ETUDE DU TRAITEMENT THERMIQUE DU PHOSPHATE (YOUSSOUFIA) M. El Ouardi elouardimokhtar@yahoo.fr

OFFICE CHERIFIEN DES PHOSPHATES  Le secteur minier occupe une place de choix dans l'économie marocaine Représente 30% de la valeur de recette d'exportation Emploie plus de 60.000 personnes  Phosphates le Maroc renferme les 3/4 des réserves mondiales de phosphate. le premier exportateur dans le monde et le 2ème producteur après les USA. l'exportation des phosphates constitue un monopole de l'État représenté par l'Office Chérifien des Phosphates (OCP) crée en 1920.

Besoin et Contexte ► Pendant longtemps certains gisements importants de phosphate ont fourni des minerais qui ne nécessitaient qu’un traitement faisant appel aux techniques de : Criblage et séchage, Criblage, lavage et séchage, Traitement thermique (calcination, EAS,…).

L’épuisement des parties riches de ces gisements, ont rendu nécessaire, la recherche de modes de traitement plus poussés et adaptés aux nouveaux profils de minerais. ► les exigences des industries en aval, en qualité et en quantité de minerais, ► l’existence de réserves importantes en phosphates basses teneurs à gangue carbonatée et/ou silico-carbonatée,

les études de caractérisation sont essentiellement sur : Les données minières et géologiques, Les études minéralogiques et minéralurgiques effectuées sur les différents niveaux phosphatés concernés : Caractérisations minéralogiques, Analyses chimiques et physique, Granulo-chimie, etc.

Notre contribution se focalise à: Un traitements adaptés aux nouveaux profils de minerais,

I. ÉTUDE DE LA CALCINATION DES PHOSPHATES CLAIRS DE YOUSSOUFIA II.ÉTUDE DES MÉLANGES DE PHOSPHATE CALCINÉ PAR UN AUTRE BRUT DE MÊME SOURCE DU BASSIN DE GANTOUR / MAROC

OBJECTIF Dans cette contribution nous nous focalisons notre étude aux: Étude du temps de séjour ; Température de calcination ; Les mélanges à froid et à chaud des phosphates sédimentaire de Bassin de Gantour OBJECTIF Optimisation des dépenses liées à l’énergie destinée à brûler les matières organiques et d’obtenir le point qualité satisfaisant les exigences de son utilisation.

I. ÉTUDE DE LA CALCINATION DES PHOSPHATES CLAIRS DE YOUSSOUFIA Mots Clés Phosphates / Youssoufia / Matière organique / Calcination.

Le Maroc est en position de leader mondial: Production (**** M Tonnes) Les réserves (3/4 des réserves mondiales Le Maroc est en position de leader mondial:

gisement de phosphates et son histoire géologique Les phosphates naturels: Ca10 (PO4)6F2 Apatites Impuretés + gisement de phosphates et son histoire géologique propriétés physiques Caractéristiques chimiques cristallographiques Variation

Traitements des phosphates Traitements chimiques Traitements physiques Broyage Calcination Traitements chimiques Traitements physiques Attaque du minerai par l’acide sulfurique Séchage Lavage

Traitements des phosphates Le phosphate basse teneur (BT) Le phosphate très basse teneur (TBT) Le phosphate haute teneur (HT) Le phosphate moyenne teneur (MT) Selon la teneur des phosphates en BPL on distingue

La calcination Élimination (CO2, H2O …)

Traitement thermique Gaz a effet de serre

Variation de la teneur en CO2 dans les francolites avec excès de fluor de divers âges géologiques

Hypothèse Peut être la variation de la teneur en Corg dans les francolites avec excès de fluor de divers âges géologiques varie inversement que le dioxyde de carbone

L’élimination de la matière organique est importante Matières organiques formation des mousses défavorise le refroidissement de la réaction réduction des sulfates en sulfures augmente la température ainsi que la viscosité intense corrosion des réacteurs colore noir à l’acide produit pollue l'atmosphère contamine aussi le matériel

Formation des phosphogypses semi hydrates Mauvaise filtration Mauvaise qualité

Différents auteurs ont étudie les différents aspect de traitement thermique en particulier la calcination et pour différent gisements

Gisement de Gantour (Youssoufia & Benquerir) Zone reconnue (Éocène Maastrichtien)

Distribution granulométrique avant la classification

Compositions chimiques moyenne du minerai de phosphate du Youssoufia avant la calcination

Procédure Expérimentale

Les essais sont effectués à l’échelle du laboratoire, dans un four réglable en température, sur le phosphate de Youssoufia, de granulométrie comprise entre 40 m et 500 m. La classification se fait en réduisant les gros grâce à un broyeur à marteau par des opérations successives portant sur les refus à la maille de 500 m et un tamisage des fines inférieures à 40 m.

Distribution granulométrique après la classification

Protocole (1) L’étude du temps de séjour de calcination est réalisée en introduisant des échantillons de phosphate dans le four( 100, 200 et 400 grammes), pour une durée de 40 minutes, à une température fixe (600°C, 650°C, 700°C, 750°C, 800°C, 850°C et 900°C). Pour chaque température fixe et à chaque cinq minutes, un échantillon est prélevé pour analyser les compositions chimiques de l’apatite (Corg, CO2, BPL(P2O5) et CaO).

Protocole (2) La température optimale de calcination est déterminée par l’étude de la variation de la composition chimique de ses différentes espèces (Corg, CO2, BPL, CaO) en fonction de la température (600°C <T< 900°C). En plaçant 7 échantillons dans un four et à chaque augmentation de 50°C de la température, un échantillon est prélevé pour l’analyse chimique de (Corg, CO2, BPL(P2O5), CaO) en aérant les autres échantillons par injection de l’air d’une façon nominale.

Protocole (3) Lors du traitement de calcination suivi d’un refroidissement, on calcine 200 grammes de phosphate à une température de 800°C en un temps de 30 mn (température de calcination et le temps de séjour sont déterminés aux protocoles (1) et (2)). On le refroidit ensuite sous l’air atmosphérique pour le mélanger après avec une quantité de phosphate, de même source et presque de la même distribution granulométrique(mélange à froid). Le refroidissement par le mélange à chaud se fait en mélangeant chaque fois le phosphate calciné à 800°C par une quantité du phosphate de même source et presque de la même distribution granulométrique.

Pendent ces protocoles expérimentaux et avant les analyses chimiques des compositions Corg, CO2, P2O5 et CaO, on procède à l’extinction et le tamisage pour éliminer les matières volatiles adsorbées et la fraction granulométrique inférieur à 40 m qui est pauvre en phosphore en vérifiant qu’il n’y a pas de perte en masse de l’apatite riche en phosphore.

Avant l’analyse chimique des compositions Corg, CO2, BPL et CaO, le produit calciné se refroidit sous la pression atmosphérique. On procède par la suite à l’extinction et le tamisage pour éliminer la matière volatile adsorbée et la fraction granulométrique inférieur à 40 m qui est pauvre en phosphore.

Résultats Expérimentaux Le protocole expérimental décrit précédemment nous a permis d'étudier la variation de la composition en Corg, CO2, BPL et CaO en fonction de la température

Grillage de carbone organique en fonction de la température 600°C - 700°C: C de Corg reste constante; A partir de 700°C le carbone commence à débiter de 1.8% à 0.2% Au delà 800°C: C de carbone reste sensiblement constante;

Grillage de CO2 en fonction de la température 600°C - 800°C: La concentration de dioxyde de carbone commence à débiter de 6.6% à 2.2%; Au delà de 800°C, la concentration reste constante;

Variation de BPL en fonction de la température 600°C - 800°C: La teneur en BPL augmente de 68% A 74% d’une façon brutale a cause de la vaporisation de l’eau et de la matière organique volatile tel que dioxyde de carbone; A partir de 800°C la teneur reste sensiblement constante;

Variation de CaO en fonction de la température La teneur en CaO varie de la même manière que celle de la BPL

Par ailleurs, l’étude de temps de séjour est très importante dans toute optimisation de l’énergie destinée à la calcination.

Grillage de carbone organique en fonction du temps entre 600°C et 900°C Les différentes température étudier le carbone organique varie en fonction du temps jusqu'à la température 800°C et un temps de 30 minutes; Au-delà de 800°C jusqu’à 900°C le profil de la concentration reste quasi-identique.

Grillage du dioxyde carbonique en fonction du temps entre 600°C et 900°C Le dioxyde de carbone se coïncide sensiblement a partir de 800°C et un temps de 30 minutes.

Variation du BPL en fonction du temps entre 600°C et 900°C La teneur en PBL augmente jusqu'à 800°C et un temps de 30 minutes à partir de laquelle cette concentration reste presque constante.

Variation du CaO en fonction du temps entre 600°C et 900°C La teneur en CaO augmente de la même manière que la teneur de BPL en fonction des temps et de la température

Synthèse Dans cette étude expérimentale, nous avons étudié les facteurs qui peuvent affecter l'augmentation du BPL% lors du traitement thermique d’un phosphate moins riche, contenant une matière organique plus que la norme. Pour l'optimisation de la calcination, les facteurs qui ont été considérés sont la température et le temps de séjour. Nous constatons que entre 600°C-700°C il y a une faible augmentation de la vitesse de calcination à cause du déclenchement des réactions chimiques endothermiques dues à la décomposition des carbonates et à la déshydratation. Le phénomène de déshydratation crée des pores dans les grains, ce qui facilite le dégagement de la matière volatile. Il y a alors un début de départ du carbone organique associé à un fort dégagement de dioxyde de carbone.

Au delà de 700°C, la vitesse de calcination augmente ce qui s’explique par le déclenchement des réactions exothermiques (combustion des matières organiques surtout le dioxyde de carbone, des sulfures minéraux et formation des silicates de calcine). Il en résulte que la teneur en dioxyde de carbone diminue de 6.6% à 1.8% et la teneur en carbone de 1.8% à 0.15%. Ceci s'associe à une augmentation de la teneur en BPL titrant de 68 % à une teneur voisine de 74.8 %. La calcination entre 800°C et 900°C donne des résultats quasi-identiques en BPL, Corg, CO2 et CaO

Les différents profils de la teneur du BPL et CaO en fonction du temps et de la température illustrent l'existence d'un ratio (CaO/BPL), ces deux constituants représentent le phosphate pur dans le minerai. Dans le même temps, il apparaît une amélioration de ce rapport pour le phosphate ainsi calciné à une valeur compatible pour une mise en solution économique lors de l’attaque par l'acide sulfurique.

La synthèse de cette étude expérimentale est représentée dans les tableaux suivants. Les résultats illustrent l'existence des interactions mutuelles entre les compositions chimiques (Corg, CO2, BPL, CaO), en fonction du temps et de la température. Ceci est à l’origine d’une dynamique physicochimique à fort complexe tant que le phosphate est complexe en impuretés.

Distribution granulométrique après la calcination Compositions chimiques moyennes du minerai de phosphate du Youssoufia après la calcination Distribution granulométrique après la calcination

CONCLUSION Dans cette étude, nous avons décrit un protocole pour la calcination de phosphate de Youssoufia, de propriétés indiquées ci-dessus qui contient de la matière organique et de fraction granulométrique comprise entre 40 m et 500 m. Ce phosphate a été enrichi par voie thermique et mécanique d'une manière discontinue et notre approche illustre bien l’intérêt de la prise en compte des couplages entre le processus de traitement et les propriétés thermophysicochimiques.

Nous avons établi dans ce travail les conditions optimales de la calcination qui a été suivie par une extinction et un tamisage visant à éliminer les fines inférieures à 40 m qui sont pauvres en phosphore.

Le produit obtenu répond bien aux profils marchands et aux exigences d’utilisation sous les conditions d’une température environ de 800°C et un temps de séjour environ de 30 minutes avec une diminution de carbone organique à 91,67 % et de dioxyde de carbone à 73,50 % et une augmentation de BPL de 10%. Le phosphate calciné contient un rapport de CaO/BPL permettant d'économiser la réaction de l’attaque du phosphate par l’acide sulfurique (H2SO4). Il présente également l’avantage de ne pas contenir des agrégats.

II.ÉTUDE DES MÉLANGES DE PHOSPHATE CALCINÉ PAR UN AUTRE BRUT DE MÊME SOURCE DU BASSIN DE GANTOUR / MAROC Mots clés  Phosphates/ Bassin de Gantour/ Matière organique/ granulométrie/ Calcination/ Mélange/ refroidissement.

Hypothèse Le mélange entre le phosphate calciné et un autre phosphate non calciné de même source, donne un phosphate produit performant en qualité et en réactivité avec une minimisation de la consommation d’énergie, une augmentation de la productivité et une limitation du taux de la pollution de l’environnement.

Refroidissement du phosphate calciné par le phosphate de même source dans les conditions standard. Étude de la variation des éléments (Corg, CO2, P2O5 et CaO) en fonction du phosphate ajouté

Variation du Corg en fonction de la masse du phosphate ajout

Variation du CO2 en fonction de la masse du phosphate ajouté

Variation du P2O5 en fonction de la masse du phosphate ajouté

Variation du CaO en fonction de la masse du phosphate ajouté

L’écart des teneurs en Corg, CO2, P2O5 et CaO entre le mélange à froid et le mélange à chaud est assez important varie jusqu’à l’ajout d’une quantité de 33% ; avec des teneurs admissibles aux utilisateurs, A partir de laquelle commence à diminuer d’une façon remarquable et les teneurs en Corg, CO2, P2O5 et CaO deviennent supérieures aux valeurs utiles.

SYNTHESE Dans cette étude expérimentale, nous avons étudié le temps de séjour, la température de calcination et le mélange du phosphate à froid et à chaud afin d’optimiser l’énergie distiné à la calcination sans agir sur l’enrichissement des phosphates.

Pour l'optimisation de la calcination, les facteurs qui ont été considérés sont la température et le temps de séjour. Nous constatons que entre 600°C-700°C il y a une faible augmentation de la vitesse de calcination à cause du déclenchement des réactions chimiques endothermique dues à la décomposition des carbonates et à la déshydratation, et autres exothermiques dont l’origine est la combustion des matières organiques surtout le dioxyde de carbone, les sulfures minéraux et la formation des silicates de calcine. Le phénomène de déshydratation crée des pores dans les grains, ce qui facilite le dégagement de la matière volatile. A Partir de 700°C, la vitesse de calcination augmente de plus, ce qui s’explique par le début de départ du carbone organique associe à une forte dégagement de dioxyde de carbone.

La calcination entre 800°C et 900°C donne des résultats quasi-identiques en BPL, Corg, CO2 et CaO Compositions chimiques moyennes du minerai de phosphate du Bassin de Gantour après la calcination

Distribution granulométrique après la calcination

Dans ce traitement de calcination-refroidissement de phosphate sous l’air atmosphérique la perte au feu est environ de11.30%. Les traitements de calcination-refroidissement de phosphate mélangé à froid et a chaud ont une perte au feu environ de 8.5% et 11.10% respectivement lors de l’ajout d’une quantité de 33% du phosphate de même source.

refroidit par un ajout de 33% du phosphate de même propriétés Compositions chimiques moyennes du minerai de phosphate du Bassin de Gantour refroidit sous l’air puis mélangé à froid par ajout de 33% du phosphate de même propriétés Compositions chimiques moyennes du minerai de phosphate du Bassin de Gantour refroidit par un ajout de 33% du phosphate de même propriétés

Distribution granulométrique moyennes du minerai de phosphate de bassin de Gantour refroidit sous l’air puis mélangé à froid par ajout de 33% du phosphate de même propriétés Distribution granulométrique moyennes du minerai de phosphate de bassin de Gantour refroidit par ajout de 33% du phosphate de même propriétés

Les résultats obtenus dans cette étude, montrent qu’elles y’a des interactions entre les compositions chimiques (Corg, CO2, P2O5, CaO) et les propriétés thermophysiques ceci est due à une dynamique physicochimique à fort complexe des phosphates en impuretés. Ces essais ont finalement abouti a un produit qui contient moins de matière organique conformément aux normes des commandes et s’identifie avec beaucoup de recherches effectuer à l’échelle de pilote qu’à l’échelle industriel, ils confirment bien notre hypothèse (Le mélange entre phosphate calciné et autre phosphate non calciné de même source résulte un phosphate produit performant en qualité et en réactivité avec minimisation de la consommation d’énergie, augmentation limitation de la productivité et limitation du taux de la pollution de l’environnement) avec absence de collage et la formation d’agrégats.

Les figures 4a, 4b, 4c et 4d montrent que l’écart des teneurs en Corg, CO2, P2O5 et CaO entre le mélange à froid et le mélange à chaud est assez important varie jusqu’à l’ajout d’une quantité de 33% ; avec des teneurs admissibles aux utilisateurs, A partir de laquelle commence à diminuer d’une façon remarquable et les teneurs en Corg, CO2, P2O5 et CaO deviennent supérieures aux valeurs utiles.

CONCLUSION Les résultats obtenus de phosphate de Bassin de Gantour, de propriétés indiquées ci-dessus qui contient de la matière organique et de fraction granulométrique comprise entre 40 m et 500 m a été enrichi par voie thermique et mécanique d'une manière discontinue ; illustre bien l’intérêt de prise en compte des couplages entre le processus de traitement et les propriétés physicochimiques.

Nous avons décrit dans ce travail des protocoles expérimentaux permettant d'obtenir des conditions optimales de la calcination telles que le temps qui est environ 30 mn et la température de calcination à l’ordre de 800°C ainsi que l’impact du mélange sur les propriétés physicochimiques du phosphate.

Durant le mélange à froid, la teneur en carbone organique diminue de 1 Durant le mélange à froid, la teneur en carbone organique diminue de 1.4% à 0.15% et augmente de 0.15% à 0.455% alors que la teneur en dioxyde de carbone diminue de 6.6% à 1.8% et augmente de 1.8% à 2.88%. Ceci est associe à une augmentation de la teneur du phosphate titrant 30.39 % en P2O5 à une teneur voisine de 34.23 % et diminue de 34.23% à 33.285 %. Le rapport CaO/P2O5 du calciné croit de 1.52 à 1,58.

Durant le mélange à chaud, le carbone organique décroît de 1. 4% à 0 Durant le mélange à chaud, le carbone organique décroît de 1.4% à 0.15% puis croit de 0.15% à 0.355%, le dioxyde de carbone décroît de 6.6% à 1.8% puis croit de 1.8% à 2.45%, Ceci associe à une augmentation de la teneur du phosphate titrant de 30.39% en P2O5 à une teneur voisine de 34.23 % et diminue légèrement à une valeur de 33.455% et le rapport CaO/P2O5 du calciné croit de 1.52 à 1,60 qui est une valeur compatible avec une mise en solution sulfurique (H2SO4) économique lors de son attaque.

Dans les deux traitements, il apparaît donc une recarbonation de l’apatite avec variation de la distribution granulométrique. La perte au feu diminue de 11.30% à 8.5% dans le mélange à froid alors que dans le mélange à chaud diminue de 11.30% à 11.10%.

En conclusion, il apparaît que les phénomènes de traitement par calcination suivi d’un refroidissement par le phosphate de même source (mélange à chaud), ont des conséquences importantes sur ; la qualité, la réactivité, la consommation d’énergie qui se minimise par 33%, augmentation de la productivité par 33% et une diminution du taux de la pollution par 33%.

PERSPECTIVES Étude de la refroidissement des phosphates calciné par une technique de la métrologie thermique (Ombroscopie ou l’interférométrie holographique) ; valorisation de l’énergie de la calcination(sortie calcinateur) L’effet de calcination sur les métaux lourds (polluants) et les éléments qui interagissent négativement sur les processus des transformations des phosphates en ces dérives; Étude expérimentale de la chaleur massique et le coefficient de conduction du phosphates (gamme de variation) ; Augmentation de la réactivité des phosphates; Augmentation de la productivité;