Alumine : Filtration dans le processus de production d'alumine

La production d'alumine à partir de bauxite est une première étape essentielle dans la production d'aluminium. Les équipements de filtration et de séparation jouent un rôle important dans ce processus, dans des conditions particulièrement difficiles. explique Trevor Sparks.

L'aluminium est un matériau extraordinairement polyvalent et économiquement important. Bien qu'il soit abondant dans la croûte de notre planète, la Terre ne veut pas renoncer facilement à ce métal argenté, léger, solide et résistant à la corrosion. Alors que son minerai (bauxite) est relativement facile à extraire, généralement à ciel ouvert, le processus de raffinage du métal nécessite beaucoup d'efforts. On estime que la production d'aluminium représente environ 1 % des émissions de gaz à effet de serre d'origine humaine. Cependant, ceux-ci sont quelque peu compensés par la réduction des gaz à effet de serre émis par les voitures, camions et trains fabriqués en aluminium plutôt qu'en acier [www.world-aluminium.org/About+Aluminium/Story+of].

La voie de production normale consiste à raffiner la bauxite en oxyde d'aluminium, ou alumine [Al2O3], qui est une poudre cristalline blanche. Cette poudre est ensuite fondue pour former de l'aluminium métallique. En règle générale, quatre tonnes de bauxite séchée sont nécessaires pour produire deux tonnes d'alumine, qui à leur tour fournissent une tonne d'aluminium primaire. Bien qu'il existe d'autres applications pour l'alumine, par exemple comme abrasif ou dans la céramique, la grande majorité de la production mondiale d'alumine est ensuite convertie en aluminium métallique. Alors que les fonderies ont tendance à être situées à proximité de l'endroit où l'aluminium est nécessaire, les usines d'alumine sont généralement plus proches de la source de bauxite ou en route vers la fonderie d'aluminium. Il convient également de noter que de grandes quantités de combustible et d'hydroxyde de sodium sont également nécessaires et que leur emplacement et leurs coûts de transport sont également des facteurs déterminant l'emplacement des usines d'alumine.

La production d'alumine à partir de bauxite est une industrie extrêmement importante à part entière, mais c'est aussi l'un des plus importants utilisateurs mondiaux de technologie de filtration et de séparation. Une usine d'alumine typique peut utiliser environ 500 à 1 000 m2 de surface de filtration par million de tonnes de production (ainsi que plusieurs centaines de mètres carrés de surface d'épaississement/clarification par gravité).

La production d'alumine a approximativement doublé au cours des 20 dernières années pour atteindre plus de 80 millions de tonnes. Une part importante de cette augmentation provient de la réduction de la capacité des usines existantes ou de l'ajout de flux supplémentaires à ces usines. Les principaux producteurs d'alumine sont l'Australie, la Chine et le Brésil (voir tableau 1).

Presque toutes les usines d'alumine dans le monde utilisent le procédé Bayer, breveté il y a plus de 120 ans [US Patent 515,895 Process of making alumina, Karl Bayer], pour raffiner la bauxite en alumine. Dans ce procédé, un grand volume de liqueur caustique circule en continu autour de l'usine. La bauxite est introduite dans le flux caustique et, après un certain nombre de processus, l'alumine est extraite du flux. Les principales étapes du processus comprennent :

1) Dissolution des minéraux contenant de l'aluminium à l'aide d'une liqueur caustique à haute température et pression.

2) Élimination du résidu solide - la partie non porteuse d'aluminium est généralement un mélange de minéraux riches en fer.

3) Précipitation d'hydroxyde d'alumine pure [Al(OH)3], dans des conditions de refroidissement contrôlé.

4) Calcination de l'hydroxyde d'alumine pour éliminer l'eau de cristallisation afin qu'il soit prêt pour la fonderie d'aluminium.

Il s'agit d'un procédé qui utilise une liqueur caustique concentrée à haute température et qui produit un produit extrêmement abrasif – pas idéal pour les équipements de filtration. En effet, les équipements de filtration des usines d'alumine sont confrontés à certaines des conditions les plus difficiles rencontrées dans l'industrie de transformation.

Un autre aspect intéressant de ce processus est qu'il dépend de chacune des motivations de base pour les types de filtration solide-liquide :

• séparer les liquides précieux des solides moins précieux (séparation des résidus).

• séparer les solides précieux des liquides moins précieux (filtration du produit final).

• séparer les solides de valeur des liquides de valeur (filtration des semences).

Comme pour tous les processus de production, il existe quatre façons d'envisager le succès : le coût de production, la qualité du produit final, la productivité et la sécurité, la santé et l'environnement (SHE). Pour un producteur d'alumine, certaines des considérations les plus importantes sont :

• Utilisation efficace de la chaleur, de la soude caustique, du capital employé et de l'eau.

• Élimination des composés non aluminium (par exemple, la présence de composés de fer ou de titane affecte négativement la production d'aluminium).

• Répartition homogène de la taille des particules d'alumine ; des particules trop fines produiront de la poussière, trop grossières et elles perturberont le processus de fusion électrolytique.

• Minimiser les pertes de produits dans l'environnement et les déchets.

• Fonctionnant 24h/24 et 7j/7 pendant autant de jours par an que possible.

• Gestion des risques associés aux caustiques – température et pression très élevées.

• Gérer la grande quantité de résidus produits.

Nous allons maintenant examiner certains des processus de filtration solide-liquide les plus importants, en nous référant aux quatre dimensions spécifiées du succès du traitement. Il existe en effet un certain nombre d'autres procédés de filtration solide-liquide possibles, ainsi que de nombreuses étapes de séparation solide-gaz. Cependant, les quatre étapes qui nous intéressent dans cet article sont :

1) Séparation des résidus – Filtration des boues rouges

2) Séparation des résidus – Liqueur de polissage

3) Filtration des graines de précipitation

4) Lavage et filtration du produit.

La tête de commande, ou vanne rotative, est l'élément technologique essentiel de chacun des filtres à vide abordés dans cet article - plateau, disque et tambour. Il fournit le joint mobile qui contient le vide et l'air sous pression (pour le refoulement et l'évacuation du gâteau).

En effet, il s'agit d'un collecteur de tuyau commutable, avec un côté fixe, segmenté en régions. Tournant contre cela, les raccords de tuyaux de chacun des panneaux sur le filtre de sorte que chaque panneau subit à son tour le vide, «l'espace mort» ou le refoulement, en fonction de son point dans le cycle de rotation.

L'environnement d'une usine d'alumine présente des difficultés particulières pour assurer la lubrification de ce composant – graisse et caustique ne font pas bon ménage, notamment compte tenu de la présence d'un excellent abrasif.

Les principaux objectifs de cette étape du processus sont les suivants :

• pour produire une solution clarifiée qui peut être livrée au processus de précipitation.

• pour produire une boue résiduelle, contenant une quantité minimale de liqueur de procédé, qui peut être stockée ou éliminée en toute sécurité par empilement.

Cette clarification est normalement réalisée au moyen de clarificateurs à décantation gravitaire, avec une étape finale de filtration de polissage pour la surverse du clarificateur final et un lavage et une filtration pour la sousverse (la boue rouge). Les zones d'élimination des boues rouges dans les usines d'alumine sont indéniables. Les zones au sud-est de Saint-Pétersbourg en Russie et autour de Perth en Australie-Occidentale en sont de bons exemples.

Compte tenu de la composition de la bauxite, pour chaque tonne d'alumine produite, il y a environ une autre tonne de boue rouge. Naturellement, il y a un certain avantage à raffiner l'alumine à proximité de l'activité minière de bauxite, puisque la boue rouge peut être utilisée pour remblayer la mine. Cependant, il est important que la quantité de soude caustique dans la boue soit minimisée et que la zone d'élimination soit scellée pour empêcher le lessivage de la soude caustique dans le sol environnant.

Dans la plupart des cas, les usines utilisent des filtres sous vide, généralement des filtres à tambour, pour le lavage final et la déshydratation de la boue rouge avant qu'elle ne soit envoyée dans une zone de déchets. Dans ce processus, les solides sont des déchets et la liqueur précieuse. Les raisons d'utiliser des filtres à tambour sont leur fiabilité et leur capacité à évacuer des gâteaux minces et collants.

L'alimentation des filtres à ce stade peut avoir une teneur en matières solides d'environ 40 % poids/poids et la liqueur contient une quantité de soude caustique et d'aluminium dissous. Le tambour, à panneaux recouverts de toile et sous vide, tourne dans une auge agitée contenant la sousverse du dernier décanteur/laveur gravitaire. Lors de son passage dans l'auge, un gâteau se forme sur le tissu, généralement ce gâteau aura une épaisseur inférieure à 5 mm. Au fur et à mesure que le gâteau sort de l'auge, il pénètre dans une zone inondée d'eau chaude de lavage, alimentée par une barre de lavage en haut du tambour (bien que certains filtres puissent utiliser un système de pulvérisation). Enfin, après avoir traversé une zone de séchage, où la liqueur est évacuée du gâteau, la boue atteint un système de décharge (utilisant souvent un rouleau pour décoller le gâteau du tissu.)

La capacité du filtre est déterminée par la force de déshydratation appliquée et la vitesse à laquelle le filtrat peut passer à travers le gâteau de filtration (la filtrabilité) et à travers le filtre lui-même (la capacité hydraulique de l'équipement). L'augmentation de la vitesse de rotation augmentera le débit. Cependant, il faut rappeler que la capacité théorique est, au mieux, proportionnelle à la racine carrée de la vitesse de rotation (donc doubler la vitesse donnerait une augmentation du débit d'environ 40%, mais une augmentation potentielle significative de l'usure des composants - voir L'effet de la vitesse de rotation). Il est également nécessaire de vérifier la capacité en liqueur du système de filtrat de votre filtre et des réservoirs et tuyauteries associés dans l'installation.

Une autre incitation à réduire la vitesse est le temps de séjour accru de la boue dans la zone de lavage. Borges et Aldi ont rapporté qu'"une rotation de 1,4 tr/min entraînait une concentration caustique moyenne de 17,7 g/L, contre 23,6 g/L lors d'un fonctionnement à 3,1 tr/min". [Utilisation d'un modèle statistique dans la filtration de la boue rouge pour prédire la concentration caustique dans la boue rouge Borges A. et Aldi J. Alunorte Light Metals 2009, pp. 117–119]

La capacité d'un filtre à vide rotatif à alimentation en auge est un peu moins que proportionnelle à la racine carrée de la vitesse. Ainsi, doubler la vitesse (×2), toutes choses étant égales par ailleurs, donnerait une augmentation de capacité d'environ la racine carrée de 2 -1,41. La meilleure augmentation possible serait donc d'environ 1,4 fois l'ancienne capacité, soit une augmentation de 40 %.

Bien sûr, si la capacité est limitée, il se peut qu'il n'y ait pas d'autre choix, et les filtres devraient fonctionner aussi rapidement que nécessaire pour atteindre la capacité. Cependant, s'il y a dix filtres, mais qu'en faisant fonctionner cinq à leur vitesse maximale atteignable, la capacité requise peut être atteinte, quel serait un régime opérationnel raisonnable ?

Compte tenu de la relation entre la vitesse et la capacité, il est possible de tabuler les scénarios de capacité. Étant donné que le tissu filtrant est le plus vulnérable lorsque le gâteau en est décollé par le rouleau de décharge (ou déchargé par l'air de refoulement) et que le tissu entre dans l'auge pour être frappé par du lisier frais, nous pourrions supposer que l'usure du tissu est proportionnelle au nombre de décharges de gâteau. La durée de vie sera donc l'inverse de celle-ci. Il est également probable que l'usure de certaines autres pièces des filtres (par exemple, la tête de commande) augmente fortement avec la vitesse à mesure qu'elles approchent de leurs limites de conception. Par exemple, imaginez une voiture roulant sur l'autoroute en vitesse maximale à 2 500 tr/min et une autre roulant à la même vitesse sur route en deuxième vitesse à 5 500 tr/min. De plus, dans un environnement hautement caustique, la corrosion sous contrainte peut être un problème, il est donc judicieux de réduire la contrainte sur les composants du filtre qui se trouvent dans la boue.

Le tableau suivant donne la vitesse de rotation approximative requise. Fait intéressant, si sept filtres sont utilisés (juste deux de plus), la vitesse requise est d'environ la moitié de celle du scénario original de cinq filtres. De plus, le nombre total de rotations de filtres diminue fortement, avec une réduction de près de 30 % avec sept filtres.

Cela ne veut pas dire que l'optimum sera de faire fonctionner les dix filtres à 1,3 tr/min. D'autres problèmes doivent être pris en considération. Par exemple, l'épaisseur du gâteau augmentera-t-elle au-dessus de son meilleur point de décharge du gâteau ? De plus, qu'adviendra-t-il de la capacité globale de la pompe à vide et de la consommation d'énergie ?

Une suggestion serait de faire fonctionner l'un des filtres à un rythme plus lent et de surveiller de près ses performances (débit, résultat de lavage et évacuation du gâteau), les pièces de rechange (en particulier le tissu) et la consommation d'énergie afin d'optimiser l'installation.

Il y a eu de nombreuses tentatives pour trouver des utilisations pour la boue rouge. Le brevet original de Karl Bayer suggère que les résidus de boue rouge pourraient être utilisés dans la production de fer. Cependant, jusqu'à présent, il y a eu très peu de succès dans cette entreprise. Actuellement, il existe quelques initiatives pour poursuivre l'idée d'exploiter la boue rouge comme matériau de construction par exemple (voir www.redmud.org). Certaines de ces applications dépendraient de l'élimination complète des liqueurs caustiques et autres de la boue.

Dans certains cas, des technologies de filtration autres que les filtres à tambour sous vide peuvent également être utilisées, par exemple des filtres-presses à l'usine d'Aluminium de Saint Nicolas en Grèce et à l'usine d'Alcan à Gardanne en France. Cependant, il n'y a pas encore de signe de migration significative vers cette technologie.

Bokela GmbH a suggéré que son filtre à pression continue Hi-Bar pourrait être utilisé pour la filtration de la boue rouge, ce qui aurait l'avantage de réduire les pertes caustiques et de produire une boue avec une teneur en solides plus élevée.

Les trop-pleins accumulés dus à la décantation par gravité peuvent encore contenir une petite quantité de matières solides fines en suspension. Si ces particules sont autorisées à passer dans le processus de précipitation, elles contamineraient le produit avec, par exemple, des composés de fer et de titane. Cela affectera alors les propriétés de l'alumine et, en fin de compte, affectera les fonderies d'aluminium. Pour cette raison, la liqueur passe à travers des filtres de polissage pour éliminer cette matière.

D'une manière générale, le type de filtre le plus couramment utilisé pour la filtration de sécurité est le filtre à pression à lames verticales - filtres Kelly.

Un guide approximatif pour le dimensionnement des filtres à feuilles est de supposer un débit d'environ 1 m3m−2h−1 (1 mètre cube de liqueur par mètre carré de tissu par heure). De toutes les applications de filtration dans l'alumine, la filtration de sécurité semble actuellement retenir le plus l'attention des équipementiers. L'industrie est constamment à la recherche d'équipements automatiques, fiables et autonettoyants pour cette application. De nombreux filtres installés dans cette application nécessitent une grande attention. Cela est principalement dû à l'entartrage (précipitations sur les surfaces internes et sur les médias à l'intérieur des filtres).

Au cours des travaux de développement originaux de Karl Bayer, il a mélangé une dose de cristaux d'hydroxyde d'aluminium dans la solution d'aluminate de sodium pour fournir un germe de précipitation. Cette technique est encore utilisée aujourd'hui, à une échelle supérieure de plusieurs ordres de grandeur à la verrerie utilisée à Saint-Pétersbourg dans les années 1880.

Dans l'interprétation moderne du procédé Bayer, de vastes réservoirs sont utilisés pour donner à la liqueur-enceinte un long temps de séjour en présence de particules de graines et sous un refroidissement soigneusement contrôlé, afin que la solution puisse céder son produit à la phase solide. Lors d'une journée particulièrement froide, surtout lorsqu'elle est également venteuse et pluvieuse, la productivité d'un circuit de précipitation du procédé Bayer peut augmenter de manière significative. Cependant, cela peut également introduire une perturbation dans le contrôle de la distribution granulométrique. Dans un autre procédé de précipitation largement exploité, la fabrication du carbonate de calcium précipité (PCC), le temps nécessaire à la formation des cristaux est quasi nul. Dans le cas de l'alumine, plusieurs dizaines d'heures peuvent être nécessaires pour produire la distribution granulométrique soigneusement contrôlée requise par le procédé de fabrication de l'aluminium métallique.

Une fois que la liqueur a abandonné tout le produit qu'elle peut (et devient donc de la liqueur usée), elle est séparée du produit solide (généralement dans de grands réservoirs de décantation) et renvoyée au début du circuit Bayer où elle est réchauffée et reconcentrée, prête à rencontrer la bauxite fraîche entrante. Les particules solides à la fin de la chaîne de précipitation sont classées, celles qui répondent à la taille de produit requise étant détournées vers l'étape de calcination et celles sous-dimensionnées étant renvoyées au sommet de la chaîne de précipitation pour agir comme germe pour la précipitation.

Il y a un avantage à extraire la liqueur usée de la suspension de graines qui remonte la chaîne de précipitation afin de maintenir une concentration élevée (et donc plus de potentiel de précipitation). Cela donne à l'usine un gain de productivité.

Le lisier de graines dans cette application filtre sous vide en quelques secondes pour produire un gâteau très conséquent, dans certains cas, de plus de 50 mm. Dans la plupart des cas, la filtration sous vide est utilisée pour cette application, occasionnellement, des filtres à tambour ou, plus généralement, des filtres à disque.

Il ne s'agit pas d'un processus de filtration difficile en termes de difficulté de la séparation elle-même, mais plutôt en termes de traitement de très gros débits de gâteau abrasif lourd dans une liqueur mère hautement caustique. Un autre défi consiste à gérer de très grandes quantités de filtrat, en d'autres termes, le système de filtrat sur le filtre lui-même et dans toute l'installation doit être bien conçu.

Tous les types de filtres de cet article utilisent normalement des tissus filtrants tissés fabriqués à partir de fils de polymère comme média filtrant. Normalement, le polyamide (nylon) ou le polypropylène sont utilisés. Si vous n'êtes pas sûr de ce qu'est un morceau de tissu, un morceau de polypropylène trempé flottera dans l'eau tandis qu'un morceau de nylon trempé coulera lentement. Les toiles fonctionnent dans des conditions sévères en termes de température, de pH et d'abrasion. Le nylon a la réputation d'être particulièrement adapté aux applications abrasives à haute température, tandis que le polypropylène est normalement considéré comme adapté aux boues à pH élevé.

Le produit solide calibré et classé issu de la précipitation doit être lavé afin d'éliminer la liqueur de procédé qui contaminerait le produit final et interférerait avec le processus de fusion. Les objectifs ici sont de :

• Produire un gâteau de filtration suffisamment sec pour alimenter le calcinateur.

• Laver le gâteau sans liqueur de traitement.

Le plus souvent, des filtres panoramiques sont utilisés pour cette application. Ils sont utilisés en raison de leur compacité relative et de leurs capacités de lavage des gâteaux. Les filtres panoramiques ressemblent à des filtres à disque, mais avec les disques disposés horizontalement. Dans ce cas, le débit du filtre est entièrement déterminé par la quantité de slurry délivrée au filtre, indépendamment de la vitesse du filtre. La bouillie est versée sur le bac du filtre (qui est sous vide) et, à mesure que le bac tourne, elle est lavée et de l'air aspiré à travers le gâteau afin de déplacer la liqueur. Le gâteau de filtre est généralement retiré à l'aide d'une vis, placée juste à l'écart du tissu filtrant, pour le transporter latéralement depuis le bac et dans une goulotte de décharge. Enfin, le tissu peut recevoir une contre-impulsion d'air comprimé pour le garder propre. L'humidité du gâteau est généralement bien inférieure à 10 % en poids. En réalité, l'humidité du gâteau n'est pas fortement sensible à la vitesse de rotation. Il faut faire le choix entre un gâteau fin avec de l'air qui circule pendant une courte période ou un gâteau plus épais avec de l'air qui circule plus longtemps.

En pratique, la vitesse de rotation du filtre est réglée pour garantir que le gâteau de filtration est suffisamment épais pour une évacuation adéquate. Certains opérateurs préfèrent faire fonctionner les filtres aussi vite que mécaniquement possible, avec un gâteau fin. Cependant, un fonctionnement à une vitesse plus lente peut offrir certains avantages en termes de durée de vie du tissu filtrant et de résultats de lavage (augmentation du temps de séjour).

L'alumine est une étape essentielle vers la production d'aluminium métallique. Le procédé Bayer nécessite une grande capacité de filtration, mais présente des conditions extrêmement difficiles pour les équipements de filtration.

Les fournisseurs d'équipements de filtration et de tissus filtrants ont réagi et continuent de le faire en produisant des produits de filtration robustes.