Brevet FR2010046A1 — publié le 19700213

L'invention concerne une installation à double récupération combinée de chaleur pour la production d'énergie électrique dans une centrale électrique à récupération partielle, couplée avec une installation de fabrication d'alumine selon le procédé 5 Bayer. En bref, le procédé Bayer consiste à attaquer à chaud la bauxite par la soude caustique de manière à faire passer en solution l'alumine sous forme d'aluminate de sodium, à séparer la solution des parties insolubles (boues rouges), et, ensuite, à 10 précipiter l'alumine de la solution dans des décanteurs appropriés en abaissant la température et la dilution de la solution tout en ensemençant la solution à décanter avec des germes cristallins d'alumine» Il est nécessaire d'observer ici que, dans la nature, l'alu-15 aine, se présente sous diverses formes hydratées et que dans les bauxites elle est généralement présente aussi bien sous forma de aonohydrate que sous forme de trihydrate 0 Ge dernier est plus facilement soluble et c'est pourquoi il est extrait et passe en solution sous l'aetion de la soude caustique à une tem-20 pérature d'au moins 150°0, tandis que le monohydrate est moins soluble et que la température d'attaque doit atteindre au moins 200°0 pour que l'on obtienne une extraction raisonnablement élevée de l'alumine monohydratée. C'est pour cette raison que la température d'attaque caus-25 tique à chaud de la bauxite, qui était maintenue autrefois aux environs de 180°0, est maintenue dans les installations modernes et actuelles à une température plus élevée, atteignant et dépassant 230°C. On rend ainsi exploitables industriellement même les bauxi-30 tes européennes ayant une teneur notable en alumine monohydratée. Pour obtenir une température d'attaque caustique de 230°G, on utilise de la vapeur d'eau sous pression, qui doit donc être à une pression absolue d'au moins 30 atmosphères et en général, 35 atteint même des pressions de l'ordre de 40 atmosphères absolues. A son tour, la soude caustique utilisée pour l'attaque à chaud de la bauxite se trouve notablement diluée après la précipitation de l'alumine et pour pouvoir la réutiliser, il est 69 18069 a 2010046 nécessaire de la concentrer par appor-t de chaleur. On effectue la concentration de diverses façons avec des évaporateurs à multiples effets dans lesquels l'agent de chauffage est constitué par la vapeur d'eau. 5 Les considérations précédentes indiquent clairement que des quantités de chaleur notables et même très notables entrent en g eu et que souvent elles ne sont pas exploitées pleinement, ce qui augmente le prix de revient de l'alumine. Jusqu'à présent, on a étudié et mis en oeuvre des systèmes 10 variés visant à réduire les deux: consommations susdites de chaleur et par suite le coût du produit ; ces systèmes économisées qui sont bien connus dans la technique et qui ont réalisé une diminution de la ©onsommation spécifique de vapeur atteignant 2 kg de vapeur par IdLlograïame d'alumine, comportent en 15 même temps des pressions de vapeur égales ou supérieures à 35 atmosphères absolues. Il est bien connu, qu'une tendance moderne dans les établissements et installations industrielles de dimensions importantes est d'assurer de façon autonome la production des besoins 20 en énergie électrique. A ce point de vue, il est utile de signaler que spécialement dans le cas à'industries chimiques et métallurgiques lourdes, dans lesquelles il existe un besoin de chaleur sous forme de vapeur d'eau sous pression, et un besoin élevé d'énergie électrique, on a trouvé avantageuses les cen-25 traies thermo-électriques à récupération partielle, aussi bien en.comparaison des centrales usuelles à condensation que de celles à récupération totale ou bien à contre-pression pure. Si l'on considère maintenant les valeurs susdites de la consommation spécifique de chaleur, relatives à des installa-30 tions de fabrication d'alumine par le procédé Bayer et si l'on évalue même grossièrement l'importance des économies possibles avec les centrales susdites, on trouve que l'énergie électrique éventuellement produite par récupération au moyen d'une centrale thermo-électrique à récupération partielle, même si on la 35 pousse au maximum en ayant recours à des générateurs complexes à dérivation et condensation avec de très hautes pressions de vapeur à l'admission à la turbine et des resurchauffes intermé-diaires, dépasse difficilement 0,65 kWh/kg d'alumine fabriquée, 69 18069 3 010046 compte tenu aussi de l'énergie fournie aux services auxiliaires de l'installation. Si l'énergie est produite avec une centrale à récupération totale, on atteint difficilement 70 % de la valeur susdite. 5 Enfin, il ne faut pas négliger le fait que l'énergie pro duite par une centrale électrique, thermo-électrique en particulier, est de l'énergie utile fournie aux consommateurs étrangers à l'installation. Il est donc évident que de l'énergie totale-produite il faut soustraire les pertes inhérentes 10 aux services auxiliaires, ou "bien multiplier par un rendement tenant compte de ceux-ci, qui peut approcher tout au plus 0,925 (valeur qui, pour des centrales de faible puissance et à plus forte raison à récupération totale, peut descendre à 0,875 et m$me à 0,85dl 15 Par suite» la récupération susdite représente 0,65 z 0,925 0,6 klh/kg d'alumine fabriquée. Etant donné les considérations précédentes, le but principal de l'invention est de fournir, dans une installation de fabrication d'alumine par le procédé Bayer comme ci-dessus, une 20 installation pour la double récupération de chaleur,aussi bien au réacteur d'attaque de la bauxite par la soude caustique qu'à l'éraporateur à multiples effets servant à concentrer la soude diluée et épuisée, cette chaleur récupérée étant cédée & l'eau d'alimentation du générateur de vapeur d'un groupe gé-25 nérateur thermo-électrique à récupération partielle. £11 particulier, dans une installation pour la fabrication d'alumine couplée à un ensemble générateur d'énergie électrique à récupération partielle comprenant un générateur de vapeur à très haute pression et un turbo-alternateur constitué par trois 30 étages à haute, moyenne, et basse pression^ l'installation de fabrication d'alumine selon le procédé Bayer comprenant essentiellement un réacteur à pression auquel on amène de la bauxite convenablement prétraitée, de la soude caustique concentrée à au moins 38° Baumé et de la vapeur d'eau tirée de l'étage à 35 moyenne pression du turbo-alternateur, et un ensemble évapora-teur à multiples effets pour la concentration de la soude caustique épuisée et diluée, alimenté par de la vapeur tirée de l'étage à basse pression du turbo-alteraateur et duquel on éva- 69 18069 2010046 eue de la soude caustique concentrée et de l'eau chaude de condensation, l'invention prévoit un premier circuit de récupération de chaleur qui comprend un premier système d'échange de chaleur au moyen duquel on cède de la chaleur à l'eau d'ali-5 mentation du générateur par échange thermique avec une autre eau de circulation chauffée (ou avec de la vapeur qui s'est formée) dans un serpentin situé dans le réacteur, par refroidissement de la masse de réaction Jusqu'à une température ne dépassant pas 100°C, un deuxième circuit de récupération com-10 prenant un deuxième système d'échange de chaleur dans lequel l'eau d'alimentation du générateur d'échange .thermique mentionné est chauffée par l'eau chaude de condensation précédemment mentionnée et provenant des différents effets et du condenseur de 1'ensemble évaporateur de concentration. ^5 L'avantage essentiel de l'invention réside, ainsi qu'il est évident, dans le fait que l'on diminue notablement la quantité de chaleur consommée pour la fabrication d'alumine, car à la chaleur récupérée ne correspond évidemment aucune consommation de combustible dans le foyer du générateur de vapeur- ue la 20 centrale thermo-électrique. Afin de préciser quantitativement l'ordre de grandeur des résultats avantageux obtenus par l'invention, relativement aux systèmes traditionnels, on peut observer ce qui suit : - Si l'on prend comme base les valeurs mentionnées plus haut 25 des consommations spécifiques de vapeur, on trouve par le calcul qu'avec une centrale thermo-électrique à récupération partielle il est possible d'obtenir 2,10 kWh d'énergie électrique de récupération par kilogramme d'alumine fabriquée, services auxiïaires compris et par conséquent 2,10 x 0,925 = 1,95 kWh/kg 30 d'alumine fabriquée si l'on tient compte du rendement des services auxiliaires de centrale. - Etant donné que 35 il est évident qu'à égalité d'énergie électrique produite par récupération avec les systèmes actuellement en usage dans les établissements de fabrication d'alumine, on devrait avoir une fabrication d'alumine au moins 3,25 fois supérieure. 69 18069 5 2010046 Un autre aspect notable de 11invention réside dans la consommation spécifique de vapeur par kilogramme d'alumine fabriquée. En effet, selon l'invention, il faut environ 5s5 kg de vapeur par kilogramme d'alumine, quantité obtenue au total 5 y compris ce qui est soutiré et envoyé aux diverses, pressions aux appareils consommateurs du processus de fabrication de l'alumine. Il pourrait donc sembler ques puisque ©e chiffre est supérieur à la valeur susdite de 2 kg de vapeur par kilogramme d'alumine fabriquée par les autres systèmes usuels, 10 les consommations spécifiques de chaleur correspondantes seraient aussi dans le même rapport. Selon l'invention, au contraire, les quantités totales de vapeur en Jeu, aussi bien dans l'attaque de la bauxite que dans la concentration de la soude caustique épuisée, sont en grande 15 partie récupérées ; en particulier, cette récupération est d,au moins 65 %■> quantité qui est cédée à l'eau dealimentation du générateur de la centrale électrique de sorte que l'on obtient une économie de consommation spécifique de chaleur qui est de 11ordre de 1150 kcal/kfh. 20 Dans le cas le plus déxa-voraûLe, donc si l'on admet qu'à d'égales consommations spécifiques de vapeur correspondent d'égales quantités de chaleur en Jeu, la consommation effective de chaleur devrait être de 0,35 x 5» 5 = 2 kg de vapeur /kg d'alumine fabriquée, soit une valeur qui, à la limite, égale êelle 25 des systèmes traditionnels mais qui, en pratique, est inférieure. Pour mieux préciser l'invention, on décrira maintenant un mode d'exécution préférentiel, à titre ds exemple non limitatif, à propos des dessins annexés sur lesquels î La figure 1 est une vue schématique de l'installation de 30 double récupération de chaleur couplée à une Installation de fabrication d'alumine et') la figure 2 est un détail de l'installation de la figure 1. Qa considérera d'abord la figure 1 s les appareillages composant l'installation de fabrication d'alumine par le procédé 35 Bayer et qui sont représentée ocaprennent un. réacteur d'attaque à chaud de la bauxite par la soude caustique, 10, alimenté de façon simplifiée par 11, tandis que l®on a indiqué par 12 et 13 les alimentations respectives en soude caustique concentrée A PAO ORIGINAL ' 69 18069 6 2010046 et en vapeur à pression moyenne» Du réacteur 10, on évacue par 34 la solution d'aluminate de sodium.et de soude épuisée et les boues roues, pour la séparation et la décantation qui suivant . -r On a encore représenté schématiquement un évap orateur à multiples effets 14 servant à concentrer la soude caustique épuisée, amenée par 15 et sortant sous forme concentrée et prête à la réutilisation dans le réacteur 10, par le conduit 16 qui aboutit en 12 ; par 1?9 la vapeur à basse pression 10 arrive et après avoir traversé le premier étage de 1 * évapora-teur, elle se décharge par 18 à une température peu supérieure à celle de la soude diluée. Du condenseur•42 du dernier effet se décharge par 19$ en même temps que toutes les autres condensations chaudes des autres évaporateurs , l,eau chaude déjà 15 mentionnée à propos du deuxième système d'échange et de récupération. L'ensemble générateur d'énergie électrique à récupération partielle 9 bien connu dans la technique, comprend un générateur de vapeur 20 qui alimente à" très haute pression le premier 20 étage dit aussi étage à haute pression 21 du turbo-alternatexir et ensuite, avec des réductions successives de pression de la vapeur, les étages respectivement à moyenne pression 22 et à basse pression 23 Jusqu'au condenseur 24. L'eau d'alimentation du générateur 20, prélevée au conden-25 sera? 24 par 25 (dans le cas particulier du schéma) se divise en deux courants qui, par 26 et 27* arriérent à deux échangeur-s de chaleur 28 et 29 dont les sorties respectives 30 et 31, parcourues par de la vapeur, se réunissent dans le conduit 32 qui alimente le générateur 20» 30 Sa considérant surtout l1 échangera? 28, on voit clairement que 1 * eau d'alimentation entrant par 2© est chauffée au moyen de l'eau chaude (ou encore de vapeur) provenant par le conduit 33 du serpentin d'échange thermique 54- placé convenablement à 1'intérieur du réacteur 10 de manière à échanger de la chaleur 355 avec la masse de soude ©austiques d'aluminate de sodium- en solution et de boues rouges» qui s'y trouve à la fin de la réaction c Ce serpentin 3''- est alimenté par de l'eau venant du conduit 35 à la sortie de 1'échangeur 28, Il est entendu que &AD ORIGINAL 69 18069 7 2010046 ce serpentin peut aussi être alimenté par un autre fluide d'échange thermique circulant en circuit fermé. Il est évident que dans cette forme, la récupération de chaleur du réacteur 10 se fait par intermittence, c'est-à-dire 5 lorsque s'achève l'attaque caustique à chaud de chaque charge de bauxite. toutefois, l'intermittence est presque éliminée si l'on dispose d'un nombre approprié de réacteurs en parallèle, nécessaires aussi à des productions non importantes d'alumine, conve-10 nàblement déphasés entre eux, ou bien si l'on a recours à des réacteurs continus desquels la masse qui a réagi passe dans des échangeurs cylindriques ou de tout autre type dans lesquels est situé le serpentin susdit. Qa considérera maintenant l'échangeur 29 ; l'eau d'alimen-15 tation du générateur 20 est chauffée dans celui-ci avec utilisation de la chaleur sensible de l'eau déchargée des divers effets de l'évaporateur multiple 14, cette eau étant amenée par le conduit 19 et étant envoyée, après passage dans l'échangeur 29, au condenseur 24 par le conduit 37. 20 On considérera maintenant la figure 2 qui montre plus complètement le mode d'exécution préférentiel de l'invention, indiqué schématiquement sur la figure 1 ; on a désigné les mêmes composants de l'installation par les mêmes références là où c'était possible. 25 Qa considérera avant tout le circuit fermé de l'échangeur 28 ; on voit qu'en amont et en aval de celui-ci sont prévus deux réservoirs ou poumons d'eau appelés respectivement 36 et 38» Se cette manière, l'eau accumulée dans le réservoir 38 et 30 à une température qui est même inférieure de plusieurs degrés à 100°0 est amenée, à la fin de l'attaque caustique à chaud de la bauxite, dans le serpentin 34 où elle se chauffe et se rend au (poumon 36 qui alimente l'échangeur 28. On considérera maintenant l'évaporateur à multiples effets 35 14 ; il comprend un premier évaporateur 39 auquel parvient de la vapeur à basse pression obtenue à 1 'extrémité aval de l'étage à moyenne pression du turbo-alternateur et qui se rend ensuite à la même pression d'admission à l'étage 23$ cette vapeur 69 18069 8 2010046 traversant tout l'effet 39 et se déchargeant ensuite par le conduit 18 dans un réservoir collecteur général d'eau et de condensations. On a prévu en outre deux autres étages à travers lesquels passe la solution de soude caustique qui se concentre ^ de plus en plus à des pressions décroissantes tandis que l'eau de condensation est amenée au conduit 19 d'alimentation de l'échangeur 29. La soude concentrée qui sort par l'échappement 16 du dernier effet est recueillie dans un réservoir 40 duquel elle est envoyée par le conduit 12 au réacteur 10. Comme indi-10 qué en pointillé, dans le conduit 12 peut être intercalé un échangeur de chaleur 41 dans lequel la soude caustique concentrée est préchauffée au moyen de vapeur à moyenne pression soutirée à l'étage 22 du turbo-alternateur. A l'évaporateur 14 est associé un condenseur généralement 15 à mélange 42, déjà mentionné, servant à condenser la vapeur d'eau du dernier effet. On considérera le circuit d'alimentation du générateur de vapeur 20 5 on a représenté différents échangeurs 43, 44, 45 et 46, en série avec l'échangeur 29, qui préchauffent encore 2o l'eau d'alimentation du générateur 20 au moyen de vapeur soutirée aux étages 22 et 23 à moyenne et basse pression du turboalternateur. On a prévu également un échangeur 47 en série avec l'échangeur 28 et alimenté par de la vapeur à basse pression soutirée à l'étage à basse pression 23. 25 Dans le conduit 32 d'alimentation du générateur 20 est prévu un dé gazeur 48 du type usuel dans les installations ther-mo-électriques à vapeur, qui alimente un groupe d'échangeurs en série 49, 50 et 51 alimentés par de la vapeur soutirée aux étages à haute et moyenne pression 21 et 22 du turbo—alternateur. 50 Enfin, on a prévu les resurchauffeurs usuels 52 et 53 et en aval du condenseur 24, une installation 54 pour le conditionnement des condensations prélevées au condenseur. H est évident que l'installation de la figure 2 & été décrite sommairement étant donné qu'elle n'est pas prévue pour limiter l'invention 55 mais seulement pour en illustrer les principes. Par exemple, les deux circuits d'échange thermique de récupération pourraient être disposés en série entre eux, auquel cas il n'y aurait pas subdivision du courant d'amenée d'eau au générateur de vapeur. En outre, on peut les relier en série ou en parallèle 40 £UX échangeurs de. chaleur des soutirages® 18069 9 2010046 HîTÏNtICllIOIS 1.- Installation de production d'énergie électrique à double récupération de chaleur couplée avec une installation de fabrication d'alumine selon le procédé Bayer et comprenant une centrale thermo-électrique à récupération partielle, caractérisée par le fait qu'il existe un premier dispositif d'échange thermique dans lequel un premier courant d'eau d'alimentation du générateur de vapeur du turbo-altemateur est chauffé par échange de chaleur avec tin fluide après le passage de ce dernier en relation d'échange thermique avec la masse résultant de l'attaque caustique à chaud, et un deuxième dispositif d'échange thermique dans lequel un deuxième courant d'eau d'alimentation du générateur est chauffé par échange de chaleur avec de l'eau chaude déchargé© de l'ensemble évaporateur de concentration de la soude caustique. 2.- Installation selon la revendication 1, dans laquelle le réacteur d'attaque caustique à chaud est alimenté par de la bauxite, de la soude caustique concentrée à au moins 30° Bauaé et de la vapeur d'eau, caractérisée par le fait que le chauffage de la masse qui doit réagir est effectué par de la vapeur d'eau à moyenne pression soutirée à l'étage correspondant à moyenne pression du turboalternateur, la masse étant portée à une température de 1S0°G-230o0s et que dans le réacteur est prévu ua. serpentin d'échange'thermique faisant partie d'un circuit fermé comprenant en outre un échangeur de chaleur et dans lequel circule un fluide d'échange thermique qui, dans ce serpentin, reçoit de la chaleur de la masse qui a- réagi tandis que dans l'échangeur, c® fluide cède de la chaleur au premier courant d'eau d'alimentation du générateur de vapeur. 3.- Installation selon la revendication 2,4ans laquelle le fluide d'échange thermique es'fe l'eau et que dans le circuit fermé sont prévus deux réservoirs, respectivement en amont et en aval de l'échangeur0 4.- Installation selon la revendication 19 dans laquelle le deuxième dispositif d'éehszigô thermique comprend un échangeur de chaleur dans lequel le deuxième coursât dfean d'alimsitetioa du générateur passe en relation d'échange thermique avec un courant d'eau chaude déchargé© du dernier étage de l'évaporateur BAD ORIGINAL 69 18069 10 2010046 multiple de concentration de la soude caustique épuisée et diluée et des étages précédents« 5®- Installation selon la revendication 4, dans laquelle la soude concentrée à la sorti© de 10évaporateur est ammaga-r sinée dans xm réservoir par lequel est alimenté le réacteur d'attaque de la "bauxite, la soude concentrée étant préchauffée avant l'entrée su réacteur dans un échangeur de chaleur alimenté par de la vapeur à moyenne pression soutirée à l'étage à moyenne pression du turbo-altemateur. "«G 6.- Installation selon les revendications 1 à 5» dans laquelle 1© premier effet dé l'évaporateur est alimenté par de la vapeur à "basse pression soutirée à l'étage correspondant du turbo-altemateur. 7«- Installation selon les revendications 1 et 2, dans 15 laquelle la masse qui a réagi est refroidie par le fluide qui passe dans le serpentin à une température non supérieure à 100°C. 6o- Installation selon les revendications 1 à 7? dans laquelle l'échangeur du premier circuit de récupération est 20 relié en série à un échangeur élimenté par de la vapeur soutirée à l'étage à basse pression du turbo-alternateur0 9*- Installation selon les revendicatiors 4 à 8, dans laquelle l'échangeur du deuxième dispositif d'échange thermique est relié en série à deux ou plusieurs échangeurs alimentés 25 par de la vapeur soutirée aux étages à moyenne et basse pression du turb o-aiternateur• bad original