Choix et caractérisation des procédés de recyclage retenus

L’état de l’art des procédés de production du cuivre raffiné a montré qu’une grande variété de procédés unitaires existait, notamment pour les premières étapes de fonte et de conversion. Cependant, seuls quelques uns sont utilisés à grande échelle dans le monde et sont utilisables pour le recyclage. Ainsi, au vu des informations recueillies, dix technologies ont été retenues pour cette étude (l’indice ou l’abréviation entre parenthèse sont utilisés par la suite pour men- tionner ces technologies) : une technologie hydrométallurgique (Leach-Solvent Extraction-Electrowin (1=LSXEW)) et neuf technologies pyrométallurgiques, présentées ci-dessous :

1. Pour l’étape de fonte

– Fusion éclair (Flash smelters) • four Outukumpu (2=OUT)

• four “Direct-To-Blister” (i.e. qui transforme directement le concentré en blister, sans passer par la transformation en matte) (3=DTB) – Four

• four électrique (4=ELEC)

– Fusion en bain fondu (Bath smelting) • four Noranda (5=NOR)

• four Teniente (6=TEN) • four SKS (7=SKS) 2. Pour l’étape de conversion

4.4.1 Choix et caractérisation des procédés de recyclage retenus 121

Chapitre

4

3. Pour l’étape de raffinage thermique • Four à anode (9=ANODE) 4. Pour l’étape d’électro-raffinage

• Raffinage électrolytique (10=ER)

Mathématiquement, ces technologies peuvent toutes être représentées selon le même modèle (figure4.6) : un courant d’alimentation entre dans le procédé, des flux de matières et/ou d’énergie sont ajoutés pour que des réactions exo- thermiques aient lieu et ainsi chauffer le four, puis les produits sortent dans trois courants : un courant fortement concentré en cuivre (le produit), un cou- rant à faible teneur en cuivre contenant majoritairement des impuretés (les déchets solides et liquides), et un courant gazeux contenant notamment du di- oxyde de souffre (les déchets gazeux). De plus, chaque procédé est caractérisé par la gamme de pureté qu’il accepte en entrée.

Figure 4.6 :Représentation schématique d’un four avec ses entrées et sorties. Ainsi, pour chaque procédé retenu, les données sont présentées comme in- diqué dans la table 4.1 qui présente les données pour le four Noranda, comme elles seront utilisées dans la méthode de calcul. Les données utilisées pour les autres procédés sont disponibles en annexe C:

– T cmin et T cmax sont les concentrations minimales et maximales des diffé-

rents constituant possibles pour le procédé ;

– SF est la matrice des facteurs de séparation : elle donne, pour chaque constituant, la fraction qui est transférée vers le produit à forte teneur en cuivre (SFproduct), vers le courant des déchets solides et liquides (SFwaste1)

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– T pmin, T pmax et T pout donnent des indications sur les propriétés phy-

siques acceptables (taille des particules et taux d’humidité minimaux et maximaux en entrée de procédé) et sur les propriétés physiques en sortie du procédé.

Table 4.1 :Caractéristiques d’un procédé type : cas du four Noranda (Suljada,

2001; U. S. Congress, 1988).

Procédé : Four Noranda

Propriétés pour la composition (%)

Constituants T cmin T cmax SFproduct SFwaste1 SFwaste2

Cuivre 0.2 0.35 0.94 0.125 0.2 Fer 0 0.45 0.06 0.75 0.3 Zinc 0 1 0 0.125 0.5 Plomb 0 1 0.19 0.2 0.2 Étain 0 1 0.81 0.3 0.7 Équilibre 0 1 0 0.5 0.1 Propriétés physiques

Caractéristiques T pmin T pmax T pout

Taille (m) 0 0.05 0

Humidité (%) 0 0.14 0

Consommation d’énergie et de matière (kW h/tCu)

Électricité 369

Fioul 1562

Eau 0

Oxygène 929

Silice 190

T cmin, T cmax Compositions minimale et maximale acceptées en entrée

SFproduct, SFwaste1, SFwaste2

Facteurs de séparation : pourcentage de chaque constituant qui va dans le courant de sortie principal (produit), le cou- rant de déchets solides et liquides (waste1) et le courant de déchets gazeux (waste2)

T pmin, T pmax Propriétés physiques minimale et maximale acceptées en entrée

T pout Caractéristiques physiques en sortie

Il est à noter que les données de consommation d’énergie et de matière première sont exprimées en kW h/tCu, de sorte qu’elles puissent être agrégées en

un seul critère pour l’optimisation. Les caractéristiques de chaque technologie sont issues des travaux deSuljada (2001),Giurco(2005) et d’un rapport deU. S. Congress (1988).

4.4.2 Méthodologie de construction des flowsheets 123

Chapitre

4

4.4.2 Méthodologie de construction des flowsheets

Les procédés identifiés sont ensuite utilisés pour construire un flowsheet acceptable capable de transformer du concentré ou un débris en cathode de cuivre (ou cuivre raffiné : 99.99 % Cu). La construction des flowsheets est basé sur une méthode vectorielle proposée par Suljada (2001) : les flowsheets sont construits connaissant le flux de débris et les propriétés chimiques et physiques en entrée et selon la méthodologie suivante :

1. Test n°1 et test alliage : le taux de cuivre est comparé avec le taux mini- mum des débris n°1 et la composition du débris est comparée à celle des alliages les plus couramment utilisés : s’il s’agit d’un débris n°1 ou d’un alliage, il n’y a pas besoin de procédé complexe, le débris doit seulement être fondu pour le coulage de forme ;

2. S’il ne s’agit pas de débris n°1 ou d’alliage, ses caractéristiques sont com- parées avec celles de chaque procédé (T cmin, T cmax, T pmin et T pmax) ;

3. Si les caractéristiques chimiques ou physiques ne sont pas dans la gamme T cmin− T cmax ou T pmin− T pmax d’un procédé, le débris ne peut pas être

transformé par ce procédé ;

4. Le débris est transformé par chaque procédé qui peut le traiter en un produit intermédiaire : les facteurs de séparation sont utilisés pour déter- miner la composition de ce produit intermédiaire ainsi que celle des flux de déchets et leurs débits ;

5. Lorsqu’un produit intermédiaire atteint la pureté des cathodes de cuivre, son flowsheet est finalisé. Chaque autre produit intermédiaire est testé : si sa composition est telle qu’il ne peut être traité par aucun procédé, il est stocké dans une matrice appelée des “produits intraitables”, sinon il est à nouveau transformé par chaque procédé pouvant le traiter : les étapes 1 à 3 sont répétées jusqu’à ce que chaque produit intermédiaire soit transformé en cathode de cuivre ou devienne un produit intraitable. A l’issue de cette démarche, si le débris initial n’était pas intraitable, un ensemble de flowsheets est obtenu : pour chaque flowsheet on connaît le débit et la composition de la cathode obtenue, mais également les flux de déchets solides et liquides et de déchets gazeux, ainsi que la consommation énergétique (par type d’énergie : électricité, fioul, mais aussi oxygène, silice, etc.). On obtient

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4

également la liste des produits intraitables obtenus avec le flowsheet qui les a générés. Il est à noter que dans ce processus de construction, il n’y a pas de contrainte obligeant à suivre les étapes classiques de production présentées dans la figure 4.1: la seule condition fixée est l’atteinte d’une pureté en cuivre de 99,9 % dans la cathode. Par exemple, si uniquement une succession de procédés théoriquement développés pour l’étape de fonte est utilisée, cela est accepté sans restriction.

Il est possible de complexifier le système en ajoutant des étapes de “transfor- mation physique” lorsque les propriétés chimiques sont acceptées par le procédé mais pas les propriétés physiques. On peut par exemple ajouter une étape de séchage pour réduire l’humidité ; cela a pour effet d’augmenter fortement la taille du système.

Ce modèle a été codé avec le logiciel Matlab© dans une fonction appe- lée “flowsheet” à laquelle on doit donner la composition initiale (pourcen- tage de cuivre, fer, zinc, plomb, étain et reste) et le débit (M) du débris (Sc0 = [%Cu ; %F e ; %Zn ; %P b ; %Sn ; %B ; M ]) ainsi que ses

propriétés physiques (Sp0 = [taille ; humidité]) et qui donne en sortie cinq

matrices : les cathodes de cuivre qui sont dans ce cas considérées comme les produits finis (P f ), les produits intraitables (U f ), les déchets solides et liquides (W 1f ), les déchets gazeux (W 2f ) et l’énergie totale (N RJT).

P f , W 1f , W 2f et N RJT ont le même nombre de colonnes, qui est égal

au nombre de flowsheets permettant d’obtenir des cathodes de cuivre, alors que U f contient les flowsheets conduisant à des produits intraitables, avec leurs débits et compositions. Les produits intraitables ne sont pas considérés dans la suite de cette étude mais il est intéressant d’avoir cette information car la plupart des produits intraitables ont un taux de cuivre compris entre 0,99 et 0,999 et une étude comparative des flowsheets menant aux cathodes de cuivre et aux produits intraitables pourrait être menée pour évaluer l’impact de la production de cathodes à une si haute pureté. Ce point constitue une perspective de ce travail.