septembre 2013

Au-delà des riens vaporeux

Une pulvérisation plus fine et des couches de mousse tenaces obligent les fabricants du secteur à revoir la conception de leurs pompes et à renforcer les meilleures pratiques en matière de pompage de mousse

Par Eavan Moore

La flottation par moussage permet une excellente séparation des minéraux de la guangue, mais les problèmes surviennent lors du déplacement des produits de ce procédé. Les minuscules bulles d’air de la mousse de minerai bouchent facilement les pompes centrifuges en créant une réaction de coalescence à l’entrée de la pompe dans une condition nommée bouchon d’air. La formation initiale d’un bouchon d’air réduit l’aspiration que la pompe peut produire et, à mesure que l’excès d’air s’accumule, la pompe faiblit jusqu’à ce que la pression soit suffisante pour expulser la bulle d’air. D’ici là, le puisard de pompe pourrait avoir débordé. De plus, les pertes entraînées par l’effet de la mousse sur la pompe forcent cette dernière à fonctionner à régime plus élevé pour produire la même pression. Par conséquent, la quantité de pression que les pompes à mousse peuvent produire est souvent limitée avant le début de la cavitation, qui peut user les pièces de la pompe.

Le traitement de la mousse est de plus en plus important, car les mines sont davantage aux prises avec des mousses tenaces, c’est-à-dire des substances qui se lient fermement à l’air malgré les efforts pour les disperser en cours d’acheminement. « Les mousses provenant des concentrés finement granuleux [inférieurs à 20 microns] sont beaucoup plus difficiles à traiter, affirme Peter Woodall, ingénieur en chef à Xstrata Technology. Ces mousses deviennent de plus en plus courantes, car le minerai présente un grain de plus en plus fin et demande davantage de rebroyage. »

En 2011, GIW Industries a annoncé des modifications à sa pompe centrifuge horizontale qui visent à atténuer ce problème. Les pompes centrifuges utilisent une roue à aubes (un ventilateur à pales) pour créer des zones basse pression. Tant que la pression est suffisamment inférieure à la pression atmosphérique qui pousse sur la boue à son entrée, la boue sera aspirée par les aubes vers son prochain arrêt dans le procédé. Une pompe idéale aspire la boue, mais pas l’air qui entraîne la formation de la mousse.

GIW reprend les concepts élaborés par sa société mère KSB dans le cadre du traitement biologique et du traitement de liquides visqueux pour développer une pompe qui retarde la formation d’un bouchon d’air, produit plus de pression et évacue l’air par des trous stratégiquement disposés sur la roue, explique Robert Visintainer, vice-président de la société en ingénierie et RD. La conception des aubes de pompage principales perturbe le bouchon d’air tout en produisant davantage de pression à la même vitesse de pompe, ce qui permet d’obtenir des charge de 50 mètres avant l’apparition de la cavitation. En plus du premier cycle des aubes, qui aspire la boue dans l’œil de la roue, un jeu d’aubes situé à l’arrière de la roue crée une seconde zone de basse pression qui aspire l’air de façon sélective pour la séparer de la boue à évacuer. L’air circule dans une chambre de désaération avant de quitter la pompe. Selon ce que GIW a trouvé, bien que le système d’évacuation d’air à lui seul ne ralentit pas la formation du bouchon d’air, il maintient constante la chute de pression à un niveau suffisant pour assurer le fonctionnement de la pompe.

Weir Minerals a mis au point un système similaire. Le système d’évacuation que Weir a nommé CARS, pour « continuous air removal system » (système d’évacuation d’air continu), est également doté d’un jeu d’aubes secondaire et de trous à l’arrière du flasque de roue pour laisser l’air s’échapper. Les aubes conçues par Weir sont légèrement différentes et l’orifice d’évacuation est disposé le plus près possible de l’axe de l’arbre plutôt que d’évacuer l’air par une tangente (comme la pompe de GIW), car ils ont découvert qu’il s’agissait de la meilleure façon de maintenir la boue à l’extérieur du flux d’air.

Michael Bootle, ingénieur concepteur principal de Weir, avance que la capacité d’évacuer l’air efficacement pourrait permettre l’utilisation d’une pompe à mousse à vitesse plus élevée afin de générer une charge plus haute. Ces pompes, dotées d’entrées surdimensionnées et de roues ouvertes de plus petit diamètre extérieur pour des passages d’aubes plus courts et plus larges, réduisent les risques d’obstruction de l’œil de la roue ou d’un passage d’aube avec une bulle d’air. Les modèles non ventilés ont démontré la capacité de prendre en charge plus efficacement de plus grands volumes d’air que les pompes à boue standard de même dimension en plus d’être dimensionné en fonction d’un « facteur de volume de mousse » modifié (une fonction du pourcentage de volume d’air plutôt que le facteur de mousse « classique »). Toutefois, leur capacité à générer une charge plus haute est limitée, car la vitesse plus élevée de ces roues à petit diamètre favorise la séparation de l’air et de la boue, la formation d’une bulle d’air dans l’œil de la roue et d’un éventuel bouchon d’air. Des solutions partielles intermédiaires au problème des modèles non ventilés ont mené à la conception de roues à mousse de plus grand diamètre et à vitesse moins élevé, dotées d’aubes de pompage principales allongées jusque dans l’œil et d’aubes de séparation secondaires pour abaisser la vitesse de la pompe, réduire la séparation de l’air et de la boue et améliorer le rendement de l’aspiration. Selon Bootle, grâce aux nouveaux systèmes d’évacuation, la séparation de l’air et de la boue associée aux vitesses élevées pourraient devenir un avantage. « Si le système d’évacuation est très efficace pour évacuer l’air, il pourrait être davantage souhaitable de séparer autant d’air que possible de la boue, explique-t-il, afin d’améliorer le rendement de la pompe et de réduire la quantité d’air pompé dans les pompes suivantes ou jusqu’au pipeline. »

Autres solutions

Ces pompes à mousse horizontales procurent un débit à volume élevé, mais les anciens modèles verticaux leur font concurrence. Jan Andersson, directeur technique des solutions de traitement de boue à Metso, affirme que les pompes à mousse verticales surpassent les pompes horizontales en évacuant par centrifugation la boue dans un réservoir conique tout en augmentant le vortex grâce à une forme spéciale de roue qui sépare l’air des solides et des liquides. « Lorsque l’entrée est orientée vers le bas, autant les pompes horizontales que les pompes verticales auront des problèmes de formation de bouchons d’air, précise Andersson. Ce qui n’arrivera pas sur les pompes verticales avec une entrée orientée vers le haut. » L’air s’élève plutôt le long du puis vertical par le vortex ouvert et est évacué par la partie supérieure.

FLSmidth a une idée différente du développement des pompes. L’entreprise n’investit aucune ressource dans le développement de nouvelles pompes à mousse. Selon Kenny Don, ingénieur en applications à FLSmidth, les approches classiques de traitement de la mousse suffisent amplement. « Vous pouvez tenter d’enlever l’air, mais si vous dimensionnez la pompe en fonction du débit relatif au facteur de mousse (surdimensionnement important de la pompe) et que vous optimisez le niveau réel du puisard, ce n’est pas nécessaire », fait-il remarquer La pompe Krebs’ millMAX de FLSmidth traite la majorité des mousses de minerai sans avoir recours aux conceptions de pompe coûteuses.

Le surdimensionnement est déterminé suite à des observations empiriques du volume de mousse et de la ténacité d’un flux de boue donné, puis en les convertissant en un « facteur de mousse » entre un et six. Il suffit ensuite de multiplier le débit volumétrique par le facteur de mousse afin d’obtenir un débit nominal. Don affirme que les pompes à boue de FLSmidth peuvent surpasser les pompes à mousse spécialisées si elles sont surdimensionnées de façon précise et dotées d’une entrée évasée afin de minimiser les pertes de pression créées par le frottement. Il ajoute que FLSmidth détient un avantage spécial : un anneau d’usure réglable breveté qui empêche la boue de retourner du côté aspiration de la pompe et de nuire à son rendement.

Les petites installations d’exploitation ont d’autres options que les pompes centrifuges. Bill Hancock, propriétaire de Zeroday LLC, souligne que les pompes péristaltiques assurent le déplacement de l’air et de la boue en les comprimant de façon uniforme, ce qui élimine complètement les bouchons d’air. Ces pompes peuvent traiter des mousses tenaces avec moins d’énergie et à plus faibles coûts d’entretien. Leur coût d’investissement initial plus élevé et leurs contraintes de volume constituent leurs principales limites. Le plus grand modèle vendu par Zeroday fonctionne à un taux continu de 462,3 gallons par minute. À titre de comparaison, la pompe à mousse horizontale de Weir Minerals peut atteindre jusqu’à 14 000 gallons par minute.

Hancock affirme que les pompes péristaltiques améliorées, qui utilisent des rouleaux pour la compression du tube, ne s’implantent que depuis récemment en Amérique du Nord. Les rouleaux, qui glissent sur des roulements graissés, constituent une solution de rechange aux compresseurs à plateau, qui génèrent un frottement et demandent ainsi un plus grand couple et soumettent le tube à davantage de contraintes.

Les causes profondes

La pompe en elle-même ne constitue qu’une partie relativement simple des difficultés relatives au traitement de la mousse, fait remarquer Joe Pease, PDG de Xstrata Technology. L’installation entière doit être conçue pour résoudre les problèmes liés à la mousse attendus et inattendus. C’est l’approche adoptée par la mine de zinc McArthur River de GlencoreXstrata, en Australie, où 50 % du concentré récupéré est plus fin que 2,5 microns et la mousse extrêmement tenace. Comme le débit augmente, McArthur River travaille continuellement à peaufiner ses méthodes de désaération de la mousse, des puisards aux conduits, puis aux pompes. « Vous devez également faire les choses "ennuyeuses" de la bonne façon, affirme Pease. La bonne nouvelle, c’est qu’il est possible de concevoir un système de traitement des mousses tenaces sans que cela coûte trop cher. Mais il est important de le concevoir ainsi dès le départ. Donnez-vous du temps pour apporter des modifications. »

Les fabricants de pompe recherchent également comment désaérer la boue avant qu’elle n’atteigne la pompe. Andersson indique que Metso se concentre actuellement sur ce point. À GIW, une troisième série d’essais de pompe à mousse mettra l’accent sur les conditions à l’intérieur du puisard et sur l’incidence qu’elles ont sur ce qui atteint la pompe.

« Il est à souhaiter que ceci contribue à améliorer les méthodes de traitement de la mousse en amont, affirme Visintainer. Il nous en reste beaucoup à apprendre ici. »

Traduit par SDL

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