Procédé de traitement de boues et poussières
de l'industrie sidérurgique Procédé de traitement de boues et poussières de l'industrie sidérurgique
La présente invention concerne un procédé de traitement des boues et poussières de l'industrie sidérurgique
en vue de la récupération du zinc et du plomb qu'elles contiennent.
Les poussières et boues récoltées comme sous-produits de l'industrie sidérurgique contiennent principalement du zinc, du plomb, du fer, du carbone, du silicium,
du calcium, du magnésium, etc.
La récupération et la valorisation du zinc et du plomb .contenus dans ces résidus de l'industrie sidérurgique présente un grand intérêt économique. Jusqu'à présent, la valorisation du zinc et du plomb se fait au moyen de divers procédés par voie sèche. Parmi ceux-ci,
le procédé de réduction au four tournant Waelz a été exploité au niveau industriel. Le mélange de
boues humides, de poussières sèches, et d'un agent réducteur (coke ou lignite) est effectué dans un broyeur à impact. Le mélange obtenu est nodulisé dans un disque de bouletage et les boulettes sont introduites en continu dans un four tournant Waelz dont la conduite a été adaptée au traitement d'un mélange à forte
teneur en fer. Les combinaisons de zinc et de plomb
sont réduites, les deux métaux se volatilisent et sont réoxydés dans la partie libre du four. Les gaz d'échappement sont dépoussiérés par électrofiltres après conditionnement dans une tour de refroidissement afin
de récupérer le zinc et le plomb. Ce procédé permet d'obtenir un oxyde (poussières d'électrofiltres) ayant
une composition moyenne de 28-33 � de zinc, de 11-15 %
de plomb et 23-31 % de fer. Il a pour inconvénient d'impliquer des frais d'investissement importants et
une consommation d'énergie relativement élevée.
L'invention vise un procédé de récupération du zinc
et du plomb contenu dans les résidus sidérurgiques
qui soit plus économique que le procédé de réduction
au four tournant et qui permette l'obtention de produits finals épurés, directement valorisables.
Ce but est atteint par un procédé hydrométallurgique
dans lequel on met à profit les propriétés complexantes
des ions hydroxyle à l'égard du zinc et du plomb alors
que ces mêmes ions OH- laissent pratiquement inaltérés
les autres composants des poussières ou boues tels que
le fer, le calcium, le magnésium le carbone.
Le procédé selon l'invention se caractérise essentiellement par une phase de lixiviation à la soude caustique qui se fait de préférence à une température supérieure à la température ambiante avec addition d'une proportion déterminée de chaux éteinte afin de mettre le zinc et lé plomb en solution. La décantation du produit de la lixiviation sépare une boue de la solution et celle-ci est ensuite soumise à un conditionnement comprenant l'addition de chaux vive et d'un floculant puis décantation afin de séparer les matières solides d'une solution clarifiée.Cette solution est alors soumise à une phase de cémentation par introduction de zinc métallique dans le solution afin de séparer le zinc du plomb,le plomb étant maintenu en contact prolongé avec la solution de cémentation afin de solubiliser la poudre zinc en excès.
D'autres opérations intervenant dans ce procédé se trouvent décrites dans les revendications.
En substance, le procédé selon l'invention est articulé autour de deux phases essentielles: une phase de lixiviation à la soude caustique et une phase de cémentation ayant pour but de séparer le zinc et le plomb.
Les principaux problèmes rencontrés dans la mise au
point d'un procéda hydrométallurgique pour le traitement des résidus sidérurgiques résultent des particularités spécifiques de ces sous-produits sidérurgiques:
(i) la concentration du zinc et du plomb dans ces sous-
produits,qui est dans la majorité des cas assez faible,par exemple environ 4% de zinc et 1% de plomb,
(ii) l'extrême finesse des poussières à traiter,
(iii) la viscosité des solutions concentrées de NaOH,qui
augmente avec la concentration.
C'est pourquoi,en vue de la rentabilisation industrielle de ce procédé,diverses opérations de traitement et de conditionnement sont prévues,que l'on décrit en détail ci-après.
Lixiviation.
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solution dans de la soude caustique afin de solubiliser le zinc sous forme de zincate et le plomb sous forme de plombate. Cette opération repose sur un processus d'équilibre biphasique solide-liquide. La séparation du zinc et du plomb est d'autant plus efficace que la lixiviation produit une solution d'extraction troublée par le moins de matières solides possibles en suspension.En d'autes mots, le procédé est d'autant plus efficace que les matières à traiter sont riches en zinc et en plomb. Tout moyen visant à enrichir les poussières et les boues en zinc et en plomb permet évidemment d'augmenter l'efficacité de la lixiviation.
Pour ce qui est de la solubilisation parasite de la silice qui est un des constituants de la boue, sa mise en solution se fait à une vitesse relativement faible, de sorte que la contamination de la solution est peu importante. Une régénération par Ca(OH)2 qui précipite le silicate de calcium est à cet égard possible.et économique. Quant aux autres substances accompagnant le zinc et le plomb, on n'observe pratiquement aucune réaction avec la soude caustique. Ces constatations constituent un facteur favorable étant donné que la solubilisation de substances parasites consommerait inutilement le réactif de lixiviation et risquerait d'occasionner des difficultés au niveau des autres phases du procédé (cémentation et électrolyse).
Comme mentionné précédemment, une difficulté qui se présente lors de la lixiviation concerne la séparation liquide-solide. En effet, les solides à traiter sont constitués de particules très fines. Pour fixer les idées, les analyses granulométriques effectuées sur les échantillons soumis aux essais révèlent que l'on
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Ceci a pour conséquence que ces particules sédimentent très difficilement. En outre, elles donnent lieu
à un colmatage très rapide des filtres lors de l'opération de filtration. Pour remédier à ce problème la séparation se fait par centrifugation.
Il a été constaté expérimentalement que la lixiviation se fait avantageusement à une température relativement
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de solubilisation du zinc et du plomb et on augmente le rendement de récupération des composés plombifères. En outre, à la soude caustique on ajoute une certaine proportion de chaux éteinte Ca(OH)2, ce qui a pour effet d'éliminer des composés indésirables (carbonates, silicates)sous forme de sels calciques insolubles qui accompagnent le résidu de la lixiviation. Le résultat de cette opération de lixiviation est un milieu biphasique constitué d'une boue (sous-verse) et d'une solution (surverse) plus ou moins troublée par la présence d'une faible quantité de matières en suspension. Les deux phases de ce milieu biphasique sont décantées et soumises chacune à une opération
de conditionnement.
Conditionnement de la sous-verse (boues)
Ce traitement comprend les opérations suivantes :
a) déconcentration en NaOH par lavage à l'eau à contre-courant avec recyclage des solutions de NaOH vers la cellule d'électrolyse, b) dilution à l'eau de la'boue lavée selon une proportion judicieusement choisie. Les deux opérations a et b sont essentielles pour rendre efficace l'action d'un traitement postérieur de floculation, c) addition d'un floculant spécifique qui entraîne une déstabilisation de la boue qui se sépare en ses deux phases constitutives : liquide clarifié et boue déshydratée, d) utilisation d'un mélangeur statique en amont du décanteur centrifuge utilisé pour la séparation ultime et pour l'obtention de la boue résiduaire.
Conditionnement de la surverse (solution trouble)
Ce traitement a pour but de débarrasser la solution des matières solides et de fournir une solution limpide qui convient très bien pour les phases ultérieures de cémentation et d'électrolyse. Ce traitement consiste en une addition de chaux vive (CaO) et d'un floculant spécifique à des concentrations caractéristiques.
Les particules se rassemblent ainsi en flocs qui se séparent facilement. La décantation ultérieure fournit une solution débarrassée des matières solides, qui convient très bien pour les opérations ultérieures
(cémentation et électrolyse).
Cémentation
Cette opération consiste en une réduction du plomb par du zinc métallique introduit dans la solution
à l'état pulvérulent. On recueille du plomb d'une part et du zinc en excès d'autre part. Pour l'opération de cémentation, il est cependant nécessaire d'introduire un excès de zinc ( > 2) par rapport à la quantité stoechiométriquement nécessaire. La réduction, qui
se fait à la température ambiante, est assez rapide
(durée de réaction 1-2 heures). Elle permet d'atteindre
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On observe toutefois une diminution de rendement due
à une réaction de dissolution parasite du zinc. Il se constitue en effet des couples électrochimiques entre le zinc et le plo;nb qui entraînent une dissolution spontanée non négligeable du zinc par réaction avec
le solvant, avec.libération d'hydrogène.
Aussi le plomb de cémentation doit-il être épuré.
A cet effet, on maintient le plomb en contact prolongé avec la solution de cémentation : la poudre de zinc
en excès se solubilise alors par un phénomène de corrosion galvanique. On lave ensuite le cément avec des solutions diluées de soude caustique NaOH puis la fusion du cément imprégné et son séchage fournit un lingot de plomb pur directement récupérable. Le zinc obtenu par l'opération de cémentation, quant à lui, est soumis à un traitement électrolytique en milieu alcalin.
Electrolyse
On a généralement à traiter des solutions relativement pauvres en zinc. Dans ces conditions, pour obtenir
un rendement élevé en courant, il est nécessaire de diminuer au maximum les réactions parasites qui consomment de l'énergie électrique en pure perte.
La principale réaction gênante est la réduction de l'eau avec dégagement d'hydrogène. Inversément,lorsque la concentration en zinc est faible, on doit adopter des densités de courant faibles. Dans les cas extrêmes, ces valeurs allongent de façon prohibitive la durée de l'opération. Pour obvier à ces difficultés, on prévoit des surfaces d'électrodes aussi grandes que possible par rapport au volume de la solution.
Une deuxième particularité de l'électrolyse en question est que, en milieu alcalin, le dépôt de zinc se fait en général sous forme de poudre. La poudre de zinc est séparée des cathodes par action mécanique et la poudre est recueillie dans un sac filtrant en polypropylène qui entoure l'ensemble des électrodes de la cellule d'électrolyse. L'électrolyte à séparer est pompé par l'extérieur du sac filtrant, ce qui permet d'isoler
la poudre de zinc dans le fond du sac.
La poudre de zinc qui recouvre la partie inférieure du sac doit être très soigneusement conditionnée pour éviter son oxydation (laquelle est rapide et intense
si des mesures appropriées ne sont pas prises) par l'air atmosphérique et par l'eau de la solution. Ce traitement consiste en un lavage par de la soude caustique de plus en plus diluée, suivi d'un lavage desséchant par du méthanol anhydre. Ce traitement,
qui nécessite le respect de conditions très strictes permet d'obtenir une po dre de zinc non oxydé de très bonne pureté. L'opération est complétée par un essorage, suivi d'un dernier séchage à l'air ambiant.
L'efficacité du procédé décrit dans ce qui précède
a été démontrée par des essais. On a traité des résidus provenant de quatre usines sidérurgiques différentes. Selon la nature des résidus traités, on a extrait de
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résidus avec obtention de poudre de zinc contenant plus
de 95% de zinc métallique et plus de 98% de plomb métallique. Du point de vue consommation, on peut citer
les valeurs typiques suivantes:
concentration du NaOH utilisé: 240grammes par litre consommation moyenne de NaOH pour la lixiviation:
50 à 100kg de NaOH par tonne de résidus bruts traités consommation de NaOH pour la production de poudre de zinc:
0,5 à 3kg de NaOH par kilogramme de poudre de zinc produite.
Il est bien entendu que les valeurs numériques citées
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caractère de limitation.
REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement de boues et poussières de l'industrie sidérurgique contenant du zinc et du plomb en vue de la récupération de ces éléments, caractérisé par les phases suivantes :
(a) lixiviation à la soude caustique avec addition d'une proportion déterminée de chaux éteinte afin de mettre le zinc et le plomb en solution , cette phase se faisant de préférence à une température supérieure à la température ambiante,
(b) décantation du produit de la lixiviation afin de séparer une boue (sous-verse) de la solution
(surverse),
(c) traitement de conditionnement de la solution
(surverse) comprenant les opérations suivantes :
(i) addition de chaux vive et d'un floculant à
la solution,
(ii) décantation de la solution afin d'en séparer
les matières solides et obtenir une solution limpide,,,
(d) cémentation de la solution clarifiée par introduction de zinc métallique dans la solution afin de séparer le zinc du plomb, le plomb étant maintenu en contact prolongé avec la solution de cémentation afin de solubiliser la poudre zinc en excès,
(e) collecte du zinc et du plomb.