COURS_DE_PROCÉDÉS_INDUSTRIELS_ET_ENVIRONNEMENT-1.pptx

INSTITUT DES TECHNIQUES
APPLIQUEES – KOLWEZI
BAC II, TS
COURS DE PROCÉDÉS INDUSTRIELS ET
ENVIRONNEMENT
K. BREST KASONGO , M.Eng, PhD student*
Francine MANENE, M.Sc Student**
*Department of Metallurgy, University of Johannesburg, Doornfontein
Campus, P.O.
Box 17911, Johannesburg 2028, South Africa
**Departement de Chimie Industrielle, Université de Lubumbashi,
Campus de Kassapa, Lubumbashi, DRC
Janvier 2023

Charge
horaire
‒ 75 H : Credit : 3;
‒ Théories : 50 H;
‒TP : 10 H;
‒TPE : 10 H.

Méthodes
pédagogiques
‒Exposés à l’aide des diapositives ;
‒Interactions avec les apprenants ;
‒Vidéotheque : projections des
courtes séquences vidéos pour
illustrer certains concepts ;
‒Livres disponibles en bibliothèque
ou sur des portails scientifiques en
ligne.

Contrôle des
connaissances
Évaluation essentiellement écrite avec
possibilité des QCM.
- Interrogation : 25 % ;
- Travaux dirigés : 10 % ;
- Travaux pratiques : 15 % ;
- Examen : 50 %.

Plan sommaire
1. Généralités sur les procédés et l’environnement
2. Types de pollutions
3. Cycle de l’eau
4. Production d’acide sulfurique et les problèmes environnementaux
5. Production d’acide Nitrique et les problèmes environnementaux
6. Elaboration des métaux (Cu et Co) et les problèmes environnementaux
7. Production du ciment et les problèmes environnementaux
8. Production de lubrifiant et les problèmes environnementaux
9. Production du Carburant liquide et les problèmes environnementaux
10. La remédiation environnementale (Bioremédiation)
- Traitement de l’eau
- Traitement de des déchets, des boues et des sites pollués
11. Développement durable

1. Généralités sur les procédés et
l’environnement
Le génie des procédés concerne l’ensemble des sciences et technologies
qui permettent les transformations physico-(bio)chimiques optimales des
matières premières et des énergies en produits utiles aux consommateurs.
Pour répondre aux besoins des industries chimiques et annexes qui doivent
satisfaire à la fois des demandes économiques changeantes et rester
mondialement compétitives, le génie des procédés moderne doit
appréhender à la fois la demande des marchés pour des produits à
propriétés d’usage définies aux nano et micro-échelles de temps et
d’espace et les contraintes sociales et environnementales des procédés
industriels aux échelles méso et macro de production. Il doit répondre au
défi de proposer des procédés comportant des technologies durablesour
des produits verts « sustainable technology for
green product ».

1. Généralités sur les procédés et
l’environnement
Nous verrons que cela requiert une démarche scientifique comportant une
approche système intégré multidisciplinaire et multiéchelle de longueur et de
temps, appliquée aux différents processus moléculaires et de transferts
souvent couplés qui interviennent aux différentes échelles de la chaîne de
production chimique : c’est-à-dire bien comprendre comment les
phénomènes à une échelle déterminent les propriétés et comportements à
l’échelle supérieure et ce, depuis l’échelle moléculaire jusqu’aux échelles du
site de production.
Nous verrons aussi que cette approche multiéchelle, l’approche verte du
génie des procédés qui combine à la fois un attrait des marchés (« market
pull ») et une demande d’innovation technologique (« technology push ») est
menée avec quatre objectifs principaux qui sont fortement mobilisés sur
l’intensification des procédés et sur le génie du couple « produits
verts/procédés verts ».

1.1. Objectifs
Le but est de produire beaucoup plus et mieux en consommant
beaucoup moins, et de produire des molécules plus durables
possédant des enjeux environnementaux et économiques avec
des technologies et procédés innovants conduisant à une
meilleure utilisation des matières premières et de l’énergie.

2. Types de pollutions
2.1. Pollution atmospherique
2.1.1. Milieu atmosphérique
L’air est l’un des éléments nécessaires à la vie, et celui que nous consommons en
plus grande quantité : 14 kg d’air en moyenne chaque jour, pour 1,5 kg de nourriture
et 2 kg d’eau. L’atmosphère joue également un rôle majeur vis-à-vis de la régulation
des climats et le maintien des conditions de vie de la biosphère. Cependant, la qualité
de l’air n’a rien d’immuable dans le temps et dans l’espace car sa composition résulte
d’équilibres complexes entre d’une part des apports permanents de matière
provenant de sources naturelles ou liés aux activités humaines et d’autre part,
l’élimination et le recyclage continu de cette matière par divers mécanismes physico-
chimiques (dépôts secs et humides de gaz et particules, transformations dans
l’atmosphère, assimi-lation par la végétation, les océans...). Que le bilan de ces
échanges soit perturbé – notamment sous l’effet de l’activité humaine – et la
composition de l’air s’en ressent, avec pour risques des effets indésirables sur la
santé et l’environnement.

2.1.2. déterminants de sa qualité
L’atmosphère terrestre concernée par les problèmes de pollution
s’étend jusqu’à 50 km d’altitude environ. Elle est classiquement
subdivisée en deux grands domaines : la troposphère d’une part
(du sol à 10 km d’altitude environ) et la stratosphère d’autre part
(entre 10 et 50 km d’altitude environ). Ces régions se distinguent
notamment par leur taux de variation de la température de l’air
avec l’altitude (la température moyenne de l’air diminue avec
l’altitude dans la troposphère, mais tend à augmenter dans la
stratosphère).

2.1.3. types de polluants de l’air
Parmi les polluants directement émis dans l’air, ou polluants
primaires, on trouve des composés du soufre et de l’azote
(oxydes de soufre, oxydes d’azote...), des oxydes de carbone et
des composés organiques volatils, (solvants, hydrocarbures...),
des particules et des métaux (plomb, mercure, cadmium,
arsenic...). Ces polluants peuvent évoluer chimiquement dans
l’atmosphère pour former des polluants secondaires, qui sont à
l’origine de la pollution photochimique et des pluies acides.

2.2. Pollution du sol
Dans les sols, les polluants se répartissent en fonction de leur densité,
de leur solubilité dans l’eau, de leur volatilité et de leur capacité à
s’adsorber sur la matrice solide du milieu poreux, entre la zone
insaturée, qui correspond à la couche de sol située au-dessus du
niveau piézométrique, et la zone saturée qui constitue l’aquifère.
Les composés rencontrés dans les sites pollués sont d’origine
organique ou minérale. Les principaux polluants organiques sont des
hydrocarbures (carburants et combustibles) et des produits halogénés
(solvants chlorés, polychlorobiphényls, polychlorophénols).
Les polluants d’origine minérale sont des composés à base de métaux
lourds tels que le plomb, le mercure, le zinc et le cadmium...

2.3. Pollution de l’eau
Nos eaux de surface (cours d’eau, lacs, étangs...), encore relativement
propres au début du siècle, sont de plus en plus exposés à la pollution et nos
nappes équifères n’échappent pas, en outre, à cette contamination générale.
Qui dit pollution, pense irrémédiablement industrie et éventuellement
agriculture. Le raccourci est un peu facile toutefois. Il est inexact surtout.
Nous sommes tous des pollueurs... chacun à sa mesure certes. Les
ressources en eau sont exposées en réalité à plusieurs types de pollution.
‒ L’industrie, c’est vrai, rejette bon nombre de substances qui vont polluer
nos rivières et nos nappes, parfois même d’une manière d’autant plus
pernicieuse que l’on n’en connaît pas es effets à long terme. Les rejets
industriels renferment des produits divers sous forme insoluble ou soluble
d’origine minérale et/ou organique, à caractère plus ou moins
biodégradable et parfois toxique même à très faible concentration (comme
par exemple, les métaux lourds, les composés cyanurés ou phénolés, les
pesticides et hydrocarbures divers...).

‒ L’agriculture utilise des engrais chimiques azotés et phosphorés, des
produits phytosanitaires destinés à protéger les cultures et à faciliter
la vie des agriculteurs. Ces produits parfois toxiques lorsqu’ils sont
utilisés en excès vont contaminer en période de pluie, les eaux de
surface par lessivage et ruissellement et les nappes par infiltration.
‒ La pollution domestique de nos eaux usées urbaines (mélange
d’eaux vannes et d’eaux ménagères) est essentiellement constituée
de matières organiques biodégradables certes, mais grandes
consommatrices d’oxygène, de germes pathogènes (cause
d’épidémies) et de produits chimiques (lessives détergentes riches
en phosphates) à l’origine des phénomènes d’eutrophisation.

‒Il ne faut pas oublier par ailleurs, la pollution générée par les
eaux pluviales en particulier en périodes orageuses. L’eau de
pluie se charge d’impuretés au contact de l’air (fumées
industrielles) puis en ruissellant sur les toits et les chaussées
des villes, de produits divers (huiles de vidange, carburants,
métaux lourds, etc.).

3. L’eau dans la nature
3.1 Éléments du cycle de l’eau
L’eau sous ses différents états physiques (gazeux, liquide, solide) suit
un vaste cycle dans la nature.
3.1.1 Précipitations
La vapeur d’eau atmosphérique se condense en nuages qui
engendrent les précipitations sous forme de pluie, de neige ou de
grêle. Ces précipitations constituent actuellement l’origine de presque
toutes nos réserves en eau douce. Elles sont très variables d’une
région à l’autre suivant le climat et le relief qui sont les facteurs
essentiels. La mesure des précipitations s’exprime par la valeur de la
lame d’eau moyenne tombée annuellement à un endroit considéré.
Cette valeur qui est nulle dans les régions désertiques peut atteindre
jusqu’à 14 m/an dans l’Himalaya. Le volume total des précipitations
sur les continents est estimé à environ 100 000 km3/an.

3.1.2 Ruissellement
Parvenue sur le sol, une partie des précipitations s’écoule à sa
surface vers le réseau hydrographique et les étendues d’eau
libre (lacs, mers, océans), c’est le ruissellement de surface. Il ne
faut pas confondre ce ruissellement avec l’écoulement qui
comprend en plus le déversement des nappes souterraines.
2.1.3 Évapotranspiration
C’est la somme de toutes les pertes par transformation d’eau en
vapeur. On distingue deux composantes :
‒l’évaporation constituée par le retour direct de l’eau à
l’atmosphère et qui est un phénomène purement physique
dépendant en particulier du déficit hygrométrique, c’est-à-dire
de la différence entre la pression de vapeur saturante à la
température considérée et la pression de vapeur réelle.

‒L’autre composante est constituée par la transpiration des
plantes qui est égale au volume d’eau transitant par les plantes
et nécessaire à leur croissance. On l’estime de 300 à 1 000 L
d’eau par kilogramme de matière sèche végétale. La
transpiration se produisant par les feuilles, l’eau contenue dans
la plante est constamment renouvelée par les racines qui «
pompent » l’humidité du sol. La transpiration est loin d’être un
phénomène négligeable.
3.1.4 Infiltration
Une partie des précipitations pénètre dans le sol et dans le sous-
sol où elle alimente les eaux souterraines constituant le stock
d’eau du sol et les réserves des nappes aquifères. Une partie de
ces eaux souterraines retournera naturellement ou
artificiellement à la surface du sol d’où elle participera à
l’écoulement général où à l’évapotranspiration.

3.1.5 Cycle de l’eau
En définitive, il existe une circulation de l’eau analogue à celle
que provoquerait un gigantesque appareil distillatoire.
Le cycle se trouve donc fermé comme le montre le schéma de la
figure 1, ce qui se traduit par un bilan global exprimant l’égalité
des pertes et des gains :
Les éléments du bilan hydrologique peuvent être évalués
localement dans des installations expérimentales appelées
lysimètres qui utilisent le sol lui-même comme appareil de
mesure.

Figure 1 – Cycle de transformation de l’eau dans
la nature

3.2. Evaluation de la qualité des eaux
L'évaluation de la qualité d'une eau est une évaluation de la nature physico-
chimique et biologique de l'eau par rapport à sa qualité naturelle, eu égard à
l'impact des activités humaines. Elle est fonction de l'usage à laquelle on la
destine; il s'agit de vérifier si l'eau répond aux critères exigés pour son
utilisation (eau de boisson, eau de baignade, eau d'irrigation, eau de
flottation des minerais, <).

3.2.1. Analyse chimique des eaux
Les eaux sont analysées sur plusieurs aspects.
Le pH : informe sur l’acidite de l’eau
La turbidité : informe sur la clarté de l’eau donc les matières en suspension
L’ORP : les ions métalliques contenus
Il faut y ajouter les déterminations de la demande chimique en oxygène
(DCO), la demande biochimique en oxygène (DBO), du carbone organique
total (COT) et l'azote Kjeldahl, qui sont des dosages qui revêtent un
caractère général et parfois des analyses spécifiques plus pointues, en
relation avec des pollutions particulières liées à des activités industrielles
spécifiques.

3.2.2. Analyse biologique des eaux
L'analyse biologique des eaux est employée pour vérifier
l'absence de micropathogènes dans l'eau de la distribution, les
eaux de baignade et dans les eaux de puits...Les bactéries
coliformes sont employées comme organismes indicateurs pour
ce test.

3.2.3. Les indices biotiques
Il s'agit d'une application de la méthode des bioindicateurs.
Toutes ces méthodes sont fondées sur une évaluation des
populations de macro-invertébrés aquatiques.
L'utilité de la méthode se situe dans l'approche écologique de la
qualité de l'eau. Les organismes rencontrés reflètent les
changements du milieu qui sont provoqués par diverses activités
de l'homme : déversements, aménagement des voies
hydrauliques, etc.

3.2.3. Les indices biotiques
L'indice biotique donne par exemple des indications pour :
― évaluer l'effet de la pollution inorganique et organique
― révéler le rejet de matières toxiques
― évaluer l'effet de modifications physiques
― évaluer l'autoépuration d'un cours d'eau
― décider de l'implantation des stations d'épuration et contrôler leur impact
sur la qualité de l'eau.

4. Préparation industrielle des acides et des bases
4.1. Préparation de H2SO4
4.1.1. Matière première
La matière première principale est le Soufre, un solide jaune clair, fondant à
119°C et bouillant { 445°C connu depuis l’antiquité et qui se rencontre en
abondance dans la nature. A l’état libre, il se trouve particulièrement dans
les zones volcaniques. Il est extrait { l’aide de la vapeur d’eau envoyée en
surface par la pression d’air comprimé. Il doit être raffiné par évaporation
puis refroidissement.
A l’état combiné, il est rencontré sous forme de sulfates, pyrite (FeS2),
blende (ZnS), chalcosine (Cu2S), chalcocite (CuS), galène (PbS),… et des
sulfates exemple le gypse CaSO4.2H2O et l’anhydrite CaSO4

Aujourd’hui, le soufre du commerce mondial est plus artificiel que naturel.
En effet, il provient de la conversion du H2S (procédé Claus) obtenu par
désulfuration des produits pétroliers comme l’essence, le gazole,….
H2S produit à la désulfuration des produits pétroliers dans les raffinerie de
pétrole contient également le CO2. Le procédé consiste en l’oxydation de
H2S selon les réaction :

La première réaction a lieu dans un four à réaction. Elle est
fortement exothermique et elle fait monter la temperature
sensiblement jusqu’{ 1000°C ; ce qui permet à la réaction de
Claus de se développer simultanément à cette température. Le
taux de conversion est de 50%, il faut réduire la température
(230°C – 330°C) en utilisant un catalyseur (alumine activé). Le S
est récupéré { l’état liquide puis condensé.

4.1.2. Préparation de H2SO4
La préparation passe par les réactions suivantes :
― Production du SO2
― Conversion du SO2 en SO3
― Absorption du SO3 dans l’eau
a) La production du SO2
Les réactions suivantes sont utilisées :

4.1.2. Préparation de H2SO4
La première réaction est la plus préférée puisqu’elle produit un gaz qui
ne nécessite pas des purifications. Les quelques impuretés minérales
sont éliminées par filtration du S fondu avant combustion avec une
temperature allant a 900 C.
Le grillage des sulfures donne un gaz impur contenant beaucoup de
poussière qu’il faut éliminer avant la conversion par des cyclones,
électrofiltres secs, des colonnes d’absorption et même des
électrofiltres humides. Toutes ces opérations augmentent le coût de
production.

4.1.3. La conversion du SO2 en SO3
C’est une conversion catalytique (sur lit de V2O5) difficile à réaliser avec un
taux de conversion à 100% puisque la réaction est réversible.
Thermodynamiquement, il faut travailler à faible température mais pour
permettre une bonne activité catalytique, on monte à 400 – 650°C. La tour de
conversion n’est pas chauffé puisque le SO2 de la combustion sort à plus de
900°C , il est refroidi avant sa conversion. La température dépend de l’excès
d’air utilisé qui est nécessaire pour la conversion du SO2 en SO3.

4.1.3. La conversion du SO2 en SO3
Le taux de conversion ne dépasse pas 85 – 88% en un seul passage
puisque d’une conversion { l’autre la température augmente et la conversion
devient limitée. Il faut plusieurs passages avec maintien de la température
pour atteindre des conversions de 95%.
Le procédé double contact est celui qui s’est beaucoup plus développé
puisqu’il permet d’atteindre des taux de conversion de 98-99% de
conversion et limiter ainsi la quantité de SO2 résiduel. Le SO2 est converti
dans une partie de la tour de conversion jusqu’{ un rendement donné de
plus de 90 % puis absorbé dans une tour d’acide avant de revenir { la tour
de conversion pour repasser ensuite dans une autre tour d’absorption du
SO3.

4.1.3. Absorption du SO3
La réaction d’absorption est la suivante :
En pratique, cette absorption se fait dans une colonne à contre courant avec
H2SO4 concentré pour former des acides très concentrés ou des oléums qui
seraient ensuite dilués (H2SO4.xSO3)
Dans le commerce, on produit des acides à 97-98% en poids avec densité
variant entre 1,83-1,84.

Figure 1 – Procédé « simple
absorption » à partir de soufre

4.1.5. Utilisations
L’acide sulfurique reste l’acide le moins cher et très utilisé en grande partie
dans la chimie lourde comme le traitement des minerais (régulateur de pH et
agent de lixiviation). Il est également utilisé dans la fabrication des engrais
phosphatés et les autres acides inorganique (H3PO4, HF, HCl, …), agent de
décapage des métaux comme l’acier, …

4.2. Environnement
L’évolution vers une réduction de plus en plus sévère
des rejets dans l’atmosphère a amené les producteurs
d’acide à utiliser de plus en plus la double absorption
dans les nouvelles unités et à transformer les anciennes
unités fonctionnant en simple absorption.
Les problèmes d’environnement concernent les rejets,
dans l’atmosphère, de gaz pouvant contenir des
quantités trop importantes de SO2 ou pouvant générer
des brouillards sulfuriques.

4.2.1. Brouillard sulfurique
L’essentiel des rejets d’une unité sulfurique est constitué par
SO2. Cependant l’émission d’un brouillard sulfurique à la sortie
de la cheminée est un phénomène connu qui peut avoir
différentes origines.
Nous avons vu, dans le paragraphe, que l’absorption de SO3 ne
pouvait pas se faire directement dans l’eau pour des raisons de
formation de gouttelettes extrêmement fines qui restent dans
le courant gazeux. Il en est de même si les gaz contiennent des
quantités excessives d’humidité : leur refroidissement au-
dessous du point de rosée entraîne la formation d’un brouillard
qui ne sera pas arrêté lors de l’étape d’absorption.

Un moyen d’éliminer ou de réduire très sensiblement l’émission
du panache résultant de ce brouillard consiste à installer des
dévésiculeurs de haute efficacité en sortie de la tour
d’absorption.
De même, une mauvaise absorption de SO3 se traduit, dès la
sortie de celui-ci à la cheminée, par un panache résultant de la
réaction de SO3 avec l’humidité de l’air.

4.3. Désulfuration des fumées
Les valeurs limites d’émission (VLE), données par les différentes
réglementations, imposent d'utiliser soit des combustibles à très
faible teneur en soufre, ce qui n'est pas toujours possible ni
parfois économiquement justifié, soit, si on utilise des
combustibles à teneur plus élevée en soufre, de prévoir une
désulfuration des fumées.
Les procédés de désulfuration des fumées sont nombreux. Si on
excepte les procédés par adsorption sur charbon actif, ils
consistent tous en une neutralisation du SO2 par un élément
basique (Ca, Mg, Na, NH3). Et les usines actuelles sont muni des
section d’épuration des gaz résiduels. Des colonnes de lavage
sont utilisées et le liquide lavage contient une base qui capte
tout le SO2.

Cette neutralisation se fait en mettant en contact avec les fumées
un produit comportant un de ces éléments basiques :
―soit par injection sous forme solide et pulvérisée ;
―soit par pulvérisation en suspension dans de l'eau qui s'évapore
ensuite au contact des fumées ;
―soit par lavage avec des quantités d'eau importantes, très
supérieures aux possibilités d'évaporation.
C'est la raison pour laquelle on classe assez souvent les procédés de
désulfuration en :
―procédés secs ;
―procédés semi-humides ;
―procédés humides.

Dans les procédés humides , on retrouve après neutralisation un liquide très chargé
en sels, liquide qui ne peut généralement pas être rejeté tel quel dans le milieu
naturel et qu'il faut donc traiter.
Dans les procédés secs et semi-humides, on se retrouve, après neutralisation, avec
des produits solides pulvérulents que l'on capte
dans des filtres.
Les équipements nécessaires au traitement de ces sous-produits sont parfois aussi
importants que ceux nécessaires à l'extraction, proprement dite, du SO2 des
fumées.
Le problème du devenir et de l'utilisation des sous-produits de la désulfuration des
fumées est si crucial qu'il conditionne souvent le choix du procédé utilisable. C'est
la raison pour laquelle on classe aussi les procédés en :
— procédés régénératifs ;
— procédés non régénératifs.

4.3.1. Procédés régénératifs
On appelle procédés régénératifs, des procédés qui permettent de
récupérer, à partir du SO2 contenu dans les fumées, soit du soufre
élémentaire, soit de l'acide sulfurique plus ou moins dilué.
L'avantage de ces procédés est que, en principe, ces sous-produits sont
recyclables, ont parfois une valeur marchande et surtout ne se présentent
pas sous forme de déchets dont on ne sait que faire.
4.3.1.1. Procédés à la soude
Nota 5 : procédé Wellman Lord et Sufrox (Lurgi).
Il consiste à absorber le SO2 dans une solution liquide de sulfite de sodium
sous forme de bisulfite de sodium :

4.3.1.1. Procédés à la soude
Dans une seconde étape, le SO2 est désorbé en inversant la
réaction ci-dessus par chauffage de la solution. La vapeur d'eau
est condensée et un gaz à teneur élevée en SO2 (> 90 % en
masse) est envoyé vers une unité de fabrication de soufre (unité
Claus) où il est mélangé avec de l'H2S qui, brûlé partiellement
dans une chambre de combustion avec adjonction d'air ou
d'oxygène, permet d'obtenir du soufre pur.
La solution de sulfite est ensuite recyclée. Son activité est
maintenue constante par ajouts réguliers de soude ou de
carbonate de sodium qui au contact de SO2 donne
respectivement :

À ce schéma principal, s'ajoutent quelques traitements
complémentaires à l'ammoniac pour éliminer préalablement le SO3, et
à l'hydrogène pour réduire une partie du SO2 en H2S, avant l'entrée
dans l'unité Claus.
On voit immédiatement qu'il s'agit d'un procédé qui implique des
installations, à l'aval du traitement de fumées, assez importantes et,
en particulier, des unités de fabrication de soufre. Cela fait que ses
applications se limitent quasiment aux installations implantées sur des
sites de traitement de produits pétroliers, liquides ou gazeux, qui ont
déjà, pour d'autres usages, des unités de fabrication de soufre. Le
rendement de désulfuration peut atteindre 95 %.

4.3.1.2 Procédés aux amines
Nota 6 : procédé Cansolv de Union Carbide Chemicals.
Dans le principe, le procédé (figure 2) est assez similaire au précédent, sauf que
l'absorption du SO2 se fait dans une solution aqueuse d'amines :
Avec R3N l'amine utilisée.
Après régénération thermique de la solution enrichie en SO2, ce dernier
peut être envoyé dans une unité de fabrication de soufre ou d'acide
sulfurique.
Avant introduction dans la tour de lavage, les fumées sont dépoussiérées,
refroidies et le SO3 est éliminé sous forme d'acide sulfurique.
Le rendement de désulfuration peut être très élevé < 98 % (6), mais le
procédé présente surtout de l'intérêt sur les sites où il existe déjà des
unités de fabrication de soufre ou d'acide sulfurique.

Figure 2 – Procédé
Cansolv aux
amines

4.3.1.3 Procédé à la magnésie
Assez similaire aux précédents, du moins dans ses grandes lignes, ce
procédé consiste a absorber dans une solution liquide le SO2, selon,
en particulier, la réaction :
puis à transformer les sulfites en sulfates :
Ces sulfates sont ensuite séchés, puis calcinés en présence de coke,
ce qui libère le SO2 :

Le rendement de désulfuration peut dépasser 90 %, mais, par
rapport aux procédés précédents, la nécessité de passer par une
calcination pour récupérer du SO2 s'ajoute à la contrainte de
posséder, à l'aval, une unité de fabrication de soufre ou d'acide
sulfurique.

Figure – Procédé à la
magnésie

4.3.1.4 Procédés au charbon actif
Dans ce procédé (figure 3), le SO2 est adsorbé sur du charbon actif
en présence d'oxygène. Il s'y oxyde en SO3. Le lit de charbon actif est
arrosé périodiquement par de l'eau qui absorbe le SO3. Le liquide qui
s'écoule à la base du lit est de l'acide dilué avec un titre compris entre
8 et 12 % en masse.
Le procédé est cyclique. Pour obtenir un fonctionnement continu, on
dispose plusieurs réacteurs en parallèle.
Les fumées à l'entrée des réacteurs ne doivent pas dépasser une
température de 85 °C et ne pas être chargées en poussières afin de
ne pas dégrader ou réduire l'efficacité du charbon actif. Les réacteurs
sont donc, généralement, précédés d'un filtre ou d'un prélaveur qui
refroidit les fumées et extrait simultanément une part importante des
poussières. L'eau de lavage doit, de préférence, être déminéralisée.

4.3.1.4 Procédés au charbon actif
Le rendement de désulfuration croît avec la teneur en O2 des
fumées à l'entrée qui doit être, de toutes façons, supérieure à 5
%. Il peut atteindre 90 à 95 % pour des teneurs en oxygène
élevées, ce qui nécessite, assez souvent, l'introduction d'air dans
les fumées avec, comme inconvénient, l'augmentation du volume
de gaz à véhiculer.

Figure 3 – Procédé
au charbon actif
(Sulfacid Lurgi)

Pour augmenter le titre en H2SO4 , la solution acide peut être
concentrée par réchauffage, mais cette opération consomme de
l'énergie. On peut, dans certains cas, faire ce réchauffage, avec
la chaleur contenue dans les fumées, avant son entrée dans les
réacteurs.
Ce procédé a été appliqué avec succès dans des usines de
fabrication d’ oxydes de titane (8) qui utilisent dans leur
processus de fabrication de l'acide sulfurique dilué, ce qui en
facilite, évidemment, le recyclage.

4.3.1.5 Procédés à l'ammoniac
Le procédé consiste à transformer le SO2 par une solution
d'ammoniaque, en sulfite et bisulfite d'ammonium :
La solution liquide ainsi obtenue est acidifiée par adjonction de
bisulfite d'ammonium, ce qui déplace SO2 :

H2O et SO2 sont vaporisés et, après condensation de H2O, on
extrait le SO2 qui peut être, comme dans les cas précédents,
envoyé vers des unités de fabrication de soufre ou d'acide
sulfurique.
La régénération de la solution de sulfates appauvrie après le
dégagement du SO2, permet de récupérer NH3 qui est recyclé
dans le processus.
Le rendement de désulfuration peut dépasser 95 %.

4.3.2 Procédés non régénératifs
Ce sont :
— des procédés qui utilisent de la chaux sous différentes formes ;
— des procédés à la soude ;
— des procédés à l'ammoniac.

4.3.2.1 Procédés à la chaux
On regroupe sous ce terme les procédés qui utilisent soit du calcaire
(CaCO3), soit de la chaux vive (CaO), soit de la chaux éteinte Ca(OH)2.
Ces réactifs pouvant être utilisés sous différentes formes physiques, on trouve
donc (figure 5) :
— des procédés secs et semi-secs ;
— des procédés semi-humides ;
— des procédés humides.
Un paramètre important des procédés à la chaux est le rapport entre la
quantité de réactif utilisée et la teneur en soufre des fumées.
Ce rapport Ca/S (exprimé en moles/moles) qualifie les performances du
procédé en désulfuration. On verra qu'il varie considérablement selon les
procédés.

4.3.2.2 Procédés à la soude
4.3.2.2.1 Voie sèche
Du bicarbonate de sodium sous forme pulvérulente est injecté
dans les fumées en cherchant à optimiser le contact gaz-solide.
La température des fumées doit être au minimum de 120 °C pour
activer le bicarbonate.
La réaction de base est :
L’opération se fait au-dessus de 120 °C, H2O part avec les
fumées sous forme vapeur.

4.3.2.2.2 Voie humide
Une solution de soude contenant de 20 % à 50 % en masse de
NaOH est mise en contact avec les fumées dans un laveur. SO2
est absorbé dans la solution :

La solution est recyclée plusieurs fois. Une partie est soutirée, et
envoyée vers des bacs d’oxydation dans lesquels on insuffle de
l’air.
Les sulfites et bisulfites s’y transforme en sulfates. Na2SO3 est
très réactif, ce qui permet de limiter la taille des laveurs. La
solution liquide de sulfites doit être stabilisée en sulfates par
adjonction d’oxygène.
La soude est un produit relativement cher, ce qui contrebalance,
à terme, l’intérêt d’un investissement limité, sauf s’il y a
possibilité de réutiliser des sulfites.
Les rendements de désulfuration peuvent dépasser le 96 %.

4.3.2.3 Procédé à l’ammoniac
Le procédé (Walther) (figure 11) consiste à laver les fumées avec
une solution ammoniacale qui absorbe SO2 :
puis à oxyder les sulfites en sulfates d’ammonium :
La solution saline est ensuite transférée vers une tour de séchage
d’où le sulfate d’ammonium solide sort cristallisé.
Ce produit, après séchage final, peut être intégré à la formulation de
certains engrais.

5. Acide Nitrique
5.1. Généralite
La première description connue d’un procédé de fabrication de l’acide
nitrique date du XIIIe siècle : les alchimistes de l’époque utilisaient la
réaction à chaud du sulfate de cuivre sur le salpêtre.
La réaction d’un sulfate sur un nitrate dégage du pentoxyde nitrique, N2O5 ,
mélangé à ses produits de décomposition de dioxyde d’azote NO2 et le
tétraoxyde de diazote N2O4 , et de l’oxygène O2.
Ce mélange gazeux, mis en contact avec l’eau, donne de l’acide nitrique :

5.1. Généralite
Ce procédé, modernisé par le remplacement du sulfate par l’acide sulfurique
et du salpêtre par le nitrate de sodium naturel du Chili, fut le seul exploité
industriellement jusqu’au début du XXe siècle. Dès le XIXe siècle, des
impératifs économiques et surtout d’indépendance nationale (l’acide nitrique
étant nécessaire à la fabrication des explosifs) ont poussé les industriels à
rechercher des techniques de fabrication des oxydes d’azote sans utilisation
de nitrate.
C’est Kuhlmann qui découvrit en 1839 la préparation du monoxyde d’azote
NO, par combustion catalytique de l’ammoniac sur toile de platine :
Mais c’est la synthèse directe :

5.2. Principe des procédés ex-ammoniac
La fabrication d’acide nitrique comprend trois étapes principales :
— oxydation de l’ammoniac :
— condensation de l’eau de combustion et oxydation du
monoxyde d’azote :
— fixation du dioxyde d’azote et du tétraoxyde de diazote :

Les représentations mathématiques des équilibres et des cinétiques
des réactions ci-dessus sont complexes et des réactions secondaires,
notamment la formation de trioxyde de diazote :
interviennent de façon significative. Il n’est donc pas facile de
déterminer par le calcul, ni à plus forte raison expérimentalement,
l’ensemble des conditions opératoires aboutissant à un optimum
économique et respectant les règlements concernant, par exemple, la
pollution par les oxydes d’azote NOx . C’est ce qui explique
l’extraordinaire variété de procédés qui ont été mis au point et
exploités depuis que Ostwald réalisa en 1908, en Westphalie, le
premier atelier produisant 5 t/j d’acide nitrique.
Les procédés actuels, qu’ils soient monopression (combustion
catalytique et absorption à la même pression) ou bipression (pression
de l’absorption sensiblement supérieure à celle de la combustion
catalytique) reposent sur la réaction :

dont la caractéristique principale est que, chaque fois que deux molécules d’acide
nitrique se forment, il y a sous-production d’une molécule de monoxyde d’azote NO,
qu’il faut réoxyder en dioxyde NO2 puis absorber et ainsi de suite. Ces réoxydations
successives se font principalement en phase gazeuse, dans des tours d’oxydo-
absorption où sont menées parallèlement la réaction de formation de l’acide nitrique
et celle de réoxydation de NO :
Les conditions opératoires et la description d’unités typiques sont données dans les
paragraphes précédants . Parmi les deux procédés Grande-Paroisse décrits, le plus
répandu est le procédé bipression qui a, en particulier, l’avantage de consommer
moins de platine (catalyseur) que le procédé monopression. En revanche, le procédé
monopression est un peu plus simple et, de ce fait, nécessite un investissement
moindre. Ces deux procédés permettent de produire de l’acide à une concentration
comprise entre 50 et 70 % en masse.

La technologie mise en oeuvre dans l’absorbeur (appareil où se
forme l’acide nitrique à partir des oxydes d’azote) permet de
réduire les quantités d’oxydes d’azote contenues dans les gaz
qui s’échappent de l’unité jusqu’à moins de 200 ppm (partie par
million) en volume, et parfois même jusqu’à moins de 100 ppm
en volume.
En outre, il est possible d’adjoindre un procédé catalytique
breveté qui réduit les quantités d’oxydes d’azote jusqu’à moins
de 50 ppm si nécessaire, utilisant, vers 200 à 400 oC, la réaction
de l’ammoniac sur les oxydes d’azote, en présence d’un
catalyseur spécifique.

5.3. Procédé bipression de Grande-Paroisse
Ce procédé (figure 1) est caractérisé principalement par l’utilisation :
— de deux pressions différentes pour l’oxydation de l’ammoniac et l’absorption des
oxydes d’azote, ce qui assure un rendement en
azote élevé et une plus faible consommation de platine ;
— d’un système d’absorption à haut rendement qui, combiné à la pression élevée
de fonctionnement, permet d’obtenir une teneur finale en NOx (ensemble des
oxydes d’azote) des gaz de queue inférieure à 150 ppm en volume, c’est-à-dire
conforme aux règlements antipollution.
L’ammoniac liquide est vaporisé par de l’eau de refroidissement, puis filtré après
surchauffe et envoyé dans un mélangeur air-ammoniac.
L’air atmosphérique filtré est comprimé, puis réparti en deux courants, l’air primaire
qui va au mélangeur air-ammoniac et l’air secondaire qui va au dénitreur D.
Le mélange air-ammoniac est dirigé vers le réacteur R où il circule de haut en bas.
Un dispositif spécial assure sa répartition sur la surface des toiles de platine-
rhodium, lesquelles reposent sur des supports en acier spécial, ou sur un panier
contenant des anneaux Raschig.

Le gaz après combustion contient des oxydes d’azote, de l’azote et de l’oxygène.
Sa chaleur sensible est récupérée dans des échangeurs (chaudière de
récupération).
La mise en place de toiles de récupération à base de palladium permet de réduire
d’environ 75 % la perte de platine-rhodium.
Après refroidissement final par de l’eau de réfrigération, une quantité importante
d’acide à faible concentration est formée et envoyée à la tour d’absorption A. Le
gaz mélangé à de l’air secondaire est comprimé et refroidi.
Le gaz et l’acide sont dirigés sur les plateaux perforés de la colonne d’absorption,
de conception tout à fait spéciale : elle est équipée en particulier de serpentins de
réfrigération.
De l’eau de procédé est introduite en tête et l’acide à la concentration désirée est
soutiré à sa base.
Cet acide va ensuite au dénitreur D équipé de plateaux. Il se produit un
épuisement à la vapeur (stripage) par de l’air secondaire.

Figure – Schéma du
procédé bipression de
Grande-Paroisse

Les gaz sortant en tête de l’absorbeur sont envoyés dans un
échangeur gaz-gaz, puis dans une turbine de détente et enfin à la
cheminée B.
Consommation de matières premières et d’utilités
Par tonne d’acide à 100 % d’HNO3 :
ammoniac........................................................................ 280 kg
catalyseur ........................................................................ 25 mg
vapeur (excédent)........................................................... 600 kg
eau de refroidissement................................................. 140 m3
énergie électrique........................................... 9 kWh (32,4 MJ)

5.4. Procédé monopressionde Grande-Paroisse
Dans ce procédé, condensation et absorption se font à la même
pression que l’oxydation, entre 0,5 et 1 MPa environ. Il n’y a donc
plus de compresseur des gaz nitreux et la tour d’absorption est
équipée dans sa partie inférieure d’un étage de dénitration. En ce
qui concerne le reste de l’installation, il n’y a pas de modifications
sensibles par rapport au procédé précédemment décrit. Les
conditions opératoires de température et de pression ainsi que la
composition des effluents et des fluides réactifs sont indiquées
sur la figure....

Consommation de matières premières et d’utilités
Par tonne d’acide à 100 % d’HNO3 :
ammoniac ................................................................ 282-290 kg
catalyseur......................................................................... 40 mg
vapeur (excédent) .......................................................... 650 kg
eau de refroidissement ................................................ 140 m3
énergie électrique .......................................... 9 kWh (32,4 MJ)

Figure - Schéma du
procédé monopression
de Grande-Paroisse

5.5. Problemes environnementaux
Lors de la fabrication d’1 t et de HNO3 concentré plus de 3000m3 d’effluents
gazeux sont produits. Ils contiennent des oxydes d’azote représentés par la
formule générique NOx mais qui sont essentiellement NO et NO2 avec des traces
de N2O.
Ces gaz acides capable de provoquer des brouillards acides et des pluies acides
sont également des précurseurs d’ozone troposphérique quand il y a un grand
ensoleillement (pollution photochimique).
Pour les unités récentes, des raisons écologiques évidentes ont conduit à abaisser
les teneurs en NOx à des valeurs inférieurs à 200 ppm en volume.
Parmi les diverses possibilités de traitement, l’élimination par réduction catalytique
des NOx par l’ammoniac apparaît comme la voie la plus intéressante puisqu’elle se
traduit par la formation d’azote et d’eau suivant les réactions :

5.6. Utilisations
La capacité de production mondiale de l’acide nitrique est de l’ordre
de 60Mt/an et les deux principales utilisations concernent la
fabrication de NH4NO3 pour engrais et explosifs et de l’acide
adipique, matière première pour l’obtention du nylon 6,6.
D’autres engrais et d’autres explosifs dérivent de HNO3. On produit,
par exemple, des superphosphates par attaque nitrique des
phosphates naturels avec l’avantage d’une matière première telle que
le gaz naturel (pour la fabrication initiale de l’ammoniac) et d’un
coproduit qui est le nitrate de calcium, source d’azote, au lieu de
gypse peu valorisable. Dans le domaine des explosifs, l’acide nitrique
ou les nitrates interviennent lors de la fabrication de la poudre noire,
des dynamites, des explosifs nitrés comme le trinitrotoluène et de
l’explosif nitrate-fuel.
Différentes synthèses organiques nécessitent de l’acide nitrique :
nitrobenzène, aniline, isocyanates tels que le 2,4-toluènediisocyanate
TDI, etc

Pour memoire
Acide chloridrique
NaOH

6. Elaboration du Cuivre-Cobalt
6.1. Hydrométallurgie des oxydes
L’extraction hydrométallurgique du cuivre et du cobalt ou de leurs
composes est réalisée selon les étapes suivantes :
• Lixiviation acide-réductrice en utilisant le dioxyde de soufre (SO2) ou
le metabisulfite de sodium (Na2S2O5) comme réducteur ;
• Séparation solide–liquide et clarification des solutions ;
• Séparation du cuivre et du cobalt par extraction par solvant ;
• Purifications des solutions ;
• Précipitation du cobalt ou électrolyse du cobalt ;
• L’ électrolyse du cuivre.

6.1.1. Lixiviation
Le minerai extrait a généralement une granulométrie inferieure a 0,25
m. Il est broyé a une granulométrie telle que P80 = 100μm dans un
broyeur semi-autogene ou a boulets puis envoyé vers la lixiviation a
l’aide d’acide sulfurique et d’anhydride sulfureux dans les conditions
atmosphériques.
Un flowsheet de cette partie du procédé est illustre a la Figure….
Le cobalt est sous forme trivalente dans l’heterogenite. Comme le
cobalt trivalent est instable en solution, l’heterogenite ne se
dissout pas sans réduire le cobalt a l’etat divalent. Cette réduction
est réalisée en faisant barboter du dioxyde de soufre avec un
minimum d’air dans la solution d’acide sulfurique au cours la
lixiviation.

6.1.1. Lixiviation
La concentration du dioxyde de soufre est d’environ 10 %. La
lixiviation de l’heterogenite est donnée par la réaction…
Le cuivre dans le minerai est domine par la malachite. La réaction de
lixiviation de la malachite est donnée par l’Eq.
La solution résultante est ensuite séparée des solides non lixivies par
décantation a contre-courant, lavage puis filtration. Les solides sont rejeter
et la solution est transférée a l’extraction par solvant pour séparer Cu2+ et
Co2+.

Figure.. – Flowsheet du circuit de fragmentation –
lixiviation des minerais oxydes Cu-Co

6.1.2. Extraction par solvant
Le cuivre et le cobalt sont séparés l’un de l’autre par l’extraction par solvant
du cuivre au moyen d’un extractant organique en laissant le cobalt dans le
raffinat aqueux. Le flowsheet du procédé est donne a la Figure…. La
réaction d’extraction est :
La réaction de stripage est l’inverse de la réaction…. Les extractants les
plus couramment employés sont les oximes, comme le LIX 984N qui est un
mélange a parts égales d’aldoxime et de cetoxime ou l’ACORGA M5640 qui
est une aldoxime modifiée par un ester. La concentration de l’extractant est
comprise entre 20 % et 35 %. Le diluant est généralement le ShellSol 2325,
un distillat de pétrole a point d’ éclair élevé.

Figure… – Flowsheet du SX – EW (Cu-Co)

Le flowsheet donné a la Figure…. inclu les opérations suivantes :
• extraction du cuivre de la solution aqueuse clarifiée de lixiviation vers la
phase organique ;
• séparation de la phase organique chargée en cuivre de la phase aqueuse
;
• pompage de la phase organique chargée en cuivre au stripage, puis
l’électrolyse ;
• pompage du raffinat riche en cobalt vers l’etape d’ élimination des
impuretés et la précipitation des hydroxydes de cobalt.

6.1.3. Purification du raffinat pour l’obtention
des hydroxides de cobalt
Les impuretés majeurs dans le raffinât sont le fer, l’aluminium, le
manganèse et le cuivre. Toutes ces impuretés sont enlevés dans
le but de produire un hydroxyde de cobalt de haute pureté.
Le fer, l’aluminium, le manganèse sont éliminés en trois stades
en augmentant le pH à chaque stade.
 Stade 1 : l’air et le dioxyde de soufre sont barbotés dans le tank
à pH 3,2 dans le but d’oxyder le fer, et particulièrement le
manganèse. Le calcaire ou la chaux est utilisé pour régler le
pH. Le ratio air/SO2 est un facteur critique parce que lorsqu’il
est élevé, le SO2 est ajouté et les conditions deviennent
réductrices et de non précipitation de ces impuretés.

Le fer, l’aluminium, le manganèse sont éliminés en trois stades
en augmentant le pH a chaque stade.
• Stade 2 : le pH est augmente a la valeur 4,7. L’aluminium et le
cuivre précipitent.
• Stade 3 : le pH est augmente a la valeur 6,0. Le cuivre precipite
comme un sulfate basique (CuSO4 ・ 2Cu(OH)2).

Le cobalt est precipite de la solution
sous forme d’hydroxyde de cobalt
(Co(OH)2) (Fig. ) de haute purete a pH
compris entre 7.8 et 8.5 en utilisant le
MgO. Le precipite est recupere par
decantation et filtration, seche, mis en
sac et envoye sur le marche soit pour
produire les composes chimiques a
base de cobalt, soit pour produire le
cobalt metallique par redissolution
puis extraction.
Figure 14 – Photographie d’un tas
d’hydroxyde de cobalt

Problèmes environnementaux en hydrométallurgie
Faisant usage de l’eau, les procedes hydrometallurgiques ont un impact
environnemental non negligeable a prendre en compte. Les installations
hydrometallurgiques sont d’ailleurs considerees comme des installations
classees ; leurs rejets sont donc soumis a autorisation et controles
regulierement.
L’hydrometallurgie faisant generalement appel a des solutions acides ou
basiques, les rejets liquides doivent etre purges ou laves necessairement.
Une installation de traitement d’eau est obligatoire pour eliminer les
metaux en solution avant un rejet dans le milieu naturel.

Une neutralisation des effluents étant forcément nécessaire, les
rejets de sels sous forme de chlorures ou de sulfates seront
importants. Cependant, de nombreuses techniques de traitement
des eaux ont été mises au point et des rejets « zéro» sont parfois
atteints.
Le volume de déchets généré peut être aussi très important.
Du fait qu’ils contiennent des métaux, ces déchets sont
considérés comme nocifs pour l’environnement et doivent être
envoyés en centre d’enfouissement technique (CET) ou stockés
sur le site dans des bassins ou des alvéoles étanches
(géomembranes).

Comparé à la pyrométallurgie, l’impact environnemental est
toutefois plus faible. En effet, en pyrométallurgie, si les volumes
de déchets sont souvent équivalents, les rejets dans l’air sont,
par contre, extrêmement importants. Ces rejets nécessitent des
techniques de traitement plus coûteuses et plus pointues que
celles employées pour l’eau. De plus, les rejets de CO2 sont
importants, ce qui conduit à l’augmentation de l’effet de serre.
Devant la dégradation de la qualité de l’air, des écotaxes ont été
mises en place par des pouvoirs publics (TGAP : taxe générale
sur les activités polluantes) ; cela ne pourra que profiter à
l’hydrométallurgie.

6.2. Pyrométallurgie des sulfures
Élaboration du cuivre
Trois (3) phases de la pyrométallurgie du cuivre :
1. Grillage partiel : entre 500 – 650 °C;
2. Fusion : entre 1100 – 1 200 °C, séparation de la scorie contenant les éléments
à rejeter et la matte constituée par Cu2S et plus ou moins de FeS avec des
sulfures accompagnateurs (Ni, Co, Pb, Zn), des métaux précieux (Au Ag, Pt) et
d’autres impuretés telles que As, Sb, Se, Te;
3. Convertissage : par insufflation d’air ou d’air enrichi en O2. On obtient, d’une
part, le cuivre blister et, d’autre part, une scorie constituée par les éléments ayant
plus d’affinités pour l’O2 que le cuivre, le fer étant scorifié en silicate par un
fondant siliceux.
On obtient ainsi un Cu impur à 98-99 % de Cu et à 0,3-0,5 % de O2, qui, après
électroaffinage, donne un cuivre à 99,99 % Cu.

Source
La pollution causée par l’extraction des métaux en voie
pyrométallurgie est avant tout attribuable aux gaz des fours, si
bien que l’action des précipitations atmosphériques sur certains
de ses rejets solides occasionne la mobilité des métaux contenus
par mise en solution. On considérera donc les méthodes
préventives qui consistent à traiter les gaz avant leurs émissions
dans l’atmosphère et les remèdes qui consistent à traiter
l’environnement quand il est pollué.
Problèmes environnementaux en
pyrométallurgie

Pollution atmosphérique
Les gaz de fours sont préjudiciables à l’environnement par leur
contenu en poussières et par leur composition en produits
réactionnels gazeux. Aussi, la séparation gaz-solide est-elle une
opération importante et l’épuration des gaz suit toujours les opérations
pyrométallurgiques. Elle est indispensable dans les opérations de
volatilisation où on récupère par filtration les oxydes volatils (As2O3,
Bi2O3, Sb2O3) sous forme de solides très fins, ou le mercure métal
dans des condenseurs-collecteurs.
Après avoir récupéré les poussières, il est nécessaire, de traiter le gaz
lui-même avant de le rejeter dans l’atmosphère. Ce sont notamment la
désulfuration des gaz dans la métallurgie des sulfures et la
défluoration des gaz dans l’électrolyse ignée de l’alumine.

Pollution atmosphérique
Enfin, l’énergie thermique récupérée à partir des gaz des fours
permet d’améliorer le rendement thermique en préchauffant l’air
ou en diminuant la consommation des brûleurs lors d’opérations
discontinues comme le convertissage, où environ 10 % de
l’énergie est perdue avec les gaz. On peut aussi réchauffer l’eau
des laveurs (scrubbers) qui effectuent le piégeage secondaire
des poussières.

Pollution atmosphérique :
dépoussiérage des gaz
La séparation des particules solides contenues dans les gaz est basée sur un ou
plusieurs principes selon les forces mises en œuvre :
• forces externes : la suspension gazeuse est soumise a des champs externes,
d’origine gravitaire, électrostatique et magnétique ;
• forces internes : les champs de forces existent au sein même de la suspension
et les forces ont pour origine l’inertie, la centrifugation, la charge des particules,
etc.
Types des séparateurs :
• Séparateurs aéromécaniques a sec ;
• Séparateurs aéromécaniques humides ;
• Séparateurs électrostatiques ;
• Filtres

Pollution atmosphérique :
désulfuration des gaz
Après récupération du SO2 pour fabriquer de l’acide sulfurique, les
gaz contiennent encore de faibles concentrations en SO2.
Ils sont traités par un procédé semi-humide consistant à pulvériser
des gouttelettes de lait de chaux dans le gaz : on opère dans une tour
à revêtement interne en caoutchouc divisée par des grilles en
plusieurs compartiments. Les gaz, au préalable lavés à contre-courant
dans une première tour de lavage, parviennent à la base de la tour
d’absorption. À la sortie de la tour, les gaz sont déshumidifiés avant
d’être envoyés à la cheminée. Les boues de désulfogypses sont
épaissies et filtrées ou centrifugées. On traite ainsi des gaz à 0,1-0,3
% de SO2 et on obtient des gaz épurés qui ne contiennent plus que
50 ppm de SO2.

Pollution des sols
La pyrométallurgie provoque la pollution des sols et des eaux par
les métaux lourds contenus dans ses rejets solides, liquides et
gazeux.
La forte affinité des sols pour les métaux lourds fait que les
concentrations élevées restent très superficielles et polluent
seulement quelques dizaines de centimètres. On peut atteindre
en surface des concentrations en Pb de 5 ou 6 %. Cependant,
lorsque les sols sont saturés, ils peuvent être à leur tour une
source de pollution : en effet, le métal est remis en solution par
des chélatants organiques quand il est adsorbé par un sol à
éléments grossiers.

En termes de remède, le décapage des sols contaminés est la
technique industrielle standard. On peut aussi limiter la migration
des métaux par solidification ou vitrification du sol ou fixation du
métal sous une forme non lixiviable. Les techniques industrielles
employées peuvent aussi faire appel à des séparations de
phases : étant donné que les métaux sont surtout liés aux argiles
et aux matériaux humiques, le fait d’enlever les matériaux fins
diminue considérablement leur concentration.
La flottation peut être appliquée lorsque la pollution a été
engendrée par des phases métalliques.

7. Production du Ciment
7.1. Généralités
Le secteur du ciment est engagé depuis plusieurs années dans la
valorisation des déchets combustibles mais également à la valorisation
de toute une série de sous-produits industriels. Cette situation a conduit
le secteur à une grande visibilité environnementale et à des
engagements d’améliorations dont les investissements se poursuivent
encore aujourd’hui.
Le secteur cimentier est proportionnellement un émetteur important de
CO2, SO2 et NOx. Le CO2 émis provient de la combustion de
combustible fossile mais également, pour une part importante (près de
60%) de la décarbonatation du calcaire.
Il convient également de remarquer qu’il existe des usines de production
de clinker et de ciments blancs qui présente des contraintes et des
caractéristiques un peu différentes des productions de ciment gris.

7.2. Matières premières
La première étape consiste à mélanger les éléments minéraux
majeurs nécessaires à la fabrication du ciment: la chaux, la silice,
l'alumine et le fer. Les différents éléments sont dosés avec une
grande précision pour obtenir les propriétés demandées. Ce
mélange est généralement appelé cru ou pâte (voie humide) ou
farine (voie sèche) par référence à son aspect et sa consistance.
Les matières premières sont extraites en carrière, concassées,
acheminées à l’usine, et mélangées avec soin avec les autres
matières premières.

7.3. Procédés
La cuisson du clinker est l’étape intermédiaire des trois étapes importantes du
processus de fabrication du ciment, qui sont :
— la préparation des matières premières ;
— la cuisson du clinker ;
— le broyage du clinker.
Dans une approche systématique, on dira que la fonction de l’atelier de cuisson
consiste à transformer, par traitement thermique, un matériau « cru » en un semi-
produit désigné sous le nom de clinker. La préparation du « cru » consiste à
mélanger et broyer les matières premières de manière à obtenir un produit ayant
une composition et une finesse prédéfinies.
Toute la problématique de la cuisson du clinker consiste à rechercher l'économie
optimale de moyens, aussi bien en ce qui concerne le coût d’investissement que le
coût d’exploitation. Pour satisfaire ce double objectif, face à l'évolution technico-
économique des variables d’entrée et de sortie du système, l'évolution
technologique est une suite de réponses, telle que, par exemple :

— la diversité des matières premières ;
— la diversité des combustibles ;
— les contraintes socio-économiques ;
— les performances exigées du clinker ;
— les contraintes environnementales ;
— les capacités de production unitaire.
Ainsi l’évolution technologique a permis d'utiliser des matières
premières de plus en plus diversifiées en allant du « cru » naturel vers
un « cru » synthétique ; elle a permis l’utilisation de mélanges de
combustibles de moins en moins traditionnels (résidus de broyage
d'automobiles, déchets industriels spéciaux, huiles, pneus...), sous la
pression économique, tout en réduisant les émissions (poussières,
NOx, SO2...) ; elle a permis, également, de diviser par deux la
consommation en énergie thermique.

7.3.1. Four rotatif et atelier de cuisson
À l'exception des fours droits verticaux, désormais obsolètes, mais encore en
service en Extrême-Orient (la Chine, premier producteur mondial, assure les
2/3 de sa production avec des fours droits) et de fours expérimentaux en
cours de développement (lit fluidisé au Japon), tous les fours sont désormais
du type « four rotatif ».
L'évolution de la technologie du procédé de clinkerisation a conduit à une
diminution de l'importance relative du four rotatif à l’intérieur de l’atelier de
cuisson. Les cinq opérations essentielles à réaliser dans l’atelier de cuisson
sont (figure…) :
— le séchage,
— le préchauffage jusqu’à 500 °C,
— la décarbonatation de 700 à 1 050 °C,
— la clinkerisation de 1 200 à 1 450 °C,
— le refroidissement de 1 450 à 80 °C.

Ces opérations sont effectuées totalement ou partiellement dans
le four rotatif.
Ainsi, les premiers fours rotatifs des ateliers de cuisson dits à «
voie humide », alimentés en pâte, équipés d’un refroidisseur à
satellites embarqués réalisent ces cinq opérations et
représentent donc 100 % de l’atelier de cuisson. Les dimensions
de ces fours sont très importantes eu égard à la capacité de
production journalière, par exemple :
3 600 t/j ; diamètre : 6,91/6,40/7,62 m ; longueur : 232 m ;

En revanche, les fours rotatifs récents des ateliers de cuisson
dits à « voie sèche » (§ 2.4), alimentés en farine sèche,
possédant un broyeur-sécheur, un préchauffeur, un
précalcinateur et un refroidisseur indépendants sont désormais
de dimensions beaucoup plus modestes pour des capacités de
production plus élevées, par exemple :
4 500 t/j ; diamètre : 4,8 m ; longueur : 65 m.
Ces fours rotatifs ne réalisent plus les opérations de séchage, de
préchauffage et de refroidissement qui sont en quelque sorte
délocalisées dans d’autres secteurs de l’atelier de cuisson. Ces
nouveaux fours ne réalisent, dans leur partie rotative, que la fin
de la décarbonatation (10 %) et la phase de clinkerisation

Une enquête portant sur 11 pays d’Europe occidentale, pour une
production totale de 110 millions de tonnes de clinker, montre
que 6 % de la production de clinker est assurée par les anciens
ateliers de cuisson à « voie humide », tandis que 35 % est
assurée par les nouveaux ateliers de cuisson à « voie sèche »
équipés de préchauffeur et de précalcinateur. Environ 60 % du
clinker est produit par des ateliers de procédés variés dont les
principaux sont le procédé « voie semi-sèche » et le procédé «
voie sèche » équipé seulement d’un préchauffeur.

Figure – Les cinq opérations
principales réalisées dans
l’atelier de cuisson

7.4. Différents types d'atelier de cuisson
7.4.1 Généralités
Il est d'usage courant de classer les ateliers de cuisson selon trois procédés
:
— la voie humide ;
— la voie semi-sèche ;
— la voie sèche avec ou sans précalcinateur.
Ces trois types d'ateliers de cuisson seront décrits dans ce paragraphe en
attirant l’attention sur leurs avantages et inconvénients et, plus
particulièrement, sur les conditions qui font que des ateliers techniquement
obsolètes restent économiquement viables.
La précalcination fera l'objet d’un développement particulier au paragraphe
ulterieur.
Chacun de ces procédés se décline en différents types.

7.4.2 Procédé par voie humide. Four long (WL)
7.4.2.1 Généralités
Pour la voie humide, on distingue :
— le four long à voie humide (WL, Wet Long), avec récupérateur intégré à chaînes ;
— le four long à voie semi-humide (DL-F, Dry Long-Filter), alimenté par des gâteaux de
filtration ;
— le four court à voie humide, avec préchauffeur à tambour indépendant (WK, Wet
Koncentrator) ;
— le four court à voie semi-humide, avec préchauffeur à grille indépendante (DG-F, Dry
Grate-Filtrate).
Ce procédé a été développé pour l’utilisation de matières premières très humides (jusqu'à
40 %), broyées, mélangées et homogénéisées sous forme de pâte qui est introduite
directement dans le four rotatif où se déroulent toutes les phases du procédé conduisant du
séchage à la clinkerisation (figure…).
La charge thermique Ct en zone de cuisson (pour la section transversale de cette zone
mesurée à l'intérieur du briquetage), varie dans la fourchette allant de 14,2 à 29,7 GJ/m2 · h
avec une valeur moyenne de 19,6 GJ/m2 · h. La charge thermique a tendance à augmenter
en même temps que le diamètre du four. Une corrélation assez bonne (R2 = 0,91) est
obtenue entre charge thermique et production.

La consommation thermique des fours par voie humide est très élevée. On
observe, en effet, des valeurs pouvant aller de 4 500 à 7 000 kJ/kg de
clinker ; c’est ce qui a condamné ces fours, sauf dans certains cas
particuliers où leur aptitude à coïncinérer des combustibles de substitution a
permis de compenser cette consommation élevée par une réduction
sensible du coût unitaire de l'énergie thermique.
7.4.2.1 Avantages et inconvénients du procédé
Les avantages de l'atelier de cuisson par voie humide sont essentiellement
:
— l'aptitude à coïncinérer les combustibles de substitution ou déchets
industriels jusqu’à 100 % ;
— une tolérance plus grande à l’égard des éléments mineurs (chlorures et
sulfates alcalins) que le procédé par voie sèche ;
— une fiabilité mécanique élevée liée à la simplicité de l’outil ;
— une économie au niveau de l'énergie électrique de l'ordre de 15 à 20 %
par rapport au procédé par voie sèche (pour l’ensemble de l’usine).

Figure – Procédé par voie
humide (WL)
En revanche, les inconvénients majeurs sont les suivants :
— la consommation d'énergie thermique peut atteindre 2 à
2,4 fois celle du procédé par voie sèche ;
— la capacité de production unitaire est limitée à 3 600 t/j alors
qu’il existe des fours par voie sèche à 7 500 t/j.

7.4.2 Procédé par « voie semi-sèche ». Four court (DG-N)
— le four long à nodules de farine crue (DL-N, Dry Long-Noddle) ;
— le four court avec préchauffeur indépendant à grille, alimenté en
nodules de farine (DG-N, Dry Grate-Noddle).
Ce procédé s’est développé à partir des années 1930 en alternative
avec le procédé par voie humide ; par rapport à celui-ci, il offre l’intérêt
d’une forte réduction (- 20 à - 30 %) de la consommation spécifique
thermique du système de cuisson.
Le séchage et une partie de la décarbonatation sont effectués sur une
grille mobile. Cette grille est désignée sous le nom de Lepol,
contraction du nom de l’inventeur M. Leppel et de celui du
constructeur Polysius. La fin de la décarbonatation et la clinkerisation
se font dans la partie rotative du système de cuisson (figure…).

La charge thermique Ct, en zone de cuisson, varie dans une
fourchette allant de 10,2 à 19,2 GJ/m2 · h avec une valeur
moyenne de 14,5 GJ/m2 · h, sans aucune corrélation avec la
production.
La consommation thermique du procédé par voie semi-sèche est
inférieure à celle du procédé par voie humide. On constate
qu’elle peut varier dans une fourchette assez large, de 3 200 à 5
000 kJ/kg de clinker, selon les conditions opératoires.

Les avantages du procédé Lepol sont :
— la consommation de chaleur, inférieure au four par voie humide ;
— la bonne granulométrie du clinker ;
— la simplicité de conduite ;
— la bonne maîtrise des recyclages internes.
Les inconvénients sont :
— la nécessité d’une matière première apte à la granulation ;
— l’impossibilité de récupérer la chaleur sensible des fumées du fait
de leur faible température ;
— la capacité de production unitaire limitée ;
— la difficulté dans la maîtrise des entrées d’air (20 %) et du profil des
pressions dans les chambres de la grille.

7.4.3 Procédé par voie sèche. Four court DS-X
Pour la voie sèche, on distingue :
— le four long à voie sèche (DL-M, Dry Long-Meal ), alimenté en farine ;
— le four court à voie sèche, avec préchauffeur indépendant à X étages de
cyclones (DS-X, Dry Short X) ;
— le four court à voie sèche, avec préchauffeur et précalcinateur en air tertiaire
(DS-X-PC) ;
— le four court à voie sèche, avec préchauffeur et précalcinateur en excès d’air
de four (DS-X-SF, Suspension Furnace).
Le développement de ce procédé s’est fait dans les années 1960 à l’initiative de
la société KHD (Allemagne). Il a été une étape décisive dans l’amélioration des
performances globales par la récupération de la chaleur des fumées sortant du
préchauffeur à cyclones, dans l’atelier de broyage-séchage du « cru » (figure 9),
grâce à une intégration des deux ateliers.

Ce procédé comporte deux phases :
— le préchauffage et une décarbonatation partielle (20 a 50 %) sont effectués
dans la partie statique de l’installation : l’échangeur à cyclones ;
— la fin de la décarbonatation et la clinkerisation sont effectuées dans le four
rotatif.
Par ailleurs, ce procédé a permis d’atteindre des capacités de production
unitaire plus importantes, jusqu’à 4 500 à 5 000 t/j, sans recours à la
précalcination. Le plus grand four de ce type a été construit en 1974 avec 6,2 m
de diamètre et une production de 5 000 t/j.

La charge thermique Ct, en zone de cuisson, varie dans une
fourchette de 11,3 à 30,9 GJ/m2 · h pour une valeur moyenne de
17,1 GJ/m2 · h. Il existe une corrélation (0,84) entre production et
charge thermique.
La consommation thermique du procédé par voie sèche est
théoriquement la plus faible des trois procédés envisagés, même si
l’on constate qu’elle peut varier dans une fourchette assez large
allant de 3 150 à 4 150 kJ/kg de clinker selon les conditions
opératoires. L’effet de taille, par la réduction des pertes par les
parois, procure un avantage aux installations de grandes
dimensions ; il peut atteindre 300 kJ/kg à 400 kJ/kg de clinker.

7.4.3.2 Échangeur à cyclones
L’échangeur à cyclones est constitué de plusieurs étages de cyclones, en général 4.
Ce nombre d’étages a été retenu au début du
développement du procédé par voie sèche, car il était le meilleur compromis entre
coût d’investissement et coût d’exploitation avec
un faible coût de l’énergie thermique à cette époque. Un échangeur à 4 étages, de
conception ancienne, est représenté sur la figure...
Le nombre d’étages peut être porté à 5 et même 6 dans les configurations où les
matières premières relativement sèches ne nécessitent pas un apport thermique très
important pour effectuer leur séchage. L’échangeur à 4 étages permet l’équilibre
entre chaleur disponible dans les fumées sortant de l’échangeur entre 350 et 380 °C
et besoin en chaleur pour évaporer l’humidité de matières premières à 8 ou 9 %
d’eau.
Dans l’étage supérieur de cyclones, la fonction séparation est particulièrement
soignée de manière à limiter les recyclages de matière (farine) ; des valeurs voisines
de 50 g/Nm3, soit environ 8 % de la production du four, sont généralement
observées.

Figure –
Préchauffeur à 4
étages de cyclones

Les avantages de l’atelier de cuisson par voie sèche sont
essentiellement :
— la récupération optimale de la chaleur sensible des fumées ;
— la faible consommation thermique spécifique ;
— la grande facilité de conduite ;
— la possibilité d’atteindre des capacités de production élevées.
Les inconvénients majeurs sont les suivants :
— très grande sensibilité à la présence d’éléments mineurs (alcalis,
chlore, soufre, etc.) ;
— forte hétérogénéité de la granulométrie du clinker.

Tableau – Différents procédés
de cuisson : données
importantes de capacité de
production et de consommation
7.4.3.4 Comparaison des consommations énergétiques standards
et des ratios de production
Tableau – Différents procédés de
cuisson : production volumique et
charge thermique

7.4.4 Précalcination. Fours DS-X-SF et DS-X-PC
Le développement de la précalcination s’est donc fait au Japon à partir des années
1973 pour répondre aux objectifs suivants :
— augmenter la capacité unitaire des nouveaux outils de production limitée à 4 500-5
000 t/j dans le procédé à voie sèche classique
— augmenter la capacité de production d'installations existantes en voie sèche ou
lors de la conversion d'autres procédés ;
— réduire le coût d'investissement exprimé en unité monétaire par tonne de
production annuelle ;
— améliorer la fiabilité des installations par la réduction du diamètre du four rotatif (à
partir de 5,50 m de diamètre, les fours ont des campagnes entre deux réfections du
réfractaire de zone de cuisson qui sont de l'ordre de 3 mois au lieu de 12 mois) ;
— améliorer les consommations spécifiques grâce à l'effet de taille et à l’amélioration
de la qualité de l’échange thermique ;
— réduire les émissions de NOx ;
— permettre l'intégration de systèmes de by-pass de façon économique.

Pour répondre à ces objectifs, le concept du précalcinateur (PC sur la
figure…) a été développé en imaginant un foyer auxiliaire, dans lequel
:
— l'alimentation en matière peut provenir de l'étage 3 ou 4 de
l'échangeur à cyclones ;
— l'alimentation en combustible est faite sous forme de charbon, fioul,
coke de pétrole... ;
— l'apport en oxygène nécessaire à la combustion peut être fourni soit
par les fumées du four, soit par le refroidisseur ;
— la sortie de matière vers le four rotatif peut se faire à partir de
l'étage des cyclones inférieurs (4, 5 ou 6).

Figure…. – Précalcination
: schéma de principe

La figure… représente les flux du système de cuisson avec
précalcination et montre l'intégration croissante du refroidisseur.
Figure – Procédé par
voie sèche DSX-PC

7.4.4.1 Principes généraux
La précalcination a pour origine les remarques de principe suivantes.
 Le four rotatif est un excellent échangeur de chaleur dans sa partie la plus
chaude, la zone de clinkerisation, où l'échange se fait par radiation. Cette
zone est d'environ 1/3 de la longueur du four.
 Dans une installation avec préchauffeur sans précalcination, l’essentiel de
la décarbonatation (de 80 à 90 %) se fait dans le four rotatif. On estime
que cela occupe les 2/3 de la longueur du four où les conditions d'échange
thermique sont médiocres (12 à 17 kJ/kg de clinker et par mètre de four).

 La phase de décarbonatation exige les besoins en chaleur les
plus importants par rapport à l'ensemble des phases du procédé
(1 965 kJ/kg de clinker).
 L'échange de chaleur entre matière et fumées effectué par
convection est amélioré par la mise en suspension des matières,
même si l'écart de température est faible
 On distingue deux systèmes de précalcination selon le mode
d’alimentation en air de combustion :
— sans conduite d'air tertiaire ;
— avec conduite d'air tertiaire.

7.4.4.2 Précalcination sans air tertiaire
Dans ce système (figure..), l'air de combustion est fourni par l'excès d'air du
brûleur du four rotatif. L'air de combustion transite par le four rotatif.
Figure… – Four à voie
sèche avec précalcination
sans air tertiaire

7.4.4.3 Précalcination avec air tertiaire
Dans ce système, l’air de combustion du foyer de précalcination est délivré
par une conduite séparée. Cela permet d’atteindre des niveaux de
précalcination supérieurs à 20 %, et pouvant atteindre 95 %. Le montage
est montré sur la figure… dans son principe général.
Figure – Principaux organes
d’un four à voie sèche avec
précalcination et air tertiaire :
principe général

7.4.5. Problèmes environnementaux
7.4.5.1. émissions de NOx
 Généralités
La formation des oxydes d’azote se fait selon trois mécanismes : NOx
thermique, NOx à partir de l’azote du combustible et prompt NOx. Ce
dernier est très peu important de sorte qu’il n’est pas utile de le
prendre en compte. La principale cause de formation des oxydes
d’azote sont les hautes températures régnant dans la zone de cuisson
du four.
Une possible configuration pour la réduction de ces oxydes d’azote
pourrait être la suivante : une quantité suffisante de combustible est
injectée dans les gaz d’exhaure du four rotatif afin d’avoir, dans la
section 1 du carneau des fumées au droit de l’injection du combustible
(figure…), un ratio d’excès d’air de 0,7 à 1,1. Ni air, ni farine ne sont
admis dans cette section. Le volume d’air requis et le reste du
combustible sont seulement admis dans la seconde section (figure…).
On aboutit ainsi au concept de la combustion dite étagée, développée
par KHD, Polysius et CLE.

Figure… – Système
Prepol AS-MSC
[Polysius]

 Pyroclon RP « low NOx » de KHD
KHD applique le principe de la combustion en atmosphère
réductrice pour réduire les NOx des fumées du four (figure…).
Une partie du combustible est introduite dans les gaz de four. Il
se crée donc, dans la gaine des gaz de four, une zone réductrice
propre à favoriser la décomposition de NO. Le reste du
combustible est brûlé dans l’air tertiaire. Les deux flux gazeux
sont ensuite mélangés dans le calcinateur et la chambre de
mélange lui faisant suite. Les réactions de décomposition des
NOx se poursuivent dans le carneau vertical puisque les
conditions réductrices restent établies dans une partie de la
section de gaine (zone en grisé de la figure… b).

Figure 26 – Système
Pyroclon RP-low NOx
[KHD] : deux versions
Les deux flux gazeux, oxydant et
réducteur, sont ensuite
vigoureusement mélangés dans la
chambre de mélange. Cette
chambre a pris la place du coude à
180° que l’on trouve habituellement
dans les calcinateurs classiques
KHD (figure… a).

- Prepol AS-MSC de Polysius
Le foyer de pré-calcination est équipé de plusieurs brûleurs
(figure….). Le premier se situe dans la boîte à fumées du four. Il
crée les conditions réductrices favorables à la décomposition des
NOx. Les second et troisième brûleurs sont les brûleurs de
précalcination proprement dits.
Le principe de la combustion étagée reste acquis à ce niveau. Il
permet d’éviter d’avoir une concentration thermique forte,
génératrice de températures élevées, donc d’oxydes d’azote.
L’air tertiaire est également partagé en deux flux qui alimentent
chacun des deux brûleurs de la précalcination proprement dite.

Figure.. – Système
Prepol AS-MSC
[Polysius]

- Minox de CLE
CLE a développé une adaptation du système RSP de Onoda dans le
but de favoriser la réduction des NOx. Ce système, représenté sur la
figure…, comporte un foyer, une chambre de mélange, un rétreint, un
registre et un volet sur l'air tertiaire.
L’adaptation consiste à diviser l’air tertiaire en deux flux. L’un des
deux flux alimente le foyer comme dans le schéma traditionnel
(figure….), l’autre flux est injecté après le foyer de précalcination au
niveau de la chambre de mélange.
Le taux d’abattement des émissions de NOx annoncé par CLE est de
l’ordre de 30 % (figure…)..

Figure… – Système
RSP [Onoda]
Figure… – Réduction de
NOx avec Minox [CLE]

- Précalcination et cycles d’éléments volatils
Les éléments volatils dans le four sont essentiellement des
chlorures et des sulfates alcalins. La formation des cycles
d’éléments volatils résulte de leurs températures de
vaporisation/condensation (figure…). En zone de cuisson, il y a
volatilisation des éléments volatils (le chlore par exemple, est
volatilisé à 99 %). Ces éléments remontent le four avec les gaz.
Lorsqu’ils atteignent leurs isothermes de condensation, ils
repassent à l’état liquide, puis à l’état solide, pour redescendre le
four avec la farine (le chlore est recyclé ainsi à 99 %). Il est
admis qu’une concentration en chlore supérieure à 4 % au pied
du préchauffeur compromet gravement la marche de
l’installation. Il faut donc diminuer l’importance du phénomène.

Figure…. – Cycles des éléments volatils

L’extraction de gaz au pied du préchauffeur permet de casser le
cycle et aboutit à cette diminution. L’extraction peut concerner
100 % des gaz du four dans le cas de matières premières et/ou
de combustibles particulièrement riches en chlore. Le foyer de
précalcination est alors indispensable pour alimenter en gaz
chaud le préchauffeur.
Le cas le plus courant correspond à une extraction d’environ 10 à
15 % des gaz à 1 050 °C, ce qui crée une perte thermique
conséquente.

Le soutirage est d’autant plus efficace que la concentration en
éléments mineurs dans les fumées à la sortie du four est élevée.
C’est grâce à la précalcination que cette concentration peut être
rendue maximale puisque la même quantité d’éléments mineurs
est présente dans :
— 40 % de fumées venant du brûleur principal ;
— 10 % de CO2 de décarbonatation (cas d’une précalcination à
60 %) ;
au lieu de :
— 100 % de fumées venant du brûleur principal ;
— 70 % de CO2 de décarbonatation (installation sans
précalcination).
Précalcination et soutirage sont donc étroitement associés.

8. Fluides hydrauliques
Que faut-il entendre par fluide hydraulique ?
Ils ne diffèrent des huiles lubrifiantes que par des détails, à tel
point que, dans des conditions d’utilisation normale, par exemple,
une huile minérale, pour autant qu’elle ne soit pas trop
visqueuse, peut être à la fois une huile lubrifiante et un fluide
hydraulique. Lorsqu’on se livre à un travail d’investigation sur une
composition synthétique, il est bien difficile de dire a priori « sur
quoi on va déboucher » ; ce n’est qu’un inventaire des propriétés
qui permet l’orientation finale.

Fonctions du fluide hydraulique
Le fluide hydraulique est souvent répertorié comme un fluide
fonctionnel. Il faut entendre par là un fluide sans lequel la machine ne
peut fonctionner.
La principale fonction du fluide dans un système hydraulique est de
transmettre une force appliquée en un point à un autre point. L’effort
doit pouvoir être transmis rapidement et avec précision. Pour
accomplir avec satisfaction sa fonction, le fluide doit pouvoir s’écouler
aisément dans des conditions de température les plus variées et être
aussi incompressible que possible.
Pour accomplir ses fonctions primordiales, le fluide doit cumuler un
ensemble de qualités telles que : bon pouvoir lubrifiant, bon coefficient
de transfert de chaleur, bon pouvoir anti-usure et, autant que faire se
peut, bonne résistance au feu.

8.1. Fonctions et sollicitations des fluides
hydrauliques
— stabilité à la chaleur, à
l’oxydation et à l’hydrolyse ;
— propriétés « viscosité-
température » ;
— résistance au feu ;
— module de compressibilité ;
— aptitudes lubrifiantes ;
— compatibilité et non corrosivité
vis-à-vis des matériaux constituant
le système hydraulique ;
— volatilité ;
— résistance aux radiations ;
— tendance à la détérioration ;
— facteur coût compte tenu des
performances ;
— durée de service ;
— tendance à la cavitation ;
— toxicité ;
— facilité de manipulation et de stockage ;
— coefficient de transfert de chaleur ;
Généralement, on définit 21 caractéristiques ou qualités qu’il y a lieu de
prendre en considération [1]. Il est intéressant d’en donner une énumération
:

— coefficient d’expansion ;
— masse volumique ;
— compatibilité avec les autres matériaux extérieurs au circuit
hydraulique et se trouvant à proximité dans la machine ;
— propriétés électriques telles que conductivité, constante
diélectrique,
etc. ;
— tendance au moussage, persistance de la mousse et relargage
des gaz occlus ;
— possibilité de régénération, etc. ;
cette liste de propriétés n’est pas limitative.

Entre autres caractéristiques précitées propres au fluide, les
critères de choix des fluides hydrauliques doivent également tenir
compte à la fois des caractéristiques de l’équipement et de
l’environnement.
Le fluide idéal n’existe, bien sûr, que pour les besoins des
calculs.
Dans la pratique, il doit être adapté à l’emploi pour lequel il est
requis et le choix final est le résultat d’un compromis où force est
de tenir compte des facteurs principaux.

8.1.1 Caractéristiques de viscosité
Un fluide de viscosité mal adaptée peut entraîner des ennuis plus ou moins graves
tels que glissement de la pompe, usure par augmentation du frottement, fuite, etc.
Une viscosité trop forte crée un frottement interne plus grand, augmente la
température, avec tout ce que cela comporte, et accroît la consommation de
puissance.
Une viscosité trop faible favorise les fuites. Elle peut entraîner un glissement de la
pompe se traduisant par une perte de rendement, une augmentation de la
température et de l’usure des pièces en mouvement.
La stabilité de la viscosité n’est pas chose facile à réaliser. Il faut tout d’abord que
l’indice de viscosité soit bon, que le fluide en vieillissant n’augmente pas trop de
viscosité, qu’il soit peu sensible au cisaillement. Il faut aussi tenir compte que la
pression augmente la viscosité (de 15 à 45 % pour 100 hPa).
Étant donné que les masses volumiques des fluides synthétiques sont disparates,
il vaut mieux considérer les viscosités absolues dynamiques que les viscosités
cinématiques

8.1.2 Résistance à la dégradation
Un fluide hydraulique destiné à travailler à des températures élevées
doit avoir une excellente stabilité thermique assortie d’une bonne
résistance à l’oxydation et à l’hydrolyse. Il faut que le fluide exposé à
la chaleur n’engendre pas rapidement des quantités excessives de
matières parasites telles que boues, vernis et matières corrosives qui
perturberaient la bonne marche du système en contrariant les débits,
en colmatant certains orifices ou filtres, et en favorisant l’usure des
surfaces en contact. La dégradation du fluide peut encore se
manifester par des produits gazeux de décomposition qui peuvent être
à l’origine d’un phénomène de cavitation. En fait, cette cavitation
risque de se produire chaque fois que, dans un système liquide-gaz, il
se forme des poches de gaz qui peuvent être comprimées par la suite.

La dégradation thermique est accélérée par la présence d’oxygène.
Dans un circuit hydraulique fonctionnant à haute température, tout est
mis en oeuvre pour éviter le contact avec l’air. Néanmoins, il est très
difficile d’éviter tout contact du seul fait qu’il existe toujours une
certaine quantité d’oxygène dissous dans le fluide. D’un autre côté,
cet oxygène n’a pas que des effets néfastes car, avec certains
métaux, il forme des films d’oxyde protecteurs qui facilitent la
lubrification et évitent la corrosion.
Il en va de l’eau comme de l’oxygène. Il est aisé de se protéger des
entrées d’eau en équipant les réservoirs d’évents de respiration
capables de stopper l’humidité, mais, dans un système hydraulique
étendu, il est impossible de maintenir le fluide complètement anhydre.
Il faut donc tenir compte de la résistance à l’hydrolyse lors du choix du
fluide hydraulique.

8.1.3 Pouvoir lubrifiant
Pour assurer avec succès sa fonction, le fluide hydraulique doit
pouvoir bien lubrifier toutes les parties en mouvement et réduire
au minimum les frictions. Suivant les conditions rencontrées dans
le système hydraulique, la lubrification peut se faire soit en
régime hydrodynamique, soit en régime onctueux [4], et il faut
adapter en conséquence les qualités lubrifiantes du fluide. Ce qui
influe fortement sur le niveau de performance, c’est, d’une part,
le type de la pompe et, d’autre part, la pression de service.

8.1.4 Corrosion
Des phénomènes de corrosion peuvent se produire par suite de
l’interférence du fluide avec le système hydraulique. Trois types
de corrosion sont susceptibles de se manifester : la corrosion
électrochimique, la corrosion érosive et la corrosion fissurante
sous contrainte. Le premier type est le plus à craindre. Il peut se
manifester par des piqûres, des craquelures, une attaque
uniforme ou intergranulaire. La corrosion érosive se remarque
surtout aux surfaces affleurantes animées de mouvements
légers.
Les phénomènes de corrosion sont souvent difficiles à prévoir au
banc d’essai. Ils se signalent en cours de service, ce qui ne
manque pas de compliquer le problème.

8.2. Classification des fluides hydrauliques
8.2.1 Fluides industriels
Le principe de cette classification repose sur la définition de catégories de
produits nécessaires aux principales applications hydrauliques particulières
et, au stade ultime de la subdivision, fait appel à la composition des
produits correspondants.
 Les différentes catégories de fluides hydrauliques
Suivant le type d’application, deux grandes familles de fluides hydrauliques
sont utilisées :
— les huiles hydrauliques minérales ;
— les fluides difficilement inflammables.

- Les huiles minérales
Les différentes catégories de fluides retenues par la norme NF E 48-602 sont :
— HH : huiles non inhibées ;
— HL : huiles possédant des propriétés antioxydantes et anticorrosion particulières
;
— HM : huiles HL possédant des propriétés anti-usure particulières;
— HR : huiles HL possédant des propriétés « viscosité & température» améliorées
;
— HV : huiles HM possédant des propriétés « viscosité-température» améliorées ;
— HS : huiles de synthèse ne possédant aucune propriété particulière de
résistance au feu ;
— HG : huiles destinées aux systèmes hydrauliques et aux glissières de machines-
outils ; il s’agit de fluides du type HM qui possèdent des propriétés anti-« stick-up ».

Pratiquement :
— Les fluides HH sont des huiles minérales pures qui, si elles
remplissent correctement le premier rôle des fluides hydrauliques, à
savoir transmettre l’énergie, peuvent ne pas remplir le second qui
consiste à protéger et lubrifier les organes du circuit ;
— les fluides HL sont pour la plupart des huiles du type « turbine ». Ils
présentent un excellent comportement vis-à-vis de l’eau. Ils sont
préconisés dans les installations à moyenne pression et lorsque les
additifs antiusure ne sont pas nécessaires ;
— quant aux fluides HM et HV, ils sont les plus usités.
D’autres huiles minérales peuvent être utilisées dans les circuits
hydrauliques. Notons en particulier :

— pour les applications à très basses températures (» – 50°C), les
huiles à très haut indice de viscosité et très bas point d‘écoulement
qui correspondent à la norme AIR 3520 (cf. § 2.2) ;
— les huiles moteur et huiles pour transmissions hydrocinétiques.
Ces huiles possèdent la plupart des propriétés de leurs homologues
hydrauliques. Elles sont préconisées par différents constructeurs dans
le domaine des travaux publics en parallèle avec les huiles
hydrauliques ;
— les huiles hydrauliques détergentes qui correspondent à la
catégorie HM ; elles sont dotées de propriétés détergentes leur
permettant d’absorber des quantités appréciables d’eau.

- Les fluides difficilement inflammables
Dans certaines industries, la présence de matières inflammables ou
portées à très hautes températures peut provoquer l’inflammation des
huiles hydrauliques minérales, lors de la rupture accidentelle d’une
tuyauterie, par exemple.
Les différentes catégories de fluides retenues sont :
— HFAE : émulsions d’huile dans l’eau avec typiquement plus de
80 % d’eau ;
— HFAS : solutions chimiques aqueuses avec typiquement plus
de 80 % d’eau ;
— HFB : émulsions d’eau dans l’huile ;
— HFC : solutions aqueuses de polymères avec typiquement
moins de 80 % d’eau ;

— HFDR : fluides de synthèse sans eau, constitués d’esters
phosphoriques ;
— HFDS : fluides de synthèse sans eau, constitués d’hydrocarbures
chlorés ;
— HFDT : fluides de synthèse sans eau, constitués de mélanges de
fluides HFDR et HFDS ;
— HFDU : fluides de synthèse sans eau, constitués d’autres
compositions de fluides.
Dans les circuits hydrauliques industriels, les fluides difficilement
inflammables les plus utilisés sont ceux de la catégorie HFC. Aux
catégories HFAE et HFAS pourraient se rattacher les fluides à forte
teneur en eau (fluide type 95/5 ou HWBF High Water Base Fluids ),
usités plus pour leur caractère économique que pour leur propriété de
résistance au feu.
La première lettre du code « H » identifie la famille du produit
considéré, mais les autres lettres sont prises isolément sans être
affectées d’aucune signification propre.

8.2.2 Fluides embarqués en aéronautique
Avant la Seconde Guerre mondiale, les fluides hydrauliques étaient
constitués soit par de l’huile de ricin, soit par des mélanges d’alcool ou des
huiles minérales. Les exigences étaient modestes et les différents types de
fonctions étaient satisfaits par l’emploi de l’un ou de l’autre de ces produits.
La période de 1940 à 1950 a vu l’avènement des fluides à base
d’hydrocarbure pétrolier, fluide hydraulique standard, symbolisés par FHS.
Ils sont constitués d’une huile minérale légère épaissie par un polymère qui
en améliore la courbe de viscosité. La volatilité d’une semblable composition
en limite l’emploi aux températures élevées (70 °C). Ces fluides présentent
d’autres défauts : pouvoir lubrifiant passable, inflammabilité et oxydabilité
très grandes. Cette sensibilité à l’oxydation impose l’utilisation d’un liquide
de stockage longue durée des organes comportant un inhibiteur de
corrosion. Cependant, le FHS s’est avéré tout à fait satisfaisant pour
l’aviation à turbopropulseur

Compte tenu de cette évolution, la classification des fluides hydrauliques est
nécessairement basée sur l’endurance thermique (stabilité). Cinq catégories de
fluides hydrauliques pour couvrir ses besoins ont été définies [5] :
— type I : domaine de température [– 54°C , + 71°C], pour lequel de nombreux
fluides à base minérale sont qualifiés ;
— type II : domaine de température [– 54°C , + 135°C], qui est satisfait par des
compositions à base d’huile minérale, tel le FHS ;
— type III : domaine de température [– 54°C , + 204°C], qui est satisfait par l’emploi
d’huiles synthétiques, tels les fluides répondant à la spécification MIL-H-8446
(USA) ;
— type IV : domaine de température [– 54°C , + 288°C] ;
— type V : domaine de température [– 54°C , + 700°C].
Les types IV et V ne font pas encore l‘objet de spécification bien définie. Plusieurs
compositions sont dès maintenant acceptables, pour autant que l’on puisse
admettre d’assouplir les exigences à basse température.
Sans être officiellement établi, il existe un type VI. Pour ce groupe, on propose un
domaine de température de [– 7°C , + 540°C]. Il est d’ailleurs fort possible qu’il
faille restreindre cette fourchette.

Les autres fluides hydrauliques usités dans l’aéronautique sont les suivants.
 Huiles minérales surraffinées
Mises au point pour satisfaire aux exigences hydrauliques de
l’astronautique, elles sont utilisables dans le domaine de température [– 54
oC , + 350 oC]. Ces fluides sont d’un usage peu répandu.
Ils ne semblent pas, d’après le fournisseur, présenter de défauts typiques
par rapport aux fluides synthétiques.
 Hydrocarbures fluorés ou chlorés
Ils ont une bonne résistance au feu et sont thermiquement stables, même
en présence d’eau. Par contre, ils ont un mauvais indice de viscosité, sont
relativement volatils et ont un mauvais pouvoir lubrifiant. Ils sont assez peu
utilisés et d’un coût très élevé. Ils sont difficilement améliorables à cause de
leur grande sensibilité aux additifs classiques.

 Hydrocarbures de synthèse
Ils tendent à remplacer de plus en plus le FHS dans les circuits hydrauliques des
hélicoptères et des avions militaires, essentiellement pour des raisons de
meilleures propriétés d’ininflammabilité que le FHS. Ils répondent à la
spécification américaine MIL-H-83 282.
Ils sont compatibles avec le FHS et peuvent être substitués à ce dernier sans
aucune modification du circuit hydraulique. Pour cela, il suffit de vidanger le FHS
du système et de remplir le circuit avec ces fluides de synthèse. Les garnitures
d’étanchéité élastomériques en NBR, compatibles avec le FHS, le sont
également avec ces hydrocarbures de synthèse.
 Autres fluides synthétiques
Ils sont obtenus généralement à partir d’une base ininflammable à laquelle on
ajoute divers adjuvants en vue d’optimiser ses caractéristiques hydrauliques. La
composition qualitative et quantitative est propre à chaque fournisseur. En plus
des esters phosphoriques déjà mentionnés, nous ne donnerons ici que quelques
exemples pour chacune des sous-catégories suivantes, l’ensemble de ces
produits étant détaillé dans l’article [BM 6 014] de cette rubrique.

• Esters de polyglycols
Ils ont de bonnes qualités hydrauliques jusqu’au voisinage de 200 oC.
Notons qu’ils sont incompatibles avec les additifs et surtout avec les fluides
dérivés du pétrole.
• Diesters
Ils sont thermiquement stables, mais assez peu résistants au feu. Ils
présentent par ailleurs de bonnes caractéristiques hydrauliques : viscosité-
température (sauf pour certains produits qui possèdent une viscosité élevée
aux basses températures), viscosité-volatilité, stabilité à l’hydrolyse et
pouvoir lubrifiant.
• Silicones
Ils sont stables thermiquement par définition, non volatils, mais peu
lubrifiants et relativement peu résistants au feu. Leur coût est élevé.
• Esters siliciques
Ils ont d’excellentes qualités hydrauliques et un bon pouvoir lubrifiant. Leur
excellente stabilité thermique leur a permis d’assurer la génération
hydraulique de l’avion supersonique franco-britannique Concorde,
répondant à la spécification CM 080. Par contre, ils peuvent être considérés
comme ayant une tendance à être instables en présence d’eau (hydrolyse).
Leur résistance au feu est limitée, n’atteignant pas les valeurs escomptées.

Problèmes environnementaux
Echange avec l’auditoire

9. Carburants liquides
9.1 Généralités
Les carburants sont des produits dont la combustion en présence d’air
permet le fonctionnement des moteurs thermiques à pistons (de type
essence ou diesel) ou à flux continu (réacteurs d’avion, turbines à gaz). On
ne doit pas confondre les termes carburant et combustible, ce dernier étant,
quant à lui, réservé aux produits utilisés pour la fourniture d’énergie
thermique dans les chaudières, les fours, les centrales…

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