EP0946449A1 - Method for the insolubilisation and consolidation of used brasques from hall-heroult electrolyte vessels - Google Patents

Method for the insolubilisation and consolidation of used brasques from hall-heroult electrolyte vessels

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Publication number
EP0946449A1
EP0946449A1 EP97947133A EP97947133A EP0946449A1 EP 0946449 A1 EP0946449 A1 EP 0946449A1 EP 97947133 A EP97947133 A EP 97947133A EP 97947133 A EP97947133 A EP 97947133A EP 0946449 A1 EP0946449 A1 EP 0946449A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pellets
additive
cooking
mixture
consolidation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97947133A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Personnet
Gilbert Bouzat
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rio Tinto France SAS
Original Assignee
Aluminium Pechiney SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aluminium Pechiney SA filed Critical Aluminium Pechiney SA
Publication of EP0946449A1 publication Critical patent/EP0946449A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A62LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62DCHEMICAL MEANS FOR EXTINGUISHING FIRES OR FOR COMBATING OR PROTECTING AGAINST HARMFUL CHEMICAL AGENTS; CHEMICAL MATERIALS FOR USE IN BREATHING APPARATUS
    • A62D3/00Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances
    • A62D3/30Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances by reacting with chemical agents
    • A62D3/33Processes for making harmful chemical substances harmless or less harmful, by effecting a chemical change in the substances by reacting with chemical agents by chemical fixing the harmful substance, e.g. by chelation or complexation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C04CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04BLIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B18/00Use of agglomerated or waste materials or refuse as fillers for mortars, concrete or artificial stone; Treatment of agglomerated or waste materials or refuse, specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone
    • C04B18/02Agglomerated materials, e.g. artificial aggregates
    • C04B18/023Fired or melted materials
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A62LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
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    • A62D2101/00Harmful chemical substances made harmless, or less harmful, by effecting chemical change
    • A62D2101/40Inorganic substances
    • AHUMAN NECESSITIES
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02WCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W30/00Technologies for solid waste management
    • Y02W30/50Reuse, recycling or recovery technologies
    • Y02W30/91Use of waste materials as fillers for mortars or concrete

Definitions

  • the invention relates to a process of insolubilization and consolidation in the form of spent pot lining pellets originating from the dismantling of aluminum production tanks by igneous electrolysis according to the Hall-Héroult technique.
  • These spent pot liners are formed by the carbonaceous cathode blocks, the seals and the side linings based on carbonaceous materials but also by all of the refractory and aluminous or silico-aluminous insulators arranged on the lateral walls and the bottom of the metal box forming the electrolysis tank.
  • these pot liners are heavily impregnated with harmful products, such as soluble sodium or sodo-aluminous fluorides and cyanides, which must be insolubilized or destroyed before landfill or possible reuse.
  • thermal treatment methods generally operating in a fluidized bed and based either on a pyrohydrolysis at more than 1000 ° C. of the spent linings according to US 4065551 Elkem, or US 41 13832 and US 41 16809 Kaiser, or on a simple combustion. in the air or in an oxidizing atmosphere of carbon elements, at a temperature of about 800 ° C, sufficient to decompose cyanides without causing significant release of volatile fluorinated compounds, according to US 4053375 Reynolds or according to the article by LC Blayden and SG Epstein, Journal of Metals, July 1984 page 24.
  • the methods and devices using the thermal route are limited in their possibilities by the nature and the composition of the pot linings to be treated.
  • the pot lining particles due to the fusion of certain eutectic compounds formed during combustion, the pot lining particles have a strong tendency to agglomerate. It becomes impossible to avoid their solidification and consequently to maintain a fluidized bed and a fortiori a dense bed if the combustion is carried out for example in a rotating oven with a long residence time.
  • this process must be completed at the end of the heat treatment carried out at a temperature sufficient to decompose the cyanides, by a final operation of insolubilization of the soluble residual fluorides consisting in spraying milk of lime on the pulverulent mixture leaving the oven. heat treatment.
  • this additional operation carried out in a semi-humid environment complicates and increases the cost of the process, the final product thus obtained is difficult to store or handle in the state given the presence of dust and fine particles.
  • US 52451 15 EP 0465388B
  • US 5365012 EP 0465388B
  • Aluminum Pechiney recommend the introduction of a single additive based on lime and preferably gypsum, mixed with the finely ground pot lining to insolubilize the fluorinated compounds in the state of CaF 2 after a heat treatment carried out at a temperature sufficient to decompose the cyanides but of a very short duration to avoid the bonding phenomena.
  • the pulverulent mixture is injected under gas pressure at the top of a cyclonic reactor to be recovered at its base in the form of inert pulverulent residue.
  • the method according to the invention satisfies this triple condition. It is based on the observation that by adding appropriate additives to the old crushed pot lining, it is possible to effectively insolubilize not only the fluorine of the fluorinated impregnation compounds but also the alkali metals such as sodium, and this while promoting contrary to the usual practices the agglomeration of the constituents of the mixture by suitable shaping before cooking, preferably in the form of pellets whose consolidation continues during cooking then allowing their handling, transport, storage or landfill without formation of dust.
  • the invention relates to a process of insolubilization and consolidation in the form of pellets of old pot lining from electrolysis tanks for the production of aluminum
  • said pot lining consisting of carbon products and impregnated silico-aluminous products of fluorinated alkaline compounds and cyanides as well as their intimate mixture with various refractory pulverulent additives before heat treatment or cooking, characterized in that after introduction: of a first additive intended during cooking to fix the alkali metals, in particular sodium, coming from fluorinated compounds and which is chosen from the group of silicoaluminates, then from a second additive intended during cooking, on the one hand to combine, with or without fusion, with fluorinated impregnating compounds to form new stable and insoluble compounds such as CaF 2 , on the other hand, by its uncombined excess fraction , to ensure before but especially during and after cooking, the consolidation of the mixture, said second additive being chosen from the group of calcium oxides and salts and preferably cements and limestone mortars
  • This consolidation has many advantages by allowing, for example, landfill or storage in a dense and thick bed of the inert final residue without the risk of crushing the pellets which have become sufficiently resistant or even in the case of a new use, the transport and handling without risk of spalling of said pellets with formation of dust and pollution of the atmosphere.
  • cyanides CN ⁇ 1% of the total weight
  • fluorinated compounds mainly in the state of sodium fluoride, which can represent up to 35% or even 40% of the total weight.
  • the old, previously crushed pot lining is crushed to obtain particles of dimension less than 5 mm and preferably less than
  • the first additive intended mainly during cooking to fix the alkali metals and in particular sodium, chosen from the group of silicoaluminates, is a feldspar or a clay such as for example kaolin or bentonite, some typical compositions of which are indicated in Table 1. below.
  • the second additive intended during cooking to combine with or without fusion with the fluorinated impregnation compounds, in particular NaF, AIF 3 and Na 3 AlF ⁇ , while ensuring the consolidation of the agglomerated mixture during its elaboration, can be lime CaO, calcium carbonate CaC0 3 but is preferably chosen from the group of cements and calcareous mortars.
  • the Applicant has advantageously experimented with Portland type quick-setting cements which, while having good performance in insolubilizing fluorine by combination in the form of CaF 2 , ensure excellent consolidation of the agglomerates during baking (see table 2).
  • Another essential characteristic of the process is the shaping by agglomeration of the crushed spent pot lining mixture / additives before cooking.
  • This shaping of the powder mixture by agglomeration can be obtained by any means for shaping known powder materials such as compression or extrusion of the mixture dry or slightly humidified. This gives pellets or granules which can then be enlarged and rounded in the form of pellets by granulation, but even more simply by direct granulation of the pre-humidified mixture at a humidity level preferably set between 15 % and 25% of the weight of the dry mixture, pellets with excellent cohesion are obtained as will be described later in the detailed implementation of the process.
  • Cooking or heat treatment of the pellets must be carried out at a temperature of at least 700 ° C to decompose the cyanides, but without exceeding 950 ° C so as not to risk the onset of dissociation of the already stabilized fluorides.
  • the temperature is preferably set between 800 ° C and 900 ° C (see table 3).
  • the cooking time can vary from 1 hour to 6 hours depending on the nature of the additives and the weight composition of the mixture, but especially depending on the cooking method adopted and the average size of the pellets.
  • the optimal cooking time is no more than 3 hours in a pass-through oven with cradles and 1 to 2 hours in a rotary oven or in a fluidized bed oven, the latter being particularly suitable for the process according to the invention taking into account the excellent cohesion of the dumplings during cooking in spite of the shocks and the effects of attrition between dumplings (see table 2).
  • the carbon content of spent pot lining is very high and makes it possible to reach, after mixing, a carbon content of at least 25% in raw pellets, these can be used as auxiliary fuel in an oven incineration.
  • the inert residue in the form of pellets can either be landfilled, stored or reused in a new application, for example as a fill for backfill.
  • Crush resistance test consisting of dropping a steel ball of 11 grams at a height of 65 cm onto a dumpling; this in order to check the resistance of the pellets during loading and unloading.
  • the result is expressed as a percentage of pellets that have remained intact.
  • FIG. 1 is the schematic representation of the successive stages of the method.
  • One tonne of spent pot lining 1 coming from the dry unmasking of aluminum production electrolysis tanks and constituting a complete mixture of silico-aluminous refractories and carbon blocks with a particle size of 0-700 mm is crushed and then ground A to obtain a powder product 2 with a particle size of 0-2.5 mm, the weight contents of carbon, fluorine, sodium, silicon and cyanide being 38.4%, 9.2%, 14.6%, 1 1, 1% and 0 respectively , 12%.
  • the pulverulent product 2 is mixed B with on the one hand 500 kg of a first pulverulent additive 3 consisting of feldspar FHB200 (sodium feldspar albite type, a typical analysis of which is given in table 1) and on the other hand 500 kg of a second powder additive 4 consisting of Portland cement with rapid setting, for example Lafarge CEM cement 52, 5.
  • a first pulverulent additive 3 consisting of feldspar FHB200 (sodium feldspar albite type, a typical analysis of which is given in table 1)
  • a second powder additive 4 consisting of Portland cement with rapid setting, for example Lafarge CEM cement 52, 5.
  • the resulting powder mixture 5 is moistened by spraying water 6 at a rate of 15% to 25% of the dry mix weight before being C-shaped in the state of pellets in a pelletizer constituted by an inclined circular table and in rotation allowing the formation of small nodules.
  • These nodules grow by coating in contact with the humidified pulverulent mixture 5 which is continuously recycled, to form increasingly large pellets which are removed from the device when they reach the desired size, generally a diameter of between 6 mm and 20 mm and fixed in this case 10 mm.
  • the raw dumplings 7 calibrated with a diameter of 10 mm and whose specific volume before cooking is between 1 and 1, 2 g / cm 3 are then baked for 1 hour at 900 ° CD in a fluidized bed reactor by adjusting appropriately the fluidization air flow.
  • the fluorine content of the gases leaving the reactor at constant flow rate is checked by taking a gas sample every 15 minutes.
  • the cooked pellets 8 representing 1600 kg of residue are then subjected to the various insolubilization control tests (according to standard NF-X31210) and mechanical strength. The following results were obtained:
  • Na leachable% 0.1 7 mechanical strength: a) cohesion test (Turbula): good ( ⁇ 1% of fines) b) resilience test: 100% c) crush resistance test: 84%.

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Abstract

The invention concerns a method for the insolubilisation and consolidation in the form of pellets of used brasques from electrolyte vessels for producing aluminium comprising the grinding of said brasques and mixing them closely with various refractory pulverulent additives before burning characterised in that it consists in: introducing a first additive selected from the group of aluminium silicates for fixing the alkaline metals during burning; introducing a second additive which, during burning, will combine with the saturating fluorine-containing compounds to form new stable and insoluble compounds and by its non-combined supernatant fraction, will ensure the consolidation of the mixture, and this additive is selected from the group of calcium oxides and salts and preferably of lime cements and mortars; carrying out a forming by agglomerating in the form of pellets the close mixture of used ground brasques with said first and second pulverulent additives before burning at a temperature between 700 DEG C and 950 DEG C.

Description

PROCEDE D'INSOLUBILISATION ET DE CONSOLIDATION DE BRASQUES USEES PROVENANT PROCESS FOR THE INSOLUBILIZATION AND CONSOLIDATION OF WASTE BRAKES FROM
DES CUVES D'ELECTROLYSE HALL-HEROULTHALL-HEROULT ELECTROLYSIS TANKS
DOMAINE TECHNIQUETECHNICAL AREA
L'invention concerne un procédé d'insolubilisαtion et de consolidation sous forme de boulettes de brasques usées provenant du démontage des cuves de production d'aluminium par électrolyse ignée selon la technique Hall-Héroult. Ces brasques usées sont constituées par les blocs cathodiques carbonés, les joints et les garnissages latéraux à base de matières carbonées mais également par l'ensemble des réfractaires et isolants alumineux ou silico- alumineux disposés sur les parois latérales et le fond du caisson métallique formant la cuve d 'électrolyse. Après usage ces brasques sont fortement imprégnées de produits nocifs, tels que des fluorures sodiques ou sodo- alumineux solubles et des cyanures, qu'il faut insolubiliser ou détruire avant mise en décharge ou réutilisation éventuelle.The invention relates to a process of insolubilization and consolidation in the form of spent pot lining pellets originating from the dismantling of aluminum production tanks by igneous electrolysis according to the Hall-Héroult technique. These spent pot liners are formed by the carbonaceous cathode blocks, the seals and the side linings based on carbonaceous materials but also by all of the refractory and aluminous or silico-aluminous insulators arranged on the lateral walls and the bottom of the metal box forming the electrolysis tank. After use, these pot liners are heavily impregnated with harmful products, such as soluble sodium or sodo-aluminous fluorides and cyanides, which must be insolubilized or destroyed before landfill or possible reuse.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
Ce domaine a fait l'objet de nombreuses publications. On a déjà décrit des procédés de traitement des brasques usées par voie humide comportant un broyage suivi d'une lixiviation par une liqueur alcaline par exemple dans le brevet US 4052288 Aluminium Pechiney ou le brevet US 41 13831 Kaiser. Ces procédés se limitent au seul traitement des parties carbonées des brasques qu'il convient préalablement de séparer des parties non carbonées formées par les réfractaires et isolants. Ils laissent donc sans solution le problème de l'insolubilisation avant stockage ou mise en décharge des résidus solides non carbonés. Si le procédé de traitement par voie humide selon US 52451 15This field has been the subject of numerous publications. We have already described methods for treating spent pot lining by the wet method, comprising grinding followed by leaching with an alkaline liquor, for example in US patent 4052288 Aluminum Pechiney or US patent 41 13831 Kaiser. These methods are limited to the sole treatment of the carbonaceous parts of the pot lining which must first be separated from the non-carbonized parts formed by the refractories and insulators. They therefore leave without solution the problem of insolubilization before storage or landfill of non carbonaceous solid residues. If the wet treatment method according to US 52451 15
(EP0465388B) d'Aluminium Pechiney permet de traiter ces brasques usées quelle que soit leur composition et notamment leurs teneurs en silice et alumine, il nécessite comme tous les procédés par voie humide la mise en oeuvre de moyens très importants si l'on ne dispose pas déjà d'installation de production chimique très développées.(EP0465388B) of Aluminum Pechiney makes it possible to treat these spent pot liners whatever their composition and in particular their silica and alumina contents, it requires like all wet processes the setting very significant resources if we do not already have a highly developed chemical production facility.
On connaît également des procédés de traitement par voie thermique opérant généralement en lit fluidisé et basés soit sur une pyrohydrolyse à plus de 1000°C des brasquages usés selon US 4065551 Elkem, ou US 41 13832 et US 41 16809 Kaiser, soit sur une simple combustion à l'air ou en atmosphère oxydante des éléments carbonés, à une température d'environ 800°C, suffisante pour décomposer les cyanures sans provoquer de dégagement important des composés fluorés volatils, selon US 4053375 Reynolds ou selon l'article de L.C. Blayden et S. G. Epstein, Journal of Metals, Juillet 1984 page 24.Also known are thermal treatment methods generally operating in a fluidized bed and based either on a pyrohydrolysis at more than 1000 ° C. of the spent linings according to US 4065551 Elkem, or US 41 13832 and US 41 16809 Kaiser, or on a simple combustion. in the air or in an oxidizing atmosphere of carbon elements, at a temperature of about 800 ° C, sufficient to decompose cyanides without causing significant release of volatile fluorinated compounds, according to US 4053375 Reynolds or according to the article by LC Blayden and SG Epstein, Journal of Metals, July 1984 page 24.
En fait les procédés et dispositifs utilisant la voie thermique sont limités dans leurs possibilités par la nature et la composition des brasquages à traiter. En effet, en raison de la fusion de certains composés eutectiques se formant au cours de la combustion, les particules de brasques ont une forte tendance à s'agglomérer. Il devient impossible d'éviter leur prise en masse et par suite d'entretenir un lit fluidisé et a fortiori un lit dense si la combustion est réalisée par exemple en four tournant à temps de séjour important. Ce phénomène d'agglomération déjà sensible avec les charges de brasques constituées uniquement de produits carbonés est fortement accentué avec les charges contenant des oxydes réfractaires et notamment de la silice dont la teneur pondérale ne doit pas dépasser 3 ou 4%, comme il ressort de l'article de E.R. Cutshall et L.O Daley, Journal of Metals, Novembre 1986, page 37 table II.In fact, the methods and devices using the thermal route are limited in their possibilities by the nature and the composition of the pot linings to be treated. In fact, due to the fusion of certain eutectic compounds formed during combustion, the pot lining particles have a strong tendency to agglomerate. It becomes impossible to avoid their solidification and consequently to maintain a fluidized bed and a fortiori a dense bed if the combustion is carried out for example in a rotating oven with a long residence time. This already significant agglomeration phenomenon with the fillings of pot lining made up solely of carbonaceous products is greatly accentuated with the fillers containing refractory oxides and in particular silica, the weight content of which must not exceed 3 or 4%, as is apparent from the article by ER Cutshall and LO Daley, Journal of Metals, November 1986, page 37 table II.
Pour s'affranchir de ce problème d'agglomération mais aussi pour insolubiliser complètement les composés fluorés US 51641 74 (EP 0542404) Reynolds préconise l'ajout de 2 additifs aux brasques usées finement broyées avant traitement thermique, d'une part du carbonate de calcium en vue de piéger le fluor des composés fluorés sous forme de CaF2, d'autre part un silicate métallique, de préférence le disilicate de calcium, qui agit comme anti- agglomérant lors du traitement thermique.To get rid of this agglomeration problem but also to completely insolubilize fluorinated compounds US 51641 74 (EP 0542404) Reynolds recommends adding 2 additives to finely ground spent pot lining before heat treatment, on the one hand, calcium carbonate with a view to trapping the fluorine of the fluorinated compounds in the form of CaF 2 , on the other hand a silicate metallic, preferably calcium disilicate, which acts as an anti-caking agent during heat treatment.
Pour être totalement efficace, ce procédé doit être complété au terme du traitement thermique réalisé à une température suffisante pour décomposer les cyanures, par une opération finale d'insolubilisation des fluorures résiduels solubles consistant à pulvériser du lait de chaux sur le mélange pulvérulent sortant du four de traitement thermique. Outre le fait que cette opération complémentaire réalisée en milieu semi-humide complique et renchérit le procédé, le produit final ainsi obtenu est difficilement stockable ou manipulable en l'état compte tenu de la présence de poussières et de fines particules.To be completely effective, this process must be completed at the end of the heat treatment carried out at a temperature sufficient to decompose the cyanides, by a final operation of insolubilization of the soluble residual fluorides consisting in spraying milk of lime on the pulverulent mixture leaving the oven. heat treatment. In addition to the fact that this additional operation carried out in a semi-humid environment complicates and increases the cost of the process, the final product thus obtained is difficult to store or handle in the state given the presence of dust and fine particles.
Pour résoudre le même problème, US 52451 15 (EP 0465388B) et US 5365012 (EP 0465388B) Aluminium Pechiney préconisent l'introduction d'un seul additif à base de chaux et de préférence du gypse, en mélange avec les brasques finement broyées pour insolubiliser les composés fluorés à l'état de CaF2 à l'issue d' un traitement thermique réalisé à une température suffisante pour décomposer les cyanures mais d'une durée très courte pour éviter les phénomènes de collage. Pour ce faire, le mélange pulvérulent est injecté sous pression de gaz au sommet d'un réacteur cyclonique pour être récupéré à sa base sous forme de résidu inerte pulvérulent. Ces procédés sont toutefois limités en capacité du fait des débits relativement réduits de mélange pulvérulent à traiter admissible par l'injecteur. D'autre part avec les lots de brasques usées très chargés en fluorure de sodium une partie du sodium peut se recombiner avec l'anion SO42" du gypse sous forme de Na2Sθ4 , au lieu d'être insolubilisée sous forme de silicoaluminate de sodium. Bien que non toxique, le sulfate de sodium ainsi formé étant lixiviable peut, au-delà d'un certain taux de lixiviation, faire interdire la mise en décharge dudit résidu inerte pulvérulent. PROBLEME POSETo solve the same problem, US 52451 15 (EP 0465388B) and US 5365012 (EP 0465388B) Aluminum Pechiney recommend the introduction of a single additive based on lime and preferably gypsum, mixed with the finely ground pot lining to insolubilize the fluorinated compounds in the state of CaF 2 after a heat treatment carried out at a temperature sufficient to decompose the cyanides but of a very short duration to avoid the bonding phenomena. To do this, the pulverulent mixture is injected under gas pressure at the top of a cyclonic reactor to be recovered at its base in the form of inert pulverulent residue. These methods are however limited in capacity due to the relatively reduced flow rates of pulverulent mixture to be treated admissible by the injector. On the other hand, with the spent pot lining lots heavily loaded with sodium fluoride, part of the sodium can recombine with the SO4 2 " anion of the gypsum in the form of Na 2 Sθ4, instead of being insolubilized in the form of silicoaluminate. Although non-toxic, the sodium sulphate thus formed being leachable can, beyond a certain leaching rate, make it prohibited to landfill said inert pulverulent residue. PROBLEM
Sachant qu' une usine de production d'aluminium par électrolyse de capacité 240 000 T/an génère environ 4000 T/an de brasques usées et que ces brasques usées contiennent des quantités importantes de dérivés fluorés (jusqu'à 200 kg de fluor par tonne) et de produits sodiques (jusqu'à 200 kg de sodium par tonne) ainsi que des quantités non négligeables de cyanures (jusqu'à 10 kg/tonne), il s'est avéré nécessaire, compte tenu des contraintes économiques ou des limitations techniques des procédés de l'art antérieur, de concevoir un nouveau procédé industriel capable : a) de traiter à des conditions économiques acceptables ces brasques usées quelle que soit leur teneur en matières silico-alumineuses; b) d'assurer, lors du traitement, non seulement la décomposition totale des cyanures et l'insolubilisation du fluor contenu dans les composés fluorés d'imprégnation mais également de tous les métaux et notamment du sodium; c) de produire un résidu final inerte sous une forme suffisamment consolidée pour permettre aussi bien sa mise en décharge, son stockage, son transport en cas de nouvelle utilisation sans risque de pollution de l'atmosphère par la formation de poussières.Knowing that an aluminum production plant by electrolysis capacity 240,000 T / year generates about 4000 T / year of spent pot lining and that these used pot lining contains significant quantities of fluorinated derivatives (up to 200 kg of fluorine per tonne ) and sodium products (up to 200 kg of sodium per tonne) as well as significant quantities of cyanides (up to 10 kg / tonne), it has proved necessary, taking into account economic constraints or technical limitations methods of the prior art, to design a new industrial process capable of: a) treating these spent pot lining under acceptable economic conditions whatever their content of silico-aluminous materials; b) ensuring, during the treatment, not only the total decomposition of the cyanides and the insolubilization of the fluorine contained in the fluorinated impregnating compounds but also of all the metals and in particular of the sodium; c) to produce an inert final residue in a sufficiently consolidated form to allow it to be landfilled, stored and transported in the event of new use without risk of pollution of the atmosphere by the formation of dust.
OBJET DE L'INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION
Le procédé selon l'invention satisfait à cette triple condition. Il repose sur le constat que par des ajouts d'additifs appropriés aux vieilles brasques broyées, on peut insolubiliser efficacement non seulement le fluor des composés fluorés d'imprégnation mais aussi les métaux alcalins comme le sodium, et cela tout en favorisant contrairement aux pratiques habituelles l'agglomération des constituants du mélange par une mise en forme appropriée préalablement à la cuisson, de préférence sous forme de boulettes dont la consolidation se poursuit lors de la cuisson permettant ensuite leur manutention, transport, stockage ou mise en décharge sans formation de poussières. Plus précisément, l'invention concerne un procédé d'insolubilisαtion et de consolidation sous forme de boulettes des vieilles brasques provenant des cuves d 'électrolyse pour la production d'aluminium comportant le broyage desdites brasques constituées de produits carbonés et de produits silico- alumineux imprégnés de composés alcalins fluorés et cyanures ainsi que leur mélange intime avec divers additifs pulvérulents réfractaires avant traitement thermique ou cuisson, caractérisé en ce qu'après introduction : d' un premier additif destiné lors de la cuisson à fixer les métaux alcalins, notamment le sodium, provenant des composés fluorés et qui est choisi dans le groupe des silicoaluminates, puis d'un second additif destiné lors de la cuisson, d'une part à se combiner, avec ou sans fusion, avec les composés fluorés d'imprégnation pour former de nouveaux composés stables et insolubles tels que CaF2 , d'autre part, par sa fraction excédentaire non combinée, à assurer avant mais surtout pendant et après cuisson, la consolidation du mélange, ledit second additif étant choisi dans le groupe des oxydes et sels de calcium et de préférence des ciments et mortiers calcaires, on effectue une mise en forme par agglomération sous forme de boulettes du mélange intime de vieilles brasques broyées avec lesdits premier et second additifs pulvérulents avant cuisson à une température comprise entre 700°C etThe method according to the invention satisfies this triple condition. It is based on the observation that by adding appropriate additives to the old crushed pot lining, it is possible to effectively insolubilize not only the fluorine of the fluorinated impregnation compounds but also the alkali metals such as sodium, and this while promoting contrary to the usual practices the agglomeration of the constituents of the mixture by suitable shaping before cooking, preferably in the form of pellets whose consolidation continues during cooking then allowing their handling, transport, storage or landfill without formation of dust. More specifically, the invention relates to a process of insolubilization and consolidation in the form of pellets of old pot lining from electrolysis tanks for the production of aluminum comprising the grinding of said pot lining consisting of carbon products and impregnated silico-aluminous products of fluorinated alkaline compounds and cyanides as well as their intimate mixture with various refractory pulverulent additives before heat treatment or cooking, characterized in that after introduction: of a first additive intended during cooking to fix the alkali metals, in particular sodium, coming from fluorinated compounds and which is chosen from the group of silicoaluminates, then from a second additive intended during cooking, on the one hand to combine, with or without fusion, with fluorinated impregnating compounds to form new stable and insoluble compounds such as CaF 2 , on the other hand, by its uncombined excess fraction , to ensure before but especially during and after cooking, the consolidation of the mixture, said second additive being chosen from the group of calcium oxides and salts and preferably cements and limestone mortars, shaping is carried out by agglomeration in the form of pellets of the intimate mixture of old pot lining crushed with said first and second powdery additives before cooking at a temperature between 700 ° C and
950°C suffisante pour décomposer les cyanures mais insuffisante pour provoquer un début de dissociation des composés fluorés.950 ° C sufficient to decompose cyanides but insufficient to cause the start of dissociation of fluorinated compounds.
DESCRIPTION DE L'INVENTION La demanderesse a pu constater en effet et lors de nombreux essais que l'agglomération des particules du mélange qui se produit en début de cuisson et peut conduire, en l'absence d'antiagglomérant, à une prise en masse de toute la charge de mélange avec blocage des réactions, qu'il était possible de prévenir cette prise en masse en réalisant préalablement à la cuisson une mise en forme par agglomération des particules constituant le mélange en présence d'additifs judicieusement choisis favorisant la consolidation des agglomérats ainsi formés dans toutes les étapes ultérieures d 'élaboration, sans pour autant nuire à l'efficacité des réactions d'insolubilisation, donc à la capacité desdits additifs de se combiner de façon stable avec le fluor des composés fluorés imprégnant les vieilles brasques et avec les métaux alcalins, en particulier le sodium libéré par déplacement du fluor.DESCRIPTION OF THE INVENTION The Applicant has been able to observe in fact and during numerous tests that the agglomeration of the particles of the mixture which occurs at the start of cooking and can lead, in the absence of anti-caking agent, to solidification of all the charge of the mixture with blocking of the reactions, which it was possible to prevent this solidification by carrying out, before cooking, shaping by agglomeration of the particles constituting the mixture in the presence of judiciously chosen additives favoring the consolidation of agglomerates thus formed in all the subsequent stages of preparation, without detracting from the effectiveness of the insolubilization reactions, therefore to the ability of said additives to combine stably with the fluorine of the fluorinated compounds impregnating the old pot liners and with alkali metals, in particular sodium released by displacement of fluorine.
Cette consolidation présente de nombreux avantages en permettant par exemple la mise en décharge ou le stockage en lit dense et de forte épaisseur du résidu final inerte sans risque d'écrasement des boulettes devenues suffisamment résistantes ou encore dans le cas d'une nouvelle utilisation, le transport et la manutention sans risque d'effritement desdites boulettes avec formation de poussières et pollution de l'atmosphère.This consolidation has many advantages by allowing, for example, landfill or storage in a dense and thick bed of the inert final residue without the risk of crushing the pellets which have become sufficiently resistant or even in the case of a new use, the transport and handling without risk of spalling of said pellets with formation of dust and pollution of the atmosphere.
Le choix des additifs les plus appropriés (voir Tableau 2) ainsi que leurs conditions optimales de mise en oeuvre ont été déterminés en fonction de leur efficacité après de nombreux essais de mélange, avec des brasques usées tout venant dont la composition pondérale était assez variable même pour les constituants de base, à savoir :The choice of the most appropriate additives (see Table 2) as well as their optimal conditions of implementation were determined according to their effectiveness after numerous mixing tests, with used pot lining, whose weight composition was quite variable even for the basic constituents, namely:
- matières carbonées 30 à 50% - réfractaires alumineux ou silico-alumineux 30 à 40% (la silice pouvant représenter jusqu'à la moitié du poids de réfractaire silico-alumineux)- carbonaceous materials 30 to 50% - aluminous or silico-aluminous refractories 30 to 40% (silica can represent up to half the weight of silico-aluminous refractory)
ces constituants de base étant imprégnés de cyanures (CN < 1 % du poids total), de composés fluorés, principalement à l'état de fluorure de sodium, pouvant représenter jusqu'à 35% voire 40% du poids total.these basic constituents being impregnated with cyanides (CN <1% of the total weight), fluorinated compounds, mainly in the state of sodium fluoride, which can represent up to 35% or even 40% of the total weight.
Les vieilles brasques préalablement concassées sont broyées pour obtenir des particules de dimension inférieure à 5 mm et de préférence inférieure àThe old, previously crushed pot lining is crushed to obtain particles of dimension less than 5 mm and preferably less than
2,5 mm, mais les performances ultérieures d'insolubilisation ne s'améliorent pas notablement en-dessous de ce seuil de finesse de broyage alors que le coût d 'exploitation industrielle croît en revanche rapidement en-dessous de ce même seuil.2.5 mm, but the subsequent insolubilization performance does not improve appreciably below this grinding fineness threshold while the cost on the other hand, industrial exploitation grows rapidly below this same threshold.
Le premier additif destiné principalement lors de la cuisson à fixer les métaux alcalins et notamment le sodium, choisi dans le groupe des silicoaluminates, est un feldspath ou une argile comme par exemple le kaolin ou la bentonite dont quelques compositions types sont indiquées dans le Tableau 1 ci-après.The first additive intended mainly during cooking to fix the alkali metals and in particular sodium, chosen from the group of silicoaluminates, is a feldspar or a clay such as for example kaolin or bentonite, some typical compositions of which are indicated in Table 1. below.
TABLEAU 1TABLE 1
Dénominations commerciales.Commercial names.
Il faut rappeler à cet égard que la fixation à chaud du sodium par une argile pour former un composé de synthèse insoluble est réalisé par exemple par de la kaolinite (2Si02, Al203, 2 H2O) avec formation de feldspathoïdes insolubles tel que i'hydroxysodalite selon la réactionIt should be recalled in this regard that the hot fixing of sodium by a clay to form an insoluble synthetic compound is carried out for example by kaolinite (2Si0 2 , Al 2 0 3 , 2 H2O) with formation of insoluble feldspathoids such as hydroxysodalite depending on the reaction
3 (2 Si02, AI2O3, 2 H2O) + 4 Na20 → 6 Si02, 3 AI2O3, 4 Na20, H2O + 5 H2O Le second additif, destiné lors de la cuisson à se combiner avec ou sans fusion avec les composés fluorés d'imprégnation, notamment NaF, AIF3 et Na3AlFό, tout en assurant la consolidation du mélange aggloméré au cours de son élaboration, peut être de la chaux CaO, du carbonate de calcium CaC03 mais est choisi de préférence dans le groupe des ciments et mortiers calcaires. A cet égard, la demanderesse a expérimenté avantageusement des ciments à prise rapide type Portland qui, tout en présentant de bonnes performances d'insolubilisation du fluor par combinaison sous forme de CaF2, assurent une excellente consolidation des agglomérats lors de la cuisson (voir tableau 2) .3 (2 Si0 2 , AI2O3, 2 H2O) + 4 Na 2 0 → 6 Si0 2 , 3 AI2O3, 4 Na 2 0, H2O + 5 H2O The second additive, intended during cooking to combine with or without fusion with the fluorinated impregnation compounds, in particular NaF, AIF 3 and Na 3 AlFό, while ensuring the consolidation of the agglomerated mixture during its elaboration, can be lime CaO, calcium carbonate CaC0 3 but is preferably chosen from the group of cements and calcareous mortars. In this regard, the Applicant has advantageously experimented with Portland type quick-setting cements which, while having good performance in insolubilizing fluorine by combination in the form of CaF 2 , ensure excellent consolidation of the agglomerates during baking (see table 2).
Le choix des additifs repose non seulement sur leur efficacité, c'est-à-dire leurs performances d'insolubilisation et de consolidation, mais tient compte également de critères économiques coût unitaire, disponibilité sur le marché, quantité à mettre en oeuvre rapportée au poids de brasques traitées.The choice of additives is not only based on their effectiveness, that is to say their insolubilization and consolidation performance, but also takes into account economic criteria unit cost, availability on the market, quantity to be used relative to weight of pot lining treated.
On a ainsi déterminé (tableau 4) les plages optimales de compositions pondérales des mélanges que l'on peut traiter industriellement compte tenu des fluctuations de teneurs en silice et en produits d'imprégnation des brasques usées. Rapportée à une tonne de mélange, la composition d'une charge varie dans les plages suivantes :We have thus determined (Table 4) the optimal ranges of weight compositions of the mixtures which can be processed industrially taking into account fluctuations in the contents of silica and of impregnation products of spent pot lining. Based on a ton of mixture, the composition of a charge varies within the following ranges:
- 400 à 600 kg de brasques usées broyées < 2,5 mm soit 40 à 60% en poids- 400 to 600 kg of crushed spent pot lining <2.5 mm, i.e. 40 to 60% by weight
- 150 à 350 kg d'un 1 er additif du type argile kaolinite à l'état pulvérulent soit 15% à 35% en poids- 150 to 350 kg of a 1st additive of the kaolinite clay type in powder form, ie 15% to 35% by weight
- 150 à 350 kg d'un 2° additif de type ciment à l'état pulvérulent soit 15% à 35% en poids.- 150 to 350 kg of a second cement-type additive in the pulverulent state, ie 15% to 35% by weight.
Pour des proportions pondérales de brasques usées supérieures à 60%, limitant donc à 40% au plus la part des additifs, on constate une dégradation des performances d'insolubilisation du fluor et du sodium (voir tableau 4), quel que soit le degré d'affinement des brasques par broyage. Pour des proportions pondérales de brasques inférieures à 40% en poids, et par suite des proportions pondérales d'additifs supérieurs à 60%, on enregistre d'excellentes performances d'insolubilisation et de consolidation mais le procédé perd de son intérêt économique, le coût de la transformation rapporté au poids de brasques usées traitées devenant prohibitif.For proportions by weight of spent pot lining greater than 60%, thus limiting the proportion of additives to 40% at most, there is a deterioration in the insolubilization performance of fluorine and sodium (see table 4), whatever the degree of refinement of pot lining by grinding. For proportions by weight of pot lining less than 40% by weight, and consequently by weight proportions of additives greater than 60%, excellent insolubilization and consolidation performances are recorded, but the process loses its economic interest, the cost of the transformation related to the weight of used spent pot lining becoming prohibitive.
Une autre caractéristique essentielle du procédé est la mise en forme par agglomération du mélange brasques usées broyées/additifs avant cuisson. Cette mise en forme du mélange pulvérulent par agglomération peut être obtenu par tout moyen de mise en forme des matériaux pulvérulents connus comme la compression ou l'extrusion du mélange à sec ou faiblement humidifié. On obtient ainsi des pastilles ou des granulés que l'on peut ensuite faire grossir et arrondir sous forme de boulettes par granulation, mais de façon encore plus simple par granulation directe du mélange pré-humidifié à un taux d'humidité réglé de préférence entre 15% et 25% du poids de mélange sec, on obtient des boulettes présentant une excellente cohésion comme il sera décrit plus loin dans la mise en oeuvre détaillée du procédé.Another essential characteristic of the process is the shaping by agglomeration of the crushed spent pot lining mixture / additives before cooking. This shaping of the powder mixture by agglomeration can be obtained by any means for shaping known powder materials such as compression or extrusion of the mixture dry or slightly humidified. This gives pellets or granules which can then be enlarged and rounded in the form of pellets by granulation, but even more simply by direct granulation of the pre-humidified mixture at a humidity level preferably set between 15 % and 25% of the weight of the dry mixture, pellets with excellent cohesion are obtained as will be described later in the detailed implementation of the process.
La cuisson ou traitement thermique des boulettes dont le diamètre peut être réglé entre 6 et 20 mm notamment en fonction des conditions de traitement thermique, doit être réalisé à une température d'au moins 700°C pour décomposer les cyanures, mais sans dépasser 950°C pour ne pas risquer un début de dissociation des fluorures déjà stabilisés. La température est réglée de préférence entre 800°C et 900°C (voir tableau 3) . Le temps de cuisson peut varier de l h à 6h selon la nature des additifs et la composition pondérale du mélange, mais surtout selon le mode de cuisson adopté et la dimension moyenne des boulettes. Pour des boulettes identiques le temps de cuisson optimal généralement de 4 heures en lit statique n'est plus que de 3 heures en four à passage avec nacelles et de 1 à 2 heures en four rotatif ou en four à lit fluidisé, ces derniers fours étant particulièrement adaptés au procédé selon l'invention compte tenu de l'excellente cohésion des boulettes en cours de cuisson en dépit des chocs et des effets d'αttrition entre boulettes (voir tableau 2). A noter que si la teneur en carbone des brasques usées est très élevée et permet d'atteindre après mélange une teneur en carbone d'au moins 25% dans les boulettes crues, celles-ci peuvent être utilisées comme combustible d'appoint dans un four d'incinération.Cooking or heat treatment of the pellets, the diameter of which can be adjusted between 6 and 20 mm, in particular depending on the heat treatment conditions, must be carried out at a temperature of at least 700 ° C to decompose the cyanides, but without exceeding 950 ° C so as not to risk the onset of dissociation of the already stabilized fluorides. The temperature is preferably set between 800 ° C and 900 ° C (see table 3). The cooking time can vary from 1 hour to 6 hours depending on the nature of the additives and the weight composition of the mixture, but especially depending on the cooking method adopted and the average size of the pellets. For identical meatballs, the optimal cooking time, generally 4 hours in a static bed, is no more than 3 hours in a pass-through oven with cradles and 1 to 2 hours in a rotary oven or in a fluidized bed oven, the latter being particularly suitable for the process according to the invention taking into account the excellent cohesion of the dumplings during cooking in spite of the shocks and the effects of attrition between dumplings (see table 2). Note that if the carbon content of spent pot lining is very high and makes it possible to reach, after mixing, a carbon content of at least 25% in raw pellets, these can be used as auxiliary fuel in an oven incineration.
Après cuisson le résidu inerte sous forme de boulettes peut être indifféremment mis en décharge, stocké ou réutilisé dans une nouvelle application par exemple comme charge pour remblai.After cooking, the inert residue in the form of pellets can either be landfilled, stored or reused in a new application, for example as a fill for backfill.
Les contrôles effectués sur les boulettes avant, en cours ou après cuisson sont les suivants :The checks carried out on the meatballs before, during or after cooking are as follows:
Test de lixiviation sur boulettes cuites concassées à 4 mm selon norme NF- X31210 ; les fractions lixiviables en fluor et sodium sont dosées et les poids de F et Na rapportés au poids du résidu à l'état de boulette. La concentration en ion fluorure F- dans les jus de lixiviation est également indiquée.Leaching test on cooked pellets crushed to 4 mm according to standard NF-X31210; the leachable fractions of fluorine and sodium are dosed and the weights of F and Na relative to the weight of the residue in the form of pellets. The concentration of fluoride ion F- in the leaching juices is also indicated.
Rejets fluorures gazeux en cours de cuissonGaseous fluoride emissions during cooking
Prélèvement des gaz sous débit contrôlé par un dispositif de captation en sortie de cheminée de four et dosage du fluor exprimé en pourcentage pondéral par rapport au fluor contenu dans le mélange bouleté cru.Sampling of gases under controlled flow rate by a capture device at the outlet of the oven chimney and determination of the fluorine expressed as a percentage by weight relative to the fluorine contained in the raw pelletized mixture.
Tenue mécaniqueMechanical strength
3 types de test sont effectués sur boulettes crues et sur boulettes cuites :3 types of test are carried out on raw dumplings and on cooked dumplings:
a) Test de cohésion effectué avec appareil TURBULA® sur 40 gr de boulettes placées dans un pot cylindrique de 250 ml et soumises pendant 5 min à des turbulences selon 3 axes de rotation successifs : . si après le test le pourcentage de fines recueillies est inférieur à 1% pour les boulettes cuites et à 5% pour les boulettes crues le résultat est bon. La cohésion est jugée mauvaise ou insuffisante si le pourcentage de fines est supérieur à 4% pour les boulettes cuites et à 15% pour les boulettes crues. Dans les plages intermédiaires la cohésion est jugée moyenne ou faible.a) Cohesion test carried out with TURBULA ® device on 40 gr of pellets placed in a 250 ml cylindrical jar and subjected for 5 min to turbulence along 3 successive axes of rotation: . if after the test the percentage of fines collected is less than 1% for cooked meatballs and 5% for raw meatballs the result is good. Cohesion is considered bad or insufficient if the percentage of fines is more than 4% for cooked meatballs and 15% for raw meatballs. In the intermediate ranges, cohesion is considered to be medium or weak.
b) Test de resilience consistant à lâcher les boulettes à 2 mètres de hauteur sur un support acier. Le test consiste en 5 lâchers successifs de 5 boulettes et le résultat est exprimé en pourcentage de boulettes demeurées intactes, et il est donc de 100% si aucune boulette ne se brise. Ce test permet notamment de vérifier la resilience des boulettes lors de la mise en benne.b) Resilience test consisting of dropping the pellets 2 meters high on a steel support. The test consists of 5 successive releases of 5 dumplings and the result is expressed as a percentage of dumplings remaining intact, and it is therefore 100% if no dumpling breaks. This test makes it possible in particular to check the resilience of the pellets during the bucketing.
c) Test de résistance à l'écrasement consistant à lâcher une bille d'acier de 1 1 grammes à 65 cm de hauteur sur une boulette; ceci dans le but de vérifier la résistance des boulettes lors des chargements et déchargements.c) Crush resistance test consisting of dropping a steel ball of 11 grams at a height of 65 cm onto a dumpling; this in order to check the resistance of the pellets during loading and unloading.
Comme précédemment le résultat est exprimé en pourcentage de boulettes demeurées intactes.As before, the result is expressed as a percentage of pellets that have remained intact.
Ces précisions étant données, les résultats les plus significatifs des différents essais effectués sont rassemblés dans les tableaux 2 à 4 ci-après.These details being given, the most significant results of the various tests carried out are collated in Tables 2 to 4 below.
Dans le tableau 2 plus précisément sont regroupés les résultats d'essais d'insolubilisation et de consolidation effectués avec divers additifs Kaolin, feldspath d'une part, ciments d'autre part en mélange dans les proportions pondérales respectives de 25% et 25% avec 50% de brasques usées tout venant broyées entre 0 et 2,5 mm et cela pour des conditions de cuisson standard de 1 h'/ à 900°C. TABLEAU 2In Table 2 more precisely are grouped the results of insolubilization and consolidation tests carried out with various Kaolin additives, feldspar on the one hand, cements on the other hand in mixture in the respective weight proportions of 25% and 25% with 50% spent pot lining all crushed between 0 and 2.5 mm and this for standard cooking conditions of 1 hour / at 900 ° C. TABLE 2
On constate qu'en l'absence de ciment et en dépit d'excellentes performances d'insolubilisation se traduisant par un très faible taux de lixiviation de Na et F ainsi que d'une tenue mécanique après cuisson tout à fait satisfaisante (au moins selon 2 des 3 tests pratiqués), les boulettes préparées à partir du seul mélange binaire brasques/kaolin (essai n°4), présentent une très mauvaise tenue à cru limitant considérablement l'intérêt du procédé pour cette formulation.It is found that in the absence of cement and despite excellent insolubilization performance resulting in a very low leaching rate of Na and F as well as a completely satisfactory mechanical strength after firing (at least according to 2 of the 3 tests performed), the dumplings prepared from the only brazed / kaolin binary mixture (test n ° 4), show very poor raw performance, considerably limiting the advantage of the process for this formulation.
A l'inverse, si on enregistre une tenue à cru tout à fait acceptable des boulettes obtenues à partir des mélanges ternaires brasques/kaolin/ciment (essais 1 , 2 et 3), on peut considérer comme très moyennes leurs performances d'insolubilisation au moins pour les 2 premières formulations dont les taux de lixiviation restent de l'ordre de 0,45 % pour Na et de l'ordre de 0,25 % pour F.Conversely, if we record perfectly acceptable raw strength of the pellets obtained from ternary brazing / kaolin / cement mixtures (tests 1, 2 and 3), we can consider their insolubilization performance as very average. less for the first 2 formulations whose leaching rates remain around 0.45% for Na and around 0.25% for F.
C'est en définitive les mélanges ternaires brasques/feldspath/ciment, qui s'avèrent les plus efficaces dans tous les aspects puisque les boulettes préparées à partir de ces mélanges (essais 5, 6 et 7) présentent une excellente tenue mécanique à la fois avant et après cuisson, (quel que soit le test pratiqué), ainsi que de très bonnes performances d'insolubilisation notamment en ce qui concerne les essais 6 et 7.It is ultimately the ternary brazing / feldspar / cement mixtures, which prove to be the most effective in all aspects since the pellets prepared from these mixtures (tests 5, 6 and 7) exhibit excellent mechanical strength at the same time before and after cooking, (whatever the test used), as well as very good insolubilization performance, in particular with regard to tests 6 and 7.
L'influence des conditions de cuisson sur les performances d'insolubilisation de divers mélanges est étudiée dans le tableau 3 ci-après, qui regroupe les caractéristiques de lixiviation obtenues sur boulettes préparées à partir du mélange binaire (brasques/kaolin) précédent ainsi que de 3 mélanges ternaires (brasques/kaolin/ciment) (brasques/feldspath/ciment) (brasques/kaolin/argile) et cuites dans différentes conditions de température et de durée. TABLEAU 3The influence of the cooking conditions on the insolubilization performance of various mixtures is studied in Table 3 below, which groups together the leaching characteristics obtained on pellets prepared from the preceding binary mixture (pot lining / kaolin) as well as 3 ternary mixes (pot lining / kaolin / cement) (pot lining / feldspar / cement) (pot lining / kaolin / clay) and cooked under different conditions of temperature and duration. TABLE 3
) n° de l'essai correspondant dans le tableau 2 ) n ° of the corresponding test in table 2
On constate (essai n° 1 7) que l'élimination des cyanures est quasi totale après 1 heure de cuisson à 700°C du mélange binaire brasque/kaolin mais que l'insolubilisation des composés fluorés est tout à fait insuffisante. Si après l '/_ de calcination à 900°C les résultats de lixiviation sont excellents (essai n° 18) on constate en revanche une aggravation des pertes en fluor sous forme gazeuse liée à l'absence d'un 2° additif (ciment, argile, CaO ou CaC03) susceptible de consolider les boulettes de résidu mais également de piéger le fluor provenant d'un début de dissociation de certains composés fluorés.It is noted (test No. 1 7) that the elimination of cyanides is almost complete after 1 hour of cooking at 700 ° C. of the brazed binary / kaolin mixture but that the insolubilization of the fluorinated compounds is completely insufficient. If after the calcination / _ at 900 ° C the leaching results are excellent (test no. 18), on the other hand, there is an aggravation of the losses of fluorine in gaseous form linked to the absence of a 2nd additive (cement , clay, CaO or CaC0 3 ) capable of consolidating the residue pellets but also of trapping fluorine originating from the start of dissociation of certain fluorinated compounds.
Les essais relatifs aux mélanges ternaires brasques/kaolin/ciment (n° 8, 9 et 10) et brasques/kaolin/argile (n° 14, 15 et 16) montrent qu'à partir de 3 heures de cuisson à 835°C on obtient des taux de lixiviation pour Na et F tout à fait comparables à ceux que l'on obtient après 1 h1/» de cuisson à 900°C. Ces taux de lixiviation, représentatifs du degré d'insolubilisation des résidus sous forme de boulettes après cuisson, sont encore nettement améliorés si l'on prolonge la durée de cuisson jusqu'à 6 heures mais dans ce cas le coût du traitement est très sensiblement accru et peut devenir prohibitif en terme d'exploitation industrielle.The tests relating to the ternary brazing / kaolin / cement (n ° 8, 9 and 10) and brazing / kaolin / clay (n ° 14, 15 and 16) mixtures show that from 3 hours of cooking at 835 ° C obtains leaching rates for Na and F quite comparable to those obtained after 1 h 1 / "cooking at 900 ° C. These leaching rates, representative of the degree of insolubilization of the residues in the form of pellets after cooking, are further improved if the cooking time is extended to 6 hours, but in this case the cost of treatment is very significantly increased. and can become prohibitive in terms of industrial exploitation.
Dans le tableau 4 ci-après sont consignés les résultats des tests de lixiviation et de tenue mécanique sur mélanges ternaires brasques usées/feldspath FHB 200 et ciment Portland à prise rapide où d'une part on a fait varier le taux de brasques usées (essais n° 19 à 21 ). TABLEAU 4In table 4 below are recorded the results of the leaching and mechanical strength tests on ternary mixtures of used pot lining / FHB 200 feldspar and Portland cement with rapid setting where, on the one hand, the rate of used pot lining was varied (tests n ° 19 to 21). TABLE 4
( ) n° de l'essai correspondant dans les tableaux 2 et 3.() n ° of the corresponding test in Tables 2 and 3.
On enregistre à partir d'un taux de brasques usées de 60% une dégradation significative des performances de lixiviation et donc d'insolubilisation et à un degré moindre des tenues mécaniques après cuisson et donc de la consolidation.From a rate of spent pot lining of 60%, a significant degradation of the leaching performance and therefore of insolubilization is observed, and to a lesser degree the mechanical strength after baking and therefore consolidation.
Comme précédemment indiqué, pour des taux de brasques usées inférieures à 40% le procédé selon l'invention s'applique d'autant mieux sur le plan des performances mais qu'en revanche son coût d'exploitation devient prohibitif.As previously indicated, for spent pot lining rates of less than 40%, the method according to the invention applies all the better in terms of performance but, on the other hand, its operating cost becomes prohibitive.
MISE EN OEUVRE DE L'INVENTIONIMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Le procédé selon l'invention sera mieux compris par la description détaillée de sa mise en oeuvre se fondant sur la figure 1 qui est la représentation schématique des étapes successives du procédé. Une tonne de brasques usées 1 provenant du débrasquage à sec des cuves d'électrolyse de production d'aluminium et constituant un mélange tout venant de réfractaires silico-alumineux et de blocs carbonés de granulométrie 0-700 mm est concassée puis broyée A pour obtenir un produit pulvérulent 2 de granulométrie 0-2,5 mm dont les teneurs pondérales en carbone, fluor, sodium, silicium et cyanure sont respectivement de 38,4%, 9,2%, 14,6%, 1 1 ,1 % et 0,12%.The method according to the invention will be better understood from the detailed description of its implementation based on FIG. 1 which is the schematic representation of the successive stages of the method. One tonne of spent pot lining 1 coming from the dry unmasking of aluminum production electrolysis tanks and constituting a complete mixture of silico-aluminous refractories and carbon blocks with a particle size of 0-700 mm is crushed and then ground A to obtain a powder product 2 with a particle size of 0-2.5 mm, the weight contents of carbon, fluorine, sodium, silicon and cyanide being 38.4%, 9.2%, 14.6%, 1 1, 1% and 0 respectively , 12%.
Le produit pulvérulent 2 est mélangé B avec d' une part 500 kg d'un premier additif pulvérulent 3 constitué par du feldspath FHB200 (feldspath sodique type albite dont une analyse type figure au tableau 1 ) et d'autre part 500 kg d'un second additif pulvérulent 4 constitué par du ciment Portland à prise rapide par exemple ciment Lafarge CEM 52, 5 .The pulverulent product 2 is mixed B with on the one hand 500 kg of a first pulverulent additive 3 consisting of feldspar FHB200 (sodium feldspar albite type, a typical analysis of which is given in table 1) and on the other hand 500 kg of a second powder additive 4 consisting of Portland cement with rapid setting, for example Lafarge CEM cement 52, 5.
Le mélange pulvérulent résultant 5 est humidifié par pulvérisation d'eau 6 à raison de 15% à 25% du poids de mélange sec avant d'être mise en forme C à l'état de boulettes dans un granulateur constitué par un plateau circulaire incliné et en rotation permettant la formation de petits nodules. Ces nodules grossissent par enrobage au contact du mélange pulvérulent humidifié 5 recyclé en permanence, pour former des boulettes de plus en plus grosses qui sont évacuées du dispositif lorsqu'elles atteignent le calibre désiré, généralement un diamètre compris entre 6 mm et 20 mm et fixé dans le cas présent à 10 mm.The resulting powder mixture 5 is moistened by spraying water 6 at a rate of 15% to 25% of the dry mix weight before being C-shaped in the state of pellets in a pelletizer constituted by an inclined circular table and in rotation allowing the formation of small nodules. These nodules grow by coating in contact with the humidified pulverulent mixture 5 which is continuously recycled, to form increasingly large pellets which are removed from the device when they reach the desired size, generally a diameter of between 6 mm and 20 mm and fixed in this case 10 mm.
Les boulettes crues 7 calibrées au diamètre de 10 mm et dont le volume spécifique avant cuisson est compris entre 1 et 1 ,2 g/cm3 sont ensuite cuites pendant l h'/i à 900°C D dans un réacteur à lit fluidisé en réglant de façon appropriée le débit d'air de fluidisation. Le contrôle de la teneur en fluor des gaz sortant à débit constant du réacteur est effectué par prélèvement d'un échantillon gazeux toutes les 15 minutes. Les boulettes cuites 8 représentant 1600 kg de résidu sont ensuite soumises aux différents tests de contrôle d'insolubilisation (selon norme NF-X31210) et de tenue mécanique. Les résultats suivants ont été obtenus :The raw dumplings 7 calibrated with a diameter of 10 mm and whose specific volume before cooking is between 1 and 1, 2 g / cm 3 are then baked for 1 hour at 900 ° CD in a fluidized bed reactor by adjusting appropriately the fluidization air flow. The fluorine content of the gases leaving the reactor at constant flow rate is checked by taking a gas sample every 15 minutes. The cooked pellets 8 representing 1600 kg of residue are then subjected to the various insolubilization control tests (according to standard NF-X31210) and mechanical strength. The following results were obtained:
Fluor lixiviable % = 0,1Leachable fluorine% = 0.1
Na lixiviable % = 0,1 7 tenue mécanique : a) test de cohésion (Turbula) : bonne (<1 % de fines) b) test de resilience : 100 % c) test de résistance à l'écrasement : 84 %.Na leachable% = 0.1 7 mechanical strength: a) cohesion test (Turbula): good (<1% of fines) b) resilience test: 100% c) crush resistance test: 84%.
A noter que sur ce même lot de boulettes cuites 8 des essais de lixiviation ont été pratiqués, selon 2 autres normes (E.P.A aux Etats-Unis et M.E.N.V.I.Q au Canada.). Les résultats enregistrés sont également dans les limites autorisées avec respectivement :Note that on this same batch of cooked dumplings 8 leaching tests were carried out, according to 2 other standards (E.P.A in the United States and M.E.N.V.I.Q in Canada.). The results recorded are also within the authorized limits with respectively:
- selon E.P.A. Fluor lixiviable % = 0,07- according to E.P.A. Leachable fluorine% = 0.07
Na lixiviable % = 0,65 - selon M.E.N.V.I.Q. Fluor lixiviable % = 0,006Na leachable% = 0.65 - according to M.E.N.V.I.Q. Leachable fluorine% = 0.006
Na lixiviable % = 0,55.Na leachable% = 0.55.
Les faibles taux de lixiviation enregistrés, bien inférieurs aux normes en vigueur actuellement (F lixiviable < 0,5%), ainsi que l'excellente tenue mécanique des boulettes ont autorisé la mise en décharge publique 8a du lot 8 de 1600 kg de résidu inerte sous forme de boulettes dont une fraction 8b a été prélevée pour constituer une charge d'appoint dans un remblai. The low leaching rates recorded, much lower than the standards currently in force (F leachable <0.5%), as well as the excellent mechanical strength of the pellets authorized the landfill 8a of lot 8 of 1600 kg of inert residue in the form of pellets of which a fraction 8b was taken to constitute a make-up charge in an embankment.

Claims

REVENDICATIONS
. Procédé d'insolubilisation et de consolidation sous forme de boulettes de brasques usées provenant des cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium comportant le broyage desdites brasques constituées de produits carbonés et de produits silico-alumineux imprégnés de composés alcalins fluorés et cyanures ainsi que leur mélange intime avec divers additifs pulvérulents réfractaires avant traitement thermique ou cuisson caractérisé en ce qu'après introduction : - d'un premier additif destiné lors de la cuisson à fixer les métaux alcalins, notamment le sodium, provenant des composés fluorés et qui est choisi dans le groupe des silicoaluminates, puis d'un second additif destiné lors de la cuisson, d'une part à se combiner, avec ou sans fusion, avec les composés fluorés d'imprégnation pour former de nouveaux composés stables et insolubles tels que CaF2, d'autre part, par sa fraction excédentaire non combinée, à assurer avant, mais surtout pendant et après cuisson, la consolidation du mélange, ledit second additif étant choisi dans le groupe des oxydes et sels de calcium et de préférence des ciments et mortiers calcaires, on effectue une mise en forme par agglomération sous forme de boulettes du mélange intime de vieilles brasques broyées avec lesdits premier et second additifs pulvérulents avant cuisson à une température comprise entre 700°C et 950°C.. Insolubilization and consolidation process in the form of spent pot lining pellets from electrolytic cells for the production of aluminum comprising the grinding of said pot lining consisting of carbonaceous products and silico-aluminous products impregnated with fluorinated alkaline compounds and cyanides as well as their intimate mixing with various refractory pulverulent additives before heat treatment or cooking, characterized in that after introduction: - of a first additive intended during cooking to fix the alkali metals, in particular sodium, coming from fluorinated compounds and which is chosen in the group of silicoaluminates, then of a second additive intended during cooking, on the one hand to combine, with or without fusion, with the fluorinated compounds of impregnation to form new stable and insoluble compounds such as CaF2, on the other hand, by its non-combined excess fraction, to be insured before, but especially during and after c uisson, the consolidation of the mixture, said second additive being chosen from the group of calcium oxides and salts and preferably cements and calcareous mortars, an intimate shaping is carried out in the form of pellets of the intimate mixture of old pot liners crushed with said first and second powder additives before baking at a temperature between 700 ° C and 950 ° C.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les vieilles brasques sont broyées jusqu'à une dimension de particule inférieure à 5 mm et de préférence inférieure à 2,5 mm. 2. Method according to claim 1 characterized in that the old pot liners are ground to a particle size of less than 5 mm and preferably less than 2.5 mm.
3. Procédé selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que ledit premier additif choisi dans le groupe des silicoaluminates est une argile ou un feldspath.3. Method according to claims 1 or 2 characterized in that said first additive chosen from the group of silicoaluminates is a clay or a feldspar.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit second additif choisi dans le groupe des oxydes des sels de calcium est CaO ou CaC03.4. Method according to any one of claims 1 to 3 characterized in that said second additive chosen from the group of oxides of calcium salts is CaO or CaC0 3 .
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit second additif choisi dans le groupe des ciments et mortiers calcaires est du ciment Portland.5. Method according to any one of claims 1 to 3 characterized in that said second additive chosen from the group of limestone cements and mortars is Portland cement.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la proportion pondérale de vieilles brasques broyées dans ledit mélange intime est compris entre 40% et 60%.6. Method according to any one of claims 1 to 5 characterized in that the weight proportion of old pot lining crushed in said intimate mixture is between 40% and 60%.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la proportion pondérale du premier additif est comprise entre 15% et 35%.7. Method according to any one of claims 1 to 6 characterized in that the weight proportion of the first additive is between 15% and 35%.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que les proportions pondérales du second additif sont comprises entre 15% et 35%.8. Method according to any one of claims 1 to 7 characterized in that the weight proportions of the second additive are between 15% and 35%.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la mise en forme par agglomération sous forme de boulettes est réalisée par compression ou extrusion du mélange préhumidifié suivie d'une granulation. 9. Method according to any one of claims 1 to 8 characterized in that the shaping by agglomeration in the form of pellets is carried out by compression or extrusion of the prehumidified mixture followed by granulation.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la mise en forme par agglomération sous forme de boulettes est réalisée par granulation directe du mélange préhumidifié à un taux d'humidité réglé entre 15% et 25% du poids de mélange sec et jusqu'à un diamètre de boulettes compris entre 6 mm et 20mm.10. Method according to any one of claims 1 to 8 characterized in that the shaping by agglomeration in the form of pellets is carried out by direct granulation of the prehumidified mixture at a humidity level set between 15% and 25% by weight dry mix and up to a diameter of pellets between 6 mm and 20mm.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la température de cuisson des boulettes est fixée de préférence entre 800°C et 900°C.1 1. Process according to any one of Claims 1 to 10, characterized in that the temperature for cooking the pellets is preferably set between 800 ° C and 900 ° C.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1 caractérisé en ce que la durée de cuisson des boulettes est comprise entre 1 heure et 6 heures.12. Method according to any one of claims 1 to 1 1 characterized in that the cooking time of the pellets is between 1 hour and 6 hours.
13. Procédé selon la revendication 12 caractérisé en ce que la durée de cuisson des boulettes est comprise entre 1 heure et 2 heures.13. Method according to claim 12 characterized in that the cooking time of the pellets is between 1 hour and 2 hours.
14. Procédé selon la revendication 13 caractérisé en ce que la cuisson des boulettes est effectuée en four rotatif ou en four à lit fluidisé.14. The method of claim 13 characterized in that the cooking of the pellets is carried out in a rotary oven or in a fluidized bed oven.
15. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que la cuisson des boulettes crues dont la teneur en carbone est au moins de 25% est effectuée en four d'incinération où elles font fonction de combustible d'appoint.15. Method according to claim 14 characterized in that the cooking of the raw pellets whose carbon content is at least 25% is carried out in an incineration oven where they act as auxiliary fuel.
1 6. Application des boulettes issues du procédé selon les revendications 1 à 14 à la fabrication de remblais. 1 6. Application of the pellets from the process according to claims 1 to 14 for the manufacture of embankments.
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