Optimisation de la gestion des déchets solides dans les usines sidérurgiques : récupération durable et avantages économiques

L'industrie sidérurgique en général produit de grandes quantités de déchets solides lors du traitement des matériaux à travers ses divers processus. Ces déchets solides contiennent de nombreux produits précieux, qui peuvent être réutilisés s'ils sont récupérés économiquement. L'industrie sidérurgique dans le monde a déjà pris un certain nombre de mesures innovantes et continue d'en prendre d'autres pour une utilisation à 100 % de ces déchets, avec l'objectif ultime d'améliorer l'efficacité opérationnelle et l'économie de l'industrie sidérurgique. Ces mesures réduisent non seulement le coût de l'élimination des déchets et la pollution environnementale, mais fournissent également des quantités substantielles de minerai de fer et de matériaux fondants ainsi que des avantages en taux de combustible au processus existant, conservant ainsi des quantités correspondantes de matières premières.

Contexte et enjeux

L'industrie sidérurgique est à la fois intensive en capital et en énergie et ses volumes de production sont très élevés. Les chaînes de processus au sein de l'industrie sont longues. De nombreuses technologies différentes sont appliquées et l'industrie a un impact significatif sur l'environnement. L'une des principales préoccupations de l'industrie sidérurgique mondiale est l'élimination des déchets générés à divers stades du traitement. En raison de la volonté naturelle d'être rentable, il existe une tendance croissante à adopter de telles technologies de récupération des déchets qui transforment les déchets en richesse, traitant ainsi les déchets comme des sous-produits. Cela a conduit à viser le développement de technologies zéro déchet. Les technologies développées pour convertir économiquement les déchets des usines sidérurgiques en richesse offrent également de nouvelles opportunités d'affaires pour les entrepreneurs potentiels.

Selon l'Association Mondiale de l'Acier (WSA), l'industrie sidérurgique mondiale applique les principes de réduction, réutilisation et recyclage (les 3 « R ») de nombreuses façons, afin d'améliorer la durabilité de l'industrie. Grâce à cela, l'industrie a considérablement réduit le besoin de matières premières. Dans les années 1970 et 1980, les usines sidérurgiques modernes avaient besoin en moyenne de 1,44 tonnes de matières premières pour produire 1 tonne d'acier. Avec les investissements dans la recherche, les améliorations technologiques et une bonne planification, l'industrie sidérurgique utilise aujourd'hui seulement 1,15 tonne d'intrants pour produire 1 tonne d'acier, ce qui signifie une réduction de 21 %.

De nos jours, il existe beaucoup de chevauchement dans les interprétations des mots « déchets solides » et « sous-produits  ». En fait, certains déchets solides dans l'industrie sidérurgique sont des sous-produits essentiels générés pendant divers traitements des matériaux dans les processus impliqués dans la production de fer et d'acier. Par exemple, jusqu'à la dernière décennie, les scories, poussières et boues générées par l'industrie sidérurgique étaient appelées déchets solides, mais ce terme a maintenant été remplacé par sous-produit pour ces matériaux de déchets. En raison de la réutilisation intensive des déchets, certains des déchets solides sont maintenant de plus en plus appelés « sous-produits ».

Selon la WSA, les coproduits récupérés (un terme utilisé indifféremment avec sous-produits) peuvent être recyclés pendant le processus de sidérurgie ou vendus pour être utilisés par d'autres industries. L'utilisation des coproduits soutient la durabilité de l'industrie sidérurgique. Elle évite les déchets d'enfouissement, réduit les émissions de CO₂ et aide à préserver les ressources naturelles. La vente de coproduits est également économiquement durable. Elle génère des revenus pour les producteurs d'acier et forme la base d'une industrie mondiale lucrative. Certains producteurs d'acier rapportent un taux d'utilisation et de recyclage des coproduits aussi élevé que 99 %. Les principaux coproduits de la production de fer et d'acier brut sont les scories, poussières, ferrailles et boues.

L'élimination des déchets solides générés par les processus de l'industrie sidérurgique est la préoccupation majeure. Par conséquent, la philosophie Réduire, Réutiliser, et Recycler (3 R) et une gestion efficace des déchets doivent être adoptées par l'industrie sidérurgique.

Principaux déchets solides/coproduits/sous-produits par processus

Cokéfaction

Les principaux déchets solides générés dans la production de coke métallurgique sont la poussière de charbon, la poussière de coke, les boues de goudron et les boues acides. La poussière de charbon est recyclée dans le mélange de charbon. La poussière de charbon peut également être recyclée avec la poussière de coke en les ajoutant dans le mélange de sinter. La boue de goudron est ajoutée au mélange de charbon pour améliorer sa densité. La boue acide doit être neutralisée avant son élimination.

Fabrication du sinter

Les déchets solides générés dans la fabrication du sinter sont les poussières et les boues. Les poussières sont générées aux étages de la machine de sinter, cyclones et ESP (précipitateurs électrostatiques). La boue est générée au clarificateur de la station de traitement d'eau. Ces poussières et boues sont riches en fer (Fe) et contiennent de bonnes quantités de chaux (CaO), de magnésie (MgO) et de carbone (C). Ces matériaux sont de très bons matériaux pour le recyclage dans la fabrication du sinter. Ces matériaux sont soit mélangés avec des fines de minerai de fer, soit briquettés pour le recyclage.

Usine de pellets

Les principaux déchets solides générés dans l'usine de pellets sont les poussières et les pellets verts sous-dimensionnés. Les deux sont recyclés dans le matériau d'alimentation du pellet.

Fabrication du fer au haut fourneau

Les déchets solides générés pendant le processus de fabrication du fer au haut fourneau (HF) sont les poussières, les criblages de charge au magasin de stockage, les bourrages de coulée de la coulée, les boues de la coulée, la scorie de haut fourneau, les poussières de foyer, la poussière ou boue GCP (gas cleaning plant), les déchets de réfractaires et les crânes de poche de métal chaud (MH).

• Les poussières et criblages de charge sont recyclés dans la fabrication du sinter.
• Les bourrages de coulée sont soit vendus comme ferraille de fer pour la refusion, soit recyclés dans l'atelier de fusion de l'acier.
• La boue de la coulée est déversée comme matériau de remblai.
• La majeure partie de la scorie liquide de HF est granulée et vendue aux fabricants de ciment pour la fabrication de ciment de scorie de HF. Une petite quantité de scorie de HF est refroidie à l'air. La scorie de HF refroidie à l'air est soit déversée comme décharge, soit utilisée dans les réparations routières dans l'usine sidérurgique. Dans les deux cas, la contamination en fer de la scorie est séparée et vendue pour la refusion.
• Les poussières de foyer et la poussière sèche GCP (en cas de nettoyage de gaz à sec) sont recyclées dans la fabrication du sinter. La boue humide GCP (en cas de nettoyage de gaz humide) du clarificateur est séchée et soit mélangée avec les fines de minerai de fer dans la cour des matières premières, soit briquettée et recyclée dans la fabrication du sinter.
• Les déchets de réfractaires de l'atelier de réparation des poches sont vendus et utilisés par le fabricant de réfractaires dans la fabrication de mortiers. Le crâne de poche MH est brisé soit par largage de poids, soit par lancing et le crâne brisé est vendu comme ferraille de fer ou utilisé dans l'atelier de fusion de l'acier.

Fabrication du fer par réduction directe

Pendant le processus de fabrication du fer par réduction directe, les principaux déchets solides sont le char (dans le cas des usines utilisant la technologie à base de charbon), les poussières (charbon et fer), le DRI (fer réduit direct) sous-dimensionné et les rebuts de DRI. Le char est utilisé dans la centrale électrique captive comme combustible pour la chaudière. Les poussières de charbon et de fer sont utilisées dans les usines de sinter. La poussière de charbon peut également être utilisée dans la chaudière. La poussière de fer peut également être vendue aux fabricants de ciment. Le DRI sous-dimensionné est briquetté et utilisé avec le DRI dans l'atelier de fusion de l'acier. Les rebuts de DRI sont recyclés dans le processus.

Coulée en lingots

Pendant la coulée en lingots de métal chaud, des matériaux de déchets comme les bourrages de plaque, les bourrages de coulée et la boue de chaux sont générés. Les bourrages de plaque et de coulée sont vendus comme ferraille de fer après traitement. La boue de chaux est utilisée à des fins de neutralisation.

Sidérurgie à l'oxygène basique (BOF)

Les principaux matériaux de déchets dans la sidérurgie BOF sont la scorie de convertisseur, la ferraille, les réfractaires usagés, la boue de convertisseur et la boue de l'usine de nettoyage de gaz (GCP). Excepté la boue GCP, tous les autres matériaux de déchets sont généralement générés en condition mixte, ce qui signifie que pendant la génération, un matériau de déchets se contamine avec un autre matériau de déchets. Donc, le tri est une étape très importante pour le recyclage des matériaux de déchets dans la sidérurgie.

• La boue humide GCP du clarificateur est séchée et soit mélangée avec les fines de minerai de fer dans la cour des matières premières, soit briquettée et recyclée dans la fabrication du sinter.
• La scorie de convertisseur après enlèvement de la ferraille est recyclée dans le mélange de sinter comme remplacement du calcaire. La scorie de convertisseur est également utilisée dans les réparations routières, pour le ballast de voie ferrée et comme conditionneur de sol.
• La ferraille enlevée de la scorie de convertisseur ainsi que de la boue est recyclée dans le convertisseur à des fins de refroidissement. La ferraille d'acier est également générée lorsqu'il y a un passage de poche ou un passage de convertisseur, bien que ce phénomène soit très rare.
• De la boue de convertisseur, la ferraille et les déchets de réfractaires sont enlevés et le reste est utilisé pour le remblai.
• Les déchets de réfractaires sont généralement de deux types. Le premier type provient du revêtement de convertisseur usagé et consiste principalement en réfractaires magnésio-carbone. La plupart de ces réfractaires qui ne sont pas contaminés sont utilisés dans le convertisseur pour le rapiéçage du fond. Le second type est les déchets de réfractaires de poche. Si ces déchets sont basiques, ils sont traités de manière similaire aux déchets de réfractaires de convertisseur. S'ils sont d'alumine, le déchet de réfractaire est utilisé pour la fabrication de mortier.

Sidérurgie électrique

Le principal matériau de déchets dans la sidérurgie électrique est la poussière GCP du four à arc électrique (FAE), la scorie, la ferraille et les réfractaires usagés. Les réfractaires usagés magnésio-carbone sont utilisés comme conditionneur de scorie dans le FAE.

La scorie de four à arc électrique (FAE) en raison de sa cristallinité élevée et de sa teneur élevée en fer n'a actuellement aucune méthode bien établie pour un recyclage potentiel. L'indice de basicité (BI) de la scorie est généralement entre 1,2 et 1,8, ce qui correspond au groupe Merwinite à faible hydraulicité. De plus, l'indice de broyabilité, qui est une mesure de l'énergie requise pour broyer un matériau particulier à une taille donnée, est élevé en raison de la teneur élevée en oxyde de fer. Cela rend le broyage et le traitement ultérieur de la scorie FAE énergivores. La scorie a été utilisée comme agrégat efficace pour la construction de routes. Des carreaux céramiques vitrifiés ont également été développés à partir de la scorie FAE.

Coulée continue

Les principaux matériaux de déchets générés dans le processus de coulée continue sont la calamine de coulée continue, les déchets de réfractaires, la ferraille, la scorie et la boue. Ici aussi, les matériaux de déchets sont générés en condition mixte et le tri est nécessaire comme première étape pour séparer les différents types de déchets.

• La calamine de coulée continue est recyclée dans l'usine de sinter.
• La ferraille est recyclée dans la sidérurgie.
• Les autres matériaux de déchets sont utilisés comme remblai.

Laminoirs

Les principaux matériaux de déchets solides générés dans les laminoirs sont la calamine de laminoir, les déchets de réfractaires du four de réchauffage et la ferraille.

• La calamine de laminoir est recyclée dans l'usine de sinter.
• La ferraille est recyclée dans l'atelier de fusion de l'acier.
• Les déchets de réfractaires, selon leur état, vont soit pour la fabrication de mortier, soit sont déversés.

Calcination de la chaux

Les déchets solides générés à l'usine de calcination sont les criblages de calcaire et de dolomie, la poussière de chaux et les fines de chaux. La poussière de chaux et les fines de chaux sont briquettées et recyclées soit dans l'usine de sinter, soit dans l'atelier de fusion de l'acier. Les criblages de calcaire et de dolomie sont recyclés dans l'usine de sinter.

Centrale thermique

Les principaux déchets solides générés à la centrale électrique sont les cendres volantes et les cendres de fond. Les cendres volantes sont utilisées dans la production de ciment. Dans certaines usines, les cendres sont envoyées au bassin de cendres. Les cendres récupérées du bassin de cendres sont utilisées pour élever la hauteur de la digue du bassin de cendres.

Gestion des déchets solides

La gestion des déchets solides consiste en la génération, la prévention, la caractérisation, la surveillance, le traitement, la manipulation, la réutilisation et la disposition résiduelle. Elle nécessite une nouvelle attitude des employés et de la direction. La pensée traditionnelle place toute la responsabilité sur quelques experts qui en sont chargés. Le nouveau focus est de faire de la gestion des déchets la responsabilité de chaque employé. L'importance de la gestion des déchets solides est ce que les gestionnaires et ouvriers orientés production doivent apprendre. Pour une gestion efficace des déchets solides, leur participation et coopération sont cruciales.

L'engagement de la direction est également nécessaire et vital pour un programme de gestion des déchets réussi. La direction peut démontrer son engagement en formant les employés aux techniques de gestion des déchets, en encourageant les suggestions des employés, en fournissant des ressources pour les activités des 3 R, et en mesurant et surveillant la génération et le recyclage des déchets.

L'objectif ultime de la direction doit être le zéro déchet solide de l'usine. Pour cela, le suivi et les améliorations continues sont cruciaux. La mesure et le reporting de la réduction des déchets et de l'atteinte des objectifs d'économie de coûts aident également à améliorer les résultats de travail et le développement durable de l'usine sidérurgique.

Les 3 « R » de la gestion des déchets solides sont montrés à la Fig 1.

Fig 1 Les 3 « R » de la gestion des déchets solides