Brevet FR2575489A1 — publié le 19860704

La présente invention se rapporte à la préparation de suspension aqueuses de combustibles solides à haute teneur en solides par la réalisation de la distribution granulométrique optimale. L'usage du charbon comme source énergétique industrielle s'était consi- dérablement retréci avec le developpement des produits pétroliers peu chers. Le retour a cette source d'énergie largement disponible dans le monde est apparu comme la solution pour la survie de l'activité au-délà des chocs pétroliers et à plus ou moins long terme de l'épuisement des sources pétrolières de faible prix. Ce retour du charbon et plus généralement des combustibles solides, restait handicapé par les difficultés de manutention et de mise en oeuvre de cette matière peu propice en l'état à des solutions modernes simples fiables, automatisables dans de bonnes conditions de sécurité et avec peu d'impact sur l'environnement. L'une des voies les plus adaptées à l'utilisation du charbon sous une forme de présentation moderne est représentée par les mélanges charboneau à haute teneur en solides, mais utilisés de par leur présentation liquide comme des produits pétroliers. Les recherches nombreuses menées ces dernières années dans ce domaine ont montré que l'une des conditions devant être réunies pour obtenir des tels mélanges est une bonne distribution granulométrique de parti- cules solides. La distribution optimale doit avoir pour conséquence de remplir aussi complètement que possible des vides granulométriques laissés par une tranche granulométrique donnée par des grains de dimen- sion plus petite. En effet, la courbe de distribution granulométrique de particules ré- sultant d'un broyage réalisé à l'aide d'un broyeur est une courbe en cloche dans laquelle la majeure partie des matières'broyées'seretrouve autour moyenne. de la baille Lorsqu'on mélange deux constituants chacun issu d'un broyeur à caractéristiques particulières, la courbe de répartition granulométrique présente deux pics et constitue une courbe appelée bimodale. De tels procédés ne permettent pas de satisfaire parfaitement à la condition sus-mentionnée. Les travaux dont les résultats ont fait l'objet du'brevet américain n 4 282 006 ont montré que la distribution optimale peut être constituée par un mélange de particules de taille inférieure à 1180 pm contenant au moins 5% en poids de particules inférieures à 3 pm, dont la répartition granulométrique est conforme à la formule d'Alfred selon l'équation: D. Dn Tamisat % = Mi s DLn Ds n dans laquelle DMi est la taille médiane de la tranche granulométrique considérée en Mm, Ds la taille des plus petites particules en um, DL la taille des plus grosses particules, n un exposant dont la valeur varie de 0,2 à 1,0. La courbe de répartition granulométrique suivant cette formule est une courbe exponentielle aux valeurs croissantes avec la grosseur de parti- cules ne présentant pas de pics ou pas de pics prononcés. Selon les méthodes connues pour l'obtention de telles mélanges, on peut la mélanger plusieurs constituants provenant chacun d'un mode de broyage différent, quelquefois en procédant à l'écrètement de certaines fractions. Une telle méthode conduit forcément à l'élimination et retraitement en plusieurs étapes de certaines fractions et ne parait pas économique. Une autre méthode consiste à procéder en une seule étape à un broyage àhaute densité grâce au prélèvement d'échantillons périodique pour contrôler la conformité de leur répartition granulométrique à celle de la courbe d'Alfred. Cette méthode présente l'inconvénient d'une forte consommation énergétique, car la comminution n'est pas réalisée suivant la loi de réduction classique et une part importante d'énergie fournie est dissipée en chaleur. Bien que proche de la courbe idéale, la distribution demande cependant à être corrigée du côté des gros par élimination des particules supérieures à 200 um par exemple et du côté des fins par adjonction de particules très fines obtenues séparément à l'aide d'un autre moyen de broyage. Par ailleurs, il est impossible selon ce procédé de lui adjoindre une technique de décendrage sans diluer la suspension, auquel cas le bénéfice initial d'opération en une seule étape est perdu. La présente invention a pour objet un procédé de préparation de suspen- sions à teneur élevée en solides suivant la répartition granulométrique selon l'équation d'Alfred et repose sur l'emploi d'hydrocyclones en tant que moyen de classification. Comme pour tous les moyens de-classification, un hydrocyclone est carac- térisé par sa tranche de coupure affectée d'un coefficient de partage in- diquant le pourcentage de cette tranche s'écOulant par la sousverse. Par exemple, un hydrocyclone désigné par d90 dont.. la tranche.de coupure est de 70 pm opère une séparation dans laquelle.90% de la tranche d'environ 90 Im s'écoule en sousverse et 10 % de la même tranche en surverse. Tandis qu'un tamis réalise des tranches franches, les hydrocyclones *; -:. _. c X i.. ir,Zsuii-atic qu'ils optrent et c6e e c;es imperfections quo-' tire profit dans le cadre de la présente fnvce% pour constituer une distribution idéale avec un minimum de depe-ss d'énergie et la plus grande simplicité et efficacité. Le procddé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on alimente un hydrocyclone en particules broye.s dont la taille de particules les plus grosses est inférieure à X lma X étant au plus égal à 1180 Mm, ledit hydro- cyclone opérant une séparation dans.laquelle 90% de la tranche de coupure variant entre 1/4 et 1/2 de X s'écoule en sousverse et 10% de la même tranche en surverse, la surverse alimentant un deuxième hydrocyclone ayant les mêmes caractéristiques de coupe que le.premier, la surverse du second hydrocyclone étant réunie avec la sousverse du premier et formant un consti- tuant du mélange final, la sousverse du second hydrocyclone étant broyée dans un broyeur fin en un mélange de particules dont la taille pour 80% du mélange mesure entre 1/10 et 1/20 de X et qui forme un autre constituant du mélange final, les deux cornstituants étant versés dans un bac de mélange dans lequel la teneur en solides est d'au moins 45%. Une des caractéristiques importantes du procédé selon l'invention repose sur l'utilisation de moyens de'comminution tels qu'ils correspondent à la fabrication des tranches granelométriques recherchés dans les meilleures conditions d'efficacité, tandis que les tranches granulométriques non rete- nues dans une étape donnée sont retraitées dans l'étape suivante pour produire une nouvelle tranche granulométrique suivant les besoins de la distribution granulométrique du produit final. Ainsi, selon un mode deréalisation préféré, le combustible brut est broyé d'abord dans un broyeur du type de broyeur à barres produisant des grains relativement grossiers qui, criblés sur un crible laissent des passants constituant la fraction relativement grossière du produit final et des refus qui sont soumis à un broyage plus-fin dans un broyeur du type à boulets dont les produits de broyage criblés laissent des passants des- tinés à constituer les tranches moyennes et fines du produit final, ladite fraction passante alimentant le premier, puis le deuxième hydrocyclone. Les refus du premier broyage du type de broyeur à barres circulent en circuit fermé entre le broyeur; du type à boulets et un crible de mêmes caractéristiques que le crible utilisé pour cribler le produit issu du premier broyeur du type à barres. Les passants résultant du criblage de produits du premier broyage peuvent soit être versés directement dans le bac de mélange en tant que consti- tuant final, soit alimenter le premier, puis le deuxième hydrocyclone ensemble avec les passants résultant du criblage de produits issus du ?7548 9 deuxième broyeur du 'type b oulets. La sousverse du second hydrocyclone est broyée en particules ultra- fines dans un broyeur à attrition. Le produit issu du broyeur à boulets est caractérisé par une distribu- tion unimodale centrée sur les dimensions correspondant aux tranches moyennes du produit final. Cependant, la proportion de ces tranches dépasse largement les besoins. C'est le jeu combiné des hydrocyclones qui permet d'ajuster l'extraction de ces tranches en fonction du besoin tout en écrétant les tranches moyennes surabondantes qui sont évacuées au niveau de la sousverse du deuxième hydrocyclone. Le rebroyage fin de cet excès dans le broyeur attriteur permet finalement de produire le complément de fines nécessaire à la distribution finale. Selon un mode de réalisation convenant particulièrement au traitement du charbon, le charbon brut doit avoir une granulométrie de 0 à 15 mm. Le broyage réduisant le charbon à cette granulométrie peut être opéré par des moyens variés s'apparentant au broyage au.moyen d'un broyeur à barres. il peut résulter d'un traitement antérieur ou s'effectuer dans le cadre de l'installation de production de la granulométrie désirée -selon l'invention dans laquelle il précède le groupe des hydro- cyclones. Dans ce dernier cas, le combustible brut en particules de O à 15 mm est broyé dans un broyeur à barres dans l'eau, le produit de broyage est trié sur un tamis dont l'ouverture de mailles est de pm, les refus du tamis alimentant un broyeur à boulets dans l'eau, le produit de ce dernier broyage est tamisé sur un tamis dont l'ouver- ture de mailles est de 200 pm et les refus recirculés en circuit fermé vers le broyeur à boulets, les fractions passantes des deux tamis alimentent un premier, puis un deuxième hydrocyclone. Le crible dans ce cas est commun pour les produits issus des broyeurs à barres et à boulets, la récupération des particules grosses étant confiée au premier hydrocyclone, dans la sousverse duquel ces grosses sont évacués ensemble avec les particules grosses résultant du broyage au moyen du broyeur à boulets. En variante, le produit du premier broyeur à barres est classifié en deux fractions dont chacune constitue 45 à 55% du produit broyé, la fraction passante est directement versée dans le bac de mélange final en tant que constituant définitif, tandis que les refus sont soumis au broyage dans le broyeur à boulets pour être réduits inté- - gralement à la granulométrie imposé par la dimension des ouvertures du crible, et le produit classifié sur un tamis dont les passants alimentent un premier, puis un deuxième hydrocyclone. Sreto aif mnods de réalisatioa particulier, le premier hydrocyclone opère une séparation dans laquelle 90% de la tranche de coupe de 70 Mm s'écoule en sousverse et 10 % de cette même tranche s'écoulant en surverse de ce premier hydrocyclone alimentent le deuxième hydrocyclone opérant une séparation dans laquelle 90% de la tranche de coupe de 70 pm s'écoule en sousverse pour alimenter un broyeur attriteur dans lequel les solides sont broyés à la taille maximum de 15 Mm, tandis que le produit de sousverse du premier hydrocyclone est réuni avec le produit de surverse du second hydrocyclone pour être mélangé dans le bac de mélange final avec le pro- lO duit sortant du broyeur attriteur. D'autres particularités de l'invention apparaitront à la lumière de la description d'un mode de réalisation du procédé présenté à titre d'exemple non limitatif à l'aide de dessin, dont la figure 1 présente un schéma du procédé la figure 2 un diagramme de répartition granulométrique du mélange final, et le tableau 1 présentant la répartition des poids relatifs des tranches granulomriétriques. L'invention est illustrée par un procédé appliqué à un charbon bitumineux américain du type Freeport. Ce charbon brut broyé à une granulométrie de 0 à 15 mm alimente un broyeur à barres Bl en présence d'eau produisant des grains relativement grossiers dont 80% mesure moins de 800 pmm Le produit broyé est conduit par 1 sur un crible C constitué par une toile tissée passant environ 54% du produit broyé de granulométrie inférieure à 200 pm. Cette fraction est totalement récupérée sans traitement ulté- rieur pour constituer la fraction grossière du produit final. Le refus de criblage est ensuite utilisé pour constituer les tranches moyennes et fines du produit final. A cette fin, ce refus est d'abord ramené intégralement à une dimension inférieure à 200 Mm grâce à un broyeur à boulets B2 en présence d'eau, le produit traité circulant au moyen de la conduite 2 en circuit fermé entre le broyeur B2 et le crible C. Le crible C est commun aux broyeurs B1 et B2. Le produit issu du broyeur B2 est caractérisé par une distribution unimodale centrée sur les dimensions correspondant aux tranches moyennes du produit final. Cependant, la proportion de ces tranches dépasse largement les besoins. C'est le jeu combiné des hydrocyclones HC1 et HC2 qui permet d'ajuster l'extraction de ces tranches en fonction du besoin, tout en écrétant les tranches moyennes surabondantes qui sont évacuées au niveau de la sousverse de l'hydrocyclone HC2. L'ensemble des passants du crible C alimentd'3ydrocyclone HC1, dont la tranche de coupe est de 70 pm et le coefficient de partage 90%. Des fines passent en sousverse 4 en quantité décroissante avec leur granulo- métrie. Les grosses passent dans la surverse 5 en quantité décroissante pour des tranches de granulométrie décroissante. Ceci est mis à profit pour séparer par la surverse certaines tranches qui seraient surabon- dantes dans la composition granulométrique finale selon les besoins de la courbe idéale. C'est le but du second hydrocyclone HC2 de mêmes caractéristiques de coupe que le premier et alimenté par la surverse 5 de récupérer en sousverse 6 ces gros surabondants pour leur faire subir par la suite un broyage fin dans le broyeur B3 travaillant par attrition. Comme les fines ne sont pas en excès par rapport à la composition finale, elles sont récu- pérées par la sousverse 4 du premier hydrocyclone HC1 et, finalement, dans la surverse 7 du second hydrocyclone HC2. Les deux courants 4 et 7 sont réunis en 8, essorés dans un filtre à tambour F1 et versés dans un bac de mélange définitif M en tant que constituant définitif du mélange. L'excès de grosses récupéré en 6 dans la sousverse du premier hydrocyc- lone HC1 alimentent par 6 un filtre à tambour F2, puis sont rebroyés en ultra-fines dont 80% mesure au plus 15 pm dans le broyeur attriteur B3 et le produit broyé est versé au moyen de la conduite 9 dans le bac de mélange M, dans lequel on ajuste la teneur en eau pour réaliser une suspension de 50% ou plus de solides. A plusieurs endroit du parcours on peut introduire des étapes de décen- drage DC. Cet exemple de réalisation illustre l'application de la formule d'Alfred pour les valeurs suivantes: QL = 200 pm, Ds = 0,2 pm, n = 0,37, aux- quelles correspondent le tableau 1 des diverses distributions granulo- métriques intermédiaires et finale, ainsi que. le diagramme montrant en pourcentage en poids les diverses tranches granulométriques consti- tuant le mélange final. La provenance des fractions de ces tranches est indiquée de la façon suivante: rayures ascendantes: les passants sur crible C en provenance direct du broyeur à barres B1 rayures descendantes: les passants sur le crible C en provenance du broyeur à boulets B2 marques rondes: les fines récupérées dans la surverse 7 du second hydro- cyclone HC2 les croix: les grosses des surverses des hydrocyclones HC1 et HC2 ii:. e blanc le i.-a:f.::.!i - pI oVeîIa; ce di b er B3o Le rÈ i. at montre une hnnne;oncordance avec la courbe optimale théo- z;-glIages dans le c-s d'une installation industrielle permettent d'ajus:: ls techiiqules aux vtriations de l'alimentation et de parfaire - 5 la distribution granulomftriqie en particulier grâce à l'ajustement des ensembles broyeur-tamis et des caractéristiques de fonctionnement des hydrocyclones, telles que e. pression de service et les ouvertures des buses de sortie. Le présent procédé est applicable à tous les combustibles susceptibles d'être réduits en particules fines par des moyens conventionnels de comminution, tels que charbons, lignites, cokes de houille, de pétrole, asphaltes durs etc. Le mélange final peut être conditionné dans un bac à agitation o sont introduits les réactifs de fluidité et de stabilité, ainsi qu'un éventuel apport d'eau pour constituer le mélange fluide prêt au transport et utilisation, Les additifs employés sont ceux adaptés au produit solide de base. Ce mélange peut être également réalisé dans un broyeur à boulets finisseur fonctionnant à haute densité en solides. Lorsque la teneur en eau du produit final issu du procédé dépasse les limites fixées, la concentration est ajustée en procédant dans le broyeur par attrition à un broyage à haute densité en solides qui permet d'ajus- ter la granulométrie à la granulométrie optimale du produit global, mais qui nécessite à ce point l'adjonction d'un surfactant pouvant aller jusqu' à 1 % en poids du produit solide. Le procédé selon l'invention ne postule aucune condition particulière en ce qui concerne l'eau du procédé. La seule condition à respecter con- cerne la réalisation d'un mélange fluide et sa compatibilité avec les additifs. En cas de nécessité et au cours de la filtration on peut opé- rer un lavage à l'eau claire pour corriger la salinité et pour évacuer des produits présents initialement, tels que des réactifs de flottation. De nombreuses variantes à la portée de l'homme de l'art peuvent être apportées lors de la réalisation du procédé selon l'invention, qui est essentiellement caractérisé par une succession des étapes de comminution et de classification conduisant à ramener la totalité du produit initial à la distribution granulométrique désirée sans excédents ni apports, l'ajustement des constituants granulométriques ne s'effectuant que par des réglages des moyens mis en oeuvre. oo0 Répartition des poids relatifs en % des tranches granulométriques (en Pm) au cours du procédé de préparation tr suivant l'exemple illustré par le schéma pour un charbon bitumineux américain. Tra nches. E m L r. _ Distribution Distribution des J:': :-- - - de référencfréquences cumulées de réfrenCcumle gra uiolé- i t u O selon Alfre cdu triques tn,m= M." o o _..1 (n.. _- triq..uLn -res4-3 0 selon selon 0 î,m. Il U E procédé Alfred 400,800 14 _ _ _ _ -400 32 -.. _ _. -200 19 19 3,7 22,7 22,5 0,2 0,2 - 22,5 - 22,5 25 100 100 -100 15 15 8,3 23,3 18,4 4,9 3,9 1,0 19,4 19,4 19,6 77,5 75 -50 9 9 12 21 8,4 12,6 5 7,6 16 - 16 15 58,1 55,4 12,5;-25 6 6 9,2 '15,2.2,3 12,9 1,9 11 13,3 0,7 14 11,6 42,1 40,4 6,2-1235.2 2 5,5 7,5 0,7 6,8 0,6 6,2 6,9 2,7 9,6 9,1 28,1 28,8 3,s1-622. 2 3,2 5,2 0,4 4,8 0,4 4,4 4,8. 2,5 7,4 7,0 18,5 19,7 1,6-3,1 1 1 1,4 2,4 0,2 2,2 0,2 2 2,2 2,2 4,4 5,3 11,1 12,7 0,8-1,6 - - ns 0,9 0,1 0,8 0,1 0,7 0,8 1,7 2,5 4,3 6,7 7,4 -08 -. - 1,8 1,8 0,2 1,6 0,1 1,5 1,7 2,5 4,2 3,1 4,2,1 !_.,TABLEAU 1, TABLEAU 1 REVE)DCAf^'ITONSc ?, ?roid de preparation de suspensions aqueuses decombustibles à haute teneur ne solides et contenant des particules de baile inférieure à 1180 mim etî au moins 5% en poids de particules inférieures à 3 p, dont la répara tition granulom6ltrique est conforme à la formule d'Alfred selon l'équation: D n D n c Tamisat%= P ' DLn n dans laquelle Dpi est la taille médiane de la tranche granulométrique considérée en pm, Ds la taille des plus petites particules en pm, DL la taille des plus grosses particules, n un exposant dont la valeur varie de 0,2 à 1,0, caractérisé en ce qu'on alimente un hdrocyclone en 0 particules broyées dont la taille de particules les plus grosses est inférieure à X im, X étant au plus égal à 1180 pm, ledit hydrocyclone opérant une séparation dans laquelle 90% de la tranche de coupure variant entre 1/4 et 1/2 de X s'écoule en sousverse et 10% de la même tranche en surverse, la surverse alimentant un deuxième hydrocyclone ayant les mnmes caractéristiques de coupe que le premier, la surverse du second hydrocyclone étant réunie avec la sousverse du premier et formant un premier constituant du mélange final, la sousverse du second hydrocyc- lone étant broyée dans un broyeur fin en un mélange de particules dont la taille pour 80% mesure entre 1/10 et 1/20 de X et qui forme un deuxième constituant du mélange final, les deux constituantsétant versés dans un bac de mélange dans lequel la teneur en solide est au moins de 45%. 2o Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce quele combustible brut est broyé d'abord dans un broyeur du type de broyeur à barres produisant des grains relativement grossiers qui, criblés sur un crible laissentdes passants constituant la fraction relativement grossière du produit final et des refus qui sont soumis à un broyage plus fin dans un broyeur du type à boulets dont les produits de broyage criblés laissent des passants des- tinés à constituer les tranches moyennes et fines du produit final, ladite fraction passante alimentant le premier, puis le deuxième hydrocyclone. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les refus du premier broyage du type de broyeur à barres circulent en circuit fermé entre le broyeur du type à boulets et un crible de mêmes caractéristiques que le crible utilisé pour cribler le produit issu du premier broyeur du type à barres. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les passants résultant du criblage des produits issus du premier broyeur du typa à barres et les passants résultant du criblage de produits résultant du criblage de produits issus du deuxième broyeur du type à boulets ali- mentent le premier, puis le deuxième hydrocyclone. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les passants résultant du criblage de produits du premier broyage sont versés directement dans le bac de mélange en tant que constituant final. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la souverse du second hydrocyclone est broyée dans un broyeur par attrition. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le - combustible brut en particules de 0 à 15 mm est broyé dans un premier broyeur à barres dans l'eau, le produit de broyage est trié sur un tamis dont l'ouverture de mailles est de 200 pm, les refus du tamis alimentant un deuxième broyeur à boulets dans l'eau, le produit de broyage est tamisé sur un tamis dont, l'ouverture de mailles est de 200 pm et les refus recirculés en circuit fermé vers le broyeur à boulets, les fractions passantes des deux tamis alimentent un premier, puis un deuxième hydro- cyclone. 8. Procédé selon l'une des revendications i à 7, caractérisé en ce que le produit du premier broyeur est classifié en deux fractions dont chacune constitue 45 à 55% du-produit broyé, la fraction passante est directe- ment versée dans le bac de mélange final en tant que constituant défini- tif, tandis que les refus sont soumis au broyage dans le broyeur à bou- lets et le produit de broyage classifié sur un tamis dont les passants alimentent un premier, puis un deuxième hydrocyclone. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que tout produit issu d'un traitement antérieur et ayant une distribution granu- lométrique proche de celle produite par un broyeur du type de broyeur à barres peut se substituer au produit issu du premier broyeur à barres. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le premier hydrocyclone opère une séparation dans laquelle 90% de la tranche de coupe de 70 pm s'écoule en sousverse et 10% de cette même tranche s'écoulant en surverse de ce premier hydrocyclone alimentent le deuxième hydrocyclone opérant une séparation dans laquelle 90% de la tranche de coupe de 70 pm s'écoule en sousverse pour alimenter un broyeur attriteur dans lequel les solides sont broyés à la taille maximum de 15 mm, tandis que le produit de sousverse du premier hydrocyclone est réuni avec le pro- duit de surverse du second hydrocyclone pour être mélangé dans le bac de mélange final avec le produit sortant du broyeur attriteur.