Brevet FR2605904A1 — publié le 19880506

Récupération du phosphore dans une boue de bassin d'évacuation contenant du phosphore Arrière plan de l'invention La présente invention concerne un procédé pour la récupération de phosphore élémentaire dans une boue de bassin d'évacuation, qui comprend le chauffage d'un mélange de la boue et d'eau, le lavage de la boue à des températures élevées et le réchauffage de la boue. On peut facilement récupérer le phosphore élémentaire dans une couche concentrée en phosphore qui se forme au cours du procédé de traitement. On produit du phosphore élémentaire pour le commerce dans un four à arc électrique par réduction thermique d'un minerai de phosphate, en présence de coke et de silice. Le mélange gazeux produit par ce procédé comprend du phosphore, de la vapeur d'eau, des fluorosilicates et d'autres impuretés gazeuses ainsi que des fines particules solides entrainées. On condense ce gaz par contact avec une projection d'eau pour former une suspension aqueuse contenant du phosphore. On abandonne la suspension et on la laisse se stratifier en trois couches: une couche de fond de phosphore élémentaire liquide de grande pureté (c'est-à-dire 99 % en poids ou plus), une couche supérieure d'eau et une couche intermédiaire de boue de phosphore. La boue de phosphore est un matériau du type gel, semi-solide, ayant une viscosité relativement élevée au repos. Cependant, lorsqu'il est en mouvement, le matériau agit comme un liquide et la viscosité peut chuter jusqu'à des niveaux relativement faibles. On considère que la boue de phosphore est une émulsion qui, pense-t-on, se forme par liaison de fines particules d'impureté aux particules de phosphore. La quantité de boue formée dans -n'importe quel procédé particulier, semble être liée à la quantité de particules solides dans le courant de gaz amené vers le condenseur. A son tour, ceci est affecté par la condition physique (dimension des particules et teneur en fines) des constituants de charges, par les conditions de fonctionnement du four et par l'efficacité de tous les collecteurs de poussières dans le système du four. Le Brevet U.S. 4.492.627, de Crea, publié le 8 Janvier 1985, contient une description détaillée de la composition et des propriétés de la boue de phosphore. De manière caractéristique, on évacue les divers courants d'eaux usées qui sont produits au cours de la production de phosphore, dans des bassins d'évacuation de retenue situés près de l'usine. Cette boue, qui par la suite est désignée comme "boue de bassin", est une émulsion de phosphore, de matières solides et d'eau ayant une teneur relativement faible en phosphore et des quantités variables d'eau et d'impuretés, la plus grande portion de la boue de bassin comprenant de l'eau. Une composition caractéristique de boue de bassin contient environ 20 % de phosphore, % d'impuretés, et 60 % d'eau, toutes ces valeurs étant données en poids. Bien que la quantité totale de phosphore contenue dans un bassin typique soit importante, la récupération du phosphore est une proposition difficile, à la fois du point de vue du traitement physique et/ou chimique ainsi que pour la rentabilité du produit. Il est difficile de casser l'émulsion à l'aide de moyens mécaniques car le phosphore et les impuretés sont chimiquement liés et difficiles à séparer. Le traitement chimique peut créer des problèmes sur l'environnement et par conséquent, il est généralement évité. En outre, la concentration relativement élevée d'eau rend l'évaporation de la boue de bassin indésirable du point de vue économique. Dans des tentatives précédentes pour reprendre le phosphore d'une boue de bassin, on a utilisé des dispositifs mécaniques tels que des séparateurs centrifuges. Voir par exemple le Brevet U.S. 4.492.627 qui décrit l'utilisation de plusieurs séparateurs centrifuges fonctionnant en tandem de manière à séparer le phosphore des impuretés contenues dans la boue. Cependant, l'emploi de séparateurs centrifuges est associé à certains inconvénients. Il faut encore filtrer le produit, ce qui nécessite généralement une étape intermédiaire de dépôt nécessitant plusieurs heures ou plusieurs jours. Le déchet provenant de la centrifugation contient également des quantités importantes de phosphore résiduel et par conséquent ceci est relativement inefficace. Le Brevet U.S. 4.399.037, publié en 1983 au nom de Diskowski et Coll., décrit un procédé pour éliminer le phosphore jaune de l'eau usée contenant du phosphore à l'aide d'une combinaison de procédés de traitements mécaniques, chimiques et thermiques. On filtre l'eau résiduaire dans un filtre centrifuge à une température allant de 50 C à 70 C et sous un pH compris dans l'intervalle allant de 2, 0 à 3,5, on laisse le filtrat se- séparer en une couche de phosphore et une couche d'eau traitée et on traite finalement l'eau résiduaire avec un oxydant et on la neutralise par réaction avec du métasilicate de calcium. Comme on l'appréciera facilement à partir de ce qui précède, un procédé perfectionné pour la récupération du phosphore élémentaire à partir d'une boue de phosphore est fortement souhaitable. Un tel procédé devra avoir à la fois les attributs de simplicité technique et de praticabilité économique. La rentabilité d'un tel procédé dépend dans une large mesure de l'élimination efficace de l'eau de la boue avant l'évaporation. L'évaporation directe de la boue n'est pas efficace pour le coût car une proportion importante de l'énergie dépensée au cours de l'évaporation est utilisée pour éliminer l'eau. De plus, les évaporateurs nécessitent réparations et entretiens courants poussés, et le produit résiduaire provenant de l'évaporateur contient encore d'importantes quantités de phosphore élémentaire. En outre, les évaporateurs ont des limitations de capacité et ils ne sont pas destinés à la manipulation de charges de matériaux contenant des concentrations de phosphore au-dessous d'environ 25 %. Par conséquent, c'est un objet principal de cette invention de fournir un procédé efficace et relativement peu coûteux pour récupérer le phosphore élémentaire d'une boue contenant du phosphore. Résumé de l'invention Conformément à la présente invention, on a trouvé à présent que l'on peut convenablement récupérer le phosphore élémentaire dans une boue de bassin contenant du phosphore grace à un procédé comprenant les étapes suivantes de: A) chauffage d'un mélange de boue de bassin et d'eau, à une température comprise entre environ 165 F (environ 74 C) et environ 212 F(environ 100 C) pendant au moins environ 1/2 heure, B) lavage de la boue avec de l'eau à une température comprise entre environ 130 F (environ 54 C) et environ 150 F (environ 66 C), C) reprise de l'étape A), et D) récupération d'un produit ayant une concentration accrue en phosphore. Dans un mode préféré de réalisation, on effectue les étapes de chauffage à une température comprise entre environ 170 F (environ 77 C) et environ 190 F (environ 88 C) pendant une 1/2 heure à 6 heures et la teneur en phosphore du produit récupéré est d'au moins environ 80 % en poids. On peut obtenir du phosphore élémentaire de qualité du commerce par un traitement ultérieur de finissage tel qu'une filtration et/ou une évaporation. Description des modes préférés de réalisation On peut avantageusement utiliser le procédé de la présente invention pour le traitement thermique des boues de bassin contenant du phosphore. La boue de bassin provient de l'évacuation de divers courants d'eaux usées engendrés au cours de la production du phosphore, vers des bassins de retenues situés à proximité de l'usine.La composition de la boue de bassin peut varier d'environ 5 % à environ 70 % en poids de phosphore, et de préférence d'environ % à environ 40 % en poids, la plus importante fraction se composant d'eau et de quantités plus faibles de diverses matières insolubles. Cette boue se présente chimiquement sous la forme d'une émulsion de phosphore dans l'eau. Dans l'ensemble, bien que cela soit techniquement réalisable, il n'est pas actuellement économique de traiter des boues de bassin ayant des concentrations en phosphore dans la gamme des 5% On retire de manière typique la boue de bassin du bassin à l'aide d'une drague et on la crible afin d'éliminer les particules les plus grosses, c!est-à-dire celles ayant un diamètre de 1 pouce (2,54 cm) ou plus. Ensuite, on peut amener la boue criblée vers un hydrocyclone. On soumet la boue de bassin à un traitement thermique en la chauffant dans un récipient convenable, avec de l'eau, à une température comprise entre environ 165 F (environ 74 C) et environ 212 C (environ 100 C). Le récipient est muni d'un agitateur à vitesse lente qui offre une agitation modérée et empêche la formation de deux ou plusieurs couches de compositions différentes dans le récipient. La durée du chauffage doit être d'au moins environ 1/2 heure, et elle est de préférence comprise entre environ 1/2 heure et environ 6 heures. On peut utiliser une durée plus longue de chauffage, mais cela n'améliore pas nécessairement les résultats globaux. En général, la durée de chauffage est inversement proportionnelle à la température de chauffage, des températures plus basses nécessitant des durées plus longues. - Bien que la température de chauffage puisse varier d'environ 165 F (environ 74 C) à environ 212 F (environ I00 C), le point d'ébullition du mélange, un intervalle préféré de température va d'environ 170 F (environ 77t) à environ 190 F (environ 88 C). L'emploi des conditions d'ébullition, quoique techniquement efficace, est indésirable à cause de (1) la plus grande énergie nécessaire pour maintenir de telles températures sur une échelle commerciale, et (2) les vapeurs excessives, telles que les vapeurs de phosphore et de pentoxyde de phosphore, engendrées dans les conditions d'ébullition. La quantité d'eau que l'on ajoute à la boue n'est pas critique et elle peut varier dans un large intervalle. De manière caractéristique, le rapport du poids de la boue au poids de l'eau est compris dans l'intervalle allant d'environ 0,1 à environ 2,0. Après le chauffage, un matériau cristallin gris foncé se dépose dans le mélange au fond du récipient. On lave alors ce matériau. avec de l'eau chaude à une température comprise entre environ 130 F (environ 54 C) et environ 150 F (environ 66 C). Il apparait que le lavage conduit à l'élimination des impuretés en même temps que l'eau associée qui est présente, sous la forme d'un gel impuretés-eau. -On trouve que la boue qui reste après le lavage a une teneur en phosphore élémentaire significativement accrue. Ensuite, on chauffe à nouveau - la boue dans approximativement les êmes conditions que celles de l'étape de chauffage indiquées ci-dessus. On peut convenablement réaliser ceci en recyclant simplement la boue lavée en retour vers le récipient de chauffage. Après réchauffage, la boue peut avoir une teneur en phosphore élémentaire de 80 % ou plus. Le produit récupéré à l'aspect d'une matière solide noire brillante, à la température ambiante. Si on le souhaite, on peut utiliser une étape finale de lavage afin d'augmenter la concentration de phosphore à 90 % ou plus. Ensuite, on peut filtrer et/ou évaporer le produit récupéré à l'aide des procédés et des dispositifs existants et bien connus afin de produire un produit de phosphore qui soit suffisament pur pour être vendu comme matériau de qualité du commerce. De cette manière, on peut filtrer la boue traitée contenant 88 % de phosphore élémentaire et 11 % d'impuretés, pour produire un produit ayant une teneur en phosphore élémentaire de 98 % ou plus. On peut également directement amener une boue traitée de cette qualité, c'est-à-dire ayant moins de 10 % d'impuretés, vers un évaporateur pour la valoriser à un coût minimal de fonctionnement. Les exemples suivants sont destinés à illustrer divers modes de réalisation et avantages de la présente invention sans que celle-ci ne se limite à eux. EXEMPLE 1 On mélange 595 grammes d'une boue de bassin contenant 21,9 % de phosphore élémentaire, 19,2 % de matières insolubles (impuretés) et 48,9 % d'eau, avec 1200 grammes d'eau dans un ballon de 3 litres à trois tubulures. On chauffe le mélange à 169 F (76 C) sous agitation modérée. Le temps nécessaire pour la montée de la température est d'environ 15 minutes. On maintient la température à 169 F (76 C) pendant environ 90 minutes, avec une agitation modérée fournie par un agitateur. Le temps d'échauffement nécessite environ minutes. On arrête le chauffage et l'agitation et on laisse se déposer la boue. L'analyse de la portion du fond de la boue déposée est la suivante: 84,4 % de phosphore, 3,3 % de matières insolubles et 12,3 % d'eau. On place un arroseur en verre au-dessous de la surface de la boue pour le lavage. On ajoute de l'eau chaude du robinet, à 135 F (57 C), en environ 2 litres par heure, avec un débordement continu hors du ballon. Après 2 heures de lavage, on recueille 160 grammes de matériau. Le matériau recueilli comprend 79,4 % de phosphore, 1,8 % de matières insolubles et 18,8 % d'eau. On calcule que l'on récupère 97,5 % du phosphore de départ par rapport à la quantité de départ de boue consommée. EXEMPLES 2- 4 On introduit des échantillons de 35 livres (15876 g) de boue de bassin et 10 gallons (37,85 litres) d'eau dans un réservoir de Myers avec enveloppe à vapeur, pour des essais en installation pilote. Les concentrations initiales de phosphore dans la boue de bassin échantillonnée se situent de 16,8 % à 39,4 %. Le complément de l'échantillon se compose d'impuretés (15 % à 20 %) et d'eau absorbée. On effectue toutes les expériences à l'aide de la succession suivante d'opérations: 1. Chauffage à 180 F (82 C) 2. Lavage avec un volume de 10 gallons (37,85 litres) d'eau à environ 140 F (environ 60cC) 3. Reprise de l'étape # 1, et 4. Lavage avec trois fois 10 gallons (37,85 litres) d'eau par lavage à environ 140 F (environ 60 C). On modifie les temps de chauffage de deux heures à six heures. Dans l'appareil de l'essai, on effectue les volumes de lavage en faisant s'écouler répétitivement l'eau existante par un siphon et en ajoutant un volume connu d'eau chaude nouvelle. Dans l'exemple 2, l'étape X 1 de chauffage initial se fait pendant une durée de 6 heures, et l'étape # 3 de réchauffage se fait pendant une durée de 5 heures. Dans les exemples 3 et 4, les étapes de chauffage et de rechauffage durent 4 heures toutes les deux. Les résultats de ces expériences sont indiqués ci-dessous. TABLEAU Matériau de départ Produits Exemple P4 % Matières H20 % P4 % Matières H20 % insolubles / insolubles %/ 2 39 22 39 97 3 -- 3 21,7 23,9 54,4 92,9 2,7 4,4 4 16,8 14,1 69,1 93,4 1,0 5,6 Bien que l'on ait indiqué et décrit dans la description différents modes de réalisation de cette invention, on entend que cette invention soit considérée de manière libérale et ne soit pas limitée par quelques modes particuliers de réalisation comme les personnes qualifiées dans la technique l'apprécieront facilement, Par conséquent, il faut comprendre que les revendications annexées sont destinées à couvrir toutes les modifications et variantes qui sont dans l'esprit et la portée de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la récupération du phosphore dans une boue de bassin contenant du phosphore et ayant une concentration de phosphore comprise entre environ 5 % et environ 70 % en poids, qui comprend les étapes de: (a) chauffage d'un mélange de boue de bassin et d'eau, à une température comprise entre environ 165 F (environ 74 C) et environ 212 F (environ 100 C) pendant au moins environ une 1/2 heure, (b) lavage de la boue avec de l'eau à une température comprise entre environ 130 F (environ 54 C) et environ 150 F (environ 66 C), (c) reprise de l'étape (a), et (d) récupération d'un produit ayant une concentration accrue de phosphore. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la boue de bassin a une concentration de phosphore allant d'environ % à environ 40 % en poids. 3. Procédé selon l'unedes revendications 1 ou 2, dans lequel on chauffe la boue dans les étapes (a) et (c) à une température comprise entre environ 170 F (environ 77 C) et environ 190 F (environ 88 C). 4. Procédé selon l'unedes revendications 1 à 3, dans lequel le produit récupéré possède une concentration de phosphore d'au moins environ 80 % en poids. 5. Procédé selonl'unedes revendications 1 à 4, dans lequel on lave à nouveau la boue provenant de l'étape (c) avec de l'eau à une température comprise entre environ 120 F (environ 54 C) et environ 150 F (environ 66 C). 6. Procédé selonl'unedes revendications 1 à 5, dans lequel le produit récupéré a une concentration de phosphore d'au moins environ % en poids. 7. Procédé selonl'une des revendications 1 à6, dans lequel on chauffe la boue dans les étapes (a) et (c) pendant une période de temps allant d'environ une 1/2 heure à environ 6 heures. 8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport du poids de la boue au poids de l'eau dans les étapes (a) et (c) se situe dans l'intervalle allant d'environ 0,1 à environ 2,0. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on filtre et/ou on évapore la boue récupérée afin d'augmenter sa concentration de phosphore.