Brevet FR2395788A1 — publié le 19790126

L'invention est relative à un procédé et à un dispositif de séparation des solides particulaires par morcellement sélectif, en particulier dans le domaine de la séparation des minéraux inorganiques du charbon. Pour les besoins de cette description, on définit comme soli- des particulaires des solides comportant un conglomérat de substances constitutives variées, en particules, physiquement ou chimiquement liées. La plupart des ressources naturelles solides existent sous des formes composées contenant des substances constitutives pures d'utilité et de valeur variables. Un exemple d'une telle forme composéè est le blé en grains, qui contient de la farine, des fibres, et le germe. Les particules de farine comportent pour leur part des particules d'amidon et de protéines physiquement liées et jusqu'à présent séparées par des traitements compliqués à sec et en milieu humide. La plupart des ressources minières et de surface son t récoltées sous forme de particules composées, impures, qui doivent subir ensuite un traitement complexe pour produire la substance constitutive noble désirée sous une forme substantiellement pure et, dans certains cas, le coût d'un tel traitement excède la valeur du produit, ou il ntest tout simplement pas moyen de pratiquer un e extraction suffisante, si bien que de nombreuses ressources nécessaires sont laissées inexploitées-ou ne peuvent être efficacement transformées en un produit de haute qualité. Les procédés existants pour extraire les différents consts tuants comportent habituellement un cnncassage des particules olides pour les amener à l'état de blocs de taille inférieure et tm broyage de ces blocs pour les amener à l'état de fines particules, suivi par un traitement physique ou chimique des fines particules pour recouvrer les substances constitutives désirées. Ce procédé comporte évidemment des étapes multiples, et il est par conséquent coûteux et lent. Nous considèrerons le charbon comme un exemple dune substance que lton trouve à ltétat naturel. Le charbon, -lorsqu'on le trouve en gisement de haute qualité, peut être exploité et utilisé directement après réduction à une granulométrie utilisable. Lorsque le charbon est d'origine déposé par-places, par exemple en nappes, la matière organique qui forme la couche superficielle est entremêlée de particules généralement petites de matières inor ganiques. On désignera par la suite par "cendre" la matière inorganique. Les particules de cendre présentent généralement des contours arrondis en raison de l'abrasion qu'elles subissent pendant leur existence avant inclusion dans la matière organique. Ainsi, le charbon est à la base une couche continue de matières organiques incluant des quantités variables d'inclusions de particules de cendre. Dans un charbon pauvre, dit secondaire, il est essentiel dlôter un fort pourcentage des cendres pour deux raisons principa- les. Premièrement, les cendres réduisent la valeur calorifique du charbon. Deuxièmement, lorsque le charbon est brûlé, les cendres créent des niveaux de pollution élevés à un point inacceptable. Toutefois, il n'est actuellement pas possible de réduire économiquement la teneur en cendre de nombreux charbons d'une fanon suffisante pour permettre la vente et le brûlage de ces charbons, Le principal problème dans le cas des procédés existants pour la séparation du charbon et des cendres réside en ce que les cendres sont broyées en fines particules au meme titre que le charbon, ce qui rend la séparation extrêmement difficile. Ainsi, si le charbon pur peut être cassé à une granulométrie très fine par rapport à celle des cendres, c'est-à-dire sans casser les particules de cendres, il pourra alors être aisément séparé des cendres. La répartition des tailles de particule dans les cendres d'un charbon typique de la Nouvelle-Galles du Sud serait la suivante: MITRAUX FOURCHETTE DE GRANULOMETRIE (Microns) Feldsparth 25 - 100 Quartz 5 - 200 Mica 40 - 80 Kaolinite 15 - 375 Carbonates 20 -1250 Pyrite 5 - 400 Dans les charbons secondaires, les cendres représentent environ de 6 à 60 % en poids du charbon sortant de la mine. Ainsi, comme il a été mentionné ci-dessus, réduire la teneur en cendres à un niveau convenablement bas nécessiterait le broyage du charbon pur à une granulométrie de séparation, qui serait dans cet exemple inférieure à par exemple 20 microns, alors que l'on ne réduirait pas la granulométrie des cendres . Dans le charbon secondaire ci-dessus, ceci réduirait-la tenteur en cendres de toutes les particules de moins de 20 microns à une valeur de 0,5 à 3 % en poids de cendres; on peut même atteindre des teneurs en cendres d'environ 0,10 % en poids. Par conséquent, s'il peut y avoir dé-composition sélecti ve d'un constituant particulaire particulier, celui-ci peut alors être séparé des particules plus grosses Très souvent, il est souhaitable de produire un produit de granulométrie très fine en grande quantité , mais les procédés de broyage normaux sont lents et produisent souvent des impuretés dans le produit sortant d u broyeur . De plus, on peut souhai ter sécher une substance mouillée ou humide pendant le séchage ou la traiter chimiquement pour en convertir certains constituants par exemple en gaz, ou rompre des liens chimiques qui lient des grou pes constitutifs particuliers, de fanon à permettre leur séparation par des traitements physiques ultérieurs. Un objet de la présente invention est d'offrir un procédé et un dispositif pour séparer sensiblement sélectivement une substan ce constitutive d'une particule composite. Dans une forme générale, llinvention comprend un procédé de séparation de particules solides par application d'un choc d'ampli tude suffisante pour relâcher les liens entre les particules et/ou pour réduire les particules plus tendres mais d'amplitude insuffi sante pour réduire les particules plus dures, de telle sorte que les particules s'en trouvent séparées avec un minimum d'attrition entre les particules ellesemêmes. Ce choc peut r e v est i r la forme d'un choc mécenique tel qu'une collision des particules avec une structure rigide ou etre crée par des champs magnétiques cryogéniques à énergie élevée, ou par des ultra-sons, ou par déplacement de gaz. Toutefois, le recours à un choc mécanique est le plus smple dans la mesure où les autres cas requièrent des équipements complé mentaires sophistiqués et neseraient pas applicables à tous les pro duits alors que l'utilisation d'un choc mécanique est également applicable. Par conséquent, selon une forme préférée, l'invention com porte un procédé de séparation des solides particulaires de dureté différeie par morcellement de ces solides particulaires, ou les soli des particulaires les plus tendres sont réduits en particules plus fines par collision avec des moyens de contact présentant une dureté supérieure ou substantiellement supérieure à celle des particules à morcel-ler mais inférieure à celle des particules plus dures qui ne doivent pas être réduites, et où lton sépare les particules plus fines des particules plus dures. Selon un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, en rapport avec les minéraux-, le produit minier est d'abord reduit à une granulométrie suffisamment faible pour permettre de le fluidifier facilement, et par exemple inférieure à moins de 1(environ 38 mode diamètre . Cette première réduction peut etre mise en oeuvre dans un broyeur à revêtement intérieur mou, comportant par exemple des parois en caoutchouc ou en aluminium. Ainsi, le produit minier ne se broie que sur lui-même et ne brise pas le matériau. Le produit réduit est ensuite fluidifié en un écoulement de faible densité et accéléré jusqu'à une vitesse élevée. Les particules circulant dans l'écoulement entrent en contact avec des saillies à revêtement mou qui brisent les minéraux plus tendres pour réduire leur taille et les libérer des minéraux plus durs. Les minéraux sont alors emportés plus loin par 1'écoulement fluidifiant à vitesse élevée, vers des moyens de séparation. Les moyens de séparation peuvent exploiter la différence à présent importante entre les tailles et masses des particules respectives des minéraux tendres et durs pour effectuer la séparation. Dans une autre forme générale de l'invention, celle-ci propose un dispositif de morcellement de minéraux de dureté différente présentant une taille inférieure à un 1- tl (environ 38 mm) , ce dispositif comportant des moyens pour créer un écoulement fluidifiant à vitesse élevée, des moyens pour introduire les dits minéraux dans le dit écoulement, le dit écoulement etant contenu par une chambre allongée, et des déflecteurs à llinterieur de la dite chambre, propres à entrer en contact avec le dit écoulement. De préférence, les moyens pour créer l'ecoulement fluidifiant à vitesse élevée comportent des chambres de combustion boulant un carburantsqui expulsent des gaz d'échappement à vitesse et température élevées, comme dans un moteur à réaction. Il est naturellement important qu'il n'y ait pas d'oxygène dans cet écoulement fluidifiant si l'oxydation des particules est indésirable. Les particules sont introduites dans ltécoulement de gaz bru^l qui communique à chaque particule énergie nécessaire pour que, lorsque les particules heurtent les déflecteurs, qui comportent des plaques à revetement mou forment saillie à l'intérieur de la chambre en formant un angle par rapport à 1 t écoalement, les déflec- teurs appliquent aux particules une réaction avec une force d'une intensité suffisante pour produire un choc lui-meme suffisant pour rompre les minéraux plus tendres, pour les dégager de leur prise avec les minéraux plus durs. Les particules qui ont ainsi été séparées sont déviées en retour vers l'écoulement suivant un angle tel qu'aucun contact auquel soient soumises les particules dans llécoulement ne soit d'une intensité suffisante pour briser les particules minérales plus dures. Ce processus de collision avec les déflecteurs est répété le long de la chambre, au~niveau de déflecteurs successifs, Chacun des déflecteurs successifs pénètre davantage à l'intérieur de la chambre que le déflecteur précédent,-- et l'angle et la saillie qu'il òrme- sont tous deux réglables. Une légère incurvation de la chambreaide également à amener L'écoulement en contact avec les déflecteurs. Les parois de la chambre, les déflecteurs et tous les autres composants avec lesquels les particules peuvent entrer en contact pendant leur passage dans la chambre doivent être en un matériau suffisamment mou, tel que l-e caoutchouc ou l'aluminium, pour qu'à aucun moment ne puisse apparaître une énergie de choc suffisante pour briser les particules. Après le dernier déflecteur, la vitesse de ttécoulement et la trajectoire de l'écoulement sont uniformément mddifiées, ce qui permet aux forcfflporteuses appliquées aux particules en fonction de leur masse, e t modifiées par le changement de direction, dlauivriser une éjection des particules vers l'extérieur de l'écoulement. Ceci autorise la séparation. L'invention va à présent être décrite à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé, qui illustre un dispositif de réduction en fins fragments et de séparation, pour morceller des mineraux selon le mode de mise en oeuvre préféré de l'invention. Dans llapplication de cette invention au charbon, on broie le charbon miniersur lui-même dans un broyeur à revêtement intérieur de caoutchouc mou, jusqu'à ce que l'on atteigne une granulométrie inférieure à '2 (environ 38 mm). Le charbon broyé est alors introduit dans le dispositif t de broyage fin et de séparation, via le dispositif d'alimentation à sens unique 2. Le charbon est immédiatement fluidifié par un ecoulement d'air à vitesse élevée 3. L'écoulement gazeux à vitesse élevée comprend les gaz de combustion, exempts d'oxygène, d'un brûleur à gicleur. Comme les gaz ne comportent pas d'oxygène il ne peut y avoir d'oxydation des hydrocarbures. La température des gaz de combustion doit être maintenue juste en dessous de 6000 F (environ 3150C) pour empêcher la vapeur d'eau de réagir avec le carbone du charbon pour donner du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Si la température tombe trop en-dessous de 6000 F (environ 3150C), on n'extrait pas du charbon suffisamment d'humidité, d'azote et d'oxygène. Le débit d'arrivée du charbon dans la chambre 12 à revêtement intérieur mou du dispositif 1 doit être maintenu suffisamment bas pour assurer une intéraction minimale des particules dans I coulement. Les particules de charbon fluidifiées peuvent être amenées à une ?vitesse pouvant aller jusqu'à 5.000 pieds/s (environ 1.524 m/s) par les gaz fluidifiants. La vitesse des gaz fluidifiants doit être variable pour optimiser le système, dans la mesure où la vitesse de particules requise est propre à chaque type de produit à séparer. Une série de déflecteurs 4 à revêtement mou, tous réglables quant à leur orientation et quant à la saillie qu'ils forment à l'intérieur- de la chambre 12, sont disposés le long de la paroi extérieurs d'une zone incurvée 5 du dispositif 1. Ainsi, une partie de ltécoul=ent fluidifié entre en contact avec chacun des déflecteurs successifs 4. Dans le charbon miner, le charbon est le minéral le plus tendre,qui constitue un milieu continu dans lequel sont inclus les autres minéraux plus durs ou les cendres. Ainsi, lorsque chaque particule de charbon frappe un déflecteur 4, le charbon se brise et les cendres éventuelles sont libérées, après un certain nombre. de contacts avec les déflecteurs 4, sous une forme et avec une taille non modifiées. Au bout de la zone réduite ou incurvée 5, un jet de relance accélère les particules broyées vers une zone de séparation 13. C'est ici que les particules de cendressplus grosses, qui migrent vers l'extérieur de la courbe de la section 13, sont captées par des dispositifs collecteurs 7, alors que les particules de charbon plus fines suivent l'écoulement vers la sortie 8 du produit principal, où 11 écoulement est ralenti pour laisser déposer les particules de charbon. Le gaz en excès est évacué à la dérivation 9 avec d'éventuel les particules de granulométrie excessive non éliminéN par le ais- positif de séparation alors que le reste du gaz et -'.es- particules de granulométrie excessive non éliminées par le dispositif de séparation traversent une unité 10 d'extraction d'eau destinée à les sécher avant de les réintroduire au début du cycle. Un jet de relance 11 aide à maintenir llecoulement en mouvement dans le circuit de retour au point d'entrée 3. Le profil transversal préféré de la chambre 12 est un rectangle présentant une hauteur petite par rapport à sa- largeur de telle sorte que 1 t écoulement soit très fin. Un exemple typique de hauteur est de l'ordre de 12 à 6 pouces (environ 38 à 152,4 mm), alors que la largeur peut aller jusqu'à 4 pieds (environ 1,22 m). Par ces moyens , on peut réduire la taille des particules de charbon à des valeurs aussi faibles que 0,1 micron, alors que les particules de cendres nbçquièrent pas une taille inférieure à 5 microns. Toutefois, comme la majorité des particules de cendres présente une taille bien au-delà de 5 microns, -la réduction des particules de charbon à par exemple moins de 20 microns aboutira à réduire la teneur en cendres d'une valeur de 6 à 60 % à une valeur inférieure à 1 %. Des teneurs en cendres de 0,12 % ont été obtenues en mettant en oeuvre cette invention. Les énormes avantages dlun charbon de faible granulométrie présentant un-taux d'humidité et une teneur en cendre réduits, visà-vis du rendement de combustion, sont évidents pour l'Homme de l'Art. L'avantage supplémentaire majeur réside en ce que des charbons secondaires, i faible qualité, autrefois rejetés, peuvent être à présent récupérés de façon économique. REVENDICATIONS t) Procédé de séparation de solides particulaires, caractérisé en ce que-lton applique un choc d'amplitude suffisante pour rompre les liens entre les particules et/ou pour réduire la taille des particules plus tendres mais insuffisante pour reduire la taille des particules plus dures, où les particules sont de ce fait séparées avec un minimum d'usure par frottement entre les particules elles-memes. 2) Procédé de séparation de solides particulaires de dureté diverse par morcellement des solides particulaires, caractérisé en ce que l1on réduit les particules solides plus tendres en particules plus fines par collision avec des moyens de contact présentant une dureté supérieure ou sensiblement supérieure à celle des particules à morce ler mais inférieure à celle des particules plus dures qui ne doivent pas être réduites, et en ce -que 1 t on sépare les particules plus fines des particules plus dures 3) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on réduit d'abord la granulométrie du matériau destiné à être séparé à une valeur inférieure à t 21 (envi- ron 38 mm) avant le dit morcellement, 4) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 7 caracterisé en ce que l'on réduit d'abord la granulométrie du matériau -rnt la granulométrie est destinée a être réduite,à une valeur inférieure à 1/2" (environ 12,7 mm) avant le dit morcellement. 5) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, caractérisé en ce que les solides à traiter sont fluidifiés dans un écoulement gazeux tel que les particules soient suffisamment séparées de facon qu'elles ne puissent- aisément entrer en contact mutuel, en ce que l'on met en contact les dites particules avec des déflecteurs formant saillie à l'intérieur du dit écoulement gazeux, les dits déflecteurs présentant une dureté inférieure à celle des particules plus dures qui ne doivent pas eAtre brisées, et en ce que l'on provoque ensuite le passage des dites particules à travers des moyens de ségrégation par taille, pour séparer les diverses particules selon leur taille et/ou leur poids spécifique. 6) Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on recycle pour un nouveau broyage les particules ayant une gra nulométrie excédant un diamètre pré-déterminéw 7) Dispositif pour le morcellement de minéraux de dureté différente présentant une granulométrie inférieure à 2" (environ 12,7 mm), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour créer un écoulement fluidifiant à vitesse élevée, des .moyens pour introduire les dits minéraux dans le dit écou lement, le dit écoulement étant contenu dans une chambre allongée, des déflecteurs à l'inté- rieur de la dite chambre pour entrer en contact avec le dit écoulement, ou les dits déflecteurs comportent une série de plaques rigides réglables disposées le long d'une paroi de la dite chambre et qui présentent une dureté de surface intermédiaire entre celle des substances àmorce ler et celle des substances plus dures qui ne doivent pas être morce liées 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dits déflecteurs sont situés sur une zone légèrement incurvée de la dite chambre et en ce que chacun des défiecteurs successifs forme à l'intérieur du dit écoulement une saillie lègrement supérieure à celle du déflecteur précédent de telle sorte que différentes zones de ltécoulement entrent en contact avec les dits déflecteurs lors de leur mouvement dans la dite chambre. 9) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qutil comporte dispositif de relance du flux gazeux au-delà des dits déflecteurs, pour injecter du gaz supplémentaire à haute pression dans la dite chambre, dans 1a direction d'écoulement du dit flux gazeux. 10) Dispositif selon- l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que ladite chambre présente une selon transversale rectangulaire. 11) Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la dite section transversale présente une hauteur relativement faible par rapport à sa largueur et en ce que les dits déflect-rs sont situés sur au moins l'une des parois correspondant à la lite hauteur. 12) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce-que la dite çhambre d'écoulement amène le dit flux gazeux, comportant les dites particules qui sont entrées en contact avec les dits déflecteurs, à traverser un dispositif de séparation dessparticules, le dit dispositif étant propre à séparer les dites particules selon leur ranulométrie et leur poids spécifique. 13) Dispositíf~selon la revendication 12, caractérisé en ce que, après ledit dispositif de séparation, la dite chambre recycle au point d'alimentationunitial én matériaux une certaine quantité de ltécoulement gazeux et toute particule de granulométrie trop importante non éliminée par le dispositif de séparation, pour un nouveau cycle dans le dispositif, et ce qu'il comporte des moyens de distraction des gaz pour prélever une quantité déterminée du dit écoulement gazeux et des particules de granulométrie excessive hors de la dite chambre, après le dit dispositif de séparation. 14) Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour ôter l'humidité dans la dite chambre après le dit dispositif de séparation. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 13 et 14, caractérisé en ce qutil comporte en outre des moyens dtinJec- tion de gaz de relance autour de la dite chambre pour maintenir les dits flux gazeux.