Traitement des eaux de lavage de fumées d'aciérie à l'oxygène

à la Métallurgiquede Normandieà Mondeville (Calvados)

par Jacques THIEBERT,Chef du Service Forces Motricesà la METALLURGIQUE de NORMANDIEet Jacques HUARDEAU,Directeur Général de COPEF S.A.

A) complet — 1) hotte de la conversion et de la coulée en poche — a) refroidissement à l'eau des fumées (130 m³/h) — b) saturateur de fumées (300 m³/h) — 2) gaine d’aspiration secondaire utilisée pendant le chargement des fontes et des ferrailles et le décrassage — 3) volets de choix de captation des fumées — 4) venturi réglable + injection d'eau = 600 m³/h — 5-6) dévésiculeur (séparation de l'eau et des fumées) — 7) ventilateur (1 moteur de 250 kW pour l'état d'attente — 1 moteur de 2 000 kW pour l'aspiration des fumées) — 8) évacuation des boues vers les décanteurs — 9) cheminée de mise à l'atmosphère de fumées.

L’usine de la METALLURGIQUE DE NORMANDIE, division sidérurgie de la SOCIETE METALLURGIQUE ET NAVALE DUNKERQUE-NORMANDIE, est située à 4 kilomètres de Caen (Calvados), au voisinage de l’Orne, dans une région essentiellement agricole.

Sa vocation première est de fabriquer à partir des minerais du Bassin Normand du fil machine, des petits fers marchands et des ronds et treillis pour le bâtiment. Sa capacité de production est d’environ un million de tonnes « lingot ».

Toute la production de fonte des hauts-fourneaux est traitée à l’aciérie par le procédé à l’oxygène pur dans trois convertisseurs, l’un de 65 tonnes mis en service en octobre 1967, les deux autres de 85 tonnes mis en service dans une nouvelle aciérie en novembre 1977.

Une opération de conversion dégage un volume considérable de gaz, de température élevée (1 650 °C) chargés d’oxyde de carbone et de poussières fines (2 tonnes par conversion) composées principalement d’oxyde de fer et de chaux. Ces gaz doivent donc être brûlés, refroidis et dépoussiérés avant d’être rejetés à l’atmosphère.

LAVAGE DES FUMÉES

La figure n° 1 schématise l’installation de captage et de dépoussiérage des fumées d’un convertisseur de 85 tonnes.

Les gaz qui s’échappent du bec du convertisseur au cours de la conversion, aspirés par le ventilateur (7), brûlent entièrement avant de pénétrer dans la hotte principale (1). Cette hotte principale, de section rectangulaire, est constituée comme une chaudière, de parois tubulaires dans lesquelles circule de l’eau qui se vaporise. La vapeur produite est utilisée dans d’autres installations de l’usine.

Les fumées qui ont cédé une partie de leur chaleur dans cette hotte (température au sommet : 1 100 °C) sont refroidies par 150 m³/h d’eau pulvérisée en (1 a) et humidifiées jusqu'à saturation en (1 b) par 300 m³/h d'eau. Leur température n'est plus que de 70 °C environ. Elles sont ensuite séparées, d'abord des poussières dans le venturi (4) où est injectée une grande quantité d'eau (600 m³/h), puis de l’eau dans les vésiculeurs (5 et 6) avant d’être évacuées à l’atmosphère par la cheminée (9). Leur teneur en poussières n'est plus que de l'ordre de 50 mg/m³ en moyenne.

Les fumées émises pendant le chargement et le décrassage du convertisseur, moins chaudes, sont captées par une gaine secondaire (2) et rejoignent le circuit principal en amont du venturi (4). Les eaux chargées de 12 à 15 g/l de poussières, en moyenne, sont évacuées vers la station de traitement par un caniveau (8). La densité des matières sèches est d'environ 3,5.

TRAITEMENT DES EAUX DE LAVAGE DES FUMÉES

Les eaux de lavage issues du convertisseur de 65 tonnes, qui fut l'unique convertisseur à l'oxygène de 1967 à 1977, dont le débit était de l'ordre de 150 m³/h, étaient dirigées par un collecteur de 230 mm de diamètre vers un clarificateur épaississeur classique de 32 mètres de diamètre où elles étaient décantées sans floculation préalable, mélangées avec les eaux de lavage de gaz des hauts-fourneaux. Les eaux de surverse, refroidies dans un réfrigérant atmosphérique, étaient renvoyées dans le circuit général d'eau industrielle de l'usine. Les boues rassemblées en sous-verse étaient dirigées vers une lagune d'épandage qu'il fallait vider périodiquement.

Lors de l'étude de la nouvelle aciérie à deux convertisseurs de 85 tonnes s'est posé le problème du traitement des eaux de lavage des fumées dont les débits prévus étaient de 1 000 ou 2 000 m³/h suivant la marche à un ou deux convertisseurs avec une teneur moyenne en MES de 12 g/l environ. Le décanteur construit pour le convertisseur de 65 tonnes était incapable d'absorber de tels débits. Une nouvelle station de traitement était à concevoir.

D'autre part, les matières contenues dans ces eaux de lavage, riches en fer et en chaux, sont réutilisables dans les hauts-fourneaux. Au lieu d'envoyer les boues à la lagune pour les reprendre après séchage, on a donc choisi de les transporter directement à l’agglomération sous forme de liquide épais (400 à 500 g/l de MES) pour la préparation des charges des hauts-fourneaux.

La nouvelle station devait par conséquent être placée entre l'aciérie et l'agglomération, mais l'emplacement disponible (49 x 25 m) n’autorisait pas l'implantation des décanteurs du type classique, aussi perfectionnés soient-ils, qui nous étaient proposés pour les conditions d'exploitation imposées. La teneur en MES des eaux clarifiées devait être inférieure à 100 mg/l pour permettre leur retour par le circuit général d'eau industrielle de l'usine.

En résumé, le problème posé aux spécialistes de traitements industriels était la séparation des matières (en grande partie oxydes de fer et chaux) contenues dans les eaux de lavage de l'aciérie.

• @ Débit à traiter : variable de 300 à 600 m³/h hors conversion et 1 000 ou 2 000 m³/h pendant la conversion suivant la marche à un ou deux convertisseurs.
• @ Température des eaux à traiter : variable de 25 à 70 °C.
• @ Teneur des eaux de lavage à l'entrée du décanteur : 12 g/l.
• @ Teneur des eaux clarifiées : comprise entre 50 et 100 mg/l.
• @ Teneur des boues récupérées : 400 à 500 g/l.
• @ Surface au sol disponible : 49 x 25 m.

La Société COPEF a entrepris un certain nombre d’essais, d'abord en laboratoire, puis sur le site, sur pilote semi-industriel.

EXAMEN DES EFFLUENTS

L'analyse des eaux résiduaires met en évidence des teneurs en matières en suspension essentiellement variables, ainsi cinq relevés horaires ont permis de déceler successivement 5, 12, 17, 23 et 35 g/l de matières sèches. Le pH du milieu est généralement élevé, 10 à 12, avec un titre alcalimétrique dépassant fréquemment 90°.

Sur le plan chimique, les dépôts sont nécessairement constitués d'oxyde de fer FeO ou Fe₂O₃ selon la phase de production, de chaux, de carbonate de chaux, de particules siliceuses, de carbone et de petites quantités d’hydrocarbures lourds. La granulométrie des particules est extrêmement étalée, puisqu'elle s’échelonne de plusieurs millimètres à 3 à 4 microns.

Débit : celui-ci est variable de 300 à 2 000 m³/h, dans le cas d’application qui nous intéresse.

ESSAI D'ÉPURATION DE L’EFFLUENT

Essai en laboratoire :

Malgré une densité relativement importante des boues, la clarification par décantation statique s'avère extrêmement lente. Plus de 50 % des matières polluantes ont une vitesse de sédimentation inférieure à 1 mm/seconde. Cette vitesse de sédimentation est considérablement augmentée par l’adjonction de polyélectrolytes légèrement anioniques à poids moléculaire très élevé. Toutefois, la consommation de réactif permettant cette amélioration de résultat est rapidement prohibitive, puisqu’elle dépasse 1 g/m³, soit 2 kg/heure au débit maximum de l'installation. Il est donc recherché tous les moyens permettant d'éviter ou tout au moins de réduire la floculation chimique.

Essai sur pilote semi-industriel :

Des examens préalables ont permis d'augurer favorablement de l'efficacité d'un séparateur rapide de type multitubulaire multiplaques dénommé OBLIFLUX déjà décrit.

Un pilote ayant les dimensions suivantes :

• Diamètre : 500 mm
• Longueur cylindrique : 4 m
• Inclinaison : 45°

est utilisé.

L’installation est complétée d'un poste de préparation d'adjuvant polyélectrolytique. Enfin, il est prévu, pour l’essai, la mise en place d'un floculateur magnétique constitué d'une chambre parallélépipède en polypropylène placée dans l'entrefer d'un aimant permanent.

L'expérimentation de cet appareillage a été décidée, compte tenu des résultats publiés sur la floculation magnétique des particules ferrugineuses.

Conditions expérimentales :

Les essais de clarification sont menés :

• — sans floculation chimique ni magnétique,
• — avec floculation magnétique seule,
• — avec floculation chimique seule,
• — avec floculation mixte chimique et magnétique.

Dans ces différentes conditions, on soumet l'eau à décantation à des vitesses linéaires croissantes dans le pilote. Celles-ci vont de 10 à 35 m³/h par mètre carré de section transversale du décanteur.

Les principaux résultats peuvent être résumés comme suit :

• — sans aucun traitement, des vitesses de décantation de l'ordre de 15 m/heure peuvent être atteintes avec obtention d'une eau traitée contenant moins de 150 ppm de matières en suspension. La pollution de l'effluent brut s'établit toujours aux environs de 18 à 35 g/l de matières en suspension ;

— La floculation magnétique permet d’atteindre les vitesses de 23 à 25 m/heure avec une teneur de matières en suspension résiduelles variable de 80 à 110 ppm ;

— La floculation chimique autorise des vitesses supérieures à 30 m/h avec une teneur de matières en suspension résiduelles inférieure à 60 ppm ;

— La floculation mixte avec dose réduite de polyélectrolyte (0,25 à 0,50 ppm) permet d’atteindre un résultat comparable à celui de la floculation chimique à dosage élevé.

Il est donc décidé de calculer l'installation industrielle sur les bases suivantes :

— Vitesse maximale : 20 m³/h/m² de section transversale des décanteurs ;

— Floculation préalable par voie magnétique avec installation ultérieure d'un poste d'injection de polyélectrolyte si une amélioration toute particulière de l'effluent est recherchée.

REALISATION INDUSTRIELLE

Les différents essais cités ci-avant sur pilote ont abouti au choix suivant quant aux performances et dimensions des appareils :

— Vitesse admissible en floculation magnétique : 20 m³/h/m²  
— Débit à traiter : 2 000 m³/h, soit une section totale utile de 100 m²,  
— Nombre d’unités : 8  
— Caractéristiques unitaires  
  Diamètre : 4 000 mm  
  Longueur cylindrique : 7 000 mm  
  Surface : 12,5 m²  

Le schéma de l'installation est le suivant :

Les eaux de lavage conduites de l'aciérie à la station de traitement par un caniveau aérien passent par un prédécanteur placé à la cote + 11 m qui élimine les grosses particules (> 350 µ) avant de s'engouffrer dans une cheminée. De la base de cette dernière, deux collecteurs symétriques dirigent les eaux vers les OBLIFLUX.

L’élimination des particules de dimension supérieure à 350 µ n'est pas imposée par le système de clarification, bien au contraire, mais par celui de reprise et de refoulement des boues récupérées qui sera évoqué plus loin.

Le poste de clarification proprement dit comporte les huit cellules opposées deux à deux sur une charpente métallique, elle-même édifiée sur une dalle de répartition en béton armé.

Chaque unité a donc une capacité de traitement de 250 m³/h au débit maximal de l'installation, à vitesse axiale de décantation de 20 m/h déjà précisée, ce qui tient compte d'une confortable marge de sécurité si l'on se réfère aux résultats expérimentaux obtenus sur le pilote.

L'eau brute, répartie depuis la cheminée de tête dans les unités par deux collecteurs recevant chacun quatre piquages, traverse les huit floculateurs magnétiques placés immédiatement après la dérivation des collecteurs principaux.

Ces floculateurs magnétiques sont constitués d'un aimant permanent, lui-même composé de deux blocs ferrite ayant pour caractéristiques unitaires :

— Poids : 90 kg  
— Puissance : 1 100 gauss  
— Encombrement : 300 × 300 × 200 mm  

La chambre de floculation est en fait un conduit parallélépipédique s’insérant dans l'entrefer de l'aimant. La forme parallélépipédique permet d’occuper au maximum le volume déterminé par l'entrefer.

Le matériau utilisé pour la réalisation de cette chambre doit être amagnétique et résister dans le cas présent à la température (60 à 85 °C). Le polypropylène et les résines polyester répondent à ces conditions.

L'eau brute floculée par passage dans ce dispositif est admise dans chaque décanteur. Elle est répartie sur toute la section de l'appareil par une série de déflecteurs qui n'altèrent toutefois pas la floculation. Elle atteint ainsi une première chambre comprenant quatre plaques formant cinq compartiments, puis une seconde chambre comprenant cette fois neuf compartiments (voir figure 3).

Les plaques formant ces compartiments sont inclinées selon deux pentes et terminées à leur partie antérieure par des goulottes amenant les boues vers les parois du corps de décanteur.

3. Extraction de boue

Enfin, la chambre terminale est garnie de tubes polypropylène à paroi mince ayant un diamètre de 90 mm et une longueur de 1200 mm. Un appareil contient environ 2000 tubes tronçonnés automatiquement à la longueur choisie, bottelés et introduits dans la chambre de séparation tubulaire. La réalisation et la mise en place des faisceaux sont donc aisées.

Ces derniers sont maintenus à leurs extrémités par deux treillis, le supérieur étant imposé par la densité du matériau (0,92) ; l'eau décantée est appelée de façon homogène vers la sortie de l'appareil par un nouveau système de déflecteurs, un peu différent de celui d'admission de l'eau brute, puis elle s'écoule dans une goulotte générale de collecte débouchant dans une cheminée de reprise. Elle est finalement admise dans le circuit général d'eau industrielle de l'usine.

Les boues sont extraites périodiquement de chaque clarificateur grâce à une vanne de conception appropriée commandée automatiquement par un timer, puis dirigées gravitairement vers une installation de conditionnement CLESID, à partir de laquelle une ou deux pompes à membrane les refoulent vers l'agglomération pour réincorporation au minerai.

RECUPERATION DES OXYDES

Sur la base d'une teneur moyenne de 12 g/l de matières sèches dans l'eau recyclée au débit maximum de 2000 m³/h, compte tenu d'une pollution résiduelle de l'eau traitée de 60 g/m³, la récupération porterait sur :

(2000 × 12 – 0,06) × 24 = 573 120 kg/jour de matières sèches, soit près de 500 tonnes d'oxyde de fer, soit encore près de 1500 m³ de boues à 400 g/litre.

En fait, dans l'immédiat, compte tenu du nombre de convertisseurs mis en service simultanément, la quantité d'oxyde récupérée quotidiennement doit être de l'ordre de 260 à 300 tonnes, ce qui est déjà appréciable.

RESULTATS DE L'EPURATION

Dès sa mise en service, l'installation permit une réduction très sensible de la pollution massive de l'effluent avec toutefois de fortes variations de la teneur en matière en suspension : 30 à 200 ppm au cours d'une opération de conversion à l'acierie.

Il fut établi que ceci était dû à l'insuffisance partielle de la floculation magnétique apparemment liée à la prédécantation des particules lourdes. Ces dernières, particulièrement sensibles à cette forme de floculation, entraînaient lors des essais sur pilote les suspensions très fines. L'hypothèse la plus vraisemblable est celle d'une agglomération des particules les plus fines par les plus grosses, ces dernières reportant et prolongeant durant un temps très court, mais suffisant, les effets des aimants permanents.

Il semble effectivement que les matières les plus ténues qui colorent l’eau en rouge brique et qui sont constituées d’un mélange de CaO, CO₂, Ca et FeO, soient peu sensibles à l’action magnétique.

Sur la base des essais effectués précédemment sur pilote, une coagulation complémentaire fut mise en service en février 1978, avec succès, puisque la teneur en matières en suspension résiduelle n’excède plus 50 mg/l dans les plus mauvaises conditions, avec en moyenne des valeurs habituelles inférieures à 30 mg/l.

CONCLUSION

L’adoption du procédé OBLIFLUX à l’aciérie de MONDEVILLE a permis de résoudre de façon spectaculaire un problème épineux d’épuration d’eaux résiduaires.

Le principal avantage du procédé est sans conteste le faible encombrement de la station, puisque la surface occupée au sol se limite à 19 m × 20 m.

La possibilité de traitement gravitaire avec utilisation rationnelle de la charge disponible (+ 11 m) est un autre avantage, car de la sorte les eaux traitées sont restituées sous une pression résiduelle de 10 m permettant :

• - d’envisager sans relevage la réfrigération éventuelle de ces eaux sur tours de ruissellement ;
• - de les admettre directement dans le réseau industriel existant ;
• - d’évacuer les boues gravitairement vers le poste de conditionnement et récupération sans aucun dispositif mécanique de raclage ou collecte, donc sans usure de matériel ni consommation d’énergie.

Enfin, l’excellence des résultats obtenus, malgré une consommation très faible de polyélectrolyte, distingue ce procédé de ses homologues conventionnels.

Le procédé OBLIFLUX permet désormais d’envisager favorablement de nombreuses applications ayant pour objet, outre la lutte contre la pollution, le recyclage intégral des eaux et la récupération de sous-produits valorisables selon une tendance qui s’affirme de jour en jour.

J. Thiebert — J. Huardeau.