Brevet FR2563845A1 — publié le 19851108

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SURASPIRATION AUTOMATIQUE SUR LES CUVES D'ELECTROLYSE POUR LA PRODUCTION D'ALUIINIUM La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mise en mar- che automatique d'une suraspiration. Elle est particulièrement adaptée au système de captage des effluents sur les cuves d'électrolyse pour la pro- duction d'aluminium, mais elle peut être utilisée pour tout système de captage de rejets chauds gazeux ou poussiéreux. L'aluminium est obtenu par électrolyse de l'alumine dissoute dans un bain cryolithaire. Le four d'électrolyse qui permet cette opération est généralement constitué par: une cathode en carbone placée dans un caisson en acier et calorifugée par des réfractaires, une anode ou une pluralité d'anodes en carbone plongeant dans le bain cryolithaire et oxydées régulièrement par l'oxygène de décomposition de l'alumine. Le passage du courant s'effectue de haut en bas. Par effet Joule, la cryo- lithe est maintenue à l'état liquide, à une température proche de sa tem- pérature de solidification. Les températures usuelles de marche des cuves sont comprises entre 930 et 980 C. L'aluminium produit est liquide et se dépose par gravité sur la cathode qui est étanche. Régulièrement, l'alu- minium produit, ou une partie de l'aluminium produit, est aspiré par une poche de coulée et transvasé dans des fours d'élaboration de fonderie. Ré- gulièrement, les anodes usées sont remplacees par des anodes neuves. La tension de fonctionnement de ces électrolyseurs est généralement com- 3O prise entre 3,8 et 5 volts. La production journalière est proportionnelle à l'intensité traversant l'électrolyseur. Ceci a conduit à monter les électrolyseurs en série par 150 à 250 cuves, jusqu'à saturation en tension "des sous-stations (700 à 1000 V). Ceci a aussi conduit à augmenter l'in- tensité de marche en augmentant la taille des électrolyseurs. Le bain des cuves est à base de cryolithe. Pour augmenter les rendements en courant de l'électrolyse, un certain nombre d'additifs sont utilisés. -2 - Ils ont pour propriété d'abaisser la température de fusion du mélange, et/ou de diminuer la redissolution de l'aluminium dans le bain cryolithai- re, et/ou d'améliorer la conductivité électrique du bain d'électrolyse. Ce sont par exemple, les fluorures de calcium, de magnésium, de lithium, d'aluminium. En raison de la température élevée, le bain des cuves s'évapore progressi- vement et entraîne un double inconvénient: 10. les corps émis-par le bain sont des fluorures gazeux ou particulaires. Emis en quantités trop élevées, ils sont considérés comme des polluants, qui peuvent causer des dommages dans l'environnement. Les fluorures évaporés doivent être remplacés et cela constitue un poste de dépense important de l'exploitation des cuves d'électrolyse. Il y a tout intérêt à capter ces effluents à l'origine des rejets, c'est- à-dire sur la cuve. De nombreux systèmes de captage sont utilisés. Ils assurent trois fonctions: a) le captage sur la cuve: il est réalisé par des panneaux manuels ou mé- canisés, pouvant être ouverts lorsque l'exploitation de la cuve le de- mande (changement d'une anode usée, soutirage de l'aluminium produit). b) Le transport des effluents fluorés: il est effectué dans des tuyauteries reliées à un ventilateur. Les cuves sont généralement branchées en parallèle sur un réseau commun de captage, l'équilibrage étant obte- nu par un calcul aérodynamique initial des sections de chaque tuyaute- rie, ou par l'utilisation de diaphragmes ou de volets d'obturation ré- glable. c) Le traitement des effluents: ceux-ci peuvent être lavés, traités par des filtres électrostatiques ou à manches, traités à sec par fixation du fluor sur de l'alumine qui est ensuite introduite dans la cuve d'électrolyse. Les rendements de captage obtenus atteignent 97 à 99 Z sur les installa- tions modernes. -3 - Il est rapidement apparu à l'honmme de l'art que le rendement de captage de tels systèmes était intimement lié au débit d'aspiration admis sur chaque cuve. Il est clair que le coût de l'investissement, et de l'exploitation ultérieure (énergie des ventilateurs, entretien des systèmes de traitement) sont croissants avec le débit d'aspiration. L'homme de l'art considère qu'il y a pratiquement proportionnalité entre les dépenses totales de cap- tage des effluents et le débit d'aspiration moyen en m3/SCondeo Les capots de fermeture des cuves ou les portes éventuelles, doivent être retirés (ou ouvertes, ou éclipsées) pour l'exploitation de la cuve, notam- ment pour le changement d'une anode usée ou le soutirage de l'alimunium liquide produit. La durée normale d'ouverture peut aller de quelques mi- nutes à plusieurs dizaines de minutes. Pendant ce temps, pour maintenir un taux de captage élevé, le débit d'aspiration sur la cuve concernée de- vrait être augmenté. Le reste du temps, les capots étant correctement re- mis en place, de façon à assurer l'étanchéité convenable, le débit d'aspi- ration pourrait être abaissé sans nuire à l'efficacité du captage. Dans tout ce qui suit, nous désignerons par le terme de "capots" aussi bien les capots proprement dits que les portes d'accès à la cuve (porte de la zone de coulée par exemple). Un double système d'aspiration doit permettre d'optimiser le rendement de l'installation de captage. L'installation est alers calculée par un débit moyen proche du minimum requis. Par un système de volet mu manuellement ou mécaniquement, le débit d'une cuve donnée est momentanément augmenté chaque fois que l'exploitant est appelé à ouvrir un élément de capotage. Un tel système manuel présente l'inconvénient d'être très contraignant et sujet à des oublis du personnel d'exploitation. Si la suraspiration est maintenue sans raison sur un nombre trop impor- tant de cuves, le débit des autres risques de baisser excessivement si le débit total du système d'aspiration reste constant. Si la suraspi- ration n'est pas mise au moment de l'ouverture d'une partie du capotage, des effluents fluorés sont lâchés dans la salle d'électrolyse. La présente invention a pour but d'automatiser le passage du régime d'as- piration normal de la cuve dont tous les capots sont fermés à un régime 4- momentané de suraspiration dès que l'on ouvre au moins un capot. Il aurait été possible de prévoir, sur chaque capot, un contacteur élec- trique qui assure cette fonction. Mais sachant qu'une cuve moderne de 280 000 ampères comporte une quarantaine de capots et qu'une série peut comporter une centaine et jusqu'à deux cents cuves, cela impliquerait la pose de plusieurs milliers de contacteurs opérant dans l'environnement agressif de la cuve (température élevee, gaz corrosifs), dont la fiabi- lité aurait été douteuse, et le prix de revient relativement élevé. La présente invention se base sur l'observation que si l'on mesure la tem- perature du flux gazeux entraîné, sur chaque cuve, par le système central d'aspiration, en un point convenablement choisi, on observe, dès l'ouver- ture d'au moins un capot, une baisse brutale de la température du flux gazeux, baisse qui peut atteindre 50 à 100 C, et qui peut donc, en toute sécurité, et par des moyens simples, peu onéreux et fiables, déclencher le régime de suraspiration puis le retour au régime normal d'aspiration lorsque le ou les capots ont été remis en place. De façon plus précise, la présente invention est un procédé de passage automatique en régime de suraspiration des gaz émis par les cuves de si- ries de production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé - Hail-Hgroult, chaque cuve étant close, sur sa périphérie, par une plurali- té de capots amovibles, coulissants ou relevables, disposes en relation sensiblement étanche entre eux et entre chacun d'eux et leurs appuis sur la périphérie de la cuve, les gaz étant captés, sur chaque cuve, par un nombre n de canalisations (n pouvant varier de I à plus de 10), reliées à un système d'aspiration centralisé, caractérisé en ce que: 1. On mesure en permanence la température des gaz t (i) dans chacune des n canalisations (i). Pour le dMbit normal d'aspiration, et lorsque la cuve est close, la température des gaz t (i) sera proche d'une valeur de base to (i). 2. On compare chaque température t (i) des gaz à une première valeur de consigne haute t1 (i) inférieure à to (i). Lorsque une -au moins- des températures mesurées devient égale ou inférieure à t1 (i), ce qui corres- pond à l'ouverture d'au moins un capot de la cuve, ce franchissement du seuil tl(i) provoque le passage en suraspiration. 3. On continue à mesurer en permanence chaque température de gaz t(i) dans chacune des n canalisations (i). Pour le débit forcé d'aspiration (suraspi- ration), et lorsque la cuve est close, chaque température de gaz t (i) sera proche d'une valeur de base t'o (i) inférieure à to (i). 4. On compare chaque température t (i) de gaz à une seconde valeur de con- signe basse t'1(i) inférieure à t1 (i). Lorsque toutes ces températures t (i) mesurées deviennent supérieures à t'1(i), ce qui correspond au re- tour à la situation de cuve close, le franchissement du seuil t'1(i) pro- voque le retour au régime d'aspiration normale. Ces seuils sont essentiellement fonction du débit d'aspiration et un moyen simple et automatique de réglage de ces seuils est de les rendre fonction de la température moyenne des gaz aspirés. Cette moyenne est soit calculée à partir des mesures des n canalisations, soit mesurée au niveau du col- lecteur général. On a ainsi un réglage automatique des seuils, quel que soit le débit d'aspiration. Le dispositif ne demande alors aucune inter- vention. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de passage automatique en suraspiration des-gaz, caractérisé- en ce qu'il comporte: un moyen de mesure de la température des gaz t(i) dans chaque canalisa- tion (i), un moyen de comparaison de t(i) à un premier seuil t1 (i) et à un second seuil t'l(i) un moyen de mise en route automatique de la suraspiration, un moyen d'arrêt automatique de la suraspiration lorsque t (i) redevient égale ou supérieure à t'!(i), et un moyen de contrôlM du débit gazeux dans la canalisation de chaque cuve, un moyen de fixation des valeurs des seuils t!(i) et t'l (i). - 6- Les figures 1 et 2 illustrent la mise en oeuvre de l'invention. La figure I montre une vue latérale partielle d'une cuve d'électrolyse moderne à 280 000 ampères, technique PECHINEY, dont deux capots ont été enlevés pour permettre l'échange d'une anode usée. La figure 2 montre une coupe verticale schématisée des différents circuits d'aspiration d'une cuve à 280 000 ampères. La cuve d'électrolyse comporte une poutre horizontale (1) qui forme la superstructure de la cuve et qui supporte les trémies d'alimentation en alumine (non représentées), la barre anodique (positive) (2), les tiges- supports d'anodes (3), qui sont verrouillées sur la barre anodique (2), par les dispositifs (4). L'anode usée (5) a été enlevée après ouverture de deux capots (7) -un seul est visible- qui ont été posés de part et d'autre de l'ouverture, sur les autres capots fermés (6). La grille (8) qui communique avec le sous-sol, constitue une arrivée d'air frais dans la zone de travail. Sur la figure 2, qui est réduite aux éléments essentiels pour la compré- hension de l'invention, la cuve est divisée en 5 zones d'aspiration, numé- rotées A à E, qui correspondent à la largeur de 2 capots, chaque zone pos- sède son propre conduit d'aspiration Ai, BI, CI, DI, El, dont les dimen- sions sont déterminées de façon à assurer dans chacun d'eux un débit pré- déterminé, en rapport avec la géométrie de la cuve. Les cinq gaines A1, B1, C1, D1, El sont réunies dans le collecteur géné- ral de cuve (10) relié au dispositif central d'aspiration non représenté. Dans le cas particulier représenté, des thermocouples ont été disposés à la sortie de chaque gaine, en (11,12,13,14,15) avant leur réunion dans le collecteur général. Ces thermocouples sont, par exemple, du type nickel- chrome + nickel allié, à structure coaxiale, qui ont une sensibilité rela- tivement élevée et une excellente résistance aux gaz fluorés émis par la cuve. On a relevé la température moyenne stabilisée sur ces différents thermo- couples, à débit normal: -7 - a) Tous les capots étant fermés, y compris la porte (18) disposée sur la tête de la cuve, donnant accès au point de prélèvement de l'aluminium liquide (porte de coulée). b) Ouverturecd'un capot situé successivement dans l'une des zones A à E définies sur la figure 2. et de la porte de coulée. On a obtenu les résultats suivants: Température des thermocouples t, en C, et variations mesurées, S t C Capots et portes fermés 175 170 150 130 175 Zone A t 80 100 130 150 130 ouverte Ai t -95 - 70 - 20 + 20 - 45 I Z o n B.t. _ Zone B t 140 75 100 130 130 ouverte t -35 - 95 - 50 O - _...... Zone C t 150 125 70 120 120 ouverte \t.-25 - 45 - 80 -10 - 55 Zone D t 200 150 100 75 120 ouverte /. Zouverteû t +25 -20 - 50 -55 - 55 Zone E t 220 170 120 70 80 ouverte L t + 45 O - 30 -60 - 95 Porte de cou- t 230 180 150 70 55 i lée ouverte / t lée ouvertet+55 + 10 0 - 60 -120 On constate que l'ouverture d'un capot quelconque provoque, sur l'un au moins des points ou sont disposés les thermocouples, une baisse de tempé- rature du flux d'air supérieure à 50 C et ce, avec un temps de réponse de quelques secondes. C'est largement suffisant pour générer avec une fiabi- lité totale, un signal électrique qui déclenchera le passage en suraspira- tion. -8 - Une façon particulièrement simple et efficace, pour passer en suraspira- tion, consiste à munir chaque gaine d'un volet mobile (17) ou d'un dia- phragme, commandé par un vérin, qui en position normale assure un débit de N mètres cubes par minute, et, en position complètement ouverte, un débit de X x N mètres cubes par minute, X étant le plus généralement com- pris entre 1,2 et 4 et, de préférence, entre 1,5 et 3. Le volet mobile peut être, par exemple, constitué par une plaque pleine, mobile autour d'un axe plus ou moins incliné par rapport à la direction du flux gazeux, selon le débit désiré, ou encore il peut être constitué par une plaque coulissante, pleine ou perforée, obturant un pourcentage donné de la section de la canalisation, et s'effaçant plus ou moins en suraspiration. Unecommande proportionnelle de l'ouverture, en fonction du nombre de vo- lets ouverts, est également possible par des moyens connus. Dans les différents cas, la commande est assurée par de petits vérins qui opèrent à l'extérieur de la cuvé-et de ses canalisations, donc sans ris- que important de corrosion. Le contrôle de débit de gaz peut également être commandé par étranglement -et desserrement- d'une portion de la canalisation, réalisée en un ma- tériau souple, résistant à la température et aux composants fluorés, tels que les élastomères dHYPALON ou de TEFLON (marques déposées). L'étrangle- ment est réalisé soit mécaniquement soit par action d'un fluide hydrauli- que dans une double enveloppe enserrant la portion souple de la canalisa- tion (vannes connues sous la marque déposée "DOSAPRO"). Dans le cas de cuves d'électrolyse de dimensions inférieures, ne possédant qu'un circuit unique d'aspiration, la mesure de température peut être ef- fectuée à la sortie du circuit d'aspiration, correspondant au point 16 de la figure 2. Dans un tel cas, la baisse de température du flux gazeux à l'ouverture d'un capot peut ne pas atteindre 50'C, mais elle reste au moins égale à 20 C et, dans tous les cas, largement suffisante pour assurer, en toute fiabilité, le déclenchement de la suraspiration. Il est d'ailleurs possible, comme on l'a constaté expérimentalement, dans le cas de cuves à 280 KA, d'effectuer la mesure de température en un seul point (en 16), en plaçant le thermocouple après la zone de convergence des cinq flux ga- zeux provenant des cinq circuits de captage. La sensibilité est diminuée mais elle reste largement suffisante pour la mise en oeuvre du procédé. A la remise en place du ou des capots enlevés, la température remonte ra- pidement jusqu'à une valeur qui n'est pas toujours égale -du moins dans les premières secondes- à sa valeur initiale avant ouverture du ou des capots. Mais là encore, l'augmentation est suffisamment rapide (quelques secondes) et d'une amplitude suffisante pour fournir le signal de retour au régime d'aspiration normal. L'homme de l'art pourra donc par l'expérience, et en fonction de la dimen- sion des cuves et des particularités des circuits d'aspiration, déterminer un premier seuil de température t1 à la baisse (passage en suraspiration) et un second seuil de température t'1 à la hausse (retour en aspiration normale), ces deux seuils pouvant être égaux ou différents. Dans le cas du tableau 1, le seuil de déclenchement de la suraspiration pourrait être fixé à 100 C et le seuil de retour en aspiration normale à ou 80 C. Les techniques modernes de traitement du signal permettent de perfection- ner à peu de frais le système exposé ci-dessus: On constate en effet que l'ouverture ou la fermeture d'un capot se traduit par une variation rapide de la température mesurée dans au moins une des gaines de captations. Cette variation de température atteint plusieurs de- grés par seconde. De telles variations, importantes et rapides, ne se produisent pas en ré- gime permanent (aspiration normale, capots fermés ou suraspiration avec au moins un capot ouvert). dT On peut donc utiliser le signal dérivé r pour commander le déclenchement ou l'arrêt de la suraspiration. - 10 - Outre le déclenchement de la suraspiration, le procédé, objet de l'inven- tion, peut remplir un certain nombre de fonctions liées à l'exploitation des cuves d'électrolyse modernes à grande puissance. Le franchissement des seuils tl(i) et t'l(i) peut, outre la commande de la suraspiration, déclencher l'allumage d'un témoin lumineux (et/ou sonore) sur un tableau centralisé par groupe de cuves, et indiquer ainsi si un capot au moins est ouvert (ou est resté ouvert) sur une cuve donnée, et combien de capots sont ouverts sur un groupe de cuves données. Par exemple, dans une série de 150 cuves, dont l'aspiration est répartie sur cinq groupes de 30, on constate que, au-delà de 4 capots ouverts simultanément sur un même groupe, l'aspiration -commutée en suraspiration- commence à être insuffisante. On peut alors déclencher une alarme pour informer le personnel de service qu'il faut attendre avant d'ouvrir un cinquième (ou nième capot). On peut, de la même façon, détecter l'emplacement d'un capot mal refermé ou oublié en position ouverte. Au total, on peut gérer, dans une commande centralisée, le nombre et la durée des ouvertures et fermetures de capots. Le signal résultant du fran- chissement des seuils ti(i) et t'l(i) est envoyé sur un calculateur de contr8le du procédé qui génère et peut éditer des informations concernant le bilan, les alarmes, les différents calculs liés au procédé. AVANTAGES PROCURES PAR L'INVENTION La mise en oeuvre de l'invention présente de nombreux avantages que l'on peut résumer comme suit: économie d'énergie sur la consommation du système d'aspiration. Un sys- tème classique, à aspiration constante de 3 m3/s/par cuve, consomme en- viron 300 kWh par tonne d'aluminium produit, soit une fraction non né- gligeable des 12.500 à 13.500 que requiert l'électrolyse. Par la mise en oeuvre de l'invention, on peut réduire le débit d'aspiration à 2 m par seconde et par cuve, avec des pointes, en suraspiration à 3 m /s pendant environ 5 % du temps. L'économie peut atteindre 60 à 90 kWh/ton- ne d'Al. Plus grande efficacité du captage, qui est ainsi optimisé selon les ou- vertures de capots. - 11 - Baisse corrélative des rejets fluorés non captés. Suppression du risque de capots oubliés en position ouverte, donc sou- lagement des tâches du personnel. Simplicité et robustesse du dispositif et, corrélativement, faible coût d'investissement. Possibilité d'établir un bilan thermique de la cuve: on connaît main- tenant le débit des gaz et leur température, il est facile d'en déduire la puissance thermique entraînée par les gaz. 10. Enfin, comme on l'a déjà signalé, possibilité de gérer les ouvertures et fermetures de capot sans aucun dispositif mécanique ou électromécanique lié aux capots eux-mêmes, donc avec une grande fiabilité. L'invention a été particulièrement conçue pour les séries de cuves produi- sant de l'aluminium par électrolyse ignée, mais, de la même façon,'elle s'applique à tout système d'aspiration de gaz chauds dans une installa- tion close qui doit ou qui risque accidentellement d'être ouverte avec appel d'air froid extérieur. - 12 - REVENDICATIONS 1. Procédé de passage automatique en régime de suraspiration des gaz émis par les cuves des séries de production d'aluminium par électrolyse ignée selon le procédé Hall-Héroult, chaque cuve étant close, sur sa périphérie, par une pluralité de capots amovibles disposés en relation sensiblement étanche entre eux, et entre chacun d'eux et leurs appuis sur la périphé- rie de la cuve, les gaz étant captés, sur chaque cuve, par au moins une canalisation reliéeà un système d'aspiration centralisé, caractérisé en ce que: a. On mesure en permanence la température des gaz t(i) dans chacune des-n canalisations (i). Pour le débit normal d'aspiration, et lorsque la cuve est close, la température des gaz t(i) sera proche d'une valeur de base to(i). b. On compare chaque température t(i) des gaz à une première valeur de consigne haute t1(i) inférieure à to(i). Lorsque une -au moins- des températures mesurées devient égale ou inférieure à t (i), ce qui cor- respond à l'ouverture d'au moins un capot de la cuve, ce franchisse- ment du seuil tl(i) provoque le passage en suraspiration. c. On continue à mesurer en permanence chaque température de gaz t(i) dans chacune des n canalisations (i). Pour le débit forcé d'aspiration (sur- aspiration), et lorsque la cuve est close, chaque température de gaz t(i) serailproche d'une valeur de base t'o(i) inférieure à to(i). d. On compare chaque température t(i) de gaz à une seconde valeur de con- signe basse t' (i), inférieure à t (i). Lorsque toutes ces températu- res t(i) mesurées deviennent supérieures à t'1 (i), ce qui correspond au retour à la situation de cuve close, le franchissement d seuil t'1(i) provoque le retour au régime d'aspiration normale. 2. Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le passage de l'aspiration normale à la suraspiration et vice-versa, est obtenu par une modification du débit de gaz dans la canalisation de cuve, commandé par le franchissement des seuils de température t1(i) et t'1(i). - 13 - 3. Procédé selon revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du dé- bit de gaz en suraspiration au débit de gaz en aspiration normale est compris entre 1,2 et 4 et, de préférence entre 1,5 et 3. 4. Procédé selon revendication I à 3, caractérisé en ce que le franchissement des seuils tl(i) et t'1(i) provoque, en outres un signal lumineux et/ou sonore sur un tableau centralisé par groupe de cuves. 5. Procédé selon revendications I à 3, caractérisé en ce que le signal résultant du franchissement des seuils tl(i) et t'l(i) est envoyé sur un calculateur de contrôle du procédé pour générer et éditer des informations de bilan, de calcul, d'alarme. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de passage automatique ]5 en suraspiration des gaz, selon l'une quelconque des revendications I à , caractérisé en ce qu'il comporte: un moyen de mesure de la température des gaz to(i) dans chaque canalisa- tion (i), un moyen de comparaison de t(i) à un premier seuil t!(i) et à une secon- de valeur de consigne t'l(i), un moyen de mise en route automatique de la suraspiration]orsque t(i) est égale ou inférieure à tli), 25. un moyen d'arrêt automatique de la suraspiration lorsque to redevient égale ou supérieure à tl, un moyen de contrôle du débit gazeux dans la canalisation de chaque cu- ve. 7. Dispositif, selon revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de mesure de la température est un thermocouple, tel que (11) disposé dans la canalisation de la cuve. 8. Dispositif selon revendication 6, caractérisé en ce que le moyen de contrôle du débit gazeux est constitué par un volet (17) disposé à l'in- térieur de la canalisation, mobile autour d'un axe sensiblement perpendi- culaire à l'axe de la canalisation, et passant sensiblement par cet axe. - 14- 9. Dispositif, selon revendication 6, caractérisé en ce que le disposi- tif de contrôle du débit gazeux est constitué par un opercule mobile dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe de la canalisation. 10. Dispositif, selon revendication 6, caractérisé en ce que le disposi- tif de contrôle du débit est constitué par un moyen d'étranglement contrô- lé d'une portion de la canalisation réalisée en un matériau souple.