Brevet FR3072956A1 — publié le 20190503

PROCEDE DE TRAITEMENT DE BAUXITE Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine du traitement des minerais, et plus particulièrement les traitements physiques et chimiques de la bauxite. L'invention concerne en particulier un procédé de traitement thermique et de traitements chimiques de bauxite à faible rapport massique alumine / silice. Dans ce procédé on appauvrit d'abord le minerai en silicium par un prétraitement thermique suivi d'une lixiviation, puis on utilise ce minerai prétraité dans le procédé Bayer pour en extraire l'aluminium sous la forme d'alumine. Etat de la technique L'aluminium est le troisième élément chimique le plus abondant de la croûte terrestre, après l'oxygène et le silicium. Associé à l'oxygène il se trouve dans un très grand nombre de roches. Le principal minerai industriel de l'aluminium est la bauxite. La bauxite représente un mélange complexe d'oxydes de l'aluminium, du fer et du silicium qui peut comprendre diverses impuretés telles que le titane, le calcium, le magnésium. Plus précisément, la bauxite est un minerai comprenant principalement trois minéraux d'aluminium, à savoir la gibbsite, la boehmite et le diaspore, mélangés avec des quantités plus faibles de minéraux de fer, à savoir la goethite et l'hématite (qui confère à la bauxite sa couleur caractéristique), ainsi que des aluminosilicates (kaolinite, illite, ...) et des minéraux de titane (anatase, ilmenite). Le principal procédé industriel utilisé pour en extraire l'aluminium (sous forme d'oxyde) de la bauxite est le procédé Bayer, développé à la fin du 1 9ème siècle. Il comprend essentiellement deux étapes : une première étape de lixiviation du minerai sous pression par une solution de soude (voir le brevet DE 43 977 du 3 août 1888), et une deuxième étape de précipitation de l'alumine hydratée pure à partir de la solution d'aluminate de sodium ainsi obtenue, par ensemencement avec des cristaux d'alumine hydratée (voir le brevet DE 65604 du 3 novembre 1892). Cette alumine de précipitation, hydratée, peut ensuite être soumise à des traitements thermiques pour la déshydrater ; ce traitement thermique détermine également la structure et morphologie de l'alumine obtenue, en vue de son utilisation (dans le procédé Hall-Héroult pour produire de l'aluminium par réduction électrochimique de l'alumine en sel fondu, ou comme alumine technique, notamment dans l'industrie des céramiques). Plus précisément, le procédé Bayer consiste principalement en une attaque (digestion) sélective des hydrates d'alumine contenus dans la bauxite par une solution (appelée « liqueur ») de soude caustique chaude, qui est recyclée. Après séparation par 2 décantation et lavage des résidus de bauxite (ces résidus étant appelées « boues rouges »), la solution de soude enrichie en aluminate de sodium est refroidie puis décomposée (phase de cristallisation) pour précipiter et extraire le trihydrate d'alumine (A1203-3H20) ; ce dernier est alors lavé puis calciné à haute température pour donner 5 l'alumine (A1203). La liqueur appauvrie en aluminate de sodium après la phase de cristallisation et diluée par les entrées d'eau, provenant essentiellement de lavage des résidus de bauxite, est évaporée et recyclée à l'attaque. La composition de la bauxite dépend de son origine géographique. Cette variation de composition concerne à la fois sa teneur en éléments principaux (AI, O, Si), sa teneur en 10 impuretés, et sa structure minéralogique. Par exemple, les bauxites latériques (sur substrat géologique alumino-silicaté) provenant de mines situées en Guinée ou d'Australie présentent en règle générale une teneur forte en gibbsite, qui est un trihydrate), et une teneur en silicium moins élevée, que les bauxites de karst (sur substrat géologique carbonaté) provenant de certaines mines situées en Iran, au Kazakhstan, en 15 Azerbaïdjan et en Turquie, dans lesquelles l'aluminium se présente principalement sous la forme de boehmite et diaspore (deux modifications de monohydrates). Ainsi, un paramètre simple pour représenter la qualité d'une bauxite est le rapport alumine sur silice, abrégé « rapport A/S ». A titre d'exemple, les bauxites de Guinée présentent généralement des rapports A1203/SiO2 de l'ordre de 20 ou plus, et les bauxites de 20 l'Australie occidentale des rapports supérieurs à 15. Dans les bauxites du Nord Queensland l'aluminium est présent principalement sous forme de boehmite et de gibbsite. La teneur en aluminium n'est cependant pas le seul critère : encore faut-il que cet aluminium puisse être extrait de la bauxite par le procédé Bayer. On sait que le procédé 25 Bayer traditionnel ne permet pas de solubiliser l'aluminium contenu dans les aluminosilicates : cette partie de l'aluminium est perdue dans les boues rouges. Par ailleurs, on sait que les aluminosilicates contenus dans les boues rouges peuvent emporter une partie de la soude et ainsi augmenter la consommation globale de soude du procédé Bayer ; cela est décrit dans la publication « Basic Research on Calcification 30 Transfomation, Process of Low Grade Bauxite » de Xiaofeng Zhu et al., parue dans Light Metals 2013, p. 239-244 (TMS). Comme la plupart des minerais, la bauxite est négociée sur un marché mondial et transportée souvent sur des milliers de kilomètres jusqu'au lieu de son utilisation. Cependant, certains pays préfèrent limiter leur approvisionnement sur le marché mondial au profit de l'utilisation de leurs ressources minières domestiques, même si ces dernières sont de qualité moins bonne. Tel est notamment le cas de la Chine. La Chine, le plus 3 grand producteur d'aluminium du monde, dispose de gisements et mines de bauxite qui ne présentent pas (ou plus) un rapport A/S aussi élevé que les bauxites australiennes par exemple. Plus précisément, en Chine, les gisements d'alumine à faible teneur en silicium (A/S > 8 ou même > 6) deviennent rares, alors que la bauxite à forte teneur de silicium 5 existe dans des quantités considérables. De plus, dans plusieurs bauxites chinoises à forte teneur de silice le silicium est présent en grande partie sous la forme de kaolinite, un aluminosilicate qui renferme également une partie de l'aluminium présent dans la bauxite ; elles comportent également une petite fraction de quartz (un silicate) et de la muscovite (un autre aluminosilicate). Or, comme indiqué ci-dessus, le procédé Bayer 10 traditionnel ne permet pas d'extraire l'aluminium présent dans des aluminosilicates. Depuis des décennies la production d'aluminium primaire (et par conséquent la consommation de bauxite) augmente régulièrement de quelques pourcents par an. Ces dernières années l'utilisation de bauxites de moindre qualité devient un enjeu économique et technologique majeur, surtout en Iran, au Kazakhstan et en Chine. Cette question se 15 pose également dans d'autres pays, tels que la Russie et la Turquie, et ce sont surtout des chercheurs de ces pays qui ont cherché des possibilités pour valoriser des bauxites présentant un faible rapport A/S. Certaines de ces bauxites présentent en outre une teneur en fer et/ou en soufre plus élevée que les bauxites riches en aluminium. Il existe différents approches pour prétraiter la bauxite en vue de modifier sa structure 20 minéralogique de manière à augmenter le taux d'aluminium extractible par le procédé Bayer, ou de manière à faciliter la séparation du silicium en amont du procédé Bayer. Il existe également des procédés visant à faciliter la séparation du fer en amont du procédé Bayer, en vue de réduire la formation de boues rouges et de récupérer cet élément sous une forme utilisable. 25 A titre d'exemple, l'article « Pre-beneficiation of low grade Diasporic bauxite ore by reduction roasting » de K. Yilmaz et al., paru en 2015 dans la revue Int. J. Chemical, Molecular, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering, vol 9(9), p. 1023-1026, décrit une méthode de calcination (appelé en anglais « roasting ») de bauxite d'origine turque à forte teneur en Si et Fe pour transformer le fer en phases susceptibles d'être séparés par 30 un procédé magnétique. D'autres procédés de calcination en milieu réducteur utilisent du CO (CN 103 614 547 - Central South University; CN 104 163 445 - China Aluminium) ou du charbon CN 101 875 129 - Central South University). Pour les bauxites à faible rapport A/S une méthode appelé « calcification - carbonation » a été décrite (voir par exemple « Calcification - carbonation method for alumina 35 production by using low-grade bauxite » de Ting'an Zhang et al., K. Yilmaz et al., Light 4 Metals 2013, p. 233-238 (TMS)). Ce procéde comprend le traitement de la bauxite par une liqueur alkaline en présence de chaux (conduisant à la formation d'une phase calcium-aluminium-silicate insoluble), et le traitement de cette phase insoluble (après décantation) par du CO2 sous pression pour libérer une partie de l'aluminium en formant 5 deux nouvelles phases insolubles, le Ca3SiO4 et le CaCO3. Un certain nombre d'autres procédés ont été décrits, par exemple la calcination d'un mélange solide de bauxite + Na2CO3 à 600 - 1 000 °C puis la dissolution du mélange calciné dans NaOH à 75°C, suivie d'un ensemencement pour précipiter une phase qui emporte le silicium (CN 102 180 498 et CN 101 767 807, Aifang Pan) ; dans une variante 10 de ce procédé décrite dans CN 205 603 238 (Hangzhou Jinjiang) le mélange soumis à la calcination comporte également de la chaux ; et le Na2CO3 forme avec l'eau une base qui permet la lixiviation de la silice. On connaît également des procédés dans lesquels la bauxite est calcinée sans ajout de produits. CN 203 408 047 décrit un tel procédé (Xi'An University) pour désulfuriser des bauxites qui contiennent de la pyrite (FeS2). 15 L'idée d'un procédé d'activation thermochimique de la bauxite (appelé en anglais « roastleach process ») a été décrite par Smith et Xu-Parker (« Options for processing of high silica bauxites », travaux ICSOBA Vol. 35(39), 184-192 (2010)). Ce procédé a été développé initialement pour des matières premières de type argile (voir US 2,939,764) et 20 illite (voir T Jiang et al., « Desilication from illite by thermochemical activation », Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol 14(5), p. 1000-1005 (2004)), ainsi que pour des minerais d'aluminium à base de diaspore et ne comprenant pas de silicium (Q Zhou et al., « Temperature dependence of crystal structure and digestibility of roasted diaspore », Trans. Nonferrous Met. Soc. China, Vol 14(1), p. 180-183 (2004)). Il comprend en fait 25 deux étapes distinctes, une première étape de calcination de la bauxite à une température de 980 °C, sans additif, au cours de laquelle le kaolin se décompose en partie pour former de la silice amorphe et des alumines dites de transition, et une seconde étape de lixiviation qui vise à dissoudre de manière sélective la silice amorphe dans des conditions plus douces que celles du procédé Bayer. Le résidu (la bauxite calcinée et lixiviée) est 30 ensuite introduit dans le procédé Bayer traditionnel. Ce procédé présente de prime abord l'inconvénient de nécessiter de l'énergie thermique supplémentaire pour la calcination de la bauxite, pour arriver à une bauxite calcinée et lixiviée qui présente des caractéristiques comparables à celle d'une bauxite de bonne qualité. Cette surconsommation énergétique peut présenter un frein au développement du procédé. Par ailleurs, le procédé nécessite 35 une matière première supplémentaire, à savoir la chaux, pour précipiter le silicate issu de la solubilisation de la silice amorphe formée au cours de la calcination de la bauxite. 5 Le procédé Roast-Leach a donné lieu à une littérature scientifique assez vaste, qui s'est focalisée sur l'étape de calcination, avec des indications divergentes quant à la température optimale de calcination. La valeur maximale de la température de calcination semble être donnée par la formation de mullite : Selon Xu et al. (« Thermal behaviors of 5 kaolinite-diasporic bauxite and desilication from it by roasting-alkali leaching process », Light Metals TMS 2002), la décomposition de méta-kaolinite en silice amorphe et alumine gamma débute à 990 °C, mais aux environs de 1 100 °C ces deux phases commencent à réagir pour former de la mullite, insoluble dans la soude dans les conditions du procédé Bayer traditionnel ; une température entre 1000 °C et 1050 °C est recommandée. Li et al. 10 («Desilication of bauxite ores bearing multi-aluminosilicates by thermochemcial activation process », Light Metals TMS 2009, p. 57 - 61) observent également de la mullite à partir de 1 100 °C et constatent une baisse de la désilication à 1150 - 1200 °C, mais concluent que l'activation de la bauxite est optimale entre 1100 °C et 1150 °C. Une publication de N. Eremin de 1981 (« Beneficiation of low-grade bauxites by hydrometallurgical methods », 15 ICSOBA 1981, p. 135 - 142) indique un mécanisme similaire avec une température optimale entre 925 °C et 1000 °C. La publication de Moazemi et Rezai (« Desilication studies of diasporic bauxite bythermochemical treatment », Proc. XI Int. Seminar on Minerais Processing Technology (MPT-2010), p. 832-838) montre que la courbe du rendement d'extraction par lixiviation en fonction de la température de calcination 20 présente un maximum assez étroit à 1 000 °C. Malgré ces progrès dans la compréhension du procédé Roast-Leach, on constate qu'il n'est guère utilisé de manière industrielle car il ajoute un surcoût d'exploitation significatif au procédé Bayer traditionnel. De plus, ce surcoût est lié à deux postes particulièrement 25 visés dans l'établissement d'un écobilan, à savoir la consommation énergétique et la consommation d'eau. Le problème que la présente invention cherche à résoudre est de développer une méthode ou un procédé amélioré et économiquement viable pour utiliser des bauxites à 30 faible teneur en alumine (A/S REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'alumine à partir d'une bauxite prétraitée par un procédé comprenant une calcination (2020) et une lixiviation (2030), ladite bauxite prétraitée étant caractérisée en ce qu'elle présente une perte au feu inférieure à 2,5 % massiques, de préférence inférieure à 2,0 %, et encore plus préférentiellement inférieure à 1,5 %, ledit procédé comprenant les étapes de (a) Traitement (2120) (appelé « digestion ») de la bauxite prétraitée avec une solution aqueuse de soude à une température d'au moins 100 °C, ladite solution aqueuse de soude présentant une concentration comprise entre 100 g Na20/L et 220 g Na20 / L, de préférence entre 140 g Na20/L et 200 g Na20 / L, plus préférentiellement entre 155 g Na2OIL et 190 g Na20 / L, et encore plus préférentiellement entre 160 g Na20/L et 180 g Na20 / L ; (b) Séparation (2130) du résidu solide de la phase liquide ; (c) Cristallisation du trihydrate d'aluminium (2160) par ajout de germes (2170) (d) Séparation (2180) du trihydrate d'aluminium cristallisé de la phase liquide, (e) Calcination (2194) du trihydrate d'aluminium obtenu à l'étape (d) pour obtenir l'alumine (2196). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température à l'étape (a) est comprise entre 150 °C et 350 °C, de préférence entre 200 °C et 300 °C, plus préférentiellement entre 220 °C et 280 °C, et encore plus préférentiellement entre 250 °C et 270 °C. 3. Procédé selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite bauxite prétraitée présent un rapport massique de A1203 I SiO2 supérieur à 8, et de préférence supérieur à 9, et encore plus préférentiellement supérieur à 10. 4. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite bauxite prétraitée présente une teneur massique en alumine supérieure à 60 %, préférentiellement supérieure à 65 %, et encore plus préférentiellement supérieure à 70 %. 5. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite bauxite prétraitée présente une teneur massique en silice inférieure à 12 %, 42 préférentiellement inférieure à 10 %, et encore plus préférentiellement inférieure à 8 %. 6. Procédé selon une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel on réintroduit 5 (2220) la phase liquide issue de l'étape (d) dans la solution aqueuse de soude utilisée à l'étape (a). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en que lequel ladite bauxite prétraitée a été prétraitée par lixiviation (2030) avec une solution 10 aqueuse de soude. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite bauxite prétraitée a été prétraitée par calcination (2020) à une température comprise- entre 920 °C et 1120°C, et de préférence entre 950 °C et 1070 °C, et 15 encore plus préférentiellement entre 1000°C et 1050 °C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant les étapes suivantes : Un prétraitement d'une bauxite pour obtenir ladite bauxite prétraitée, ledit 20 prétraitement comprenant successivement o une calcination (2010), o une lixiviation (2030) avec une solution aqueuse de soude, o ta séparation (2040) du solide de la phase aqueuse de lixiviation, ledit solide séparé représentant ladite bauxite prétraitée, 25 (ii) Un traitement de ladite bauxite prétraitée par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite bauxite présente avant pre-traitement un rapport de A1203 / Si02 compris entre 1 et 7, de préférence compris entre 1 et 5,5 , encore plus préférentiellement compris entre 1 et 30 4, et le plus préférentiellement compris entre 1 et 3. 11. Alumine susceptible d'être obtenue par l'un des procédés selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. 12. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, comprenant : 43 une unité de prétraitement de la bauxite par calcination et lixiviation, permettant de transformer une bauxite en bauxite prétraitée ; et - une unité de fabrication d'alumine à partir de ladite bauxite prétraitée pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 5 caractérisée en ce que : ladite unité de prétraitement comprend o au moins un four de calcination pour calciner la bauxite, o au moins une unité de lixiviation pour lixivier la bauxite calcinée avec une solution aqueuse de soude (dite « solution de lixiviation »), et 10 o au moins une unité de séparation solide - liquide pour séparer la bauxite calcinée et lixiviée de ladite solution de lixiviation ; ladite unité de fabrication d'alumine à partir de ladite bauxite prétraitée comprend o au moins une enceinte pour traiter la bauxite prétraitée avec une solution aqueuse de soude (dite « liqueur Bayer ») à une température d'au moins 15 100°C, o au moins une unité de séparation solide - liquide pour séparer le résidu solide de ladite liqueur Bayer ; o au moins une unité de cristallisation pour cristalliser du trihydrate d'aluminium à partir de ladite liqueur Bayer par ajout de germes de 20 trihydrate d'aluminium ; o au moins une unité de séparation solide - liquide pour séparer le trihydrate d'aluminium cristallisé de ladite liqueur Bayer o au moins une unité de calcination pour transformer ledit trihydrate d'aluminium en alumine. 25 13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que ladite liqueur Bayer issue de ladite unité de séparation solide - liquide pour séparer le trihydrate d'aluminium cristallisé de ladite liqueur Bayer est recirculée vers l'étape de digestion (2120). 30