Brevet FR2455093A1 — publié le 19801121

La présente invention a pour objet un procédé de captage des fumées, gaz et poussières produits lors de la fabrication de l'aluminium dans une cuve d'électrolyse ignée à anode continue ainsi qu'un appareillage mettant en oeuvre ce procédé. Elle intéresse le secteur de la métallurgie de l'aluminium par électrolyse de l'alumine et, plus particulièrement, celui du captage des effluents dégagés en cours d'électrolyse. Une cuve d'électrolyse ignée à anode continue, dite "Soederberg" comprend un caisson parallélépipédique ouvert sur sa face supérieure et dont le fond, formé par des barres métalliques portant des blocs carbonés reliés par un pisé, constitue la cathode. Ce caisson contient un bain d'électrolyse constitué par de l'alumine dissoute dans de la cryolithe, porté à une température comprise entre 950 et 9800C environ. Dans ce bain plante une anode unique constituée par une pâte carbonée entourée d'une gaine métallique ; dans cette pâte sont enfoncés des goujons fixés à des barres conductrices constituant à la fois le support mécanique et le moyen d'alimentation en énergie électrique de l'anode. Lorsqu'un courant électrique traverse la cuve, l'alumine se décompose en aluminium formant un bain métallique qui recouvre la cathode, et en oxygène qui se dégage sur l'anode et en provoque la combustion progressive. La pâte carbonée constituant l'anode est cuite au cours du fonctionnement de la cuve, sous l'effet de la température du bain d'électrolyse et de 11 effet Joule ; la partie inférieure de la masse se cokéfie, tandis que la partie supérieure se ramollit. Au fur et à mesure que la partie inférieure cokéfiée est brûlée par l'oxygène, il est nécessaire de faire glisser vers le bas la masse carbonée afin de maintenir constante la distance anode-cathode. De ce fait, on est amené périodiquement à arracher les goujons et à les replanter à un niveau supérieur et à rajouter de la pâte crue à la partie supérieure de l'anode. La décomposition électrolytique de l'alumine entraîne une diminution de sa teneur dans le bain d'électrolyse. Lorsque cette teneur tombe au-dessous d'une valeur limite, le fonctionnement de la cuve est modifié, la cryolithe est décomposée, provoquant la formation d'un film gazeux qui isole l'anode : la cuve est polarisée. On y remédie en la rechargeant en alumine et en chassant le gaz : c'est le déballage. La combustion de 1' anode provoque une emission d'effluents composés de gaz tels que le gaz carbonique, ltoxyde de carbone, l'anhydride sulfureux, l'acide fluorhydrique gazeux, et de particules de carbone, d'alumine et de composés fluorés. Les fumées sont collectées par un circuit dit "primaire" constitué par une jupe, conduit ouvert vers le bas, fixée à la gaine de l'anode et qui court tout le long de cette gaine. A au moins l'une des extrémités de la cuve, appelées "tetes", les fumées captées par cette jupe sont envoyées dans un ou deux brûleurs où les particules charbonneuses sont brûlées en même temps que l'oxyde de carbone. Après combustion, les fumées sont aspirées dans un circuit de traitement. Au cours de l'électrolyse, le bain fondu dégage des fumées fluorées entraînant des particules d'alumine. Lorsque la cuve se polarise, un fort dégagement des produits fluorés, entraînant de l'alumine en poudre, vient s'ajouter à ces fumées. Il n'a pas été possible, jusqu'à présent, d'aspirer dans le circuit primaire la totalité de ces fumées dégagées par l'électrolyse, de sorte qu'une partie non négligeable se dégage dans l'atmosphère de l'atelier, entraî- nant la nécessité d'épurer cette dernière avant de la rejeter au dehors. Comme cet air, de volume très important, est à très faible teneur en éléments nocifs, cette épuration nécessite des installations volumineuses et coûteuses, tout en restant imparfaite. De plus, l'atmosphère de l'atelier rend le travail pénible. Le brevet FR 2 278 783 au nom de la société ALUMINIUM PECHINEY décrit un procédé de captage des gaz et fumées émis par les cuves d'électrolyse à anodes continues, caractérise par l'installation d'un capotage, en partie fixe et en partie mobile, permettant de capter dans un circuit séparé, dit secondaire, les émissions gazeuses non captées par le circuit dit "primaire" et par la séparation des deux circuits de captation, l'un, primaire, collectant les gaz émis par l'anode au moyen d'un circuit de jupes à la périphérie de l'anode, l'autre, secondaire, permettant de capter les gaz non collectés par le premier circuit. L'avantage principal de cette invention est de capter les fumées sur une cuve d'un atelier et non pas sur la totalité de l'air de l'atelier ; de ce fait, l'épuration est plus efficace et moins coûteuse. Cependant, ce type d'installation présente à l'usage quelques inconvénients auxquels il y a lieu de pallier. En effet, le capotage d'une cuve à anode continue nodifie les échanges thermiques et demande la recherche d'un équilibre différent. Ce nouvel équilibre rend l'anode plus sensible et les incidents d'anodes ont tendance à augmenter si l'on ne procède pas à un contrôle systématique et préventif. Par ailleurs, les opérations normales d'exploitation de la cuve doivent se pratiquer avec les capots levés. L'objet de la présente invention est un procédé et un appareillage pour le captage des effluents produits lors de la fabrication de l'aluminium dans une cuve d'électrolyse ignée à anode continue qui obvie à ces inconvénients et permet, par voie de conséquence, d'améliorer considérablement - le niveau d'émission en fluor de la cuve, - le captage au niveau de la cuve elle-même, r le niveau de rejet dans l'atmosphère de l'atelier et dans son environnement, - les résultats techniques des cuves exploitées selon l'invention. Dans tout ce qui suit, nous conviendrons de désigner par "effluents't toutes les émissions de la cuve, gaz, fumées et poussières. Le procédé, objet de la présente invention, consiste à disposer, sur la périphérie de la gaine d'anode, en partie basse, et à une faible distance au-dessus du bain d'électrolyse, une jupe avec laquelle le talus qui se forme spontanement par le figeage du bain d'électrolyse au contact des parois latérales froides du caisson, vient en contact, formant ainsi une croûte solide qui recouvre le bain d'électrolyse. On assure l'étanchéité entre cette croûte et la jupe par recouvrement permanent d'alumine.On capte, d'une part, dans un circuit principal, débouchant sous la croûte, les effluents provenant directement du bain d'électrolyse et qui représentent, en moyenne, au moins 90 % et, le plus souvent, au moins 95 % des émissions de la cuve, et, d'autre part, dans un circuit auxiliaire, situé au-dessus de la croûte, les effluents qui auraient pu s'échapper au travers de la croûte ou à la jonction de la croûte et de la jupe et qui représentent, en moyenne, moins de 10 t et, le plus souvent, moins de 5 % des émissions de la cuve. On peut, en particulier, effectuer le captage des effluents du circuit principal en un point situé à 1 'une des têtes de la cuve. Le captage auxiliaire, par contre, est effectué par un moyen d'aspiration situé à la périphérie de la gaine d'anode, et relié à un conduit d'aspiration. Le maintien permanent de l'étanchéité de la croûte implique que l'on renonce aux procédés habituels d'alimentation en alumine de la cuve, qui consistent à briser la croûte le long des deux grands côtés, au moyen de piqueurs mobiles ou de roues piqueuses, disposées sur un engin automoteur ou sous un pont roulant ou sous un portique mobile. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention implique une alimentation ponctuelle en alumine, comportant un moyen de perçage de la croûte et un moyen d'introduction dans la cuve d'une quantité prédéterminée d'alumine, pre- levée dansunnrsen de stockage, et à une cadence prédéterminée ou déterminée par un calculateur en fonction de certains parametres qui reflètent la marche de la cuve. Par ce système, la concentration en alumine du bain est en permanence contrlée, ce qui permet à la fois d'assurer une marche optimale de l'élec- trolyse du bain, de diminuer le nombre d'emballages (polarisation de l'anode) et d'assurer un régime permanent d'émission de gaz, favorable pour assurer le rendement optimal de captage des effluents. L'appareillage, pour la mise en oeuvre du procédé, et qui est également un objet de l'invention, comporte une jupe, disposée à la périphérie de la gaine d'anode, en partie basse, et à une faible distance au-dessus du bain d'électrolyse, un circuit de captage principal comportant un brûleur n'uni d'orifices d'arrivée d'air et raccordé à un tube de collecte et d'aspiration et un circuit de captage auxiliaire, comportant un moyen d'aspiration, situé à la périphérie de l'anode, et raccordé à un tube de collecte, ce moyen pouvant être un profilé creux muni d'orifices à sa partie inférieure. Il comporte, en outre, un moyen de stockage de l'alumine, un moyen d'introduction, à une cadence réglable, d'une quantité dosée d'alumine et un moyen de perçage de la croûte indépendant du moyen d' introduction de l'alumine. Le dispositif d'alimentation peut être disposé soit latéralement le long de la cuve, soit sur les têtes. On peut notamment prévoir un point d'alimentation sur chacun des grands côtés de la cuve, ou un ou deux points d'alimentation sur un seul côté, ou encore sur l'une ou l'autre ou sur les deux têtes de la cuve, en fonction des particularités de chaque type de cuve. L'alumine pourra être stockée soit dans une ou plusieurs trémies attenantes à la cuve, soit être transportée dans des conditions fluidisées (aéroglissières) à partir d'une unité de stockage commune à plusieurs cuves. La position du piqueur par rapport au talus est déterminée en fonction de chaque type de cuve, de façon que l'introduction d'alumine soit effectuée, de préférence, dans la zone où les courants de circulation du bain d'électrolyse assurent la dispersion et la mise en solution la plus rapide de l'alumine. L'invention ainsi définie est expliquée à partir d'un exemple illustré par les figures jointes. Les figures 1 et 2 sont des croquis permettant de faire comprendre le principe de l'invention La figure 1 est une coupe de la cuve par un plan transversal vertical. La figure 2, une coupe d'une tête de cuve par un plan vertical longitudinal. Les figures 3 à 6 représentent un- exemple de réalisation La figure 3 est une élévation latérale partiellement coupée. La figure 4 est une vue en plan de l'ensemble d'une cuve équipée de deux trémies et de deux ensembles piqueur-doseur. La figure 5 est une coupe dans le plan vertical du piqueur montrant à la fois le dispositif de piquage et la forme du talus et de la croûte d'alumine prolongeant ce talus jusqu'au circuit de jupes. La figure 6 est une coupe dans le plan vertical du doseur ; on y voit le profil du capotage au droit de l'ensemble piqueur-doseur et le conduit d'aspiration secondaire. Sur ces figures, les mêmes éléments sont représentés par les mêmes repères. La cuve d'électrolyse d'alumine à anode continue, dite Soederberg, comprend un caisson (1) dont le fond (2) est conducteur et constitue la cathode. L'anode est constituée par une masse carbonée (3) contenue dans une gaine (4) ouverte sur ses deux bases horizontales. Dans la masse carbonée sont plantés des goujons (5). Chacun de ces derniers est serré par une pince (6) contre une barre (7) conductrice de courant électrique. Ces barres, en général au nombre de deux, sont disposées longitudinalement au-dessus de la cuve et servent à la fois à l'alimentation électrique et à la suspension mécanique de 1' anode. Elles sont suspendues à une superstructure (8), un moteur (9) permettant de les déplacer en translation verticale afin de mieux faire descendre dans la gaine (4) la masse carbonée (3) au fur et à mesure de la combustion de sa partie inférieure.Le caisson (1) contient un bain d'électrolyse (10) dont la température comprise entre 950 et 980du assure la cuisson de la masse carbonée. Au contact des parois latérales froides du caisson, le bain d'électrolyse se fige, constituant un talus isolant (11) qui forme calorifuge. La surface du bain est elle-même figée et constitue une croûte très dure, que l'on maintient constamment recouverte d'alumine. L'alimentation du bain d'électrolyse en alumine s'opère en venant régulièrement percer un trou dans la croûte et en y introduisant une dose contrôlée d'alumine. A la partie inférieure de la gaine est fixé le circuit principal comprenant une jupe continue (12) qui en fait le tour. Cette jupe collecte les produits de combustion de l'anode. Sur l1une au moins des tetes de cuve, cette jupe débouche sur un brûleur (13) qui se présente sous la forme d'un tube convergent-divergent pourvu de perforations (14) d'arrivée d'air et qui assure la combustion de poussières charbonneuses et des gaz combustibles récoltés par la jupe. Les gaz brulés sont aspirés dans un tube de collecte (15). D'autres poussières et d'autres produits gazeux sont émis par la surface du bain d'électrolyse. Une partie très faible de gaz et de poussières est émise au droit du trou de piquage (16). Ceux-ci sont maintenus à l'intérieur d'un capotage léger (17) et aspirés dans le circuit auxiliaire (18). Mis à part les deux trous pratiqués par les piqueurs, la croûte d'alumine formée entre le bas de gaine (12) et le talus (11), permet une absorption du fluor. En cas de fuites légères le long du circuit (12), les gaz sont aspirés par le conduit secondaire (18) sur toute la périphérie du circuit (12). Avec ce système, le bain (10) ne se trouve jamais en contact avec l'atmosphère de la salle et, par voie de conséquence, l'émission en fluor de la cuve chute considérablement. Les gaz et poussières ne polluent absolument pas l'ambiance autour de la cuve et sont tous aspirés dans les circuits (15) et (18). Selon l'invention, on réalise un ensemble de piquage (19) situé latéralement le long de la gaine et fixé sur le marche pied qui supporte le collecteur (18). A l'extrémité de cet ensemble, se trouvent la pointerolle (21) et le racleur (22). A côté du piqueur (19) et, disposé sensiblement dans le même plan vertical, on trouve le dispositif de dosage d'alumine (23) prolongé par un dispositif de distribution (24) permettant d'introduire l'alumine de façon précise dans le trou pratiqué par le piqueur. Ces ensembles (19) et (23) sont encastrés dans une trémie (25) formant réservoir d'alumine. Cette trémie doit être disposée de façon à éviter tout problème thermique sur l'anode (3) au droit de celle-ci. La cuve ainsi équipée et alimentée en alumine de qualité "pour électrolyse", c'est-à-dire à forte réactivité et grande surface spécifique, permet d'obtenir un rendement de captage (fluor total capté/fluor total émis) supérieur à 95 %. Les gaz captés peuvent être traités selon divers procédés d'épuration connus permettant ou non le recyclage des produits fluorés. Le procédé d'épuration peut être par voie sèche sur lit d'alumine également. L'atmosphère de l'atelier avec un tel procédé selon l'invention est pratiquement exempte de gaz, de fumées et de poussières provenant de la cuve en exploitation normale. Les phénomènes de polarisation de l'anode sont contrôlés grâce à un ordinateur de contrôle qui règle le cadencement des piqueurs et l'alimentation en alumine du bain. Chaque cuve peut également être réglée individuellement par un dispositif local, construit autour d'un microprocesseur par exemple. Le déballage s'opère sans intervention humaine et de façon automa- tique. L'ensemble des résultats techniques sont considérablement améliorés comme le montre l'exemple industriel ci-après. EXEMPLE : Seize cuves ont été construites selon le procédé de l'invention par la Société ALUMINIUM PECHDNEY. Les caractéristiques techniques sont conformes à la description précédente. De plus, ces cuves ont fonctionné avec une formulation de pâte d'anode particulière permettant de réduire également les émissions de produits carbonés dans l'atmosphère de l'atelier (goudrons, pyrobenzène, oxyde de carbone). De ce fait, l'atmosphère générale de l'atelier est quasi parfaite. Ces cuves ont fonctionné pendant une période d'un an avec - Intensité : 105 KA - Tension moyenne : 4,30 V - Faraday :y 90 o - Kwh/t : 14500 en basse tension Au niveau des émissions, le fluor total émis par les cuves dont le bain était maintenu entre 8 et 10 % A1P3 s'est situé au niveau de 25 kg/tonne. Le rendement de captage total a été de 95 % avec un taux de captage (circuit principal/émission cuve) supérieur à 90 t. De ce fait, compte tenu du rendement de l'installation d'épuration le niveau de rejet total dans l1atmosphère se situe à un niveau inférieur à 1,5 kg de fluor par tonne d'aluminium qui représente la valeur la plus basse obtenue jusqu'à présent dans ce type de cuve. La mise en oeuvre de l'invention telle qu'elle vient d'être décrite, permet d'assurer au moins 90 t du captage des effluents et, en particulier, des composés fluorés, par le circuit principal, alors que cette proportion ne dépasse généralement pas 70 % dans les dispositifs actuellement en usage et, du fait d'une faible dilution des effluents par l'air extérieur, limitée à la seule nécessité d'assurer la combustion du monoxyde de carbone dès sa sortie de la cuve, dans le bruleur (13), le volume total de gaz traités par les dispositifs d'épuration est réduit dans une proportion considérable, et peut être ramené, par exemple, à 300 litres par seconde, pour une cuve de 100.000 ampères au lieu de plus de 1.000 litres actuellement. Au total, la mise en oeuvre de l'invention permet des simplifications et des améliorations très importantes - dans le dessin des cuves d'électrolyse (suppression des capots et des méca nismes de levage), - dans le dessin des appareils d'épuration des gaz (réduction dans un rapport d'au moins 3 à 4/1 des volumes à traiter), - dans l'efficacité des appareils d'épuration (gaz plus concentrés en produits fluorés à récupérer), - dans la conduite des cuves, par un meilleur équilibre thermique des anodes (du fait de la suppression des capots), par une suppression presque totale des emballages, par une grande régularité de marche dûe au chargement caden cé et ponctuel de l'alumine, - dans la protection de l'environnement et du personnel contre les rejets de fluor. REVENDICATIONS 1 / - Un procédé pour le captage des effluents produits lors de la fabrication de l'aluminium dans une cuve d'électrolyse à anode continue, constituée d'une masse carbonée entourée d'une gaine métallique, et plongée dans un bain d'électrolyse contenu dans un caisson rectangulaire dont les deux extrémités suint appelées "têtes" et dont le fonrmé de blocs carbonés constituant la cathode, le bain d'électrolyse figé au contact des parois latérales du caisson formant un talus isolant, caractérisé en ce que l'on dispose sur la périphérie de la gaine d'anode, en partie basse, et à une faible distance au-dessus du bain d'électrolyse, une jupe avec laquelle le talus vient en contact, formant ainsi une croûte qui recouvre le bain d'électrolyse, en ce que l'on assure l'étanchéité de ce recouvrement par une couche d'alumine, et en ce que l'on capte, d'une part, dans un circuit principal, les effluents provenant directement du bain d'électrolyse et, d'autre part, dans un circuit auxiliaire, les effluents qui auraient pu s'échapper par les fuites ou fissures de la croûte. 2 / - Un procédé pour le captage des effluents selon revendication 1, caractérisé en ce que le captage des effluents du circuit principal est effectué en un point situé à l'une des têtes de la cuve. 30/ - Un procédé pour le captage des effluents selon revendication 1, caractérisé en ce que le captage des effluents du circuit principal est effectué à chacune des têtes de la cuve. 4 / - Un procédé pour le captage des effluents selon revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les effluents du circuit principal passent dans un brûleur muni d'orifices d'entrée d'air et raccordé à un conduit d'aspiration. 50/ - Un procédé pour le captage des effluents selon revendication 1, caractérisé en ce que le captage auxiliaire est effectué dans un circuit situé à la périphérie de l'anode, au-dessus de la jupe. 6 / - Un procédé pour le captage des effluents selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on alimente la cuve en alumi- ne, ponctuellement, en perçant au moins un orifice de faible dimension dans la croûte, et en y introduisant, à une cadence contrôlée, une quantité déterminée d'alumine. 79/ - Un procédé pour le captage des effluents selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on alimente la cuve en alumine en un seul point sur chacun des deux grands côtés de la cuve, situé sensiblement dans la zone où les courants de circulation du bain d'électrolyse assurent la dispersion et la mise en solution rapide de l'alumine. 8"/ - Un procédé pour le captage des effluents selon la revendicaion 6, caractérisé en ce que l'on alimente la cuve en alumine en deux points situés sur l'un des grands côtés de la cuve. 90/ - Un procédé pour le captage des effluents selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on alimente la cuve en alumine en un point situé à l'une des têtes de la cuve. 100/ - Un procédé pour le captage des effluents selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on alimente la cuve en alumine en un point situé à chaque tête de la cuve. 110/ - Un procédé pour le captage des effluents selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on capte, en moyenne, plus de 90 % et, de préférence, plus de 95 t des émissions de la cuve par le circuit principal. 120/ - Un appareillage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une jupe disposée àlapéripherie de la gaine d'anode, en partie basse, à une faible distance au-dessus du bain d'électrolyse, un circuit principal pour le captage des effluents provenant directement du bain d'électrolyse, et un circuit auxiliaire pour le captage des effluents qui auraient pu s'échapper par les fuites ou fissures de la croûte, ou par l'orifice d'alimentation en alumine. 130/ - Un appareillage selon la revendication t2, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, au moins un dispositif d'alimentation ponctuelle en alumine. 140/ - Un appareillage selon revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le circuit principal comporte un brûleur muni d'orifices d'arrivée d'air, raccordé à un conduit d'aspiration. 150/ - Un appareillage selon revendication 12, caractérisé en ce que le circuit auxiliaire est constitué par un profilé creux muni d'orifices à sa partie inférieure, disposé à la périphérie de la gaine d'anode, au-dessus de la jupe et raccordé à un conduit d'aspiration. 160/ - Un appareillage selon revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de stockage de l'alumine, un moyen d'introduction dans la cuve d'une quantité dosée d'alumine, et moyen de perçage de la croûte indépendant du moyen d1 introduction de l'alumine.