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DESCRIPTION
PROCEDE DE PREPARATION DE CHARBON BRUT EN GRAINS PAR TRAITEMENT EN DEUX ETAPES DANS UN HYDROCYCLONE
Le procédé de la présente invention élargit le domaine d'application des hydrocyclones dans lesquels on traite une suspension d'eau et de produits bruts en grains fins au domaine de la séparation des charbons et des steriles suivant leur densité, tout en améliorant l'efficacité de cette utilisation.
Les avantages du nouveau procédé se manifestent tout particulièrement pour les applications où les grains du produit brut ont une dimension considerable située dans la gamme des granulométries moyennes et lorsque la densité de séparation définie suivant Tromp, que nous souhaitons realiser, doit etre sensiblement plus élevée que la densité du fluide mesurable à l'état statique ; une augmentation de cette dernière valeur par augmentation de la densité des grains n'est, par contre, pas recommandable par suite de l'augmentation de viscosité excessive qui eh résulte.
On connaît déjà des méthodes pour diminuer ces difficultés, partiellement par modification systématique des conditions dynamiques existant dans les hydrocyclones et partiellement par application combinée de deux ou
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plusieurs étapes d'épaississement ; compte tenu toutefois des lois physiques, ces difficultés ne peuvent pas être totalement éliminées.
Pour caractériser ce problème, nous envisagerons la situation existant avec le dispositif fonctionnant
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suivant le brevet AU-PS n 533605 et destiné à retraiter les charbons de terrils avec la technique de séparation de l'hydrocyclone. Le fluide traité est constitué d'une suspension d'eau et de produit brut avec une granulométrie de 0-1 mm. Si le procédé est conduit soigneusement, il implique, pour une installation de cyclone donnée, une densité de séparation dépassant d'environ 0, 3 kg/dm3 la densité du fluide de la suspension. Comme la qualité du fluide deviendrait rapidement visqueuse pour une densité dépassant 1, 40 kg/dm3.
(c'est-à-dire avec une teneur en matières solides d'environ 30% en volume), la densité de séparation réalisable est comprise entre 1, 6 et 1, 7 kg/dm3 et la perte de charbon sortant avec les déchets est significative dans ce domaine. Un nouveau traitement des déchets à l'hydrocyclone avec pour but de récupérer le charbon résiduel n'a pas donne de résultants pratiques parce que la densité de fluide plus élevée pour ce second traitement, par comparaison avec le premier, a été utilisée pour augmenter la densité de séparation mais régalement la teneur en cendres du charbon récupéré.
La caractéristique de séparation calculée pour l'ensemble des deux traitements a l'hydrocyclone-que nous déterminons suivant Tromp - n'est pas meilleure si on la compare ä un traitement en une étape ; elle présente meme une séparation moins nette.
Le brevet US-PS-4364822 (figure 2) représente un système de séparation par hydrocyclone en deux étapes. qui réalise également la séparation du charbon et des stériles et qui fonctionne avec un fluide de suspension propre.
Le produit brut est introduit dans le premier cyclone, qui sépare le produit propre et les stériles. Les composants légers sortant du premier cyclone sont traités à nouveau dans un second hydrocyclone, afin de les purifier tout en conservant le charbon. Le produit lourd-qui a en fait le caractère d'un produit moyen - est recyclé
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après broyage, pour alimenter la première étape d'hydroe cyclone.
L'hydrocyclone recommandé dans la description permet d'escompter, avec la densité de fluide utilisée une densité de séparation supérieure d'environ O, 3Sdem/rn3. Pour une diminution la plus marquee possible de la teneur en charbon résiduel dans les déchets on a visé, dans le mode de fonctionnement choisi, à créer une densité de séparation maximale dans la première étape du cyclone, afin d'augmenter sensiblement la densité volumique du fluide. Comme ce réglage donne lieu à une teneur en cendres plus élevée que celle du produit fini, la première étape fournit un composant léger, si bien que le travail dans la seconde étape de purification est nécessaire.
Ce mode opératoire permet de réaliser, suivant nos conditions, un réglage de la densité du fluide de l'étape de purification (second circuit d'hydrocyclone) si celle-ci est contrôlée en fonction de la teneur en cendres du charbon obtenu, il apparait alors un effet de régulation contradictoire entre les deux circuits de cyclone.., et cette contradiction se manifeste par une fluctuation de la quantité du produit moyen. Dans le récipient de collecte du premier système, il est pratiquement impossible de choisir une composition permettant un fonctionnement optimal du premier hydrocyclone en s'adaptant exactement à la composition du produit sortant de la seconde étape, vu que le charbon présente une teneur en cendres stable et que le produit moyen est simultanément mis en recirculation en quantité constante. La qualité du charbon brut est donnée.
Par conséquent, la quantité de produit moyen fluctuera et cette dernière rétroagit sur les conditions de réglage de la première étape et donne lieu à des conditions de séparation variables. La difficulté décrite ci-dessus se manifeste de façon plus marquee lorsque l'on doit utiliser une qualité de suspension défavorable. Pour mettre ce fait en evidence,
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il suffit de mentionner que nous considérons comme défavorable toute suspension pour laquelle le produit obtenu présente une teneur en grains solides dépassant 20% en volume. Une concentration en volume supérieure à 30% est particulièrement défavorable (parce que le
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mélange de charbon et de stériles se formant en pratique e m avec l'eau présente normalement une viscosité progressivement croissante pour des concentrations croissantes).
Notre objectif est de résoudre le problème de la netteté de séparation insuffisante qui se présente avec un fluide de suspension défavorable, tout en
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améliorant l'efficacité des systèmes d'hydrocyclones ä ame une et deux étapes. L'amélioration de la nettete de la séparation doit permettre d'augmenter la limite supérieure de la plage des densités de séparation, qui est toujours 1'élément essentiel des systèmes. d'hydrocyclones ä deux étapes. Pour réaliser une efficacité de Separation optimale, nous visons à stabiliser les interactions entre les étapes des cyclones.
Le procédé élaboré par nous permet de résoudre efficacement les problèmes mentionnés ci-dessus. Les appareils spéciaux nécessaires pour mettre en oeuvre ce
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procédé et leurs connexions sont décrits comme suit à proce e a l'aide de la figure 1a, et sous forme d'une application pratique :
Le produit brut prepare FA (charbon ou déblais contenant du charbon) est traité en. deux étapes successives d'enrichissement par hydrocyclone I et II.
Dans la premiere etape I, on obtient le produit traite
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formé de charbon pur, tandis que le déchet de la première étape est enrichi davantage dans la seconde étape de manière à obtenir un produit R qui a les caractéristiques d'un produit moyen. Le déchet à la pointe du cone de la seconde étape de cyclone II est le produit
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stérile M. La quantité de. produit moyen R provenant de la seconde étape d'hydrocyclone est mesurée ä l'endroit 1, et 1% de celle-ci est renvoyé ä l'aide du distributeur
2 réglé d'avance aux tubulures d'entrée de l'hydrocyclone
I, tandis que le reste, c'est-a-dire 100-1%, est mis en recirculation vers les tubulures d'entrée de l'hydrocyclone II.
11 est très important que les paramètres technologiques de la première étape d'enrichissement I (en premier lieu, le poids spécifique T 1 du fluide) soient réglés ä des valeurs telles qu'elles permettent de s'approcher au maximum des paramètres principaux caractérisant la qualité de produit souhaitée comme, par exemple, la teneur en cendres. Cette dernière opération doit viser explicitement ä une regulation de 1.
Quand le système décrit ci-dessus est en fonctionnement, il est très important de réaliser un réglage tel qu'entre les étapes d'enrichissement I et II il existe un rapport tel qu'une circulation de produit moyen soit rétablie ou atteinte dans l'étape 11, avec un debit prédéterminé. Cet objectif doit etre réalisé dans la seconde étape, en réglant la densité de séparation sur une valeur plus élevée que celle de la première étape, et nous entendons ainsi une densité correspondant ä une répartition 50 - 50% suivant la caractéristique de répartition de Tromp.
La densité de séparation doit être atteinte en premier lieu par réglage de la densité du fluide'Y 2,'outre d'autres paramètres technologiques de l'hydrocyclone, en utilisant avantageusement une regulation en cascade proportionnelle du debit de recirculation R.
Les conditions précitées impliquent qu'il faut pouvoir mesurer avec une précision satisfaisante la quantité R ou une fraction connue de R, et que la valeur ainsi obtenue doit servir de variable pour le mécanisme
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de réglage de la densité de fluide de la seconde étape d'enrichissement II. 11 est évident que le système précité se comporte comme un système à rétroaction à deux étapes, suivant la fraction "a%" de la quantité de recirculation R et qui a. pour caractéristique que la resultante des courbes de séparation à deux étapes d'hydrocyclones assure la meilleure netteté de séparation possible parmi les cas d'enrichissement en deux étapes.
Le système précité correspondrait ä un enrichissement en une étape pour la fraction de (100-a) % de la quantité de recirculation R si nous admettions que la fraction valable de charbon dans le produit moyen recirculé puisse partir avec les déchets. En réalité toutefois, il se produit un auto-enrichissement dans la fraction de produit moyen renvoyée à 1a seconde étape, avec les grains encore contenus et non séparés, c'est- ä-dire qu'un pourcentage significatif de la fraction légère de charbon de l'étape II arrive tot ou tard dans la fraction "a%" renvoyée à 1'étape I, si bien que la perte avec les déchets est plus faible que la perte subie avec un enrichissement en une étape.
Nous considérons qu'il est important de souligner l'avantage qui résulte du renvoi du produit moyen dans la première étape d'enrichissement I, c'est- à-dire l'avantage resultant de l'enrichissement de cette fraction. Ces grains présentant une densité proche de la densité de séparation diminuent le rapport de séparation du fluide dans l'enceinte de séparation de l'hydrocyclone et augmentent ainsi la densité de la couche d'arrêt, impenetrable pour le produit léger. La densité de séparation est donc pratiquement augmentée par suite de la recirculation du produit moyen. Ce processus peut
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encore être amélioré si le produit recircu1é est préparé encore e e dans un hydrocyclone de l'étape II fonctionnant avec une
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densité de séparation plus élevée.
Un phénomène analogue se produit dans l'hydrocyclone de la deuxième étape, par suite de l'accumulation des (100-a) % de produit moyen. Le Systeme représenté à la figure 1a peut être influencé de ce fait et se présenter alors comme le montre la figure 1b. Cette modification consiste en ce que la fraction de produit moyen restant après le renvoi de la fraction lIa%" à l'hydrocyclone 1 peut être enrichie dans une opération 3, par exemple une opération de classification en deux fractions, ou d'une autre manière encore, tandis que la fraction enrichie en charbon peut être amenée soit à 1'étape I, soit directement dans le charbon pur ; de ce
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fait, on ne renvoie à 1'étape II que la fraction la plus pauvre en charbon.
Ceci donne lieu à une augmentation de la densité de séparation de l'étape II.
Comme le montrent les figures 2a, 2b et 2c, la valeur"a%"de la répartition du produit moyen recireulé n'est pas limitée, ce qui est avantageux si le système fonctionne en grande partie avec un produit moyen recycle et si la valeur (100-a) % doit être réglée de manière durable, uniquement afin d'obtenir une augmentation optimale de la densité de Separation de l'hydrocyclone II. La figure 2a représente la courbe de Tromp d'un système à cyclone à une étape. La figure 2b représente la courbe de Tromp d'un système à deux étapes, fonctionnant avec recirculation du produit moyen. La figure 2c représente l'effet de l'augmentation de la quantité recirculée.
La détermination et le réglage de la masse constante en recirculation R à une valeur fixe s'effectue toujours compte tenu de la capacité du dispositif donné
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et de-la composition du produit brut.
L'augmentation de la fraction de quantite recirculée de produit moyen au detriment de l'absorption de
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produit brut dans les limites de la capacité du système s'accompagne d'une augmentation du rendement d'utilisation et d'une amélioration des imperfections si l'on tient compte des résultants d'ensemble, tout en diminuant toutefois simultanément l'utilisation du dispositif, vu que la quantité de produit brut traitée devient plus faible. 11 existe un optimum pour les deux effets, qui ne peut toutefois être déterminé que par l'utilisateur lui-meme, si bien que celui-ci est le seul qui puisse déterminer la valeur R qui est avantageuse dans son cas.
La caractéristique la plus importante du système d'enrichissement à hydrocyclones en deux étapes est le fait-que nous avons découvert - que la quantité de recirculation existant entre deux étapes d'hydrocyclones fonctionnant suivant la recirculation mentionnée et conduitede manière optimale (quantité que nous réglons ä une valeur constante) détermine la-position de la caractéristique de séparation des deux étapes, tandis que le régalage assurant, dans chaque cas, le rendement le plus avantageux est celui pour lequel la densité de séparation de la première étape fournissant le charbon fin est la plus faible, tandis que 1'étape II produisant la recirculation fonctionne avec la densité de séparation
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le plus élevée.
Ceci signifie simultanément que 1iétape le plus e e 1'gtape I peut fonctionner avec la valeur de densité de fluide la plus facile ä atteindre, et toutefois la plus avantageuse, tandis que l'étape II peut fonctionner afin de diminuer le charbon résiduel dans les déchets avec un fluide de densité également plus avantageuse à cet effet.
C'est pourquoi ce mode de régulation constitue une partie préférée de notre invention, suivant lequel le réglage de la densité du fluide dans la première étape d'enrichissement est choisi en fonction de la teneur en cendres du produit pur obtenu, tandis que le réglage de la densité du fluide de la seconde étape d'enrichissement
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est realise en maintenant constante la quantité de recirculation R.
La condition d'équilibre atteinte - à l'intérieur d'un système donné - est la plus favorable pour l'obtention de la qualité de produit souhaitée (outre la valeur. R maximale considérée comme la plus favorable par l'utilisateur). Le système d'hydrocyclonesa deux étapes décrit ci-dessus que nous avons caractérisé par une régulation d'enrichissement optimalisée, par un réglage stabilise des débits de recirculation ainsi que par une augmentation de la densité de séparation provoquée par la recirculation, convient particulièrement bien pour le traitement par hydrocyclonesdes fluides contenant une suspension de déchets et une suspension de charbon, à cause du faible volume du fluide et peut être mis en oeuvre avec une concentration plus élevée des grains fins et une viscosité plus élevée.
Le procédé permet d'atteindre une valeur de densité de séparation plus élevée ou bien, si l'on suppose une valeur restant constante, des paramètres de séparation plus avantageux. Le réglage du système pour traiter un produit brut donne, c'est-à-dire le controle du rapport de la valeur de l'alimentation à celle de la valeur de recirculation R ainsi que le controle de la valeur "a" déterminant la répartition de la quantité de recirculation, peut. être déterminé observant régulièrement l'imperfection de séparation du processus (suivant la courbe de Tromp).
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Le procédé décrit jusqu'à présent permet de Le proce réaliser une séparation des suspensions lourdes en fonction de la densite suivant une méthode pratique pour laquelle la viscosité du fluide et ses autres proprietes comme, notamment, la limite supérieure de la densité encore utilisable, sont importantes, outre la densité de ce fluide. C'est pourquoi notre objectif consistait à élaborer un mode d'exécution permettant une séparation plus nette, permettant, pour
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une qualité donnée, une production accrue de charbon propre.
Nous voulons établir que la grandeur des mailles du tamis de séparation pour la fraction a grains fins constituant le fluide et le matériau ä enrichir est déterminée de façon à ce que, d'une part, la fraction de matériaux plus fins que cette dimension ne peut pas
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A être enrichie d'une manière suffisante dans le procédé. tandis que, d'autre part, sa granulométrie convient pour la préparation d'un fluide de suspension aqueuse pour le procédé.
Dans notre invention, nous avons mis a profit le fait que le cyclone enrichissant le produit brut utilise pour le procédé mentionné ci-dessus avec une granulométrie entre 0 et 50 mm au maximum possède une capacité de séparation suivant poids spécifique et granulométrie dans la suspension, c'est-à-dire pratiquement dans la gamme desgranulométriesentre 0 et 0, 5. Nous avons constaté que le matériau de la fraction de la suspension sortant à la pointe du cone, c'est-à-dire se trouvant dans les déchets, est plus grossière que le matériau
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mesuré de 1'autre côté. Nous avons constaté que la mesure 0 e caractéristique de formation de suspension du produit fin est plus favorable du côté des déchets et que sa viscosité était nettement plus faible pour une même densité de fluide.
Nous avons systématiquement utilisé ce fait en elaborant notre système à deux étapes propre ä la présente invention, en réalisant une circulation du fluide de suspension telle que les hydrocyclones des étapes d'enrichissement I et II concentrent la fraction de suspension de qualité plus favorable qu'ils produisent eux-mêmes dans les récipients de l'étape II, en obtenant ainsi des conditions de séparation relativement plus favorables, meme pour des densités de fluide assez élevées.
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Ce résultat est atteint, comme le montre la figure 1c.
Le stock de suspension F1 reçoit un complement frais provenant du traitement du produit brut introduit. Les grains frais formant la suspension et de composition mixte sont séparés de la manière décrite ci-dessus, c'est- à-dire que la fraction F2 qui possède les propriétés les plus avantageuses arrive à 1'étape II et y est concentrée par le recipient à cyclone qui s'y touve, tandis que la fraction F3 présentant une composition plus fine et donc plus visqueuse - qui apparaît spécialement du cote de la sortie du produit de charbon pur T dans 1'étape de cyclone I - peut et doit etre éliminée.
On realise ainsi l'affinement voulu de la suspension résiduelle à évacuer, du fait que nous avons conçu le point de soutirage mentionné 4 sous forme d'un recipient de decantation dont
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le trop-plein FS permet d'évacuer le liquide avec la plus fine composition, tandis que les caractéristiques de viscosité du fluide régénéré sont amé1iorées par l'utilisation de la partie F4 revenant dans le système.
EXEMPLE
Pour la séparation d'un produit brut à haute teneur en charbon en deux produits, en fonction de leur densité, nous travaillons avec un fluide à suspension de boue de charbon. En une seule étape, le charbon avec
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granulométrie 0 x zone peut etre séparé qu'avec 2 difficulté à cause de la viscosité du fluide constitue de grains contenant du charbon (densité du fluide, environ 1,18 g/cm3 - densité des grains les plus fins, 1, 50 g/cm3). Les pertes de charbon présentaient une importance inacceptable mais l'augmentation de la densité aurait entraîné une détérioration de la teneur en cendres du produit. Le système d'hydrocyclone à une étape ainsi utilise, du type HALDEX, presente outre une densité de séparation de 1, 50 g/cm3, une imperfection de 0, 16.
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Quand ce système a été transformé en système à deux étapes de cyclone, la netteté de la séparation a été nettement améliorée (imperfection 0, 13). Grâce au système à deux étapes et à la recirculation du produit moyen, les pertes en charbon ont été diminuées (dans les déchets). On a néanmoins eu des problèmes de stabilisation causés par l'instabilité du courant du produit moyen (il s'est produit des obstructions parce que la recirculation avait été augmentée) et les pertes de charbon dans les déchets à l'étape II présentaient des fluctuations.
Après avoir modifié le mode opératoire suivant les principes propres à la présente invention, on a reussi à améliorer de manière stable la valeur de l'imperfection jusqu'à 0, 12. La valeur moyenne de la densité du fluide s'est stabilisée à 0, 15 g/cm3 pour l'étape I (diminution), tndis que cette meme valeur a augmenté jusqu'à une moyenne de 1, 24 gcm3 (augmentation) ä l'étape II. Le rapport de la quantité constante recirculée R au produit brut était, pour un réglage optimal, de 20%, dont 75% (= valeur "a") étaient recirculés a l'étape I et 25% a l'etape II. Une augmentation supplémentaire de la valeur de R n'a donné lieu ä aucune amélioration.
Les données de séparation caractéristiques des variantes décrites dans l'exemple sont les suivantes :
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<tb>
<tb> Teneur <SEP> Teneur <SEP> en <SEP> Imperfec-Rendement
<tb> en <SEP> cendres <SEP> cendres <SEP> des <SEP> tion
<tb> du <SEP> produit <SEP> déchets
<tb> % <SEP> %
<tb> Systeme <SEP> à <SEP> g <SEP> 5 <SEP> 64,4 <SEP> 0,16 <SEP> 53,3
<tb> une <SEP> étape
<tb> Système <SEP> à
<tb> deux <SEP> étapes <SEP> 9,5 <SEP> 66,1 <SEP> 0,13 <SEP> 54,9
<tb> avec <SEP> recirculation <SEP> du
<tb> produit
<tb> moyen
<tb> Systeme <SEP> à
<tb> deux <SEP> étapes,
<tb> 9,5 <SEP> 67,6 <SEP> 0,12 <SEP> 55,8
<tb> propre <SEP> à <SEP> la
<tb> presente
<tb> invention
<tb>