Brevet FR2518639A1 — publié le 19830624

La présente invention concerne un procédé de récupération de composés polymétalliques rejetés par une source hydrothermale sous-marine et des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé. De 1977 à 1979, -des sources chaudes et des accumulations de substances précipitées autour de ces sources ont été observées à plusieurs reprises au cours de reconnaissances par submersibles de divers points de la ride du Pacifique est, par des fonds de 2 800 mètres environ. La température de l'eau à la sortie de ces sources varie entre 100 et 350 'C et les produits déposés comprennent, suivant la température, des oxydes de fer ou de manganèse, des sulfates de cal- cium et de baryum, de la silice et des sulfures de métaux de base (Fe, Zn, Cu, Pb, Ag). Les géophysiciens voient dans ces sources la manifestation d'une circulation de l'eau de mer à travers le réseau de fractures des rides océaniques L'eau de mer, en pénétrant au sein des masses rocheuses, s'échaufferait et entraînerait en solution un certain nombre d'éléments plus ou moins bien assimilés lors du refroidissement du magma basaltique. Par convexion les eaux chaudes remonteraient en surface à des vitesses variables suivant l'état de la fracturation. A l'émergence, la diminution plus ou moins brutale de tempé- rature au contact avec l'eau de mer produirait une précipitation frac- tionnée des substances dissoutes Ainsi, les sources à 300 3500 seraient capables de remonter des sulfures, alors que, vers 200 'C, ceux-ci se seraient sans doute déjà déposées au sein de la roche et on n'observerait plus que des sulfates Les eaux à 20 ne ramèneraient que des quantités infimes des matériaux les plus solubles. En conséquence, seules les sources à haute température, actuelles ou fossiles, peuvent présenter un intérêt économique à terme et constituer une source non négligeable de matières premières malgré leur répartition sporadique et leur fonctionnement épisodique. Celui-ci serait d'ailleurs de l'ordre de la dizaine d'années et donc similaire à la durée d'une mine métallique. La présente invention concerne un procédé et des dispositifs utilisables pour récupérer les polysulfures métalliques rejetés par les sources hydrothermales sous-marines à haute température. Une difficulté importante surmontée par la présente invention résulte de la dilution rapide du fluide hydrothermal à sa sortie de la source. A une hauteur de 2 mètres au dessus de la source, la concen- tration en particules du fluide hydrothermal est déjà divisée par un facteur supérieur à 10. L'invention résoud en particulier ce problème en fournissant un procédé de récupération de composés polymétalliques rejetés par une source hydrothermale sous-marine, caractérisé en ce qu'on prélève- au voisinage immédiat de cette source pendant les périodes d'activité de celle-ci un débit sensiblement constant du fluide hydrothermal sortant de la source et on concentre les composés polymétalliques dans le fluide ainsi prélevé afin de faire remonter en surface un fluide enrichi en composés polymétalliques. L'enrichissement en composéspolymétalliques du fluide prélevé pourra être favorisé en lui ajoutant des agents de précipitation de ces composés. Suivant une caractéristique du procédé selon l'invention, on réalise la production d'énergie au voisinage de la source hydrothermale en actionnant au moins une turbine par un fluide auxiliaire que l'on fait s'écouler en circuit fermé en prélevant de l'énergie thermique au fluide hydrothermal, et on utilise une partie au moins de l'énergie développée par cette turbine pour faire remonter en surface le fluide enrichi en composés polymétalliques. 18639 Des exemples de réalisation de l'invention sont illustrés par les dessins annexés o: la figure 1 montre une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'inven- tion en cours de mise en place sur une source hydrothermale sous- marine, la figure 2 est une vue en coupe schématique de la partie inférieure de ce dispositif, mis en place sur la bouche de la source hydrother- male, là figure 3 est une vue de détail du dispositif de la figure 2, la figure 4 illustre une variante de réalisation des moyens de régu- lation du débit de fluide hydrothermal, et les figures 5 et 6 illustrent schématiquement des moyens de sépara- tion des composés polymétalliques par centrifugation. Sur les figures, la référence 1 désigne une installation de surface, avantageusement constituée d'un support à positionnement dyna- mique Dans ce qui suit, on a considéré, à titre d'exemple seulement, que le support 1 est un navire La référence 2 désigne la conduite de remontée du fluide enrichi en composés polymétalliques. Cette-conduite de remontée, ou tout au moins sa partie supé- ri eure, pourra être une conduite flexible résistant aux efforts longi- tudinaux et à l'écrasement, telle que décrite par exemple dans le brevet US 3 858 616 Des moyens-supports pouvant comporter une tour métallique la permettent de soutenir dans l'eau la conduite depuis le navire 1. A sa partie supérieure, la conduite flexible passe sur une poulie de renvoi disposée dans la tour métallique et de là, sur des moyens de manoeuvre et de stockage (non représentés) pouvant comporter- un organe d'entraînement à chaînes sans fin munies de patins de serrage de la conduite et/ou un touret de stockage Ce touret comportera, de façon connue, un fût ou moyeu comportant à l'une de ses extrémités un joint hydraulique tournant par lequel peut s'écouler le fluide remon- tant par la conduite 2 Un système compensateur des mouvements verticaux ou de pilonnement du navire 1, résultant de l'action de la houle, sera interposé entre la poulie de renvoi et la tour supportant celle-ci. 18639 * 4 Ce système (non représenté) sera, par exempledu type décrit dans le brevet US 3 285 574. A sa partie inférieure, le dispositif comporte un organe collecteur 3 en forme de cloche, muni d'une jupe souple 4, par exemple en caoutchouc, permettant à cet organe de venir coiffer de façon sensi- blement étanche la source hydrothermale 5 La référence 6-dàsigne le jet de fluide hydrothermal s'échappant de -cette source La figure 1 montre la descente de l'organe collecteur 3 et la figure 2 illustre la position de travail. L'organe collecteur 3 est surmonté d'une unité 7 d'enrichis- sement ou de concentration des composés polymétalliques ayant une forme' tronconique s'évasant vers le haut, à laquelle il est relié par l'in- termédiaire d'une rotule 8. Cet agencement permet de positionner correctement l'embase du dispositif sur des fonds marins relativement en pente. La jupe souple 4 peut se déformer sous l'effet de la pression et assurer une bonne étanchéité de l'embase. Entre la rotule 8 et l'unité d'enrichissement 7, est disposé un ensemble 9 de régulation du débit de fluide hydrothermal alimentant l'unité d'enrichissement 7. Les moyens de régulation comprennent un conduit axial 10 débouchant en 11 dans l'eau environnante au-dessus de l'unité 7 et qui comporte à sa partie inférieure un pointeau-régulateur 12. Le pointeau 12 est fixé à l'extrémité inférieure d'une tige 13 et un ensemble de plaques annulaires 14 disposées dans l'espace annulaire 15 entourant la partie inférieure du conduit 10 permet d'exercer sur le pointeau 12 une force dirigée de bas en haut d'inten- sité croissant avec le débit de fluide hydrothermal. 18639 Dans ces conditions, il y a soulèvement progressif du pointeau qui laisse s'échapper par l'orifice 11 le fluide en excès pour ne laisser passer qu'un débit sensiblement constant vers l'unité 7 par l'intermédiaire de l'espace annulaire (écoulement indiqué par des flèches F sur les figures 2 et 3). Dans le mode de réalisation illustré par la figure 3, la tige 13 est fixée par des bras radiaux 13 a au X plaques annulaires 14 et deux soufflets 16 et 17 placés aux deux extrémités de la portion l Oa du conduit axial 10 permettent un déplacement vertical limité de l'ensemble formé par le pointeau et cette p'ortion de conduite par rapport au siège du pointeau l Ob qui est-rendu solidaire de l Tembase du dispositif par l'intermédiaire d'entretoises 18. Dans la variante illustrée schématiquement par la figure 4 la tige 13 est montée coulissante dans la portion inférieure du conduit axial 10 et le pointeau 12 est réuni par une tige 19 à un-entre- toisement 19 a entourant la partie inférieure 10 a du conduit axial'10. Les plaques annulaires 14 sont ici fixées à l'entretoisement 19 a, les rayons interne R 1 et externe R 2 de ces plaques étant choisis tels que R O cette portion l Oa l'espace annulaire par lequel s'écoule le débit sen- siblement constant de fluide hydrothermal F alimentant l'unité d'enri- chissement 7. L'excédent de fluide s'écoule suivant les flèches E autour du pointeau 12 soulevé par la poussée ascensionnelle s'exerçant sur les plaques annulaires 14. Cet agencement permet de capter le fluide hydrothermal immédiatement au niveau de la bouche 5 et évite toute interaction avec l'eau de mer, afin de préserver la concentration initiale en - sulfures métalliques. 18639 Afin de favoriser la précipitation des composés métalliques recueillis dans l'unité d'enrichissement ou de concentration 7, on ajoutera avantageusement au fluide remontant dans l'espace annulaire qui entoure la partie inférieure i Qa du conduit 10 un ou plusieurs agents de précipitation agissant sur le p H de ce fluide. On utilisera, parexemple, un ou plusieurs réservoirs conte- nant une solution aqueuse de soude 20 L'écoulement de ce produit-par des conduits 21 pourra être automatiquemhent commandé en créant une différence de pression dans l'écoulement du fluide hydrothérmal par une grille qui provoque une perte de charge L'injection est obtenue en raccordant par des conduits 23 les réservoirs 20 Oen amont de la grille 22 o règne une pression supérieure à la pression aval. Lors de la mise en place du dispositif on pourra avantageu- sement obturer les conduits 23 par une membrane en caoutchouc qui sera' détruite en service au contact du fluide chaud. Dans l'exemple-de réalisation illustré par la figure 2, l'unité d'enrichissement ou de concentration 7 comporte un ensemble de plaques de décantation tronconiquescoaxiales 24 s'évasant vers le haut et espacées les unes des autres ' La partie supérieure évasée dudit ensemble de plaques s'ouvre dans un bac de collecte 25 muni à sa partie supérieure d'un ou plusieurs orifices d'échappement ou de débordement 26 qui communiquent avec l'eau environnante. Le fluide hydrothermal remonte lentement à débit sensiblement constant dans les espaces annulaires séparant les plaques de décantation 24, o se produit une floculation accélérée Un fluide enrichi en polysulfures métalliques est déversé par le bord supérieur des plaques 24 dans le bac de collecte 25 d'o il est aspiré à travers un ou plusieurs conduits 27 par un groupe moto-pompe-28. 18639 Ce groupe moto-pompe 28 est logé dans un caisson 29 situé au-dessus de l'unité de concentration 7 et relié à celle-ci par des entretoises 30 (Fig 1). Le groupe moto-pompe 28 est alimenté en énergie par-un système de production d'énergie également logé dans le caisson 29 et qui sera décrit ci-dessous. Le fluide enrichi en polysulfures métalliquesaspiré par le groupe motopompe 28 est refoulé dans une colonne tubulaire métallique 2 a surmontant le caisson 29, cette colonne étant elle-même reliée à la conduite flexible 2. L'utilisation d'une colonne tubulaire métallique 2 a à la sortie du caisson 29 s'explique par la température encore élevée du fluide hydrothermal à ce niveau, qui risquerait d'endommager l'âme en matière plastique de la conduite flexible armée 2. Le caisson étanche 29 renferme un système immergé de produc- tion d'énergie comprenant au moins une turbine 31 Cette turbine est actionnée par un fluide auxiliaire (tel que de l'eau) s'écoulant en circuit-fermé en prélevant de l'énergie thermique au fluide s'échappant de la source hydrothermale 5 (le fluide hydrothermal ne peut être directement utilisé pour actionner la turbine 31 car il est trop agressif) . On fait décrire à l'eau constituant le fluide auxiliaire un cycle de Hirn. La sortie de la turbine est connectée à un premier conduit hélicoïdal d'échangethermique 32 enroulé autour de l'unité d'enrichis- sement 7 et constituant un condenseur. L'eau condensée est reprise par un groupe moto-pompe 33 qui alimente un second conduit hélicoïdal d'échange thermique 34, Ce dernier 18639 échangeur thermique est logé dans le conduit axial 10 traversant l'unité 7, c'est-à-dire qu'il est au contact de l'eau à haute tempé- rature et sert à produire la vapeur d'eau qui alimente la turbine 31. Cette turbine entraîne une génératrice électrique qui fournit l'énergie aux deux groupes moto-pompes 28 et 33. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en remplaçant la génératrice 35 par une centrale hydraulique alimentant des pompes 28 et 33 entraînées hydrauliquement. Il sera possible de réaliser l'enrichissement ou concentration en polysulfures métalliques dans l'unité 7 par d'autres moyens que la - décantation. On pourra, par exemple, effectuer cette concentration par centrifugation. Les figures 5 et 6 représentent schématiquement deux types d'or- ganes de centrifugation permettant de concentrer les polysulfures métal- liques, que l'on peut substituer à l'organe de décantation-illustré par la figure 2. Dans le mode de réalisation de la figure 5, une force centri- fuge est-communiquée aux particules métalliques par rotation de la masse liquide pénétrant dans l'unité d'enrichissement 7 La rotation de cette masse liquide autour du conduit axial 10 est produite par des ailettes- 36 dont le profil extérieur est adapté à celui de la paroi de l'unité 7 et ayant une forme légèrement hélicoîdale, de façon à vaincre les forces de frottement du fluide sur ces ailettes. Ces ailettes 36 sont entraînées par un ensemble constitué d'un moteur hydraulique ou électrique 37 et de pignons 38 La rotation de la masse liquide réalise une concentration des particules à la périphérie de l'écoulement, puis dans la cuve 25 o elles sont reprises par les conduits d'aspiration 27. 18639 Une plaque annulaire 39, solidaire de la cuve 25 permet de n'aspirer que la portion de liquide enrichi située à la périphérie de l'unité d'enrichissement 7. Dans le mode de réalisation de la figure 6, l'organe de cen- trifugation constituant l'unité d'enrichissement 7 est un organe passif du type cyclone. La vitesse de rotation est imprimée au fluide par une rampe hélicoïdale 40 entourant le conduit axial 10, qui transforme la vitesse ascensionnelle verticale du fluide en une vitesse tangentielle à la paroi de l'unité d'enrichissement 7 Ce mouvement tour- billonnaire a pour effet de concentrer les particules à l'extérieur du tourbillon, le long de la paroi de l'unité d'enrichissement 7 Le fluide enrichi est déversé par un rebord 41 de l'unité 7 jusqu'au fond du bac 25, d'o ce fluide enrichi est repris par les conduits d'aspilca- tion 27. Il sera bien entendu possible d'apporter un certain nombre de modifications aux exemples de réalisation décrits ci-dessus, sans- pour autant sortir du cadre de la présente invention. Parexemple, la précipitation des composés polymétalliques à l'entrée de l'unité d'enrichissement 7 pourra être réalisée ou favorisée par un abaissement brutal et important de la température du fluide, au moyen d'un organe de refroidissement qui peut, par exemple, être le deuxième conduit hélicoïdal 34 descendu jusqu'au niveau d'entrée de l'unité d'enrichissement 7. REVENDICATIONS 1 Procédé de récupération de composés polymétalliques rejetés par une source hydrothermalesous-marine, caractérisé en ce qu'on prélève au voisinage immédiat de cette source pendant les périodes d'activité de celle-ci un débit sensiblement constant du fluide hydrothermal sortant de la source et on concentre les composés polymétalliques dans le fluide ainsi prélevé afin de faire remonter en surface un fluide enrichi en composés polymétalliques. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on favorise l'enrichissement du fluide prélevé en lui ajoutant des À 10 agents de précipitation de ces composés polymétalliques. 3 Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on réalise la production d'énergie au voisinage de la source hydrothermale en actionnant au moins une turbine par un fluide auxiliaire que l'on fait s'écouler en circuit fermé en prélevant de l'énergie thermique au fluide hydrothermal, et on utilise une partie au moins de l'énergie développée par cette turbine pour faire remonter en surface le fluide enrichi en composés polymétalliques. 4 Dispositif utilisable pour la récupération des composés poly- métalliques rejetés par une source hydrothermale sous-marine, carac- térisé en ce qu'il comporte un organe collecteur adapté à coiffer la source hydrothermale, cet organe collecteur étant surmonté d'une unité d'enrichissement du fluide hydrothermal en composés polymétalliques, ladite unité d'enrichissement étant reliée à une conduite de remontée du fluide hydrothermal enrichi ' 5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit organe collecteur est relié à ladite unité d'enrichissement par l'in- termédiaire d'une rotule. 6 Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de régulation du débit de fluide hydrothermal alimentant ladite unité d'evrichissement. 7 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un système immergé de production d'énergie comportant au moins une turbine actionnée par un fluide auxiliaire qui s'écoule en circuit fermé en prélevant de l'énergie thermique au fluide s'échappant de la source hydrothermale, ladite turbine entraînant des moyens de refoulement du fluide hydrothermal enrichi vers laditeconduite de remontée. 8 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que ladite unité d'enrichissement comporte au moins un organe de séparation tronconique s'évasant vers le haut. 9 Dispositif selon la revendication 8-, caractérisé en ce que ledit organe de séparation tronconique est traversé par un conduit axial en communication avec l'eau environnante à sa partie supérieure et muni à sa base d'un pointeau régulateur de l'excédent de débit du fluide hydrothermal, cet excédent de débit s'échappant par ledit conduit Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que ladite turbine est logée dans un caisson situé au-dessus dudit organe de séparation et connecté à ladite conduite de remontée, et en ce que ledit circuit fermé du fluide auxiliaire comporte un premier conduit hélicoïdal d'échange thermique qui entoure ledit organe de séparation,, et un second conduit hélicoïdal d'échange thermique, ce second conduit étant logé à l'intérieur dudit conduit axial de l'organe de séparation. 11 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que ladite unité d'enrichissement comporte des moyens d'injection d'agents de précipitation de sels polymétalliques. 12 Dispositif selon l'une des revendications 4 à ll, caractérisé en ce que ladite unité d'enrichissement comporte des moyens de sépa- ration par centrifugation. 13 Dispositif selon les revendications 4 à ll, caractréris en ce que ladite unité d'enrichissement comporte un ensemble de plaques de décan- tation tronconiques coaxiales s'évasant vers le haut et espaces les unes des autres, la partie inférieure dudit ensemble étanmt relide audit organe collecteur et munie de moyens d'alimentation en fluide hydro- thermal à débit sensiblement constant, la partie supérieure vwasée dudit ensemble de plaques s'ouvrant dans un bac de collecte mmi d"amu-moins un orifice d'échappement qui communique avec l'eau environmante, au moins un conduit reliant le fond dudit bac de collecte à laditte con- duite de remontée du fluide hydrothermal enrichi. 14 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les- dits moyens d'injection d'agents de précipitation comportent un crgane actionné par une pression différentielle s'établissant de part et d'autre d'une grille traversée par l'écoulement de fluide hydrothermal alimentant ladite unité d'enrichissement. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à partir d'une installation maintenue ancrée au-dessus de la source hydrothermale et comportant mn compen- sateur de houle auquel le dispositif est suspendu. 16 Dispositif selon l'une des revendications 4 à 15,,caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de refroidissement de lécoulemment du fluide prélevé, disposés à l'entrée de l'unité d'enrichis:sement - 17 Dispositif selon les revendications 10 et 16, caractérisé en ce que lesdits moyens de refroidissement comprennent ledit second conduit hélicoïdal.