2. Activités d’exploitation

• 2.1 Usine de réduction d’alumine
• 2.2 Fabrique d’anodes précuites
• 2.3 Usine de calcination du coke vert
• 2.4 Usine d’affinage de la bauxite

Cette section décrit les principales fonctions de chacune des activités d’exploitation du secteur de l’aluminium primaire visées par le code. La présente section a plutôt comme objectif de cerner la nature et la portée des activités visées par le code, en particulier celles qui suscitent des préoccupations au niveau des émissions de particules fines dont il est question à la section 3. Les figures 2-1 à 2-4 illustrent les principaux procédés pertinents en ce qui a trait au code et aux rejets de particules à l’environnement.

L’aluminium est produit par la réduction électrolytique de l'alumine dissoute dans un bain en fusion, composé de fluorure d'aluminium et de fluorure de sodium (cryolithe) à une température approximative de 960 °C. Outre les cuves d’électrolyse, une usine d’aluminium comporte également un centre de coulée de l’aluminium et un centre de traitement des gaz (figure 2-1).

Chaque cuve d’électrolyse est composée d’une cathode en carbone, isolée par des briques réfractaires à l'intérieur d'un caisson en acier rectangulaire dans lequel des anodes en carbone sont suspendues à partir d'une poutre de suspension. Les cuves sont connectées en série pour former une ligne de réduction électrique (série d’électrolyse). Pendant l’opération, un courant continu de haut ampérage passe de l'anode à travers le bain électrolytique en fusion à la cathode, et de là, par une barre omnibus à la cuve suivante. L'alumine est ajoutée aux cuves pour maintenir un contenu d'alumine de 2 à 6 % dans le bain en fusion. Ces additions sont contrôlées par ordinateur dans les usines modernes. Des composés de fluorure (p. ex., fluorure d’aluminium) sont également ajoutés pour abaisser le point de fusion du bain électrolytique, ce qui permet de maintenir une température de fonctionnement des cuves plus faible. L'aluminium liquide en fusion est déposé à la cathode au fond de la cuve alors que l'oxygène du minerai réagit avec le carbone de l'anode pour former du dioxyde de carbone.

Avec la consommation progressive du carbone, les anodes doivent être remplacées périodiquement. Les mégots d’anodes (tige avec résidus de carbone couverts d’une croûte de bain) sont alors envoyés à un atelier de traitement afin de racler le bain adhérent qui est réintégré dans les cuves d’électrolyse sous forme d’agrégats. Les résidus de carbone sont quant à eux recyclés dans le procédé de fabrication de la pâte anodique.

Les gaz émis par le procédé d’électrolyse sont aspirés vers un centre de traitement des gaz (CTG) permettant de capter le fluor émanant du bain cryolithique avant d’être dégagés à l’atmosphère. Un épurateur à sec avec injection d’alumine fraîche est utilisé pour cette fonction. L’alumine ayant adsorbé les gaz fluorés est récupérée avec un filtre à manche qui permet également de capter les particules inhérentes au procédé d’électrolyse. L’alumine « fluorée » sortant du CTG est utilisée comme matière première dans les cuves d’électrolyse.

L’aluminium métallique en fusion est quant à lui siphonné régulièrement dans un creuset puis transféré vers le centre de coulée pour y être transformé en lingots. Typiquement, le métal en fusion transite par un four de maintien permettant de contrôler sa température. L’aluminium liquide passe ensuite par une série de dalots où il peut subir des traitements de dégazage, de filtration, et d’ajouts de métaux d’alliage avant d’atteindre la machine de coulée produisant des lingots de différentes formes.

Figure 2-1 : Schéma de principe d’une usine de réduction d’alumine avec les sources potentielles d’émissions de particules

Le procédé de fabrication d’anodes précuites scellées comporte plusieurs étapes unitaires reliées et regroupées en tant qu’atelier de formation des anodes crues, cuisson des anodes crues et atelier de scellement des anodes cuites (figure 2-2). Des installations de traitement des rejets atmosphériques sont également retrouvées à divers niveaux.

Toutes les alumineries canadiennes à anodes précuites recyclent les mégots d’anodes afin d’en récupérer les tiges, la fonte, et les résidus de carbone. Une étape préliminaire de nettoyage à sec des mégots avec des outils mécaniques est intégrée afin de récupérer le plus possible les résidus de bains riches en fluor qui sont ensuite concassés puis recyclés vers l’usine d’électrolyse. Les résidus de carbone sont quant à eux envoyés à l’atelier de pâte crue afin d’être concassés puis broyés avec du coke calciné frais. Le coke broyé est alors préchauffé puis mélangé avec le brai de goudron produisant une pâte crue chaude qui doit être moulée en blocs compacts (anodes crues) selon la configuration requise par les cuves d’électrolyse. Au même moment, les fumées de brai générées par le procédé de fabrication des anodes sont transférées vers le centre de traitement des fumées de brai (CTFB) constitué d’un épurateur à sec avec injection de coke calciné afin de capter les COV et les HAP contenus dans ces fumées.

Les anodes crues sont cuites dans un four spécialisé avec un feu mobile alimenté au gaz naturel ou à l’huile lourde de manière à les rendre dures et conductrices d’électricité. L’objectif est de convertir une partie de brai en carbone élémentaire par carbonisation, d’éliminer la différence et ainsi obtenir une anode avec un minimum d’hydrocarbures aromatiques. Le gaz de cuisson est normalement traité avec un épurateur à sec à injection d’alumine suivi d’un filtre à manche afin de capter les particules ainsi que le fluor qui découlerait des mégots d’anodes. Les anodes cuites sont ensuite scellées sur des tiges propres avec de la fonte en fusion provenant d’un four à induction. Chaque ensemble anodique comprend deux blocs de carbone par tige. Les anodes précuites scellées sont entreposées en attendant leur utilisation à l’usine d’électrolyse.

Figure 2-2 : Schéma de principe d’une fabrique d’anodes précuites avec les sources potentielles d’émissions de particules

Les usines de calcination de coke vert utilisent un four rotatif longitudinal (rotary kiln) pour la calcination. Le procédé comprend les composantes suivantes : station de déchargement et entreposage du coke vert, le four de calcination, un refroidisseur de coke, un système de manutention du coke calciné jusqu’à l’entreposage et un système d’épuration des rejets atmosphériques (figure 2-3). L’objectif de la calcination est d’éliminer les composés indésirables dans le coke vert (8 – 15 % de matières volatiles; 5 – 15 % humidité; une partie du soufre à 1 – 5 %) et ainsi, d’améliorer sa structure cristalline et sa conductivité électrique, un aspect important lors du procédé d’électrolyse de l’alumine.

Figure 2-3 : Schéma de principe d’une usine de calcination du coke vert avec les sources potentielles d’émissions de particules

Le coke vert acheminé vers les usines par bateau ou par train est reçu à une station de déchargement à partir de laquelle il est acheminé par convoyeur vers des silos d’entreposage. Le coke vert est alimenté dans le four en rotation et légèrement incliné ce qui permet au coke de descendre lentement le long du four tout en se réchauffant progressivement au contact des gaz de combustion circulant à contre-courant. En période de démarrage, un brûleur au gaz naturel permet d’élever la température jusqu’au niveau d’autocombustion des composés volatils du coke. Le coke calciné chaud au bout du four rotatif est transféré par une gouttière réfractaire vers un refroidisseur cylindrique rotatif légèrement incliné. Tout en se déplaçant vers le bas, le coke à plus de 1 000 °C est refroidi par aspersion d’eau à l’aide d’une série de buses à l’avant du cylindre. Le coke calciné refroidi à 150 – 200 °C est déchargé sur des convoyeurs chauffés vers des silos d’entreposage.

Le flux gazeux à la sortie du four de calcination renferme des gaz de combustion, des composés volatils imbrûlés et de grandes quantités de particules de coke qui doivent être éliminées avant d’être dégagées à l’atmosphère. Les usines canadiennes utilisent un système de combustion des gaz (pyroépurateur ou bouilloire suivi d’un filtre à manche) avec une chambre de détente en amont afin de récupérer jusqu’à 80 – 95 % des particules grossières. Ce coke résiduel en plus du coke calciné récupéré par les dépoussiéreurs (coke sous calciné) est normalement utilisé comme combustible ou comme matière première pour la fabrication de la pâte anodique. Entre-temps, le gaz humide provenant du refroidisseur est dirigé vers un système d’épuration (p. ex., épurateur humide venturi) afin de contrôler les particules de coke entraînées dans le flux de vapeur.

L’usine Vaudreuil à Jonquière exploite un procédé d’extraction alcaline de l’alumine à partir de la bauxite (procédé Bayer) dont un schéma d’écoulement général est présenté à la figure 2-4. La bauxite est un minerai de structure variée contenant principalement des oxydes d’aluminium (35 – 65 %), de fer (2 – 30 %) et de silicium (1 – 10 %). La composition de la bauxite dépend du gisement, dont les principaux sont situés en Australie, en Amérique du Sud et en Afrique de l’Ouest. Le procédé Bayer compte 5 étapes successives incluant la préparation de la bauxite, la digestion de la bauxite, la décantation de la boue rouge, la cristallisation et précipitation du trihydrate d’alumine et sa calcination en alumine métallurgique. À noter qu’il existe plusieurs variantes subtiles, surtout au niveau de la gestion des effluents et de l’énergie thermique et que par conséquent, peu d’affineries d’alumine sont identiques.

Ainsi, la bauxite est normalement broyée en une poudre fine puis mélangée avec une solution de soude caustique (NaOH) concentrée et préchauffée (liqueur Bayer), avant d’être transférée dans des chaudières pressurisées. Pour sa part, l’usine Vaudreuil utilise plutôt un broyeur humide où la liqueur est directement mélangée avec le minerai lors du broyage. À haute température (150 – 250 °C), le mélange alcalin décompose la Gibbsite ou la Böhmite (oxydes d’aluminium) en aluminate soluble (Al₂O₄^2-) alors que les autres composés de la bauxite (oxydes de fer, silice, etc.) persistent sous forme de cristaux solides. La suspension liquide passe ensuite à l’étape de décantation (et possiblement de filtration; figure 2-4) où le résidu solide appelé boue rouge est retiré de la solution d’aluminate. L’usine Vaudreuil génère environ 0,6 t de boue rouge par tonne d’alumine extraite de la bauxite. Ces boues sont transportées vers des haldes (lac de boues rouges) afin d’y être asséchées et empilées.

La liqueur est quant à elle refroidie à un niveau permettant d’amorcer la cristallisation de l’aluminate en des flocons d’alumine hydratée. De l’alumine pure est ajoutée au mélange pour faciliter la formation des cristaux. Après une étape de précipitation, les cristaux sont classifiés en fonction de leurs dimensions. Les « petits » cristaux sont recyclés afin d’augmenter en volume alors que les « gros » flocons sont séchés puis calcinés à environ 1 000 °C dans un four rotatif ou à lit fluidisé après avoir été lavés. Dans ces conditions, l’alumine hydratée se décompose en alumine métallurgique par élimination de l’eau associée à la molécule. Entre-temps, la liqueur d’hydroxyde de sodium est concentrée par évaporation puis recyclée à l’étape initiale de broyage.

Le procédé Bayer comprend plusieurs étapes de chauffage et refroidissement des divers flux de matières. Une affinerie d’alumine compte ainsi plusieurs chaudières afin d’apporter la chaleur nécessaire pour la digestion de la bauxite. L’usine Vaudreuil en compte six en plus des deux calcinateurs d’alumine. L’usine est également équipée d’un réseau d’échangeurs thermiques permettant de minimiser la consommation énergétique.

Figure 2-4 : Schéma de principe d’une usine de production d’alumine (procédé Bayer) avec les sources potentielles d’émissions de particules