La préparation du charbon est le processus par lequel le charbon brut brut est transformé en un produit de charbon propre commercialisable de taille et de qualité constantes spécifiées par le consommateur. L'utilisation finale du charbon entre dans les catégories générales suivantes :

• Production d'électricité: Le charbon est brûlé pour fournir de la chaleur aux turbines qui génèrent de l'électricité.
• Fabrication de fer et d'acier : Le charbon est chauffé dans des fours, en l'absence d'air, pour chasser les gaz (matières volatiles) pour produire du coke. Le coke est utilisé dans le haut fourneau pour fabriquer du fer et de l'acier. Le charbon peut également être ajouté directement au haut fourneau comme dans le procédé d'injection de charbon pulvérisé (PCI).
• Industriel Le charbon est utilisé dans l'industrie métallurgique comme réducteur, sa teneur en carbone étant utilisée pour éliminer l'oxygène (réduction) dans un processus métallurgique.
• Chauffage: Le charbon peut être utilisé domestiquement et industriellement comme combustible pour le chauffage des locaux. Il est également utilisé comme combustible dans les fours secs pour la fabrication du ciment.

Concassage et broyage

Le charbon tout venant de la fosse doit être broyé à une taille supérieure acceptable pour être traité dans l'usine de préparation. Les dispositifs de broyage et de broyage typiques sont :

• Disjoncteurs d'alimentation : Un tambour rotatif équipé de pics qui fracturent le charbon. Le charbon est acheminé par un convoyeur à raclettes et le tambour tourne dans le même sens que le flux de charbon. Les disjoncteurs d'alimentation sont couramment utilisés sous terre, cependant, certains sont utilisés en surface dans le circuit de préparation du charbon.
• Broyeurs rotatifs : Le circuit disjoncteur d'une enveloppe fixe extérieure avec un tambour rotatif intérieur équipé de plaques perforées. La vitesse de rotation typique du tambour est de 12 à 18 tr/min. Les plaques de levage ramassent le charbon tout venant qui tombe ensuite sur le diamètre du tambour. Le charbon plus tendre se brise et passe à travers les perforations tandis que la roche plus dure est transportée vers la sortie. Le brise-roche remplit deux fonctions, la réduction de taille et l'enrichissement par enlèvement de roche.
• Concasseurs à rouleaux : Les broyeurs à rouleaux peuvent être constitués soit d'un seul rouleau rotatif et d'une enclume fixe (plaque), soit de deux rouleaux tournant à la même vitesse l'un vers l'autre. Les faces des rouleaux sont généralement dentées ou ondulées. Une forme courante de broyeur est le broyeur à deux étages ou à quatre cylindres dans lequel le produit du premier broyeur à deux cylindres tombe dans le deuxième broyeur à deux cylindres à une ouverture plus petite, ce qui permet d'obtenir une réduction à grande échelle dans une seule machine. . Une application typique serait le concassage de matériaux tout venant jusqu'à 50 mm.

Le broyage est parfois utilisé après le processus de nettoyage du charbon, lorsque du charbon de grande taille est broyé pour répondre aux exigences du marché. Des broyeurs à cylindres ou des broyeurs à marteaux sont généralement utilisés. Le broyeur à marteaux se compose d'un ensemble de marteaux à oscillation libre tournant sur un arbre qui frappent le charbon et le projettent contre une plaque fixe.

Guide des tailles

Le charbon est dimensionné avant et après le processus de valorisation (nettoyage). Différents processus de nettoyage sont utilisés sur différentes tailles de charbon, de sorte que le charbon brut à l'entrée de l'usine de préparation du charbon sera tamisé (tamis) en trois ou quatre tailles qui passeront ensuite au processus de nettoyage approprié. Le processus de criblage est généralement effectué par des cribles vibrants rectangulaires avec un plateau de criblage à mailles ou à plaques perforées. À des tailles inférieures à 6 mm, un criblage humide est utilisé pour augmenter l'efficacité de l'opération de calibrage et à des tailles inférieures à 0.5 mm, un tamis incurvé statique (tamis courbé) est placé avant le tamis vibrant pour améliorer l'efficacité.

Après le processus d'enrichissement, le charbon propre est parfois calibré par criblage en une variété de produits pour les marchés du charbon industriel et domestique. Le dimensionnement du charbon propre est rarement utilisé pour le charbon destiné à la production d'électricité (charbon thermique) ou pour la sidérurgie (charbon métallurgique).

Stockage et stockage

Le charbon est généralement stocké et stocké à trois points de la chaîne de préparation et de manutention :

1. stockage et stockage du charbon brut entre la mine et l'usine de préparation
2. le stockage et le stockage du charbon propre entre l'usine de préparation et le point de chargement ferroviaire ou routier
3. stockage de charbon propre dans des ports qui peuvent ou non être contrôlés par la mine.

Généralement, le stockage du charbon brut se produit après le concassage et prend généralement la forme de stocks ouverts (coniques, allongés ou circulaires), de silos (cylindriques) ou de soutes. Il est courant qu'un mélange de couture soit effectué à ce stade afin de fournir un produit homogène à l'usine de préparation. Le mélange peut être aussi simple que de déposer séquentiellement différents charbons sur un stock conique jusqu'à des opérations sophistiquées utilisant des convoyeurs empileur et des récupérateurs à roue à godets.

Le charbon propre peut être stocké de diverses manières, telles que des stocks ouverts ou des silos. Le système de stockage de charbon propre est conçu pour permettre un chargement rapide des wagons ou des camions routiers. Les silos à charbon propre sont généralement construits sur une voie ferrée permettant à des trains-blocs jusqu'à 100 wagons d'être tirés lentement sous le silo et remplis à un poids connu. Le pesage en mouvement est généralement utilisé pour maintenir un fonctionnement continu.

Il y a des dangers inhérents aux charbons stockés. Les stocks peuvent être instables. Marcher sur les tas devrait être interdit parce que des effondrements internes peuvent se produire et parce que la remise en état peut commencer sans avertissement. Le nettoyage physique des blocages ou des blocages dans les soutes ou les silos doit être traité avec le plus grand soin, car du charbon apparemment stable peut soudainement glisser.

Nettoyage du charbon (enrichissement)

Le charbon brut contient des matériaux allant du charbon "pur" à la roche avec une variété de matériaux entre les deux, avec des densités relatives allant de 1.30 à 2.5. Le charbon est nettoyé en séparant le matériau à faible densité (produit commercialisable) du matériau à haute densité (déchets). La densité exacte de séparation dépend de la nature du charbon et de la spécification de qualité du charbon propre. Il n'est pas pratique de séparer le charbon fin sur la base de la densité et, par conséquent, 0.5 mm de charbon brut est séparé par des procédés utilisant la différence des propriétés de surface du charbon et de la roche. La méthode habituelle utilisée est la flottation par mousse.

Séparation de densité

Deux méthodes de base sont employées, l'une étant un système utilisant de l'eau, où le mouvement du charbon brut dans l'eau donne au charbon plus léger une plus grande accélération que la roche plus lourde. La deuxième méthode consiste à immerger le charbon brut dans un liquide de densité comprise entre le charbon et la roche avec pour résultat que le charbon flotte et que la roche coule (séparation en milieu dense).

Les systèmes utilisant de l'eau sont les suivants :

• Gabarits : Dans cette application, le charbon brut est introduit dans un bain d'eau pulsé. Le charbon brut est déplacé sur une plaque perforée avec de l'eau pulsée à travers elle. Un lit stratifié de matériau est établi avec la roche la plus lourde au fond et le charbon le plus léger au sommet. À l'extrémité de décharge, les déchets sont retirés du charbon propre. Les plages de taille typiques traitées dans un gabarit vont de 75 mm à 12 mm. Il existe des gabarits de charbon fin pour applications spéciales qui utilisent un lit artificiel de roche de feldspath.
• Tables de concentration : Une table de concentration se compose d'un plateau en caoutchouc rayé porté sur un mécanisme de support, relié à un mécanisme de tête qui imprime un mouvement alternatif rapide dans une direction parallèle aux riffles. La pente de glissement de la table peut être ajustée. Un écoulement transversal de l'eau est fourni au moyen d'une goulotte montée le long du côté supérieur du pont. L'alimentation entre juste en avant de l'alimentation en eau et est répartie sur le pont de la table par un mouvement différentiel et un écoulement gravitationnel. Les particules de charbon brut sont stratifiées en zones horizontales (ou couches). Le charbon propre déborde du côté inférieur de la table et la défausse est retirée de l'autre côté. Les tables fonctionnent sur la plage de taille 5 ´ 0.5 mm.
• Spirales : Le traitement des fines de charbon avec des spirales utilise un principe selon lequel le charbon fin brut est transporté le long d'un chemin en spirale dans un courant d'eau et les forces centrifuges dirigent les particules de charbon plus légères vers l'extérieur du courant et les particules plus lourdes vers l'intérieur. Un dispositif de séparation à l'extrémité de décharge sépare le charbon fin des déchets fins. Les spirales sont utilisées comme dispositif de nettoyage sur des fractions de taille 2 mm ´ 0.1 mm.
• Cyclones à eau uniquement : Le charbon brut d'origine hydrique est alimenté tangentiellement sous pression dans un cyclone, ce qui entraîne un effet de tourbillon et les forces centrifuges déplacent le matériau plus lourd vers la paroi du cyclone et de là, ils sont transportés vers la sous-verse au sommet (ou robinet). Les particules plus légères (charbon) restent au centre du vortex du tourbillon et sont évacuées vers le haut via un tuyau (vérificateur de vortex) et rapportent au trop-plein. La densité exacte de séparation peut être ajustée en faisant varier la pression, la longueur et le diamètre du détecteur de vortex et le diamètre de l'apex. Le cyclone à eau seule traite généralement les matériaux dans la plage de taille 0.5 mm ´ 0.1 mm et fonctionne en deux étapes pour améliorer l'efficacité de la séparation.

Le deuxième type de séparation par densité est le milieu dense. Dans un liquide lourd (milieu dense), les particules ayant une densité inférieure au liquide (charbon) flotteront et celles ayant une densité supérieure (roche) couleront. L'application industrielle la plus pratique d'un milieu dense est une suspension finement broyée de magnétite dans l'eau. Cela présente de nombreux avantages, à savoir :

• Le mélange est bénin, par rapport aux fluides inorganiques ou organiques.
• La densité peut être rapidement ajustée en faisant varier le rapport magnétite/eau.
• La magnétite peut être facilement recyclée en la retirant des flux de produits avec des séparateurs magnétiques.

Il existe deux classes de séparateurs à milieu dense, le séparateur de type bain ou cuve pour charbon grossier dans la plage 75 mm 12 mm et le séparateur de type cyclone nettoyant le charbon dans la plage 5 mm ´ 0.5 mm.

Les séparateurs de type bain peuvent être des bains profonds ou peu profonds où le matériau du flotteur est transporté sur la lèvre du bain et le matériau de l'évier est extrait du fond du bain par une chaîne de raclage ou une roue à aubes.

Le séparateur de type cyclone renforce les forces gravitationnelles avec les forces centrifuges. L'accélération centrifuge est environ 20 fois supérieure à l'accélération de la gravité agissant sur les particules dans le bain séparateur (cette accélération est environ 200 fois supérieure à l'accélération de la gravité au sommet du cyclone). Ces grandes forces expliquent le débit élevé du cyclone et sa capacité à traiter le petit charbon.

Les produits des séparateurs à milieu dense, à savoir le charbon propre et les déchets, passent tous deux sur des tamis de vidange et de rinçage où le milieu magnétite est retiré et renvoyé aux séparateurs. La magnétite diluée des tamis de rinçage passe à travers des séparateurs magnétiques pour récupérer la magnétite en vue de sa réutilisation. Les séparateurs magnétiques sont constitués de cylindres rotatifs en acier inoxydable contenant des aimants fixes en céramique montés sur l'arbre du tambour fixe. Le tambour est immergé dans une cuve en acier inoxydable contenant la suspension diluée de magnétite. Lorsque le tambour tourne, la magnétite adhère à la zone proche des aimants internes fixes. La magnétite est transportée hors du bain et hors du champ magnétique et tombe de la surface du tambour via un racleur vers un réservoir de stockage.

Les jauges de densité nucléaire et les analyseurs nucléaires en continu sont utilisés dans les usines de préparation du charbon. Les précautions de sécurité relatives aux instruments de source de rayonnement doivent être respectées.

Flottation en mousse

La flottation par mousse est un processus physico-chimique qui dépend de la fixation sélective des bulles d'air aux surfaces des particules de charbon et de la non-fixation des particules de déchets. Ce processus implique l'utilisation de réactifs appropriés pour établir une surface hydrophobe (hydrofuge) sur les solides à faire flotter. Des bulles d'air sont générées dans un réservoir (ou une cellule) et lorsqu'elles montent à la surface, les fines particules de charbon enrobées de réactif adhèrent à la bulle, les déchets autres que le charbon restent au fond de la cellule. La mousse chargée de charbon est retirée de la surface par des pales et est ensuite déshydratée par filtration ou centrifugation. Les déchets (ou résidus) passent dans une boîte de décharge et sont généralement épaissis avant d'être pompés vers un bassin de retenue des résidus.

Les réactifs utilisés dans la flottation par moussage du charbon sont généralement des moussants et des collecteurs. Les mousseurs sont utilisés pour faciliter la production d'une mousse stable (c'est-à-dire des mousses qui ne se cassent pas). Ce sont des produits chimiques qui réduisent la tension superficielle de l'eau. Le moussant le plus couramment utilisé dans la flottation du charbon est le méthyl isobutyl carbinol (MIBC). La fonction d'un collecteur est de favoriser le contact entre les particules de charbon et les bulles d'air en formant une fine couche sur les particules à faire flotter, ce qui rend la particule hydrofuge. En même temps, le collecteur doit être sélectif, c'est-à-dire qu'il ne doit pas recouvrir les particules qui ne doivent pas flotter (c'est-à-dire les résidus). Le collecteur le plus couramment utilisé dans la flottation du charbon est le mazout.

Briquetage

Le briquetage du charbon a une longue histoire. À la fin des années 1800, le charbon fin ou le mou, relativement sans valeur, était comprimé pour former un «combustible breveté» ou une briquette. Ce produit était acceptable à la fois pour le marché domestique et pour le marché industriel. Afin de former une briquette stable, un liant était nécessaire. Habituellement, des goudrons et des brais de houille étaient utilisés. L'industrie des briquettes de charbon pour le marché intérieur est en déclin depuis quelques années. Cependant, il y a eu quelques progrès dans la technologie et les applications.

Les charbons de rang inférieur à humidité élevée peuvent être améliorés par séchage thermique et élimination ultérieure d'une partie de l'humidité inhérente ou « enfermée ». Cependant, le produit de ce processus est friable et sujet à la réabsorption d'humidité et à la combustion spontanée. Le briquetage du charbon de rang inférieur permet de fabriquer un produit stable et transportable. Le briquetage est également utilisé dans l'industrie de l'anthracite, où les produits de grande taille ont un prix de vente nettement plus élevé.

Le briquetage de charbon a également été utilisé dans les économies émergentes où les briquettes sont utilisées comme combustible de cuisson dans les zones rurales. Le processus de fabrication implique généralement une étape de dévolatilisation dans laquelle l'excès de gaz ou de matières volatiles est chassé avant le briquetage afin de produire un combustible domestique "sans fumée".

Le processus de briquetage comporte donc généralement les étapes suivantes :

• Séchage du charbon : La teneur en humidité est critique car elle a un impact sur la résistance de la briquette. Les méthodes utilisées sont le séchage direct (sécheur flash utilisant des gaz chauds) et le séchage indirect (sécheur à disques utilisant la chaleur de la vapeur).
• Dévolatilisant : Cela ne s'applique qu'aux charbons hautement volatils de rang inférieur. L'équipement utilisé est un autoclave ou un four à coke de type ruche.
• Écrasement: Le charbon est souvent broyé car une taille de particule plus petite donne une briquette plus résistante.
• Reliures : Des liants sont nécessaires pour garantir que la briquette a une résistance suffisante pour résister à une manipulation normale. Les types de liants qui ont été utilisés sont le brai de four à coke, l'asphalte de pétrole, le lignosulfate d'ammonium et l'amidon. Le taux d'addition typique est de 5 à 15 % en poids. Le charbon fin et le liant sont mélangés dans un broyeur ou un mélangeur à pales à une température élevée.
• Fabrication de briquettes : Le mélange charbon-liant est acheminé vers une presse à double cylindre à surfaces dentelées. Une variété de formes de briquettes peut être réalisée en fonction du type d'indentation du rouleau. La forme la plus courante de briquette est la forme d'oreiller. La pression augmente la densité apparente du mélange charbon-liant de 1.5 à 3 fois.
• Enrobage et cuisson : Avec certains liants (lignosulfate d'ammonium et bitume pétrolier), un traitement thermique de l'ordre de 300°C est nécessaire pour durcir les briquettes. Le four de traitement thermique est un convoyeur fermé et chauffé aux gaz chauds.
• Refroidissement/trempe : Le four de refroidissement est un convoyeur fermé avec circulation d'air passant pour réduire la température de la briquette à une condition ambiante. Les gaz de dégagement sont collectés, lavés et rejetés dans l'atmosphère. Une trempe à l'eau est parfois utilisée pour refroidir les briquettes.

Le briquetage de charbon brun tendre avec une teneur en humidité élevée de 60 à 70% est un processus quelque peu différent de celui décrit ci-dessus. Les charbons bruns sont fréquemment améliorés par briquetage, qui implique le concassage, le tamisage et le séchage du charbon à environ 15% d'humidité, et le pressage par extrusion sans liant en compacts. De grandes quantités de charbon sont ainsi traitées en Allemagne, en Inde, en Pologne et en Australie. Le sécheur utilisé est un sécheur à tube rotatif chauffé à la vapeur. Après le pressage par extrusion, le charbon compacté est coupé et refroidi avant d'être transféré sur des convoyeurs à bande vers des wagons, des camions routiers ou un stockage.

Les usines de briquetage manipulent de grandes quantités de matériaux hautement combustibles associés à des mélanges potentiellement explosifs de poussière de charbon et d'air. Le contrôle, la collecte et la manipulation de la poussière ainsi qu'un bon entretien ménager sont tous d'une importance considérable pour un fonctionnement sûr.

Élimination des déchets et des résidus

L'élimination des déchets fait partie intégrante d'une usine moderne de préparation du charbon. Les déchets grossiers et les résidus fins sous forme de boue doivent être transportés et éliminés d'une manière respectueuse de l'environnement.

Déchets grossiers

Les déchets grossiers sont transportés par camion, bande transporteuse ou téléphérique jusqu'à la zone d'élimination des solides, qui forme généralement les parois du bassin de retenue des résidus. Les déchets peuvent également être retournés à la mine à ciel ouvert.

Des formes innovantes et rentables de transport des déchets grossiers sont maintenant utilisées, à savoir le concassage et le transport par pompage sous forme de boue vers un bassin de retenue et également par un système pneumatique vers le stockage souterrain.

Il est nécessaire de choisir un site d'élimination qui a une quantité minimale de surface exposée tout en assurant une bonne stabilité. Une structure exposée de tous les côtés permet un meilleur drainage de surface, avec une plus grande tendance à la formation de limon dans les cours d'eau à proximité, ainsi qu'une plus grande probabilité de combustion spontanée. Pour minimiser ces deux effets, de plus grandes quantités de matériau de couverture, de compactage et de scellement, sont nécessaires. La construction d'évacuation idéale est le type d'exploitation en comblement de vallée.

Les remblais de déchets des usines de préparation peuvent échouer pour plusieurs raisons :

• fondations faibles
• pentes trop raides de hauteurs excessives
• mauvais contrôle des infiltrations d'eau et de matériaux fins à travers la décharge
• un contrôle inadéquat de l'eau lors d'épisodes pluvieux extrêmes.

Les principales catégories de techniques de conception et de construction qui peuvent réduire considérablement les risques environnementaux associés à l'élimination des déchets de charbon sont :

• drainage depuis l'intérieur du tas d'ordures
• dérivation du drainage de surface
• compactage des déchets pour minimiser la combustion spontanée
• stabilité du tas de déchets.

Les résidus

Les résidus (déchets solides fins dans l'eau) sont généralement transportés par pipeline vers une zone de retenue. Cependant, dans certains cas, la retenue des résidus n'est pas acceptable sur le plan environnemental et un traitement alternatif est nécessaire, à savoir la déshydratation des résidus par une presse à bande ou une centrifugeuse à grande vitesse, puis l'élimination du produit déshydraté par bande ou par camion dans la zone des déchets grossiers.

Les bassins de retenue des résidus (bassins) fonctionnent selon le principe selon lequel les résidus se déposent au fond et l'eau clarifiée qui en résulte est pompée vers l'usine pour être réutilisée. L'élévation de la piscine dans l'étang est maintenue de manière à ce que les apports pluviaux soient stockés puis évacués par pompage ou par de petits systèmes de décantation. Il peut être nécessaire d'enlever périodiquement les sédiments des petits réservoirs pour prolonger leur durée de vie. Le remblai de retenue de la retenue est généralement constitué de déchets grossiers. Une mauvaise conception du mur de soutènement et la liquéfaction des résidus due à un mauvais drainage peuvent conduire à des situations dangereuses. Des agents stabilisants, généralement des produits chimiques à base de calcium, ont été utilisés pour produire un effet de cimentation.

Les retenues de résidus se développent normalement sur une longue période de la vie de la mine, avec des conditions en constante évolution. Par conséquent, la stabilité de la structure de retenue doit être soigneusement et continuellement surveillée.

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