De la bauxite à l’alumine : le procédé Bayer
L'aluminium primaire est fabriqué en deux étapes distinctes : le raffinage de la bauxite en alumine et la réduction de cette alumine en métal. Environ quatre à cinq tonnes de bauxite produisent environ deux tonnes d'alumine, qui à leur tour produisent une tonne d'aluminium primaire. L'étape de raffinage est le procédé Bayer, une voie alcaline qui exploite la solubilité de l'hydroxyde d'aluminium dans la soude caustique chaude.
Digestion:La bauxite broyée est digérée dans une solution d'hydroxyde de sodium à 140-300 degrés sous une pression d'environ 35 atm, de sorte que les oxydes d'aluminium se dissolvent sous forme d'aluminate de sodium tandis que la silice et le fer restent sous forme de résidus insolubles.
Clarification:la sédimentation et la filtration dans des cuves de clarification séparent la liqueur enceinte du résidu fin et riche en fer connu sous le nom de boue rouge.
Précipitation:la liqueur est refroidie et ensemencée avec des cristaux d'hydroxyde d'aluminium, qui se développent et se déposent hors de la solution.
Calcination:les fours rotatifs calcinent l'hydroxyde à environ 1 100 degrés pour donner de l'alumine de qualité fonderie-, généralement 99,5 % d'Al₂O₃.
L’économie des raffineries est dominée par la soude caustique et la consommation d’énergie, et la qualité de l’alumine doit être étroitement contrôlée pour que la deuxième étape fonctionne de manière stable.
Hall-Électrolyse Héroult : l'étape de réduction
L'aluminium métallique est produit par le procédé Hall-Héroult, dans lequel l'alumine est dissoute dans un électrolyte fondu à base de cryolite-(Na₃AlF₆ avec des ajouts de fluorure d'aluminium et de fluorure de calcium) à environ 940-965 degrés. Le courant continu passe des anodes de carbone consommables à travers le bain jusqu'à une cathode doublée de carbone. L'alumine est réduite électrochimiquement, l'aluminium fondu s'accumule au fond de la cellule et est siphonné, et les anodes de carbone sont oxydées en dioxyde de carbone.
La réaction cellulaire globale est 2Al₂O₃ + 3C → 4Al + 3CO₂. Les cellules de réduction modernes fonctionnent avec un rendement de courant de 93 à 95 % et les alimentations ponctuelles automatiques maintiennent la concentration d'alumine dans le bain à environ 2 à 4 % afin que la réaction reste stable et que les effets d'anode soient évités.
Repères de consommation d’énergie et de matériaux
La fusion est une activité-à forte consommation d'électricité, et la consommation constitue le principal levier de coûts et d'émissions. Chiffres indicatifs pour les lignes de réduction modernes :
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Consommation d'alumine | 1.90 - 1.95 t par tonne d'aluminium |
| Consommation d'anode de carbone | 0.40 - 0.45 t par tonne d'aluminium |
| Consommation d'électricité | 12.5 - 15 MWh par tonne d'aluminium |
| Meilleure énergie spécifique-de-classe | 12.3 - 13.0 kWh par kg, obtenus grâce à une compensation optimisée du jeu de barres et du champ magnétique |
| Intensité énergétique moyenne en Chine | environ 13 500 kWh par tonne |
| Température de fonctionnement de la cellule | 940 - 965 diplôme |
| Efficacité actuelle | 93 - 95% |
| Cellules de développement d'anodes inertes | environ 15 kWh par kg, sans génération de dioxyde de carbone à l'anode |
La récupération de la chaleur résiduelle des gaz d'échappement des cellules et des gaz de cuve constitue la principale opportunité d'efficacité restante, et la chaleur récupérée est de plus en plus utilisée pour le chauffage urbain et pour le préchauffage de l'alumine ou des matières premières des anodes. Les lignes construites avec des anodes à fentes et un contrôle dynamique de la tension se situent à l'extrémité inférieure de la plage de consommation, tandis que les cellules plus anciennes peuvent dépasser 15 kWh par kg.
Effets d'anode et émissions de PFC
Si la concentration d'alumine dans le bain descend en dessous d'environ 1,5 %, la cellule ne peut pas supporter une électrolyse normale et la tension augmente fortement, souvent au-dessus de 8 V. Au cours de ces effets anodiques, des gaz fluorocarbonés se forment à l'anode, principalement du tétrafluorométhane et de l'hexafluoroéthane, par une réaction secondaire du bain de cryolithe avec du carbone, par exemple 4Na₃AlF₆ + 3C → 4Al + 12NaF + 3CF₄.
Les perfluorocarbures sont des gaz à effet de serre extrêmement puissants : sur un horizon de 100 - ans, le tétrafluorométhane présente un potentiel de réchauffement climatique d'environ 6 600 à 7 400 et l'hexafluoroéthane est d'environ 11 100 à 12 200 fois celui du dioxyde de carbone, selon le rapport d'évaluation utilisé. L'alimentation automatisée en alumine, la surveillance de la tension des cellules et le contrôle informatique ont réduit la fréquence de l'effet anode à moins de 0,1 événement par cellule et par jour dans des usines bien gérées, et les émissions mondiales de PFC provenant de la fusion de l'aluminium ont chuté d'environ 85 % depuis 1990.
Boue Rouge : Volumes, Risques et Utilisation
Les résidus de bauxite, ou boues rouges, constituent le principal flux de déchets solides du raffinage de l’alumine. La production mondiale est estimée à environ 180 millions de tonnes par an, et les résidus sont fortement alcalins, avec un pH généralement compris entre 10 et 13 et 2 à 6 % d'hydroxyde de sodium résiduel, le stockage doit donc être conçu pour éviter les fuites et la poussière.
Le stockage à sec est devenu la voie de gestion privilégiée car il réduit l'empreinte de stockage d'environ la moitié et élimine le risque de rupture catastrophique de barrage associé aux retenues humides. L'utilisation reste limitée mais s'étend via plusieurs voies : récupération du fer, du titane et des terres rares, utilisation de 8 à 12 % de boues rouges comme source de silice et d'alumine dans les mélanges de géopolymères et de ciment, et lixiviation acide pour récupérer la soude caustique et neutraliser les résidus.
Foire aux questions
Q : Quelle est la différence entre la bauxite, l’alumine et l’aluminium ?
La bauxite est le minerai extrait, l'alumine (oxyde d'aluminium) est l'intermédiaire raffiné qui en est extrait et l'aluminium est le métal produit lorsque l'alumine est réduite dans une cellule électrolytique.
Q : Pourquoi la fusion de l’aluminium est-elle si énergivore ?
La liaison aluminium-oxygène dans l'alumine est très forte, sa rupture nécessite donc un courant continu continu important. Même les meilleures cellules ont besoin de plus de 12 kWh d’électricité par kilogramme de métal, c’est pourquoi les fonderies sont construites là où l’électricité est bon marché et fiable.
Q : À quelle température fonctionne une cellule de réduction ?
L'électrolyte à base de cryolite-fond à près de 950 degrés et les cellules fonctionnent normalement entre 940 et 965 degrés, ce qui est suffisamment élevé pour maintenir le bain en fusion, mais suffisamment bas pour limiter les pertes de fluorure et la consommation d'énergie.
Q : Pourquoi les effets d’anode sont-ils importants ?
Ils gaspillent de l’énergie, perturbent le fonctionnement des cellules et génèrent des perfluorocarbures au potentiel de réchauffement climatique très élevé. L'alimentation automatique et le contrôle de la tension maintiennent les effets rares, et la fréquence des effets est un indicateur de performance standard pour une fonderie.
Q : Quelle quantité de boue rouge est produite par tonne de métal ?
La production de résidus de bauxite dépend de la qualité du minerai, mais se situe généralement entre une et deux tonnes de résidus secs par tonne d'alumine produite. La gestion des résidus constitue donc un coût environnemental majeur de la production primaire.
Q : L’aluminium secondaire peut-il remplacer le métal primaire ?
L'aluminium recyclé ne nécessite qu'une petite fraction de l'énergie nécessaire à la fusion primaire et peut être refondu à plusieurs reprises sans perdre ses propriétés essentielles, bien que le tri des alliages limite la quantité de métal secondaire pouvant être utilisée dans des applications exigeantes.
