Auto-échauffement des sulfures : risques, atténuation et prévention

Le phénomène d’auto-échauffement

L’auto-échauffement est défini comme une augmentation de la température des matériaux contenant des minéraux sulfurés, causée par la chaleur accumulée produite par des réactions exothermiques internes. En bref, les mélanges de minéraux contenant des sulfures (dans les minerais, les concentrés, les roches stériles, les résidus, les remblais en pâte, etc.) peuvent réagir avec l’humidité et l’air pour produire de la chaleur et d’autres sous-produits potentiellement toxiques. Ces réactions, si non contrôlées, peuvent présenter des risques graves pour une exploitation.

Le phénomène d’auto-échauffement peut être divisé en trois stades de chauffage :

• Stade A (altération) : Se produit à des températures inférieures à 100 °C.
• Stade B (oxydation) : Se produit à des températures entre 100 °C et 350 °C environ.
• Stade C (combustion) : Se produit à des températures supérieures à 350 °C environ.

Le comportement thermique d’un matériau durant ces étapes est influencé par des facteurs comme sa minéralogie, sa teneur en oxygène, sa teneur en humidité et la taille de ses particules, ainsi que la température et l’humidité relative ambiantes. Comme le stade C se produit à des températures supérieures au point d’allumage du matériau, il s’agit avant tout de comprendre et de contrôler l’échauffement du matériau aux stades A et B afin d’éviter qu’il ne s’enflamme.

Au stade A, les réactions thermiques sont de nature électrochimique et nécessitent un site cathodique et un site anodique pour se produire. Par conséquent, un mélange d’au moins deux sulfures est nécessaire pour que le chauffage se produise à ce stade. L’exception à cette règle est la pyrrhotite, qui peut se présenter sous deux formes, hexagonale et monoclinique, et entraîner à elle seule des réactions de chauffage de type stade A. Dans les réactions au stade A, l’oxygène et l’eau réagissent avec les matériaux sulfurés pour produire du soufre élémentaire. Ce processus est exothermique et produit de la chaleur. Lorsque la matière approche du point d’ébullition de l’eau, l’eau qu’elle contient commence à s’évaporer et la matière s’assèche, ce qui ralentit les réactions à ce stade. Cependant, le chauffage et le séchage de la matière permettent aux réactions du stade B de commencer.

Au stade B, le soufre élémentaire est oxydé et forme du dioxyde de soufre (SO₂). Comme cette réaction nécessite du soufre élémentaire, le potentiel de chauffage d’un matériau au stade B est généralement proportionnel à son potentiel de chauffage au stade A. Cette réaction est encore plus exothermique que les réactions au stade A, et la vitesse de chauffage d’un matériau au stade B est généralement supérieure à sa vitesse au stade A jusqu’à ce que tout le soufre élémentaire présent soit oxydé.

Risques liés à l’auto-échauffement et mesures d’atténuation

Si elle n’est pas dissipée, la température d’un matériau auto-échauffant peut atteindre des centaines de degrés. L’auto-échauffement peut également causer l’appauvrissement du niveau d’oxygène dans les espaces clos, l’émission de gaz toxiques comme le H₂S and SO₂, l’inflammation spontanée du matériau et, dans le cas de minerais ou de concentrés, une dégradation de la qualité du produit. Outre l’incidence possible des phénomènes d’auto-échauffement sur les dépenses en immobilisations (CAPEX) et d’exploitation (OPEX), il existe un risque pour la sécurité des travailleurs et pour l’environnement local. Le fait de ne pas reconnaître et gérer ces risques peut être considéré comme un manque de diligence raisonnable. En outre, une gestion efficace de ces risques peut présenter des avantages considérables en matière de dépenses en immobilisations et d’exploitation par rapport à une solution inefficace.

Le déplacement, le stockage et la manipulation de matériaux présentant un risque d’auto-échauffement peuvent être effectués en toute sécurité si l’on comprend d’abord le niveau de risque avant d’appliquer des mesures de contrôle technique appropriées. À noter qu’il n’existe pas de solution unique pour atténuer toutes les situations de risque. Les contrôles peuvent prendre la forme de méthodes d’exploitation et d’une surveillance appropriée; de l’élimination de l’humidité ou de l’oxygène du matériau ou de l’environnement; de l’ajout d’agents chimiques pour consommer le combustible de réaction ou d’une conception appropriée des installations techniques pour le stockage et la manipulation du matériau. Dans certains cas, il est même possible de modifier la méthode d’extraction ou de traitement afin de changer la composition des mélanges de minéraux. L’essentiel est de comprendre d’abord le risque posé par la matière et par sa chaîne de manutention.

Comment prévenir l’auto-échauffement dans son exploitation

Au moment de concevoir une nouvelle exploitation ou d’analyser une exploitation actuelle afin de réduire au minimum le risque d’auto-échauffement, il convient de rechercher les risques d’auto-échauffement existants. BBA dispose d’un laboratoire d’essai spécialisé dans lequel nous effectuons des essais des matériaux auto-échauffants (MASH) à l’aide des instruments d’essai FR-2 éprouvés mis au point par Rosenblum, Nesset et Spira.

Une fois que l’on connaît les propriétés d’auto-échauffement d’un matériau, on peut examiner la probabilité d’un événement d’auto-échauffement à chaque étape de la chaîne de manutention et mettre en place des contrôles appropriés aux étapes présentant un risque élevé. Souvent, un matériau très réactif exige que l’infrastructure de manutention soit conçue spécialement pour atténuer le risque posé par l’auto-échauffement. Les bâtiments de stockage, les goulottes de transfert et les bacs de stockage sont des zones critiques qui nécessitent une conception minutieuse.

Grâce à sa vaste expérience dans les domaines de la planification minière, de la métallurgie, du traitement des minerais et de la manutention des matériaux, l’équipe de BBA est en mesure de mettre au point des solutions d’atténuation pour les situations les plus complexes, que ce soit en terrain vierge, en friche industrielle ou dans le cadre d’un projet de modernisation. Nous avons à notre disposition une vaste base de données d’essais antérieurs sur une variété de matériaux, qui peuvent être utilisés pour effectuer des analyses comparatives. BBA possède les capacités et l’expertise nécessaires pour réaliser la conception détaillée ou la modernisation des infrastructures de manutention, comme les bacs et les goulottes, afin de les adapter à un matériau réactif. Nos experts chevronnés ont conçu de nombreux systèmes de manutention pour des matériaux auto-échauffants. Nous pouvons également vous conseiller sur la conception et l’analyse des données pour les études pilotes.

En raison de sa vaste expertise en matière d’auto-échauffement et de ses installations uniques d’essai, BBA est particulièrement apte à aider ses clients à comprendre le risque d’auto-échauffement de leurs matériaux et à les guider vers des solutions qui réduiront au minimum les dangers durant le déplacement, le stockage et la manipulation. Si vous êtes intéressé par l’un des services ci-dessous, n’hésitez pas à communiquer avec Patrick Beaulieu (patrick.beaulieu@bba.ca) ou avec Kevan Ford (kevan.ford@bba.ca) pour obtenir plus de renseignements.

• Évaluation des matériaux pour les essais d’auto-échauffement et analyse des résultats
• Évaluation des risques d’auto-échauffement pour les exploitations existantes ou les nouveaux projets
• Conception et analyse des données des études pilotes sur l’auto-échauffement sur les sites des clients
• Conception détaillée de l’infrastructure de manutention relative à l’auto-échauffement
• Ingénierie des procédés pour l’atténuation des risques
• Formation de sensibilisation à l’auto-échauffement pour le personnel d’exploitation et technique
• Solutions d’atténuation de l’auto-échauffement
• Études fondamentales sur le choix des additifs chimiques