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Recyclage des boues de hauts fourneaux

Sommaire

La quasi-totalité du fer et de l’acier produit dans le monde est fabriquée à partir de fonte brute produite dans des hauts-fourneaux (BF pour Blast Furnace, en anglais). Cependant, les poussières et surtout les boues générées au cours de ce processus représentent un grand défi en ce qui concerne la pérennité de cette industrie à forte consommation de matériaux et d’énergie.

Lors de la production de fonte brute dans un haut fourneau, une boue contenant du Zn et du Pb est générée dans le système de contrôle de la pollution de l’air. Plus de la moitié de la masse entrante est transformée en sortie sous forme de gaz résiduels et de déchets/sous-produits solides. Ces déchets toxiques peuvent être mis en décharge après déshydratation et prétraitement, ce qui est très coûteux. Les particules de boue contiennent de grandes quantités de Fe et de C qui pourraient être recyclées dans le four. Cependant, la teneur en Zn des boues est élevée et l’apport de Zn dans le haut fourneau doit être limité. Pour pouvoir réutiliser les boues générées, le Zn doit donc être éliminé autant que possible (la majeure partie est concentrée dans les <20 µm).

Au fil des années et sur la base de son savoir-faire dans le domaine du traitement mécanique par voie humide, AKW Equipment and Process Design a été en mesure de développer les bons concepts de processus capables de résoudre le problème et de générer une boue dont la teneur en Zn est réduite, et donc réutilisable. Il n’existe cependant pas de concept standard pour une station de traitement des boues issues de BF, car chaque conception de procédé et chaque agencement de station dépendent principalement de la nature des boues d’alimentation, et seront donc basés sur des travaux d’essais pilotes réalisés dans le laboratoire technique de AKW Equipment and Process Design.

Sur la base des résultats des tests, la solution de procédé adaptée et personnalisée peut être développée, discutée et ensuite conçue et exécutée par AKW Equipment and Process Design. Ce concept de procédé unique est présenté dans le document suivant : hydrocyclonage en plusieurs étapes, combiné à un épaississement et à un filtre-presse.

Introduction

La quasi-totalité du fer et de l’acier produit dans le monde est fabriquée à partir de fonte brute produite dans des hauts fourneaux.
Un haut fourneau typique se compose d’une coque cylindrique en acier revêtue de réfractaire. La partie inférieure du four, appelée bosh, est équipée de plusieurs ouvertures tubulaires par lesquelles l’air est pulsé. Près du fond du bosh se trouve une ouverture cylindrique par lequel s’écoule la fonte en fusion lorsque le four n’est pas alimenté. Au-dessus de cette ouverture se trouve une autre ouverture pour l’évacuation du laitier. Le haut du fourneau contient des évents pour les gaz qui s’échappent et une paire de trémies rondes commandées par des vannes par lesquelles la charge est introduite dans le four. Les hauts-fourneaux modernes sont exploités conjointement avec des fours à oxygène, la fonte brute fondue est utilisée pour charger les fours à acier.

Selon la World Steel Association, la production totale d’acier brut a atteint environ 1,875 million de tonnes en 2019, soit une augmentation de 2,7 % par rapport à 2018. Les prévisions pour 2020 et 2021 font état d’une nouvelle croissance, pour atteindre jusqu’à 1 952 millions de tonnes.

Le haut fourneau est alimenté en acier, en ferraille, en coke, en métaux recyclés , etc. L’air polluée qui en résulte, et qui contient de grandes quantités de poussières contaminées, est dépoussiéré par cyclonage de l’air, puis nettoyé dans un laveur humide. Ce processus complet génère une matière noire, appelée boue, qui contient de nombreux polluants, tels que le zinc et le plomb, ainsi qu’une grande quantité de carbone.

Traitement des boues de hauts fourneaux : Objectif, moyens et résultats

L’industrie sidérurgique est une industrie à forte consommation de matières premières et d’énergie. Plus de ½ de la masse entrante est transformée en sortie sous forme de gaz et de déchets/sous-produits solides. Le taux de réutilisation et de recyclage des déchets solides et des sous-produits a considérablement augmenté au cours des 30 dernières années. Cependant, des quantités considérables sont encore mises en décharge. Les poussières et les boues, en particulier, représentent un défi de taille pour l’amélioration de la durabilité globale nécessaire.

Si l’on considère uniquement le marché européen, pour un apport total (minerai de fer, ferraille, charbon, chaux, calcaire, carburant et gaz, additifs,…) de l’ordre de 311 tonnes, la production d’acier brut ne s’élève qu’à 155 tonnes, le reste finissant sous forme de déchets.

Les principales sources de poussières et de boues dans l’industrie du fer et de l’acier proviennent des usines de frittage, des hauts fourneaux (BF), des fours à oxygène (BOF) et des fours électriques (EAF). Si l’on considère la teneur en Zn, on sait que la majeure partie est concentrée dans la fraction < 20 µm, et c'est donc là qu'il faut concentrer les efforts de traitement.

Les tableaux ci-dessous montrent la différence entre la teneur en Zn des déchets secs dépoussiérés et celle des boues . Les boues de l’épurateur humide contiennent beaucoup plus de Zn et de Pb par unité de quantité.

Composition des poussières sèches
CFEPBZnSiO2CaOMgO
(%)25 – 4015 – 400.02 – 0.070.1 – 0.54 – 82 – 80.3 – 2
Table 2: composition chimique typique de la poussière sèche (% massique)
Composition des poussières humides
CFEPBZnSiO2CaOMgO
(%)15 – 477 – 350.9 – 2.01 – 103 – 93.5 – 183.5 – 17
Table 3: composition chimique typique de la poussière humide (% massique)

L’analyse fractionnée montre que les polluants s’accumulent dans la fraction fine < 20 µm. Cela est dû à la grande surface spécifique des particules de cette fraction, qui attirent la majeure partie de la pollution par le Zn. L'objectif est donc d'éliminer cette fraction fine.

(mm)– 0.020.02 – 0.0320.032 – 0.0630.063 – 0.090.09 – 0.1250.125 – 0.180.18 – 0.2
(%)2.820.640.280.210.140.180.08
Table 4: détail de la fraction contenant le Zn

Sachant que la majeure partie du Zn indésirable est concentrée dans les fractions fines inférieures à 20 µm, la tâche consiste à classifier les boues . En combinaison avec le processus de classification, il faut également tenir compte de la manipulation spéciale des boues, notamment pour l’essorage , afin d’obtenir un matériau à faible teneur en eau.

Pour cette application spéciale, la technologie d’AKW Equipment and Process Design s’est avérée être la solution appropriée : hydrocyclage multi-étapes à haute performance, combiné à un clarificateur et à la solution d’essorage appropriée (sélectionnée sur la base des spécificités du client).

Le schéma type ci-dessous montre le processus de séparation de la fraction de produit réutilisable et de concentration de la partie Zn dans la fraction fine.

Le processus commence par un pré-criblage pour séparer les matériaux grossiers, suivi d’un processus d’hydrocyclonage en plusieurs étapes (généralement 2) où la surverse dans lequel les métaux lourds se sont accumulés est dirigé vers un épaississeur pour une concentration plus élevée. Après une déshydratation supplémentaire par l’intermédiaire d’ un filtre-presse ou un filtre, le rejet peut etre mis au rebut. La sousverse de la première étape d’hydrocyclonage sera dirigée après dilution vers une deuxième étape où la sousverse génère la boue réduite en Zn qui peut être réutilisée dans le haut fourneau.

Cette solution permet de réduire de 50 à 80 % la quantité de déchets à mettre en décharge.

Description de l’équipement

Distributeur d’hydrocyclones AKA-SPIDER, équipé d’hydrocyclones AKA-VORTEX

Hydrocyclones AKA-VORTEX :

L’hydrocyclone conique, dont le flux rotatif est généré par la pression d’une pompe, est un dispositif de séparation utilisé depuis longtemps dans les technologies de traitement et de préparation. Son avantage réside dans sa capacité à générer, dans un espace limité, une taille de coupe fine et très efficace sur des particules solides en suspensions dan l’eau .

Clarificateurs à haute performance AKA-SET

AKA-SET Clarificateur

Les clarificateurs haute performance AKA-SET sont utilisés pour le traitement des eaux de process et l’épaississement des boues. Ils sont disponibles en version plate ou conique.L’alimentation des boues , floculées en amont , est située au centre de nos clarificateurs . La conception de nos clarificateurs permet une vitesse de sédimentation plus élevée et donc de définir de épaississeur avec des diamètres plus petits que nos concurrents .

AKA-PRESS filtres presse

Déshydratation des boues :

Des filtres-presses à chambre discontinue ou des filtres-presses à bande seront utilisés pour déshydrater les différents types boues, tel que les boues à teneur réduite en zinc provenant des cyclones AKA-VORTEX ou les boues enrichies en zinc provenant de l’épaississeur AKA-SET.

Cette installation unique, entièrement développée par AKW Equipment and Process Design, était déjà considérée par la Commission Européenne comme la meilleure technologie disponible (BAT Best Available Technologie, en anglais) et figure dans son rapport sur la Prévention et la Réduction de la Pollution.

Comme il n’existe pas de concept standard pour une unité de traitement des boues BF et que la conception et le design de l’installation dépendent principalement de la nature des boues d’alimentation, les essais pilotes constituent une première étape importante pour déterminer le meilleur procédé.Le laboratoire technique et le centre d’essais sont dotés d’une gamme complète d’équipements de traitement, garantissant l’efficacité des tests et des résulats . Combinés aux capacités de mesure (microscope numérique 3D, système XRF, analyseur laser de la taille des particules), ces essais pilotes complets qui sont effectués uniquement chez AKW Equipment and Process Design, nous permettent de concevoir des procédés qui garantissent les performances des matériels installés pour la production .

Les deux références suivantes présentent tous les processus d’AKW equipment + Process Design . Nos méthodologie

Projet N°1

En 2019, un client européen nous a contactés pour réaliser le projet d’étude pour une installation pilote pour l’extraction du Zn des boues BF. Dans un premier temps, des tests complets ont été réalisés dans notre centre de tests . Les résultats de ces tests ont montré ce qui suit :

(AKA-Vortex RWS 105 II G) % massiqueBoues primaire Etage 1 pour les fractions fines ( O/F ) Etage 1 pour les fractions grossières Etage 2 pour les fractions grossières
SiO29,196,368,468,04
AI2O34,493,813,223,01
Fe2O33,4217,435,635,2
TiO20,190,090,190,20
K2O0,530,460,460,44
Na2O0,130,020,260,08
CaO7,264,367,227,02
MgO1,791,532,042,02
PbO0,531,570,080,03
BaO0,030,030,030,03
SO36,9710,82,401,92
MnO0,320,150,360,36
P2O50,210,210,150,13
ZrO20,03< 0,01< 0,01< 0,01
ZnO5,6113,01,130,64
L.O.I. 1025°C28,239,638,240,7
  • Le calcul du bilan matière a montré qu’après la classification en deux étapes, 80 % des matériaux pouvaient être récupérés
  • En outre, près de 85 % du Fe2O3 a pu être récupéré dans la fraction réutilisable
  • La teneur en ZnO, initialement de 5,61 % dans la matière première, a pu être réduite à 0,64 % dans la fraction réutilisable.
  • La teneur en PbO, qui était de 0,53 % dans la matière première, a pu être réduite à 0,03 % dans la fraction réutilisable.
  • Plus de 80 % du ZnO a été séparé dans la fraction fine.
  • Plus de 90 % de la teneur en PbO a été séparée dans la fraction des fines

Sur la base des tests effectués et des résultats obtenus , un process de traitement requis a été définis . Compte tenu de l’usine de traitement existante, une évaluation a été réalisée sur site afin d’identifier où et comment les étapes de traitement supplémentaires pourraient être réalisées :

  • Une amélioration de l’unité existante est-elle possible ?
  • Les matériels supplémentaires peuvent-ils être ajoutés à l’installation existante ?

Après des recherches intensives et des discussions avec le client, un arrangement spécifique a été convenu : les boues provenant des trois décanteurs seront dirigées vers la nouvelle installation de traitement. Avec la nouvelle installation, 2 fractions de boues seront évacuées :

  • La fraction réutilisable, réduite en Zn, sera pompée directement dans un filtre à une bande.
  • Les boues fines riches en Zn, seront dirigées vers l’épaississeur et traitées par un autre filtre à bande.

Les étages hydrocylcloniques définies par nos services techniques , en utilisant les technologies et les logiciels les plus récents afin assurer un fonctionnement optimal ( optimisation des débits , intégration des pertes de charges )

Le débit d’alimentation, sur la base des 3t/h solides mesurées dans les 60-80 m3/h de boue, est calculé a 72 t/j

Afin d’assurer le bon fonctionnement des hydrocyclones, la boue d’alimentation de l’installation doit être précriblée à 2 mm pour séparer les particules grossières .Afin d’améliorer encore les performances du procédé , la surverse du deuxième étage de cyclonage est redirigée vers l’alimentation de la première étage de cyclonage . L’alimentation du deuxième étage de cyclonage est également dilué avec de l’eau de process . Les boues à forte teneur en Zn sont dirigées vers l’épaississeur existant pour y être concentrées et déshydratées par une presse à bande. Les boues à teneur réduite en Zn sont évacuées des hydrocyclones du deuxième étage et dirigées vers l’autre presse à bande pour la déshydratation. Une troisième presse à bande est en mode d’attente. La décharge des presses à bande tombe directement dans un camion de transport qui renvoie la fraction réutilisable à l’aciérie et la fraction riche en Zn à la décharge.

Projet N° 2

En 2021, un client européen nous a contactés pour soutenir son projet de recyclage et de déshydratation des boues de hauts fourneaux.L’objectif est de concevoir , fournir, d’installer, de démarrer, de mettre en service et de garantir les performances d’une unité de séparation basée sur nos hydrocyclones AKA-VORTEX et la technologie de l’épaississeur AKA-SET.. Le projet comprend la classification et la déshydratation des boues contenant du Zn, qui permettra de recycler une matière première à faible teneur en Zn (moins de 0,5% de concentration).Le système doit être conçu de manière à traiter indifféremment différents types de boues (concentrées en Zn et à faible teneur en Zn).

Les tests effectués par notre équipe spécialisée ont donné les résultats suivants :

Paramètres Alimentation Premier étage de classification Deuxième étage de classification
w/w-%Raw sludgeFines (O/F – F1)Coarse (U/F – G1)Fines (O/F- FW1)Coarse (U/F – GW1)
SiO27,786,147,208,487,57
AI2O32,701,972,402,762,48
Fe2O338,720,539,832,241,8
TiO20,110,070,110,110,12
K2O0,420,410,350,390,35
Na2O0,24< 0,020,70< 0,020,35
CaO3,491,983,313,103,43
MgO0,870,630,790,970,82
PbO0,170,880,110,630,03
BaO0,020,020,030,020,02
SO33,0110,12,376,241,39
MnO0,180,100,170,140,19
P2O50,120,160,110,150,11
ZrO2< 0,01< 0,01< 0,01< 0,01< 0,01
ZnO2,1713,11,707,960,47
L.O.I. 1025°C39,943,740,736,640,8

Avec tous ces éléments nous avons définis un flowsheet comme suit :

Un débit de 52t/ jour de boues primaires, avec un débit d’eau process de 650 m3/jour a 8 % de concentration solide, sera traité par un système à plusieurs étages de cyclonage .

Pour garantir un fonctionnement sans problème des hydrocyclones, la boue d’alimentation de l’unité de traitement doit être précriblée à 2 mm afin de séparer les gros morceaux mal placés. Afin d’améliorer encore les performances du processus, l’alimentation de l’étage cyclonique 1 est diluée avec le trop-plein de l’étage cyclonique 2 ; la capacité d’alimentation de l’étage 1 est donc considérée comme plus élevée. De la même manière, l’alimentation du deuxième étage est diluée avec de l’eau de traitement afin d’atteindre une concentration d’alimentation traitable. Les boues à teneur réduite en zinc sont évacuées des hydrocyclones du deuxième étage et dirigées vers l’un des réservoirs déjà disponibles pour une déshydratation plus poussée par filtre-presse. Les boues à forte teneur en zinc sont concentrées par un épaississeur en vue d’une déshydratation ultérieure par filtre-presse. La décharge de l’épaississeur sera pompée vers le deuxième des réservoirs disponibles.

AKW Equipment and Process Design a conçu un processus complet pour l’unité de classification de traitement en continu des boues

  • Contrôle du niveau dans les bassins de pompage
  • Vannes de dosage automatisées pour les flux de recyclage
  • Contrôle de la pression des hydrocyclones
  • Programmation, système de contrôle et tableau de distribution

Conclusion

Pour le traitement des hauts fourneaux , Les hydrocyclones AKA-VORTEX qui sont fabriqués en polyuréthane (PU) très résistant à l’usure et à la température sont les matériels indispensables . Notre concept de double cyclonage qui génère deux flux indépendants , permet de réduire considérablement la concentration du Zn dans les boues . Les sousverses qui génère une fraction réutilisable contenant une teneur en Zn réduite et acceptable, les surverses un flux de déchets dans lequel la teneur en Zn est concentrée à la hausse. Grâce à la haute qualité du polyuréthane utilisé dans la fabrication des hydrocyclones, l’usure est minimisée, ce qui augmente la durée de vie des pièces et optimise les coûts d’exploitation.

Les clarificateurs AKA-SET sont fabriqués avec des matériaux anti-corosion et garnis à l’intérieur (caoutchouc, polyuréthane ou céramique). L’objectif est de concentrer les boues de lavage pour ensuite être traitées dans des filtres presses ou des presses à bande.

Comme il n’existe pas de concept (procédé, design, etc … ) standard pour une unité de traitement des boues issues des hauts fourneaux , car tout dépend de la nature de ces boues , AKW Equipment and Process Design propose, dans notre centre de tests, des essais pilotes . C’est ce qui d’ailleurs nous différencie de nos concurrents .

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