîtriser le comportement des composés inorganiques émis lors de la gazéification (thèses M. Petit et L. Jimenez), ainsi qu’avec le LRGP et le LERMAB sur l’évaluation comparée des filières de cogénération à partir de biomasse, par gazéification ou combustion (thèse J. François). Sur le second, avec Saint-Gobain PAM (thèse G. Fick), nous évaluons l’intérêt environnemental et économique d’utiliser de la biomasse comme combustible et agent réducteur pour la fabrication de la fonte. Une substitution de 20 % du carbone fossile par de la biomasse entraînerait une réduction de 15 % des émissions de gaz à effet de serre (Figure 3).

<font size="1"><i>Fig. 3 : Screening ACV de scénarios biomasse pour la fabrication de la fonte</font></i>
<font size="1"><i>Fig. 4 : Filière hydrogène pour la production d’acier</font></i>

Concevoir de nouveaux procédés, plus propres

Améliorer l’existant ne suffit pas toujours. Si l’on souhaite rendre réellement durables certaines filières, ou bien réduire drastiquement leurs émissions polluantes, il faut envisager d’explorer de nouvelles voies de fabrication, de concevoir de nouveaux procédés.
C’est la démarche que nous avons suivie dans le programme intégré européen ULCOS (2004-10), auquel nous avons participé depuis sa genèse. L’objectif retenu étant de réduire d’au moins 50% les émissions de CO2 de la sidérurgie, il a fallu envisager des filières de production de l’acier radicalement nouvelles. Le groupe “Hydrogen”, animé par F. Patisson, a ainsi proposé une nouvelle filière fondée sur l’hydrogène (Figure 4) qui conduirait à réduire de plus de 80% les émissions de CO2 en comparaison au standard actuel (1,8 t CO2 /t d’acier produite). Nous avons montré que la réduction du minerai de fer par H2 était techniquement viable et pouvait être réalisée industriellement dans un réacteur du type four à cuve, analogue aux actuels fours de réduction directe mais plus compact (thèses de D. Wagner et d’A. Ranzani da Costa). Nous avons développé un modèle (Reductor) qui simule un tel procédé.

Plus globalement, la piste de la décarbonation mérite d’être explorée pour tous les procédés fortement consommateurs de carbone fossile. On peut envisager soit un changement de source d’énergie, notamment par utilisation d’électricité d’origine hydraulique ou nucléaire, soit la substitution du carbone fossile par du carbone issu de biomasse.