First Quantum améliore la fiabilité de la mine de Kansanshi grâce à la fibre Accelovant

Kansanshi Mining, une société appartenant à First Quantum située en Zambie, utilise les capteurs à fibre optique d'Accelovant pour résoudre ses problèmes d'arc et de panne électronique et de signalisation dans la principale mine de cuivre.

Kansanshi exploite l'un des sites d'extraction et de fusion de cuivre les plus grands et les plus productifs au monde. Les opérations de fusion utilisent des précipitateurs électrostatiques humides (ESP) pour nettoyer le dioxyde de soufre gazeux en éliminant le brouillard acide (aérosols) et les particules de poussière qui peuvent entraîner un effluent d'acide sulfurique concentré toxique. Alors que les ESP sont considérés comme l'un des épurateurs de processus les plus efficaces dans cette application, le contrôle de la température du processus a longtemps été un obstacle à une utilisation plus étendue. Le contrôle de l'ESP nécessite une technologie de mesure de la température capable de supporter simultanément une haute tension, une plage de température élevée et des champs électromagnétiques élevés.

En application, l'ESP humide utilise des champs électromagnétiques à haute tension pour attirer ou pousser différentes molécules dans un flux de gaz afin d'affecter la séparation et la collecte. Il a un champ constitué d'électrodes de décharge au centre d'électrodes collectrices tubulaires. Le gaz est ionisé par la décharge corona des électrodes de décharge. Les particules contenues dans le gaz se chargent et migrent sous l'influence du champ électrostatique vers les électrodes mises à la terre.

Dans le cas de la fonderie de cuivre de Kansanshi, le dioxyde de soufre gazeux de la fonderie est déplacé à travers les usines ESP humides pour séparer le brouillard acide et la poussière du flux de gaz. Le brouillard acide est hautement corrosif et, s'il n'est pas éliminé du gaz, il est capable d'endommager les équipements en aval tels que les soufflantes de gaz et les conduits.

Pour fonctionner correctement et éviter d'endommager les composants électriques et céramiques de l'ESP humide, il doit être chauffé à une température constante entre 325 et 340°C. Le fonctionnement dans cette plage empêchera la condensation du brouillard. Si de la condensation se produit, cela augmente considérablement le risque de court-circuit qui peut entraîner une mauvaise performance de l'unité.

Historiquement, les ESP utilisaient des thermocouples conventionnels dans le flux et/ou des détecteurs de température à résistance (RTD), tous deux très sensibles au bruit électrique. Lorsqu'ils étaient utilisés, ces capteurs n'étaient pas fiables et représentaient un risque de flashover en raison de l'environnement à haute tension.

Pieter Oosthuizen, surintendant de l'instrumentation de contrôle, et Bodrick Mumba, surintendant des opérations de l'usine d'acide sulfurique, travaillent tous deux pour maintenir un fonctionnement cohérent et fiable de la fonderie et des ESP. Les ESP fonctionnent 24 heures sur 24 dans des ensembles appariés, traitant un flux constant de gaz de fonderie.

Selon Mumba, si un ESP fonctionne en dehors de la plage de température appropriée, le volume de gaz de fonderie doit être réduit en réduisant le traitement du concentré dans le four de fusion primaire jusqu'à ce que l'unité revienne à un état de fonctionnement correct.

"Si la température descend en dessous du point de consigne, il y a un grand risque de brumisation et de condensation d'acide sur les isolateurs en céramique de l'ESP", a déclaré Mumba. "Si la céramique est endommagée, les temps d'arrêt potentiels pour réparation réduiraient certainement le débit et la production de l'usine."

Dans un environnement de fonctionnement difficile entourant les ESP humides (haute tension, bruit électrique et haute température), la surveillance et la gestion des niveaux de température précis grâce à l'utilisation de capteurs en flux étaient un exercice difficile et hautement imprévisible. Les unités ESP fournies par Metso Outotec sont conçues pour permettre l'utilisation de plusieurs capteurs différents conformes à un facteur de forme normalisé, permettant à l'opérateur d'installer le capteur le plus efficace pour le cas d'utilisation.

"Les unités ESP fonctionnent avec une charge typique de 45 kV à des courants de l'ordre de 500 à 600 milliampères", a déclaré Oosthuizen. "Dans ce type d'environnement, il y a un bruit électromagnétique et des courants induits énormes dans tout ce qui est conducteur ou qui utilise l'électronique. Cela inclut les thermocouples et les RTD qui sont généralement utilisés pour surveiller les températures élevées dans les environnements industriels. Nous avons essayé de nombreux types d'appareils différents, mais dans tous les cas, l'électronique s'éteindrait et tomberait en panne en raison des champs électromagnétiques parasites."

Oosthuizen a noté que dans l'environnement de la fonderie, les dispositifs RTD et thermocouple étaient soumis à des contournements haute tension qui peuvent les endommager ou, au minimum, perturber les signaux électriques transmis du capteur à son contrôleur. De telles conditions d'usine contribuent à des taux élevés de défaillance des capteurs, et la difficulté à maintenir les signaux a essentiellement empêché le contrôle automatisé.

Le fonctionnement sous contrôle manuel était plus coûteux et signifiait que les opérateurs devaient effectuer des relevés de température réguliers et ajuster les paramètres de fonctionnement pour maintenir la plage appropriée. Dans un environnement d'exploitation complexe avec de nombreuses variables, effectuer ces ajustements manuellement était un processus continu qui consommait beaucoup de temps et d'argent en personnel.

Le taux élevé de défaillance des capteurs et l'incapacité à utiliser des commandes automatisées étaient des facteurs limitants pour maintenir le fonctionnement fiable et cohérent des ESP et de la productivité de l'ensemble de l'usine. Dans leur recherche d'une solution viable, Mumba et Oosthuizen ont appris que les capteurs de température à fibre optique étaient largement utilisés dans les environnements difficiles en raison de leur immunité au bruit électrique.

"Au cours de nos recherches sur les capteurs à fibre optique, il est devenu clair que l'immunité inhérente au bruit électrique pouvait résoudre nos problèmes d'arc et de panne électronique et de signalisation, mais nous devions également traiter les conditions de fonctionnement à haute température", a déclaré Oosthuizen. « Alors que les spécifications d'exploitation de la plupart des fournisseurs de capteurs à fibre optique sur le marché s'étendaient jusqu'à la plage de 325 à 340 °C, nos exigences se situaient vers le haut de la plage recommandée, nous étions donc un peu inquiets quant à la longévité du produit en service. C'est alors que nous avons découvert un fournisseur canadien spécialisé dans les capteurs à fibre optique à haute température.

L'équipe a trouvé une nouvelle classe de capteurs à fibre optique du fabricant canadien Accelovant qui semblait résoudre les deux problèmes clés qu'ils tentaient de résoudre.

Les capteurs à fibre optique utilisent uniquement l'énergie de la lumière pour mesurer la température. Parce qu'ils ne contiennent aucune fonction électrique, ils sont immunisés contre les effets électromagnétiques néfastes inhérents aux capteurs conventionnels tels que les thermocouples et les RTD. Bien qu'ils soient actuellement largement utilisés dans les applications industrielles, ils sont généralement limités à 250˚C. Au-dessus de cette température, les composés organophosphorés utilisés pour générer le signal optique de mesure de température commenceront à défaillir.

« Accelovant est spécialisé dans les capteurs à fibre optique haute température », a déclaré Michael Goldstein, PDG d'Accelovant. "Nous sommes revenus aux bases de la science des matériaux et avons inventé un matériau optique breveté de type céramique pour créer une nouvelle classe de capteurs de température à fibre optique capables de résister à des températures beaucoup plus élevées et d'offrir une durée de vie plus longue à des températures supérieures à 450 °C."

En avril 2022, des capteurs à fibre optique Accelovant ont été installés dans l'une des paires appariées d'ESP fonctionnant dans l'usine. Peu de temps après l'installation, Oosthuizen était prêt à expérimenter l'utilisation des commandes automatisées disponibles dans le logiciel de gestion de l'usine.

"Nous savions qu'en théorie, les capteurs à fibre optique seraient plus performants que les capteurs électroniques, mais nous voulions être certains que ce serait également le cas en pratique", a-t-il déclaré. "Après plusieurs mois d'observation et de tests, nous sommes passés au fonctionnement automatique des commandes de température de ces deux ESP - pour la première fois en plus de huit ans de fonctionnement."

Les capteurs à fibre optique Accelovant ont fourni la longévité à haute température et l'immunité électromagnétique nécessaires pour fournir une surveillance et un contrôle fiables et cohérents de la température dans les opérations de fusion de cuivre ESP par voie humide à Kansanshi, a déclaré la société.

Oosthuizen rapporte qu'après 11 mois de service, les capteurs à fibre optique Accelovant fonctionnaient comme demandé et permettaient un contrôle entièrement automatisé des ESP. « Au cours des années où les ESP ont fonctionné, nous n'avons jamais été en mesure de fonctionner sans qu'un capteur ne tombe en panne pendant une période aussi longue », a-t-il noté.

La stabilité des capteurs Accelovant a finalement permis une gestion automatisée des températures des flux et éliminé certains des défis opérationnels de l'usine.

Mumba a ajouté : « Les capteurs Accelovant ont augmenté notre efficacité en éliminant le réglage manuel de la température - un processus qui pourrait prendre plusieurs itérations pour obtenir les résultats souhaités. Ils offrent une fiabilité qui nous permet de concentrer notre temps sur d'autres sujets.