Code de pratiques pour réduire les émissions de PM2,5 dans le secteur de l’aluminium : chapitre 2

Titre officiel : Code de pratiques pour réduire les émissions de particules fines (PM2,5) dans le secteur de l'aluminium primaire

2. Activités d'exploitation et sources de particules

Cette section présente une vue d’ensemble des activités d’exploitation du secteur de l’aluminium primaire visées par le code et pouvant conduire à des rejets de particules dans l’atmosphère. La présente section a 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. Les figures 2-1 à figure2-4 illustrent les principaux procédés pertinents en ce qui a trait au code et aux rejets de particules à l’environnement. À noter que les rejets de particules liés aux autres activités tel qu’indiqué à la section 1.1, ne sont pas inclus.

Il est important de préciser que ce sont les sources de particules totales qui sont identifiées dans cette section alors que les particules fines, plus précisément les P2,5, en sont difficilement dissociables. Les bonnes pratiques ont donc été élaborées pour le contrôle des particules totales menant à une réduction des émissions de P2,5 en complément. Il est par contre difficile d’établir avec certitude la proportion de P2,5 pour chaque source de particules totales. C’est pourquoi l’efficacité de contrôle spécifique à chaque source d’émissions de P2,5 n’est pas discutée dans ce code.

2.1 Production de l’aluminium (réduction électrolytique)

L’aluminium est produit dans des cuves spéciales par le passage d’un courant électrique dans un bain en fusion contenant de l'alumine dissoute. Outre les cuves de réduction électrolytique, 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 insérées à l'intérieur d'un caisson en acier rectangulaire dans lequel des anodes en carbone sont suspendues. 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 composé de cryolithe en fusion jusqu’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 4 % 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 d’environ 960°C. L'aluminium en fusion est déposé à la cathode au fond de la cuve alors que l'oxygène de l’alumine réagit avec le carbone de l'anode pour former du dioxyde de carbone.

Avec la consommation progressive des anodes, celles-ci 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 de réduction électrolytique sont aspirés et traités par un centre de traitement des gaz (CTG) avant d’être dégagés à l’atmosphère. Un épurateur à sec avec injection d’alumine fraîche et recyclée est utilisé principalement pour cette fonction. L’alumine ayant adsorbé les gaz fluorés est récupérée avec un système de filtration qui permet également de capter les particules inhérentes au procédé de réduction électrolytique. L’alumine « fluorée » sortant du CTG est utilisée comme matière première dans les cuves d’électrolyse. Les systèmes de manutention de l’alumine et du bain sont munis de filtres à manches ou d'autres systèmes de traitement des émissions de particules.

L’aluminium en fusion est quant à lui siphonné régulièrement dans un creuset puis transféré vers le centre de coulée pour y être transformé en lingots ou autres produits. Typiquement, le métal en fusion transite par un four de maintien permettant de contrôler sa température.

Sources de particules

Parmi les différentes activités associées à l’industrie del’aluminium primaire, la production de l’aluminium est la source principale d'émission atmosphérique. Ces émissions sont essentiellement liées à la réduction électrolytique de l’alumine dissoute dans le bain cryolithique et à la consommation de l’anode. Ensemble, ces deux procédés libèrent des gaz fluorés (p.ex., du fluorure d’hydrogène (HF) et des perfluorocarbures (PFC)), du SO2 et des particules. Il a été démontré que les particules émises dans les salles de cuves proviennent principalement du bain électrolytique, du produit de couverture et de l’alumine.Note de bas de page3 Il existe une relation complexe entre le niveau de particules rejetées dans la salle de cuves, les mécanismes de génération de particules et les facteurs qui les influencent (p.ex., technologie d’électrolyse, qualité des matières premières, méthodes de travail, transport et manutention).

Bien que peu d’études aient été réalisées à propos des rejets de particules par le procédé de réduction électrolytique, il semble que les rejets de particules fluorées (p.ex., Na3AlF6, Na5Al3F14, NaAlF4, AlF3, CaF2) surviennent soit par vaporisation puis condensation de l’électrolyte, par entraînement avec les gaz ou par réaction chimique dans le gaz.Note de bas de page4 Environ 30 à 50 % des émissions de fluorures par les cuves seraient des particules dont une partie importante serait des P2,5. Ainsi, en présence de mécanismes d’émissions reconnus, on peut affirmer que les activités d’exploitation d’une usine de réduction électrolytique sont responsables d’émissions de P2,5.

Dans une aluminerie, on retrouve des émissions de sources fixes (p.ex., CTG, dépoussiéreurs) et des émissions fugitives survenant lors de la manipulation de matières solides (p.ex., alumine) et de l’exploitation des cuves d’électrolyse (p.ex., changement d’anode). Les sources potentielles de particules du procédé de production de l’aluminium sont présentées à la figure 2.1.

Pour les sources fixes, le niveau d’émissions de particules dépend fortement de l’efficacité du système de filtration. L’opération optimale et l’entretien assidu du CTG et des dépoussiéreurs par exemple, permettent de tenir les rejets de particules au minimum.

En ce qui concerne les émissions fugitives, on note deux sous-catégories, soit les émissions plutôt discontinues survenant lors d’activités opératoires (p.ex., ouverture des capots lors du changement des anodes, coulée du métal, etc.) et les émissions plutôt continues découlant de fuites (p.ex., fuites par la superstructure, fuites par le système de manutention de l’alumine). De façon générale, les opérations impliquant une exposition des mégots d’anodes chauds, du bain en fusion de la cuve (pendant le nettoyage de la cavité) et du bain exposé (lors du changement d’anode, le transfert du bain, le soutirage du métal en fusion, etc.) auront plus d’impact sur les émissions de P2,5 que les opérations impliquant la manutention de matières premières (ajout de produit de couverture et d’alumine, transport de matières, etc.)Note de bas de page5

Une bonne captation ainsi qu’une bonne ventilation et étanchéité des cuves sont indispensables pour minimiser les émissions fugitives. De plus, il est essentiel que les équipements soient conçus, opérés, et maintenus adéquatement. Les émissions fugitives de particules fines sont évacuées par les évents de toit de la salle de cuves et ne subissent pas de traitement particulier, ce qui en fait potentiellement la source de particules fines la plus importante du procédé de réduction électrolytique.

Figure 2-1 : Schéma de principe de la production de l’aluminium (réduction électrolytique) avec les sources potentielles d’émissions de particules

Figure 2-1 : Schéma de principe de la production de l’aluminium (réduction électrolytique) avec les sources potentielles d’émissions de particules. (Voir description longue ci-dessous.)

Description longue de la figure 2-1

La figure 2-1 est un schéma de principe d`une usine de réduction d`alumine présentant les sources potentielles d`émissions de particules. L`usine comporte des cuves d`électrolyse, un centre de traitement des gaz, un centre de coulée de l`aluminium et des silos d’alumine, d’alumine enrichie et de cryolithe et autres. Les émissions de particules proviennent potentiellement des silos d`alumine; du transfert de l`alumine vers le CTG; du gaz traité au CTG; du transfert de l’alumine provenant du CTG vers les silos d’alumine enrichie; des silos d`alumine enrichie; du transfert de l`alumine fluorée vers les cuves d’électrolyse; des cuves d`électrolyse; du centre de coulée et du transfert des mégots d`anodes vers la fabrique d’anodes précuites.

2.2 Production d’anodes précuites

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 installées sur les équipements de production regroupant ces trois étapes du procédé.

Toutes les alumineries canadiennes à anodes précuites recyclent les mégots d’anodes dans leur usine ou chez un autre fournisseur d’anodes afin d’en récupérer les tiges, la fonte, et les résidus de carbone. Une étape préliminaire de nettoyage 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 réutilisés comme matières premières dans les cuves d’électrolyse. Les résidus de carbone sont quant à eux envoyés à l’atelier de pâte crue pour les établissements ayant une usine de production d’anodes précuites ou chez un fournisseur d’anodes (si l’usine n’effectue pas de production d’anodes) 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. Les fumées de brai générées par le procédé de fabrication des anodes crues 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. L’objectif est de convertir une partie du brai en carbone élémentaire par carbonisation et d’éliminer la différence par combustion afin d’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 système de filtration afin de capter les particules, les HAP ainsi que les fluorures qui découleraient du recyclage du carbone provenant des mégots d’anodes. Les anodescuites sont ensuite scellées sur des tiges propres avec de la fonte en fusion provenant d’un four à induction.

Sources de particules

Les particules peuvent provenir de plusieurs sources, notamment lors du concassage et broyage du coke et du bain dont les émissions peuvent être considérables. Elles sont néanmoins contrôlées par des systèmes de captage à la source et de dépoussiérage. La cuisson des anodes est également une source de particules dont le taux d’émissions dépend de la configuration du four (p.ex., type ouvert avec flux horizontal vs type fermé avec flux vertical) et de l’efficacité du dépoussiéreur au centre de traitement des fumées (CTF). Le procédé de fabrication des anodes crues et le centre de traitement des fumées de brai (CTFB) sont également responsables de rejets de particules.

La concentration des particules dans les gaz de cheminée est peu élevée, mais avec des volumes très importants d’effluent gazeux, les émissionsde particules peuvent devenir significatives si ces équipements ne sont pas opérés adéquatement. Les autres sources de particules comprennent les systèmes de manutention pneumatique et mécanique du coke calciné et de l’alumine (pour le CTF) qui sont normalement équipés de hottes et de dépoussiéreurs aux différents points de chute.

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

Figure 2-2 : Schéma de principe de la production d’anodes précuites avec les sources potentielles d’émissions de particules. (Voir description longue ci-dessous.)

Description longue de la figure 2-2

La figure 2-2 est un schéma de principe d`une fabrique d`anodes précuites présentant les sources potentielles d`émissions de particules. Le procédé de fabrication d`anodes précuites scellées destinées à l’usine de réduction de l’alumine intègre plusieurs étapes incluant le mélange du brai, du coke et des mégots d’anode; la formation des anodes crues; la cuisson des anodes crues et le scellement des anodes cuites. Les sources potentielles d’émissions de particules sont les silos de coke calciné; les étapes de tamisage, de broyage et de concassage du coke; le transfert du coke broyé au préchauffage et au procédé de mélange; le gaz traité au CTF et au CTFB; le transfert du coke vers le CTFB; ; le transfert du coke enrichie vers les silos de coke calciné; le silo d’alumine; le transfert d’alumine vers le CTF; le transfert de l’alumine enrichie vers l’usine de réduction; la cuisson des anodes; le four à induction; le nettoyage des mégots d’anode; le concassage du bain figé; le transfert du bain broyé vers le silo et le silo de bain broyé.

2.3 Calcination du coke vert

Les usines de calcination de coke vert utilisent un four rotatif longitudinal (rotary kiln) pour la calcination. Le procédé comprend les composantes suivantes : une 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 qui contient généralement de 8 à 15 % de matières volatiles; de 5 à 15 % d’humidité et de 1 à 5 % de soufre et ainsi, d’améliorer sa structure cristalline et sa conductivité électrique, un aspect important lors du procédé de réduction électrolytique.

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 1000°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 dépoussiéreur) 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. 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.

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

Figure 2-3 : Schéma de principe de la calcination du coke vert avec les sources potentielles d’émissions de particules. (Voir description longue ci-dessous.)

Description longue de la figure 2-3

La figure 2-3 est un schéma de principe d’une usine de calcination de coke vert présentant les sources potentielles d`émissions de particules. L’usine comporte principalement une station de déchargement du coke, un four rotatif, un refroidisseur, un pyroépurateur ou une bouilloire, un épurateur humide et des silos de coke vert, de coke sous-calciné et de coke calciné. Les sources potentielles d’émissions de particules sont la station de déchargement; le silo de coke vert; le transfert de coke vert vers le four rotatif; le four rotatif; le déchargement du coke calciné vers le silo de coke calciné; les silos de coke calciné et sous calciné; le transfert du coke sous calciné vers le pyroépurateur; le pyroépurateur et le gaz traité provenant du pyroépurateur et de l’épurateur humide.

Sources de particules

Les systèmes d’épuration des gaz de calcination et de refroidissement sont conçus prioritairement pour le contrôle des particules de coke entraînées par les flux gazeux. La majorité des particules rejetées après traitement découlent du pyroépurateur (ou bouilloire en plus d’un dépoussiéreur) qui doit traiter un plus grand débit de gaz comparé à l’épurateur humide qui traite essentiellement un flux de vapeur. D’autres émissions de particules peuvent survenir, particulièrement lors de la manutention par convoyeur fermé des différentes formes de coke. Aux différents points de chute, les convoyeurs sont normalement équipés de hottes et de dépoussiéreurs, surtout pour le coke calciné qui a une texture plutôt poudreuse.

2.4 Production d’alumine

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, en Afrique de l’Ouest et ailleurs en Asie. 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 de raffineries d’alumine sont identiques.

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 réacteurs pressurisés. Pour sa part, l’usine Vaudreuil utilise un broyeur humide où la liqueur est directement mélangée avec le minerai lors du broyage. À haute température (140 - 150°C), le mélange alcalin décompose la Gibbsite ou la Böhmite (oxydes d’aluminium) en aluminate de sodium soluble 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 0,7 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 cristaux d’alumine hydratée. De l’alumine hydratée (amorce) est ajoutée au mélange pour faciliter la formation des cristaux. Après une étape de précipitation, les cristaux sont classifiés enfonction de leurs dimensions. Les « petits » cristaux sont recyclés afin d’augmenter en volume alors que les « gros » cristaux sont séchés puis calcinés à environ 1000°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. La liqueur d’hydroxyde de sodium est 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 trois calcinateurs d’alumine. L’usine est également équipée d’un réseau d’échangeurs thermiques permettant de minimiser la consommation énergétique.

Sources de particules

Le procédé Bayer opère principalement dans des conditions humides ce qui limite grandement le potentiel d’émissions fugitives de particules à l’air ambiant. En fait, la source principale de particules est le calcinateur d’alumine en plus des chaudières qui sont alimentées soit en mazout, en gaz naturel, ou en électricité à l’usine Vaudreuil, selon les conditions de marché du moment. Les concentrations de particules sont plus importantes lorsque le mazout est utilisé. Une autre source importante est le four à chaux pour la production de chaux vive (CaO) dont la fonction principale est de séquestrer le phosphore et d’améliorer la solubilité de l’alumine dans la liqueur Bayer. Ce procédé n’est toutefois pas considéré dans ce code étant donné que l’usine Vaudreuil n’en exploite pas.

Il en est de même pour le broyage humide de la bauxite (cas usine Vaudreuil) qui, contrairement aux broyeurs à boulets, génère moins de particules. Finalement, la manutention et l’entreposage des matières premières (bauxite, chaux), de l’alumine calcinée et des boues rouges peuvent également conduire à des émissions de particules, celles-ci à l’exception de la bauxite, étant toutes des matières poudreuses.

Le procédé Bayer engage plusieurs phases de lavage des cristaux (figure 2-4) pour la récupération de la soude caustique occasionnant par le fait même une dilution progressive de la liqueur Bayer. L’élimination par évaporation de cette eau en excès est nécessaire afin de maintenir la concentration du NaOH à un niveau acceptable pour la digestion de la bauxite. Par contre, ce faisant, il est possible que des particules microscopiques (aérosols) de soude caustique soient entraînées avec la vapeur d’eau. En l’absence d’études concrètes sur ce sujet, il nous est impossible d’établir de bonnes pratiques à ce niveau. Il est certain toutefois que ces aérosols seraient libérés à l’atmosphère avec la vapeur le cas échéant.

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

Figure 2-4 : Schéma de principe de la production d’alumine (procédé Bayer) avec les sources potentielles d’émissions de particules. (Voir description longue ci-dessous.)

Description longue de la figure 2-4

La figure 2-4 est un schéma de principe d’une usine de production d’alumine (procédé Bayer) présentant les sources potentielles d`émissions de particules. Ce procédé d’extraction de l’alumine à partir de la bauxite comporte les étapes de broyage humide, de digestion, de décantation, de filtration, de lavage et disposition des boues rouges, de précipitation, d’évaporation, de classification, de lavage et de filtration et de calcination ainsi que des silos de bauxite, de chaux, de NaOH et d’alumine et la production de vapeur à l’aide de chaudières. Les sources potentielles d’émissions de particules sont le silo de bauxite; le silo de chaux; le transfert de bauxite et de chaux vers le broyage humide; les chaudières, la vapeur à l’évaporation; la calcination de l’alumine et le gaz traité en provenant; le transfert de l’alumine métallurgique; le silo d’alumine et la disposition des boues rouges.

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