DOSSIER e traitement des Mots-clé : Crasses d'aluminium, Traitement des déchets crasses métallurgiques, Fours rotatifs. d'aluminium par Fayez KASSABJI, François CLEMENDOT, EDF,Direction des Etudeset Recherches Les déchets blanches traités et crasses lieu crasses noires, traditionnellement sels, donnent La mise de l'aluminium, eux-mêmes avec à un résidu, en décharge ajout de le laitier. de ce dernier L'élaboration de l'aluminium génère deux types de crasses: les crassesblancheset les crassesnoires. Elles contiennent encore une forte proportion d'aluminium. Le recyclageen four tournant permet d'en récupérerune partie et il reste« le laitier ». Le traitement des crasses,effectué principalement n'étant plus autorisée, deux options sont possibles : le traitement du laitier, ou le traitement des crasses sans ajout de sels. INTRODUCTION Les crasses d'aluminium proviennent des deux voies d'élaboration de ce métal : la voie primaire, par électrolyse d'alumine fondue et la voie secondaire ou affinage qui recycle les déchetsd'aluminium. Ces filières génèrentdeux types de crasses(blancheset noires) qui se forment à la surface de l'aluminium liquide par oxydation et nitruration de ce dernier. Les crassesblanches,provenant de l'élaboration de l'aluminium primaire, représententenviron 2 à 3 % de la production de métal et contiennentde 50 à 80 % d'aluminium. Les crassesnoires, provenant de l'affinerie de l'aluminium, contiennentde 20 à 60 % d'aluminium. Elles renferment, en outre, une forte proportion de sels ajoutés à la charge (déchets d'aluminium, crasses blanches, crasses noires). Ces sels, constitués généralementde chlorures de sodiumet de potassium,sont destinés,d'une part, à protéger l'aluminium de l'oxydation et de la nitruration par l'air et, d'autre part, à modifier les tensions superficielles des composésliquides de façon à améliorer le rendementde récupération de l'aluminium. Selon les procédésthermiques utilisés et les teneurs initiales en aluminium des crasses,la proportion d'ajout de sels dans la chargepeut varier de 1,2 à 1,5fois le poids d'impuretés contenues (environ 1/3 de sels pour 2/3 de crasses contenant60 % d'aluminium). Le recyclagepousséau maximum des crassesnoires en four tournant génèreune crasse finale : le laitier de sel ou scorie saline qui contient essentiellement des sels (> 40 %), de l'aluminium ( 5 %), de l'alumine et des nitrures. La mise en déchargede ce laitier de sel par des procédés thermiques, peut se faire avec ou sans ajout de sels. Lesfours rotatifs à plasma ou arc transféré font partie des procédés étudiés pour réduire les apports de sels. Ces techniques électriques, qui permettent de mieux récupérer l'aluminium piégé, génèrent moins de déchets que les procédés traditionnels. Ces déchetssont en outre stockablesen décharge, voire valorisables sous la forme de remblais. Les faibles volumes de gaz introduits et l'absence de sels simplifient fortement le systèmede contrôle anti-pollution. Enfin, les techniquesélectriquessont moins énergivoresque les procédéstraditionnels. n'est actuellementplus autorisée.Afin de remédier à ce problème, deux voies sont possibles: curative ou préventive.La première consisteen un traitement, généralementchimique, du laitier ; la seconde, qui traite le problème en amont, consiste à recourir à une technique pour le traitement des crassesqui permettede s'affranchir de l'ajout de sels. LES TECHNIQUES DE TRAITEMENT DES CRASSES ET DES LAITIERS D'ALUMINIUM On peut distinguer deux types de traitements. Le traitement des crasseseffectué principalement par des procédés thermiques et celui des laitiers qui met en oeuvredes procédés chimiques. Parmi les traitements des crasses,on peut également considérer les traitements avec ajout de sels et ceux sans ajout. Les traitements actuellement effectués de façon industrielle ou en cours de développement,sont indiquésci-dessous. Les traitements de crasses blanches avec ajout de sels ou de fondants Le procédéRSF (Rotary-Salt-Furnace)est le plus répandu. L'action thermique du brûleur (à fuel ou oxy/gaz) est REE N'3 S'I'te'ill " e 1995 L'ÉLECTRICITÉ AU SERVICE D'UNE INDUSTRIE PROPRE 2. Valorisation des rejets et des déchets complétée par l'action mécanique du four tournant (rupture des gangues d'alumine qui emprisonnent l'aluminium un brûleur oxy-fuel, a été récemment développé par Aga, fondu) et l'action physico-chimique des sels (protection contre l'oxydation et la nitruration associée à une modification des tensions superficielles des différents composés Hoogovens Aluminium et Man GHH. Ce procédé, Alurec, a été testé durant l'année 1994 sur une installation pilote à la Fondation pour la Recherche Métallurgique (MEFOS) à Luleâ en Suède. A l'issue des huit premiers traitements liquides). Les principaux avantages de ce procédé sont liés aux faibles dépenses d'installation, de fonctionnement et de main-d'uvre pour la conduite du four. d'essai, le taux de récupération de l'aluminium (métal fondu/crasses chargées) serait de l'ordre de 45 à 60 % pour une consommation énergétique voisine de 350 à 400 kWh/t et pour des coulées de 6 t/h. Ce procédé présente cependant un certain nombre d'inconvénients liés principalement à l'ajout de sels : coût des sels, énergie à fournir à ce surplus de matière Deux procédés utilisant un four rotatif et un plasma ou un arc transféré fonctionnent actuellement à une échelle industrielle pour le traitement de crasses d'aluminium sans ajout de sels. (1 000 kWh/t de charge), génération de scories salines (1 tonne pour ! tonne de crasse traitée) qui entraîne des coûts de traitement ultérieurs (mise en décharge interdite depuis mars 1995), émanation de gaz au cours du traitement (traitement), volume important de poussières émises. Par ailleurs le taux de récupération de l'aluminium contenu dans les crasses n'est au maximum que de 75 %. Différentes variantes de ce procédé ont été développées dans le but de diminuer la quantité de sels introduite. Ces variantes résident en une amélioration de l'effet mécanique : le four tournant est également basculant. L'effet mécanique supplémentaire permettrait de réduire l'effet physico-chimique apporté par les sels, d'où la diminution des quantités introduites. Les procédés Scepter/MFS aux USA et Remetal en Espagne auraient été développés sur ce thème. Cependant, compte tenu du durcissement de la législation sur les résidus lixiviables, ces procédés utilisant des sels sont, à terme, condamnés. Un programme pilote a été engagé (en 91) en Afrique du Sud par Mintek pour le développement d'un four à arc à courant continu à électrode creuse utilisant des fondants (silice et chaux) pour scorifier l'alumine. Nous ne connaissons pas l'état actuel de développement de ce pilote. Mais il semble que les industriels de ce pays s'intéressent Le procédé breveté par Alcan (protégé en Europe par les brevets EP 400 925 et EP 322 207) a été développé dans une première étape sur un système pilote utilisant une torche à plasma d'air ou d'azote de 1 MW montée sur la porte d'un four tournant d'une capacité de trois tonnes. Dans une seconde étape, la construction d'une usine commerciale pouvant traiter 15 000 t/an de crasses blanches a été réalisée à Joncquières en 1989. Cette usine utilise deux fours de neuf tonnes équipés chacun d'une torche de 1,5 MW. Alcan a vendu une licence d'exploitation à la firme Plasma Processing Corporation qui a construit aux USA une usine d'une capacité de 40 000 t/an, en exploitation depuis 1991. Les principaux avantages de ce procédé résident principalement dans l'absence de sels, donc des inconvénients cités précédemment. La technologie du four est étudiée de telle façon que l'on peut contrôler l'atmosphère dans le four. Le four est étanche et le système d'évacuation impose une légère surpression, évitant ainsi toute entrée d'air. Le four accepte différentes tailles de crasses : des blocs de grande dimension (plusieurs cm) peuvent être directement chargés sans broyage initial. Le faible volume de gaz introduit (gaz aujourd'hui plutôt aux techniques électriques mettant en oeuvre des technologies plasma sans ajout de sels. plasmagène air ou azote) et l'absence de sels simplifient fortement le système de contrôle anti-pollution. La seule émission significative est la poussière produite par le char- Un procédé équivalent utilisant également un four à arc à courant continu et un ajout de fondants a été étudié par ADP (Advent Process Engineering) au Canada sous contrat CMP (Center for Materials Production)/EPRI. Il semblerait gement des crasses. Cette poussière, principalement composée d'alumine est collectée par un système conventionnel. Les oxydes issues des crasses ultimes appelés NMP (Non- que cette technique soit également abandonnée compte tenu du développement des techniques plasma qui ne requièrent applications commerciales (réfractaires, céramiques,...). On notera en particulier que, pendant l'étape pilote, environ 400 tonnes de crasses de différentes natures, plus ou moins riches, ont été traitées. Parmi ces crasses, certaines pas de sels. Une autre technique basée sur un arc électrique transféré a été développée par BOC/ARCO. L'arc est transféré au bain au moyen d'une cathode en tungstène. Dans ce procédé, qui fonctionne sous argon, de la chaux est introduite dans le but de former deux couches liquides : l'aluminium surnageant au-dessus d'une couche d'aluminate de calcium. A notre connaissance, il n'existe pas de références industrielles de ce procédé. Les traitements de crasses blanches sans ajout de sels ou de fondants Un procédé de traitement de crasses blanches d'aluminium exempt de sels, utilisant un four tournant chauffé par REE N'3 1995 MetaHic-Products) peuvent être utilisés pour certaines provenaient de la première et de la seconde d'alliages contenant du magnésium. fusion Hydroquébec, à l'origine du procédé exploité par Alcan, a souhaité faire évoluer cette technologie plasma pour le traitement des crasses d'aluminium vers un procédé plus performant. Dans ce nouveau procédé, Droscar, la torche à plasma est remplacée par un arc électrique transféré entre deux électrodes en graphite avec injection centrale d'un faible débit d'Argon dans la cathode. Cette technologie est énergétiquement plus rentable et nécessite moins d'investissement en capital. La suppression du système de refroidissement limite les pertes thermiques et améliore la sécurité. Crasses L'absence de gaz plasmagène diminue les coûts d'investissements et de fonctionnement. Cette absence de gaz plasmagène, qui minimise l'oxydation et la nitruration de l'aluminium, améliore donc le rendement de récupération de métal. De plus, la quantité de gaz produite est par conséquent très réduite. Le pilote industriel est équipé d'un four de 650 kW qui traite 3 500 t/an. Le cycle de traitement incluant le chargement des crasses, la coulée de l'aluminium et le déchargement du laitier est d'environ 65 minutes, soit i tonne à l'heure. La consommation d'énergie électrique est voisine de 375 kWh/t. La consommation des électrodes de graphite est voisine de 1 kg/t de crasses. Une installation industrielle comportant un four de 1,5 mW pouvant traiter 7 000 t/an devrait être construite à Bécancour pour Recyclage d'Aluminium du Québec (RAQ). Des brevets protégeant cette technologie ont été déposés (au Canada : brevet 2,030,727 Ottawa du 20juillet 1993 ; aux USA : brevet 5,247,627 Washington du 14 septembre 1993). Néanmoins, Hydroquébec est d'accord pour céder des licences d'exploitation à des clients potentiels. Par exemple, une licence a été cédée à RAQ, une grande société de recyclage de crasses au Canada pour l'usine de Bécancour qui devrait traiter, à terme, 15 000 tonnes de crasses par an avec une puissance de 2 MW. En Europe, deux technologies sont utilisées : en Italie, le procédé Engitec, développé par Engitec Impianti S.p.A et Berzelius Umwelt-Service A.G. (BUS) en Allemagne. Une c technologie similaire a également été développée par c c Sulzer-Escher Wyss en Suisse. Engitec a construit sa première installation en 1977 en Italie. Sa capacité est de 21 000 t/an. Cette installation a été entièrement rénovée en 1988. En Allemagne, BUS, en collaboration avec Lurgi, a construit en 1987 une installation capable de traiter 60 000 t/an à Lünen. En automne 1991, la capacité de l'installation a été augmentée à 150 000 t/an. Depuis 1992, une autre entreprise de recyclage de BUS fonctionne à Hanovre avec une capacité de 90 000 t/an. En France, deux projets de traitement de laitier ont été envisagés : RVA à Ste Menehould et SIRE à Beautor, capables de traiter respectivement à terme 60 000 et 120 000 t/an (le marché national étant évalué de 40 à 60 000 t/an). Le projet SIRE est abandonné. Le projet RVA n'est toujours pas opérationnel depuis deux ans. En effet, la partie broyage fonctionne mais l'étape de traitement des sels n'est pas démarrée. Au niveau national, compte tenu de la législation actuelle, il n'existe pas de solution de traitement des laitiers d'aluminium. BILAN COMPARATIF TECHNIQUES Les traitements de laitier ou scorie saline Les traitements de laitier d'aluminium (ou crasse ultime), à l'échelle industrielle, s'effectuent par voie humide. Ces procédés permettent de récupérer 80 % de l'aluminium métallique contenu dans le laitier et la totalité du sel de fonte. Ces deux produits retournent directement aux usines d'aluminium secondaire. Un produit à teneur élevée en alumine est en outre récupéré, dont une partie peut être commercialisée. La technique de traitement s'effectue en deux étapes : un broyage associé à un tamisage qui permet de séparer l'aluminium des autres matériaux. La seconde étape, humide, consiste en un lavage des sels pour obtenir une saumure qui sera concentrée. Cette dernière est ensuite traitée dans une installation d'évaporation-cristallisation puis centrifugée pour obtenir le sel fin de recyclage. Le lavage du sel s'accompagne d'un dégagement gazeux (H,, CH4'NH3'ainsi que de l'hydrogène phosphoré et sulfuré). Ces gaz sont inflammables. Un traitement relativement complexe de ces gaz s'avère donc nécessaire. d'aluminium DE CRASSES DES PRINCIPALES DE TRAITEMENT D'ALUMINIUM Actuellement, les seules techniques industrielles ou industrialisables pour le traitement des crasses d'aluminium sont le four tournant traditionnel (RSF) et les techniques plasma Alcan et Droscar. La première correspond à la technologie actuelle avec ajout de sels qui, à terme, sera condamnée compte tenu des laitiers qu'elle génère. Les deux procédés de substitution basés sur des techniques plasma ne nécessitent pas de sels et suppriment donc le traitement de laitier actuellement problématique dans l'hexagone. Afin de comparer ces différentes techniques, des bilans énergétiques et de matières ont été effectués dans le cas du traitement de crasses blanches contenant 50 % en masse d'aluminium métallique (fig. 1). Le tableau 1 reprend les principaux chiffres. Le tableau 1 indique que, dans le cas d'une crasse blanche contenant 50 % d'aluminium, l'énergie à fournir est Tableau 1. - Principaux bilans énergétiques et de masse pour une tonne de crasses introduite Procédé Energie c fournie fournie (kWh) Energie électrique fournie (kWh) Energie transférée à la charge (kWh) RSF 630 0 336 (53 %) Alcan 657 475 316 (67%) 453 (90,5%) 47 (9,5%) Droscar 473 473 316 (67%) 475 (95 %) ! A) récupéré. AI (kg) 475 (95 %) perdu (kg) Résidt 25 (5 %) 625 566 25 (5%) 525 L'ÉLECTRICITÉ AU 2. Valorisation SERVICE des rejets D'UNE INDUSTRIE PROPRE et des déchets '- -2 1 a) Carburant/air/0 Aluminium récupéré Crasses Aluminium perdu d'aluminium 25 kg (5%) 1000 kg 1000kg \ Perrespar par la ua perres par 1a porre cheminée, ,.ée 1541, kWh (25%) 1 134kWlii (2 (2l,,) Perres sààrravers travers lesparois 61 kkWh Wh ((1 ') a) Carburant/air/O ? Énergie 6.30 kwli (100%) Charge336kWh (5.37,) te Eaude ic cheminée refroidissemenc ent 24kWh Peaes p par la porte 157kWh (24% (4%) 154 kwli (23%) b) Torche à plasma Pertes à traverslesparois Énergie électrique 6 kwli (1 %) A 475 kWI, (72%) Charge316kWh (48%) > -7--Oyciation 179 kWh(27%) 3 kWh (15y,) Perces parla porte 154 (32%) b) Torche à plasma Crasses d'aluminium 1000 kg Aluminiumrécupéré' Aluminium perdu 453 kg (9015%) 47 kg (915%) -%/ 1S (57, danslesrésidus üL2 3,5 %oxydé,l%nit % nirrure) q1 Résidus 66 c) Électrodes de graphite Pertes à travers les parois 6 kWh (1 % » c) Électrodes de graphite Résidus Flux salé Flux salée 100kg kg Crasses Aluminium perdu d'aluminium 2 5 kg (5 %) v 1000 kg Énergie électrique 47 3kWh (100%) Charge,316 kWh (67%) Aluminium récupéré " 475 kg (95%) y 1 Résidus _5 1. Bilans de consommation énergétique et de distribution par tonne de crasses à gauche ainsi que bilans de masse par tonne de crasses à droite dans le cas du traitement de crasses blanches contenant 50 % en masse d'aluminium métallique. Trois procédés ont été utilisés : a) brûleur oxylfuel, b) procédé Alcan (torche à plasma), c) procédé Droscar (électrodes de graphite). 25 % plus faible avec les procédés électriques qu'avec la traitement (transport inclus) peut technologie traditionnelle. L'énergie transférée à la charge est d'environ les 2/3 de l'énergie fournie pour les procédés 1500 F/t, selon la nature des crasses. électriques et seulement la moitié pour le four tournant conventionnel. Les pertes thermiques sont plus importantes l'intérêt crasses. Ces technologies dans le procédé efficaces Alcan que pour la technologie Dans tous les cas, le taux de récupération dépasse Droscar, Droscar. de l'aluminium les 90 %. Les procédés plasma, notamment génèrent moins de résidus, qui sont en grande par- tie valorisables car ils ne contiennent pas de sels. Les technologies et conduisent met d'obtenir traiter rotatif équipé nants de technologie industrielles ou industrialisables les crasses d'aluminium de brûleurs ment à la technique conventionnels plasma (moins et les fours est moins Au niveau important la mise en décharge du laitier ne serait plus autorisée Or, au niveau national, il n'existe de traitement de ce type de laitier. technologie développée donné et le projet RVA crasses à traiter Allemagne (BUS) REE ','3 1995 de récu- un très bon rendement de récupération de l'oxydation de et de la très faible de de pertes thermiques) du process, (environ d'aluminium à partir et donc ... le 30 % de à, îà i 1995. François CLEMENDOT, est ingénieur du CNAM. Entré à EDF-Direction des Etudes et Recherchesen 1978, il y est actuellement chargé de projets sur les applicationsdes techniquesélectriquesdans l'industrie desnon-ferreux. pas actuellement de sites Le projet SIRE, issu de la être acheminées soit en Espagne (Remetal). Fayez KASSABJI, est Docteur Ingénieur.Après un début de carrière au CEA-Saclay en 1973, puis au CNRS à partir de 1977, il entre à EDF-Direction des Etudes et Recherchesen 1985. Il y est actuellement Ingénieurde Recherches,responsablede projetsplasma dansles secteursde la métallurgie,de la chimie,des matériaux et de la mécanique. (crasses du 30 mars par BUS en Allemagne, est abann'est toujours pas opérationnel. Les doivent et de sécurité. tour- Alcan moins), ce qui entraîne une réduction en énergie (outre le coût des sels), et des coûts de traitement des fumées... Par ultimes) rendements des plus sont le four ou arc électrique traditionnelle. réel à traiter ailleurs, à de meilleurs du métal, associé à une production Hydroquebec (Droscar). Ces derniers présentent l'intérêt de s'affranchir de l'ajout de sels à la charge à traiter contrairevolume sont donc énergétiquement gaz et de poussières. L'absence d'eau de refroidissement dans ce procédé est, de plus, un atout d'économie d'énergie techniques pour présentent à des sels pour le traitement par une minimisation nitruration Les seules et arc électrique à 1 200- pération que les traitements traditionnels. En particulier, dans le procédé Droscar, l'absence de gaz plasmagène perl'aluminium CONCLUSION actuelles plasma de ne pas recourir être estimé soit le', en Le coût de ce i4, , l, p
