Brevet FR2814178A1 — publié le 20020322

! La présente invention est relative à un procédé d'alimentation en air enrichi en oxygène d'une unité de production de métal non ferreux, comprenant, d'une part, une unité de fusion de concentré de minerai dudit métal alimentée par injection continue d'air enrichi en oxygène, d'autre part, une unité de conversion des mattes issues de l'unité de fusion, alimentée par injection à débit variable io d'air enrichi en oxygène, et à une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. L'invention s'applique en particulier à la production de.cuivre. Les pressions dont il est question ci-dessous sont des pressions absolues. Les unités de production de cuivre sont classiquement constituées d'une unité de fusion à fonctionnement continu, telle qu'un four Flash, un four Noranda i5 ou un four Teniente, et d'une unité de conversion à fonctionnement discontinu telle qu'un convertisseur Pierce ou un convertisseur Hoboken. La matière première, composée de concentré de minerai de cuivre, est chargée dans l'unité de fusion, dans laquelle elle s'enrichit en cuivre. On obtient alors une mixture riche en cuivre appelée matte, contenant environ 60 à 70% en poids de cuivre. Cette matte est ensuite encore enrichie en cuivre dans l'unité de conversion et est transformée en cuivre dit "blister" contenant environ 99% de cuivre. Afin que la fusion et la conversion s'effectuent dans de bonnes conditions, les deux unités sont alimentées par des flux d'air enrichi en oxygène. L'unité de fusion consomme un flux constant d'air enrichi en oxygène. En revanche, l'unité de conversion consomme un flux variable d'air enrichi en oxygène. Ce flux peut d'ailleurs être proche de zéro au moment o, la transformation en cuivre blister étant terminée, on vide la poche de l'unité de conversion pour récupérer le cuivre blister et pouvoir ainsi commencer un nouveau cycle de production de cuivre. Typiquement, un cycle de production de cuivre dure environ deux heures réparties comme suit: - on injecte de l'air enrichi en oxygène dans l'unité de conversion pendant environ une heure; - on stoppe l'injection, on retire le laitier surnageant à la surface du cuivre liquide, on vide la poche pour récupérer le cuivre, à la suite de quoi on recharge de mattes la poche et on recommence un nouveau cycle. Lorsque l'on vide la poche, on maintient un léger flux d'air enrichi en oxygène pour maintenir la flamme des brûleurs de l'unité de conversion. Le taux d'enrichissement en oxygène de l'air dépend de la composition de la matière première et de la production attendue. Généralement le flux d'air alimentant l'unité de fusion est enrichi jusqu'à 28% d'oxygène et le flux d'air alimentant l'unité de conversion est enrichi à 50 à 60% d'oxygène. Conventionnellement, chaque unité possède une soufflante d'air dont le flux d'air est enrichi par injection d'oxygène produit par une installation indépendante des deux soufflantes d'air. La consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de fusion étant constante, la soufflante d'air reliée à l'unité de fusion produit en permanence un débit d'air correspondant au débit maximal du cycle d'élaboration du cuivre. En revanche, la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion étant variable, la différence entre le débit d'air produit par la soufflante reliée à l'unité de conversion, qui fonctionne en continu, et celui consommé par cette unité de conversion est généralement mise à l'air. L'installation de production d'oxygène est constituée d'un compresseur d'air et d'une unité de séparation d'air capable de délivrer un débit variable d'oxygène, afin d'enrichir d'un flux d'oxygène constant le flux d'air de la soufflante de l'unité de fusion, et d'enrichir d'un flux d'oxygène variable le flux d'air de l'unité de conversion. On entend ici par compresseur" un compresseur proprement dit ou plusieurs compresseurs montés en parallèle et ayant un refoulement commun. Ce procédé de production d'air enrichi en oxygène par une installation comprenant deux soufflantes d'air indépendantes reliées à une unité de production d'oxygène présente divers inconvénients comme un encombrement important, une consommation énergétique importante, ainsi qu'une perte d'énergie non négligeable due à la mise à l'air de l'air délivré par l'une des soufflantes. L'invention a donc pour but de proposer un procédé ainsi qu'une installation d'alimentation d'air enrichi en oxygène d'une unité de production de métal non ferreux, qui implique un encombrement réduit et qui permette de réduire sensiblement les dépenses énergétiques. L'invention a donc pour objet un procédé d'alimentation en air enrichi en oxygène d'une unité de production de métal non ferreux, comprenant, d'une part, une unité de fusion de concentré dudit métal alimenté par injection continue d'air enrichi en oxygène, d'autre part, une unité de conversion des mattes issues de l'unité de fusion, alimentée par injection à débit variable d'air enrichi en oxygène, caractérisé en ce que: - I'on comprime la totalité de l'air dans un compresseur unique susceptible d'alimenter l'unité de fusion et'l'unité de conversion; - I'on traite une partie de cet air comprimé dans une unité de séparation d'air pour obtenir deux flux d'oxygène qu'on injecte respectivement dans l'air comprimé destiné à alimenter l'unité de fusion et dans l'air comprimé destiné à alimenter l'unité de conversion;et - I'on stocke de l'air comprimé ou de l'air comprimé enrichi en oxygène destiné à l'unité de conversion dans une capacité-tampon lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion est inférieure à un seuil déterminé, et l'on 0o prélève de l'air comprimé ou de l'air comprimé enrichi en oxygène dans la capacité- tampon lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion est supérieure audit seuil; Selon d'autres caractéristiques de ce procédé: - on alimente l'unité de fusion en mélangeant de l'air comprimé par le premier niveau de compression du compresseur avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air sensiblement à la même pression; - on alimente l'unité de séparation d'air avec de l'air comprimé par un niveau de compression du compresseur situé derrière le premier niveau de compression de ce compresseur; - on alimente l'unité de conversion en mélangeant de l'air comprimé par le compresseur à une pression supérieure à la pression d'alimentation de cette unité de conversion avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air sensiblement à la même pression, en stockant l'air enrichi en oxygène dans ladite capacité-tampon lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par l'unité de conversion est inférieure audit seuil, et en prélevant de l'air enrichi en oxygène dans cette capacité- tampon à travers un organe de détente lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par l'unité de conversion est supérieure audit seuil. - on stocke de l'air comprimé par le dernier étage du compresseur à une pression supérieure à la pression d'alimentation de l'unité de conversion dans ladite capacité-tampon lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par cette unité de conversion est inférieure audit seuil, et on alimente l'unité de conversion en mélangeant de l'air stocké dans la capacité-tampon et/ou de l'air comprimé par le dernier étage du compresseur, prélevés à travers un organe de détente, avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air à un débit variable et à une pression sensiblement égale à la pression d'alimentation de l'unité de conversion; - I'air destiné à l'unité de conversion est comprimé par le dernier étage du compresseur. L'invention a également pour objet une installation pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus. Cette installation est caractérisée en ce qu'elle comprend: - une unité de séparation d'air adaptée pour fournir de l'oxygène aux unités de fusion et de conversion; - un compresseur d'air unique dont le refoulement est relié à l'unité de fusion, à l'unité de séparation d'air et à l'unité de conversion par des première, deuxième et troisième conduite respectivement; et - une capacité-tampon reliée à ladite troisième conduite. Selon d'autres caractéristiques de cette installation: - la capacitétampon est également reliée d'une part à une sortie d'oxygène de l'unité de séparation destinée à l'unité de conversion et d'autre part à cette unité de conversion à travers un organe de détente. La capacité tampon est également reliée à l'unité de conversion à travers un organe de détente et une sortie d'oxygène de l'unité de séparation destinée à l'unité de conversion débouche dans la conduite qui relie cet organe de détente à l'unité de conversion; - I'unité de séparation d'air comporte deux circuits de production d'oxygène, I'un alimentant l'unité de fusion, I'autre l'unité de conversion; - le circuit de production d'oxygène alimentant l'unité de conversion est muni de moyens de réglage. du débit d'oxygène; - I'unité de séparation d'air comprimé est une unité de distillation d'air à double colonne qui comporte un système à bascule afin de produire un flux d'oxygène variable par distillation d'un débit d'air constant; - le compresseur d'air comprend au moins deux niveaux de compression, le refoulement du premier niveau étant relié à ladite première conduite et celui du ou des niveaux suivants étant reliés auxdites deuxième et troisième conduite; - le compresseur comporte trois niveaux de compression dont les refoulements sont reliés respectivement auxdites première, deuxième et troisième conduites. Comme on l'aura compris, I'invention consiste essentiellement à combiner la production d'air et d'oxygène afin de produire de manière plus économique de l'air enrichi en oxygène pour alimenter l'unité de fusion et l'unité de conversion d'une unité de production de métal non ferreux. Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexés sur lesquels: -la Figure 1 représente schématiquement une installation de production d'air enrichi en oxygène alimentant une unité de fusion et une unité de conversion de cuivre; et la Figure 2 représente une alternative de l'installation de la Figure 1; et - la Figure 3 représente une unité de séparation d'air destinée à l'installation de la Figure 2. Sur la Figure 1, on a représenté une installation de production de cuivre qui comprend un compresseur d'air unique 1 à trois niveaux de compressions (soit par exemple 4 ou 5 étages) alimentant respectivement en air comprimé d'une 0o part une unité de fusion 2 via une première conduite 3, d'autre part une unité de séparation d'air 4 via une deuxième conduite 5, et enfin, une unité de conversion 6 ou une capacité-tampon 7 via une troisième conduite 8. L'unité de séparation d'air 4 produisant l'oxygène possède deux circuits de sortie distincts délivrant de l'oxygène à des pressions différentes, I'une 9 alimentant l'unité de fusion 2 lI'autre 10 alimentant l'unité de conversion 6. Chaque circuit 9, 10 est à débit constant. La capacité-tampon 7 est capable de stocker l'air comprimé ainsi que l'oxygène du deuxième circuit 10 lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion 6 est faible, c'est-à-dire inférieure à un seuil prédéterminé. Une vanne de détente 11, constituée par un régulateur de pression aval, est placée sur une conduite 12 qui relie l'unité de conversion et la capacité- tampon 7, pour que le flux d'air enrichi en oxygène circule dans le circuit 12 et soit injecté dans l'unité de conversion 6, lorsque la consommation de cette unité 6 est élevée, c'est-à-dire supérieure audit seuil. L'installation de la Figure 2 diffère de la précédente par le fait que l'unité de séparation d'air 4 est ici équipée d'un système dit" à bascule ", décrit plus loin, permettant de délivrer un débit variable d'oxygène vers l'unité de conversion 6 alors que l'unité 4 traite un débit d'air constant. De plus, la vanne de détente 11 est disposée entre la capacité 7 et le point 13 d'arrivée de l'oxygène produit par le circuit 10 sur la conduite 12 d'alimentation en air enrichi de l'unité de conversion 6. En fonctionnement, dans le cas de la Figure 1, la totalité de l'air nécessaire au fonctionnement de l'unité de production du cuivre est comprimée dans le compresseur 1. Une partie de cet air, extraite du refoulement du premier niveau de compression du compresseur 1, à une pression constante comprise entre 1,2 et 1,7 bar, est injectée à débit constant dans l'unité de fusion 2 après avoir été 6 2814178 enrichie par un flux d'oxygène 9, à une pression sensiblement égale à celle du flux d'air, produit à débit constant par l'unité de séparation d'air 4. Une partie de l'air issu d'un des niveaux de compression suivants (par exemple, le deuxième niveau de compression) du compresseur 1 passe dans I'unité de séparation d'air 4. Celle-ci fournit d'une part un flux d'oxygène 9 à une pression de 1,2 à 1,7 bar alimentant l'unité de fusion 2, et d'autre part un second flux d'oxygène 10 à une pression de 5 à 10 bars destiné à l'unité de conversion 6. Le reste 8 de l'air comprimé est extrait du dernier étage du compresseur 1 à une pression d'environ 5 à 10 bars et est réuni au flux d'oxygène 10 précité. L'air 1o enrichi ainsi obtenu alimente soit la capacité-tampon 7 lorsque la consommation en air enrichi est faible, soit l'unité de conversion 6 à travers la vanne de détente 11 lorsque la consommation en air enrichi est élevée. Selon la variante de la Figure 2, I'unité de séparation d'air 4 fournit un premier flux d'oxygène 9 à débit constant à une pression de 1,2 à 1,7 bar, alimentant l'unité de fusion 2. Elle fournit aussi un deuxième flux d'oxygène 10 à une pression d'environ 1,5 bar qui alimente l'unité de conversion 6, une bascule étant prévue afin de fournir l'oxygène à un débit variable en fonction de la consommation en air enrichi de l'unité de conversion 6. Le reste 8 de l'air comprimé est extrait du dernier étage du compresseur à une pression d'environ 5 à 10 bars. Lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion 6 est faible, cet air est partiellement stocké dans la capacité-tampon 7. A chaque instant, un débit d'air égal à la différence entre le débit d'air enrichi demandé par l'unité de conversion 6 et le débit d'oxygène 10 traverse la vanne de détente. Afin de satisfaire aux critères d'économie évoqués précédemment, l'air produit par le compresseur d'air et alimentant l'unité de séparation d'air et la capacité 7 est à une pression correspondant à un optimum économique et énergétique entre l'énergie dépensée pour la compression de l'air et le coût correspondant à l'investissement de la capacité-tampon permettant l'alimentation discontinue en air enrichi de l'unité.de conversion. Ainsi, la pression de l'air produit par le compresseur d'air pour alimenter l'unité de séparation d'air est de préférence de 5 à 6 bars, et la pression de l'air produit par le compresseur d'air pour alimenter la capacité gazeuse est de préférence de 5 à 10 bars. L'unité de séparation d'air 4 représentée sur la Figure 3, du type classique dit " à bascule", est destinée à fournir un débit variable d'oxygène à la conduite de la Figure 2. Elle comprend essentiellement le compresseur d'air 1 à trois niveaux de compression, un appareil 14 de dessication - décarbonatation d'air par adsorption, une ligne d'échange thermique principale 15, un surpresseur d'air 16, un échangeur de chaleur auxiliaire 17, un groupe turbo-compresseur comprenant une turbine 18 couplée à un compresseur froid 19, une pompe d'oxygène liquide à débit variable, une capacité-tampon d'oxygène liquide 21, une capacité- tampon d'air liquide 22, une double colonne de distillation d'air 23, un sous- refroidisseur 24 et une pompe d'azote liquide 25. La double colonne 23 est du type à minaret et comporte une colonne moyenne pression 26 surmontée d'une colonne basse pression 27, celle-ci se prolongeant vers le haut par un court tronçon de distillation ou minaret 28 de plus petit diamètre. Un vaporiseur- io condenseur principal 29 met la vapeur de tête (azote à peu près pur) de la colonne 26 en relation d'échange thermique indirect avec le liquide de cuve (oxygène liquide) de la colonne 27. En fonctionnement, un débit constant d'air issu du second niveau de compression du compresseur 1, ramené au voisinage de la température ambiante en 30 et épuré en 14, puis est refroidi jusqu'au voisinage de son point de rosée en 15, est injecté en cuve de la colonne 26. Suivant le procédé de distillation à double colonne classique, la double colonne 23 produit à débits constants de l'oxygène liquide 31 en cuve de la colonne 27, de l'azote gazeux basse pression 32 en tête du minaret 28, et de lI'azote liquide moyenne pression 33 en tête de la colonne moyenne pression 26. L'oxygène liquide soutiré de la colonne basse pression est stocké dans la capacité-tampon 21 et, de là, est comprimé à la pression du circuit 10 par la pompe 20, puis vaporisé à contre-courant d'un flux d'air à débit constant surpressé en 16. L'air ainsi liquéfié est, après détente à la moyenne pression dans une vanne de détente 34, stocké dans la capacitétampon 22 avant d'être pour partie introduit à l'état liquide dans la partie inférieure de la colonne 26 et, pour le reste, détendu à la basse pression dans une vanne de détente 35 et introduit à un niveau intermédiaire de la colonne 27. De façon classique, lorsque le débit d'oxygène gazeux nécessaire dans le circuit 10 est inférieur à 21% du débit d'air distillé, la pompe 20 est ralentie de façon correspondante, et le niveau d'oxygène liquide monte dans la capacité 21. Simultanément, un débit moindre d'air étant liquéfié, le niveau de l'air liquide descend dans la capacité 22. Les phénomènes s'inversent en cas d'augmentation du débit d'oxygène en 10 au delà de 21% du débit d'air distillé. L'unité 4 produit par ailleurs un débit constant d'oxygène gazeux pour le circuit 9, par exemple à partir d'une autre conduite 36 de soutirage d'oxygène liquide de la colonne 27, puis vaporisation/réchauffage en 15 et éventuellement compression de l'oxygène gazeux résultant. 8 2814178 L'unité 4 produit encore un flux d'azote gazeux basse pression provenant du minaret 28 et réchauffé en 24 puis en 15, ainsi qu'un flux d'azote gazeux haute pression obtenu par pompage d'azote liquide moyenne pression en 25 puis par vaporisation/réchauffage en 15. Ces deux flux d'azote servent à l'inertage et/ou au convoyage dans l'installation de production de cuivre. Le groupe turbo-compresseur 18,19, fonctionnant par surpression et détente d'une partie de l'air entrant, sert au maintien en froid de l'unité 4. Une unité de séparation d'air telle que celle de la Figure 3 permet d'obtenir une vitesse de variation du débit d'oxygène produit en 10 qui est typiquement de io l'ordre de 5% par minute. L'invention peut s'appliquer également à la production de métaux non ferreux autres que le cuivre, tels que le nickel. REVENDICATIONS 1. Procédé d'alimentation en air enrichi en oxygène d'une unité de production de métal non ferreux, comprenant, d'une part, une unité de fusion (2) de concentré de minerai dudit métal alimentée par injection continue d'air enrichi en oxygène, d'autre part, une unité de conversion (6) des mattes issues de l'unité de fusion, alimentée par injection à débit variable d'air enrichi en oxygène, caractérisé en ce que: - I'on comprime la totalité de l'air dans un compresseur (1) unique susceptible d'alimenter l'unité de fusion (2) et l'unité de conversion (6); - I'on traite une partie de cet air comprimé dans une unité de séparation d'air (4) pour obtenir deux flux d'oxygène (9, 10) qu'on injecte respectivement dans l'air comprimé destiné à alimenter l'unité de fusion (2) et l'unité de conversion (6); et - I'on stocke de l'air comprimé ou de l'air comprimé enrichi en oxygène destiné à l'unité de conversion (6) dans une capacité-tampon (7) lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion est inférieure à un seuil prédéterminé, et l'on prélève de l'air comprimé ou de l'air comprimé enrichi en oxygène dans la capacité-tampon (7) lorsque la consommation en air enrichi en oxygène de l'unité de conversion (6) est supérieure audit seuil. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on alimente l'unité de fusion (2) en mélangeant de l'air comprimé par le premier niveau de compression du compresseur (1) avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air (4) sensiblement à la même pression. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on alimente I'unité de séparation d'air (4) avec de l'air comprimé par un niveau de compression du compresseur (1) situé derrière le premier niveau de compression de ce compresseur. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on alimente l'unité de conversion (6) en mélangeant de l'air comprimé par le compresseur (1) à une pression supérieure à la pression d'alimentation de cette unité de conversion (6) avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air (4) sensiblement à la même pression, en stockant l'air enrichi en oxygène dans ladite capacité-tampon (7) lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par l'unité de conversion (6) est inférieure audit seuil, et en prélevant de l'air enrichi en oxygène dans cette capacité-tampon (7) à travers un organe de détente (11) g 2814178 lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par l'unité de conversion (6) est supérieure audit seuil. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on stocke de l'air comprimé par le dernier étage du compresseur (1) à une pression supérieure à la pression d'alimentation de l'unité de conversion (6) dans ladite capacité-tampon (7) lorsque la consommation en air enrichi en oxygène par cette unité de conversion (5) est inférieure audit seuil, et l'on alimente l'unité de conversion en mélangeant de l'air stocké dans la capacité-tampon (7) et/ou de l'air comprimé par le dernier étage du compresseur i0 (1), prélevés à travers un organe de détente (11), avec de l'oxygène produit par l'unité de séparation d'air (4) à un débit variable et à une pression sensiblement égale à la pression d'alimentation de l'unité de conversion (6). 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'air destiné à l'unité de conversion (6) est comprimé par le dernier étage du compresseur (1). 7. Installation d'alimentation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend: - une unité de séparation d'air (4) adaptée pour fournir de l'oxygène aux unités de fusion (2) et de conversion (6); - un compresseur d'air (1) unique dont le refoulement est relié à l'unité de fusion (2), à l'unité de séparation d'air (4) et à l'unité de conversion (6) par des première, deuxième et troisième conduites; et - une capacité-tampon (7) reliée à ladite troisième conduite. 8. Installation d'alimentation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la capacité-tampon (7) est également reliée d'une part à une sortie d'oxygène de l'unité de séparation (4) destinée à l'unité de conversion (6), et d'autre part à cette unité de conversion (6) à travers un organe de détente (11). 9. Installation d'alimentation selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en 3o ce que la capacité-tampon (7) est également reliée à l'unité de conversion (6) à travers un organe de détente (11), et en ce qu'une sortie d'oxygène de l'unité de séparation (4) destinée à l'unité de conversion (6) débouche dans la conduite qui relie cet organe de détente à l'unité de conversion (6). 10. Installation d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que l'unité de séparation d'air (4) comporte deux circuits de production d'oxygène, I'un (9) alimentant l'unité de fusion (2), I'autre (10) alimentant l'unité de conversion (6). 11. Installation d'alimentation selon les revendications 9 et 10 prises ensemble, caractérisée en ce que le circuit de production d'oxygène alimentant l'unité de conversion (6) est muni de moyens de réglage (20) du débit d'oxygène. 12. Installation d'alimentation selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'unité de séparation d'air (4) est une unité de distillation d'air à double colonne qui comporte un système à bascule (16, 20 à 22) afin de produire un flux d'oxygène variable par distillation d'un débit d'air constant. 13. Installation d'alimentation selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisée en ce que le compresseur d'air (1) comprend au moins deux l0 niveaux de compression, le refoulement du premier niveau étant relié à ladite première conduite et celui du ou des niveaux suivants étant reliés auxdites deuxième et troisième conduites. 14. Installation d'alimentation selon la revendication 13, caractérisée en ce que le compresseur (1) comporte trois niveaux de compression dont les refoulements sont reliés respectivement auxdites première, deuxième et troisième conduites.