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AGENCE RHONE-ALPES POUR LA MAITRISE DES MATERIAUX Savoie Technolac BP 292 - 733

AGENCE RHONE-ALPES POUR LA MAITRISE DES MATERIAUX Savoie Technolac BP 292 - 73375 Le Bourget du Lac Cedex Tél. : +33 (0)4 79 25 36 01 – Fax : +33 (0)4 79 25 36 66 Internet : http://www.agmat.asso.fr / Info@agmat.asso.fr Siren 392 999 801 APPLICATIONS INDUSTRIELLES DES SELS FONDUS Marie KERMARREC Janvier 2004 Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 2 Remerciements Je tiens à remercier tout particulièrement Monsieur Daniel TITICA, stagiaire de l'Ecole Nationale Supérieure d'Electrochimie et d'Eletrométallurgie de Grenoble (du groupe INPG) au premier semestre 2000, pour sa recherche bibliographique qui m'a permis d'écrire la partie relative à la technologie des sels fondus (première partie de ce document). J'ai bien apprécié cette collaboration efficace et productive, exercice difficile quand on ne manie pas parfaitement le français. Merci aussi au directeur de l'ENSEEG, Monsieur Jean-Claude POIGNET, pour nous avoir soutenu dans cette action. Je n'oublie pas Monsieur Farouk TEDJAR, directeur général de la société RECUPYL, pour avoir relu ce rapport et avoir ainsi contribué à sa validation en apportant son savoir-faire et ses connaissances dans le domaine des sels fondus. Enfin, j'ajoute une mention spéciale pour l'apport technique de Yves BERTAUD, directeur adjoint de l'Agence, en particulier sur ce qui touche les procédés industriels utilisant les sels fondus. J'espère que la lecture de ce rapport permettra aux lecteurs de mieux comprendre ce que sont les sels fondus et leurs intérêts à l'échelle industrielle… et que peut-être un jour des traitements de valorisation ou de recyclage mettant en œuvre de telle technologie verront le jour dans notre région. Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 3 Table des Matières Méthodologie de l'Etude Bibliographique 6 Introduction 7 Partie A : La Technologie des Sels Fondus 8 Chapitre 1 : Etat de la Technique 9 I - GENERALITES 9 II - CARACTERISTIQUES PRINCIPALES DES PROCEDES D'ELABORATION DES METAUX 12 1 - Métaux réactifs 13 2 - Métaux réfractaires 13 Chapitre 2 : Applications industrielles 14 I - LES METAUX PRODUITS EN SELS FONDUS A GRANDE ECHELLE 14 1 - Production électrolytique du magnésium 14 2 - Elaboration du sodium 17 3 - Elaboration du calcium 23 4 - Elaboration de l'aluminium 24 5 - Elaboration du lithium 30 II - LES METAUX REFRACTAIRES 31 1 - Elaboration du tantale et du niobium 31 2 - Elaboration du hafnium et du zirconium 34 3 - Elaboration du tungstène 39 4 - Elaboration électrolytique du titane 39 5 - Elaboration du molybdène 40 III - LES METAUX RARES 41 1 - Elaboration de l'uranium 41 IV - LES AUTRES COMPOSES : ELABORATION DU FLUOR 42 V - LES TRAITEMENTS DE SURFACE 43 1 - Métalloïdisation 43 2 - Transport électrochimique/électroformage 47 Chapitre 3 : Comparaison Technico-Economique des Techniques Appliquées au Raffinage et au Dépôt des Métaux 51 I - PROCEDE PAR BAIN DE SELS FONDUS 51 II - PROCEDE PAR VOIE AQUEUSE 52 III - DEPOT PLASMA 53 IV - CONCLUSIONS 53 Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 4 Partie B : Etat de la Technologie des Sels Fondus Appliqués aux Traitements des Déchets 54 Chapitre 1 : Oxydation par Sels Fondus 55 I - PRESENTATION DU PROCESSUS D'OXYDATION PAR SELS FONDUS 55 1 - Bref historique 55 2 - Le processus d'oxydation par sels fondus 56 II - DESTRUCTION DES DECHETS ENERGETIQUES 57 1 - Description 57 2 - Résultats expérimentaux 59 III - DESTRUCTION DE DECHETS BIOLOGIQUES 59 1 - Description du procédé 60 2 - Résultats expérimentaux 61 IV - TRAITEMENT DES DECHETS CONTENANT DES METAUX ALCALINS OU ALCALINO- TERREUX 61 1 - Contexte 61 2 - Description du système 62 3 - Résultats expérimentaux 63 V - TRAITEMENT DE DECHETS MIXTES RADIOACTIFS 64 1 - Contexte 64 2 - Description du procédé 64 Chapitre 2 : Valorisation des Déchets par Voie de Sels Fondus 66 I - VALORISATION DU MAGNESIUM A PARTIR DE DECHETS D'ALLIAGES DE MAGNESIUM 66 1 - Description du procédé 66 2 - Résultats 67 II - TRAITEMENT DES PETROLES LOURDS DE TYPE BOSCAN 68 III - RECYCLAGE DES MATIERES PLASTIQUES 69 1 - Résultats sur le traitement du polyéthylène 70 2 - Résultats sur le traitement du polystyrène 70 3 - Conversion des déchets d'élastomères en fuel et autres produits réutilisables 70 4 - Aspects techniques et économiques concernant la destruction des plastiques. 72 IV - EPURATION DES GAZ ET DES FUMEES 74 1 - Technique gazogène appliquée à la pyrolyse des vieux pneus, élastomères et polymères usées 74 2 - Traitement des fumées par des carbonates 74 3 - Traitement des fumées par des sulfates 76 4 - Traitement du gaz pauvre 77 5 - Traitement des gaz d’échappement des moteurs 78 V - RECYCLAGE DES HUILES USEES 78 1 - Actions physiques du bain 78 2 - Actions chimiques du bain 79 VI - SEPARATION DES DECHETS PLASTIQUES DES AUTRES DECHETS PAR VOIE DE SELS FONDUS 79 1 - Récupération des métaux précieux 79 2 - Séparation des plastiques et des métaux 80 Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 5 Partie C : Etat de la Recherche Récente 81 I - LE TRAITEMENT DES DECHETS NUCLEAIRES 82 II - TRAITEMENT D'AUTRES TYPES DE DECHETS 82 III - CONCLUSIONS SUR L'ETAT DE LA RECHERCHE ACTUELLE 84 Conclusions Générales 85 Références 86 BIBLIOGRAPHIE 86 TABLE DES ILLUSTRATIONS ET SOURCES 88 SITES INTERNET PERTINENTS 90 REFERENCES DES BREVETS MENTIONNES DANS CE DOCUMENT 90 Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 6 Méthodologie de l'Etude Bibliographique Le but de cette étude est de fournir les bases d'information pour : - Evaluer l'état d'avancement de la technologie des sels fondus. - Evaluer l'état de l'art dans le domaine de l'application des sels fondus au traitement des déchets. - Orienter la recherche dans des applications où cette technique apporterait des avantages certains par rapport aux techniques déjà utilisées à l'échelle industrielle. La recherche a porté sur les mots-clés suivants : - Technologie et application industrielle des sels fondus. - Métallurgie, élaboration production synthèse, électrosynthèse. - Application et utilisation des sels fondus au traitement des déchets. L'analyse bibliographique a été réalisée par la consultation des sources suivantes : 1 - Des bases de données sur des publications scientifiques : CHEMICAL ABSTRACT PASCAL INSPEC TECHNIQUES DE L'INGENIEUR 2 - La base de données des programmes de recherche européens sur les actions de recherche "environnement" : CORDIS EUREKA BRITE-EURAM LIFE DGXI 3 - Les revues spécialisées dans le domaine du recyclage et des déchets. 4 - Les références internes des travaux et mémoires de l'Ecole d'Electrochimie de Grenoble. 5 - Des sites Internet en connexion avec l'objet de l'étude en particulier la base européenne des brevets. La liste des références pertinentes est fournie en Références à la fin de ce rapport. Les résultats de cette étude bibliographiques ont permis : - La réalisation d'un inventaire des filières. - La réalisation d'un état de la technologie actuelle. Applications industrielles des Sels Fondus Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Matériaux Janvier 2004 7 Introduction Actuellement, les applications industrielles des sels fondus concernent en majeure partie la métallurgie, notamment la production du magnésium, du sodium et du lithium et surtout de l’aluminium dont le procédé d'élaboration, exclusivement à base de sels fondus à 1 000 °C est aujourd'hui le plus important industriellement (plusieurs millions de tonnes par an avec un coût de revient d'un peu moins de 2 €/kg). Aujourd’hui, ce procédé, breveté simultanément en France (Héroult) et aux Etats-Unis (Hall) en 1886, continue de faire l'objet de recherches importantes, en particulier au niveau de l'augmentation de la taille unitaire des unités (dimensions, intensité, productivité au mètre carré installé, durées de vie des composants). Bien d'autres applications métallurgiques font également appel aux technologies de sels fondus, notamment la réduction de métaux technologiques comme le titane, le zirconium, le hafnium, les métaux de terres rares (mischmetal, lanthane/nickel, néodyme/fer), le raffinage et le recyclage d'aluminium, les traitements thermiques à température très contrôlée, les traitements thermochimiques (nitruration, carbonitruration), les flux de fonderie (mouillage, désoxydation, écrémage) et de brasage …. Les applications des sels fondus en chimie sont plus limitées, elles concernent principalement la production de chlore et de fluor, la déhafniation poussée du zirconium pour applications nucléaires (colonne de plus de 30 m de haut !). Une application originale a été développée aux Etats-Unis, dans les années 60, dans le cadre du développement d’une filière de réacteurs nucléaires surgénérateurs qui utilisaient les sels fondus comme milieu réactionnel soit pour la fission, soit pour l’extraction, de plutonium et d’autres produits de fission. Une variante a été imaginée pour la production d'énergie à partir de thorium et non plus d'uranium. Cette application des sels fondus dans l'industrie nucléaire reprend actuellement une certaine vigueur avec le retraitement des résidus de centrales ou d'armes nucléaires par des techniques dites pyrochimiques (Argone, Atalante) et les réacteurs "propres" uploads/Industriel/ 2004-sels-fondus.pdf