Brevet FR2948128A1 — publié le 20110121

Dispositif de collecte des gaz émis par des cuves d'électrolyse d'aluminium, et système de production d'aluminium associé L'invention concerne un dispositif de collecte des gaz émis par des cuves d'électrolyse d'aluminium, et système de production d'aluminium associé. La réaction d'électrolyse génère des gaz polluants, principalement du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone, du dioxyde de soufre et du fluorure d'hydrogène gazeux, généralement appelé gaz anodique. Pour éviter les émissions de ces gaz polluants dans l'atmosphère, les cuves d'électrolyse sont capotées et les gaz générés par celles-ci sont récupérés par un dispositif de collecte raccordé aux capots des cuves d'électrolyse. Les gaz sont ensuite guidés vers des centres de traitement des gaz, dits GTC, dans lesquels le fluorure d'hydrogène, et éventuellement le dioxyde de soufre sont traités. Des ventilateurs d'aspiration des gaz sont prévus en aval des centres GTC. Les capots d'une cuve d'électrolyse présentent des interstices de sorte que de l'air pénètre sous les capots, se réchauffe au contact du bain d'électrolyse et des anodes qui plongent dans le bain d'électrolyse. Cet air se mélange au gaz anodique émis par la cuve d'électrolyse. Ce mélange est appelé ci-après gaz. Ainsi, les gaz récupérés par le dispositif de collecte sont constitués par les gaz anodiques et par l'air réchauffé par la cuve d'électrolyse. Comme la température du bain d'électrolyse est maintenue autour de 950°C au cours de la réaction d'électrolyse, le mélange d'air pénétrant sous les capots et les gaz émis lors de la réaction d'électrolyse ont une température d'environ 100° C à 135°C au-dessus de la température ambiante de l'air à l'endroit où est située l'usine de fabrication d'aluminium. Dans les centres GTC, les gaz sont mis en contact avec de l'alumine métallurgique. Cette alumine, dite réactive, possède une surface d'adsorption de 50 à 80 m2/g, et présente la propriété d'adsorber les composants acides et en particulier le fluorure d'hydrogène gazeux pour le séparer des autres composants polluants des gaz. L'alumine ainsi fluorée est séparée des gaz dans des filtres en tissu qui retiennent les particules d'alumine fluorée avec une efficacité supérieure à 99,99 %. Or, les filtres à tissu en polyester utilisés couramment ne supportent pas des 5 températures supérieures à 135-140° Celsius. De plus, le rendement de captation du fluorure d'hydrogène gazeux diminue lorsque la température dépasse 115 à 120° Celsius. L'invention a notamment pour but de réduire la température des gaz traversant le dispositif de collecte avant leur arrivée dans le centre de traitement des gaz. 10 Les dispositifs de collecte existants comprennent des tubulures de récupération raccordées aux cuves d'électrolyse, et un collecteur général propre à recueillir les gaz récupérés par les tubulures de récupération. Les tubulures de récupération sont généralement équipées d'un organe déprimogène de type diaphragme ou registre, de 15 façon à créer une perte de charge et ainsi obtenir la même dépression et donc le même débit au niveau des cuves d'électrolyse sur toute la longueur du collecteur général. Cet organe déprimogène consomme de l'énergie. 20 Un autre but de l'invention est de supprimer au moins en partie ces organes déprimogènes. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de collecte apte à collecter les gaz émis par plusieurs cuves d'électrolyse d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend : 25 - des tubulures de récupération respectivement des gaz des cuves d'électrolyse ; - un colleteur propre à recueillir les gaz récupérés par les tubulures de récupération ; et - au moins une boucle de dérivation de l'écoulement des gaz, raccordée à une de ses extrémités au collecteur et, à son autre extrémité, à une des tubulures de récupération, 30 ladite boucle de dérivation étant apte à traverser un milieu dont la température est inférieure à la température des gaz. 3 Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif de collecte comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la boucle de dérivation est apte à traverser un milieu comprenant de l'air ambiant ; - au moins une portion de chaque boucle de dérivation est ascendante ; - chaque boucle de dérivation présente une forme générale de � U � renversé ; - le dispositif de collecte comporte au moins un support apte à porter une boucle de dérivation ; - chaque boucle de dérivation comporte au moins un déflecteur amovible entre une position de fermeture de la boucle de dérivation et une position d'ouverture de ladite 10 boucle de dérivation ; - le dispositif de collecte comporte plusieurs boucles de dérivation, et dans lequel la section du collecteur est variable, les boucles de dérivation étant raccordées uniquement le long d'un tronçon du collecteur ayant une section supérieure à la section d'un autre tronçon du collecteur ; 15 - les tubulures de récupération sont dépourvues d'organes déprimogènes ; - le dispositif de collecte comporte plusieurs boucles de dérivation, et dans lequel les boucles de dérivation sont formées par des conduits ayant des sections différentes ; et - le dispositif de collecte comporte plusieurs boucles de dérivation ayant des longueurs différentes. 20 L'invention a également pour objet un système de production d'aluminium comprenant des cuves d'électrolyse d'aluminium aptes à générer des gaz au cours d'une réaction d'électrolyse, et au moins un dispositif de collecte de ces gaz, le dispositif de collecte étant conformé selon l'une quelconque des caractéristiques mentionnées ci- 25 dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins, sur lesquels : - la figure 1 est une vue de côté d'une partie d'un dispositif de collecte selon 30 l'invention ; - la figure 2 est une vue de dessus de la partie du dispositif de collecte illustré sur la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan III-III du dispositif de collecte illustré sur la figure 1 et d'un bâtiment contenant les cuves d'électrolyse ; - la figure 4 est une vue en coupe selon le plan IV-IV du dispositif de collecte illustré sur la figure 1 ; et - la figure 5 est une vue en coupe du dispositif de collecte selon le plan V-V du dispositif de collecte illustré sur la figure 1. En référence à la figure 3, le système de production d'aluminium 2 selon l'invention comporte une ou plusieurs séries d'électrolyse. Chaque série d'électrolyse comprend plusieurs cuves d'électrolyse 3, par exemple 240 à 360 cuves, disposées l'une à la suite de l'autre dans un bâtiment 4, et connectées électriquement. Une série d'électrolyse mesure d'environ 700 mètres à 1 200 mètres. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de collecte 6 selon l'invention est apte à collecter les gaz produits par l'ensemble des cuves d'électrolyse 3 d'une série d'électrolyses. Il comporte un collecteur 8 collectant les gaz de toutes les cuves d'électrolyse 3 et, pour chaque cuve de ladite série, au moins une tubulure de récupération 10 raccordée à l'une de ses extrémités au collecteur 8 et à l'autre extrémité aux capotsl2 pour récupérer les gaz produits par la cuve d'électrolyse 3 correspondante. Le collecteur 8 est formé de deux gaines 13 fermées à l'une 14 de leurs extrémités et se rejoignant à leur autre extrémité 15. Chaque gaine 13 s'étend le long d'une rangée de cuves d'électrolyse 3. La section de chaque gaine 13 augmente au fur et à mesure que le nombre de cuves d'électrolyse 3 connectées au collecteur 8 augmente afin d'assurer une vitesse régulière de transport des gaz. Par exemple, la section de la gaine 13 augmente de 500/550 millimètres à 4000/5000 millimètres. Chaque gaine 13 est fermée à son extrémité 14 de petite section, son extrémité 15 de grande section étant reliée à l'autre gaine 13. Le collecteur 8 est destiné à être connecté à un centre de traitement des gaz, dit GTC, non représenté. Un dispositif d'aspiration des gaz, par exemple un ventilateur, est disposé en aval du centre de traitement des gaz pour capter l'ensemble des gaz. Ce dispositif n'est pas représenté. Le collecteur 8 est, par exemple, monté sur des pilotisl6 régulièrement espacés. Le dispositif de collecte 6 comprend en outre des boucles de dérivation 20 de l'écoulement des gaz aptes à traverser un milieu dont la température est inférieure à la 10 température des gaz. Chaque boucle de dérivation 20 est propre à augmenter la surface d'échange thermique entre les gaz et ledit milieu pour refroidir les gaz. Ce milieu comprend le milieu extérieur, c'est-à-dire l'air ambiant. En variante, un apport d'eau peut être réalisé sous forme d'arrosage par exemple. Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, le dispositif de collecte 6 comporte des boucles de dérivation 20 raccordées uniquement sur un tronçon 26 de chaque gaine 13 ayant une section supérieure à la section d'un autre tronçon 28. 20 En variante, le dispositif de collecte 6 comprend des boucles de dérivation 20 régulièrement espacées tout le long de chaque gaine 13. En variante également, chaque gaine 13 comprend une unique boucle de dérivation 20. Chaque boucle de dérivation 20 a une extrémité 22 raccordée à une tubulure 25 respective de récupération 10 et une autre extrémité 24 raccordée au collecteur 8. Chaque boucle de dérivation 20 présente une forme générale de "U" renversé dont les deux branches s'étendent sensiblement verticalement. 30 En variante, la boucle de dérivation 20 présente une forme circulaire ou toute autre forme ayant au moins une portion ascendante. 15 En variante, la boucle de dérivation 20 est munie d'ailettes de refroidissement, de préférence en saillie vers l'extérieur. En variante, les boucles de dérivation 20 sont recouvertes de revêtement spécial pour améliorer l'échange thermique entre celles-ci et l'air ambiant. Selon le mode de réalisation illustré sur les figures, les boucles de dérivation 20 présentent toutes la même longueur. En variante, les boucles de dérivation 20 présentent une longueur différente permettant de moduler le taux de refroidissement des gaz provenant de chaque cuve d'électrolyse 3. Cette modulation de température des gaz provenant de chaque cuve d'électrolyse permet de moduler la température des gaz sortant du dispositif de collecte 6. De même, selon le mode de réalisation illustré sur les figures, les boucles de dérivation 20 sont formées par des conduites ayant une section constante. En variante, les différentes boucles de dérivation 20 présentent des conduites ayant des sections différentes. Ainsi, les gaz entrant dans le collecteur 8 et provenant d'une boucle de dérivation 20 de section supérieure auront une température différente aux gaz entrant dans le collecteur 8 et provenant d'une autre boucle de dérivation de section inférieure. Un déflecteur 30 est monté dans le dispositif de collecte 6 au niveau du raccordement entre la tubulure de récupération 10 et la boucle de dérivation 20. Ce déflecteur 30 est mobile entre une position de fermeture de la tubulure de récupération 10 et d'ouverture de la boucle de dérivation 20, et une position d'ouverture de la tubulure de récupération 10 et de fermeture de la boucle de dérivation 20. En variante, le déflecteur 30 est remplacé par un obturateur propre à fermer ou à ouvrir la boucle de dérivation 20, la tubulure de récupération 10 restant ouverte. Le déflecteur 30 permet notamment de by-passer les boucles de dérivation 20 lorsqu'il n'est pas nécessaire de les utiliser ou lors de périodes de maintenance. Le dispositif de collecte 6 comporte, avantageusement, un support 32 propre à porter chaque boucle de dérivation 20. Ce support 32 comprend, par exemple, une traverse horizontale portée par deux pieds réunis à une de leur extrémité pour former un V renversé. La traverse supporte chaque branche de la boucle de dérivation 20. Les pieds sont fixés à la gaine 13. En variante, le dispositif de collecte comporte en outre un élément de maintien d'au moins une boucle de dérivation, ledit élément de maintien étant fixé à la structure du bâtiment. Les tubulures de récupération 10 sont dépourvues d'organes déprimogènes. Avantageusement, les boucles de dérivation 20 ont une perte de charge qui remplace au moins en partie la perte de charge créée par des organes déprimogènes qui sont, dans les dispositifs de collecte de l'état de la technique, installés dans les tubulures de récupération. Les boucles de dérivation 20 n'augmentent pas la perte de charge totale du collecteur 8 en amont du centre de traitement des gaz car seul le tronçon 26 du dispositif de collecte 6 est équipé de celles-ci, la longueur du tronçon 26 étant fixée par la chute globale de température recherchée à l'entrée du centre de traitement des gaz et par la valeur de perte de charge admissible sans modification du réseau. La présence de boucles de dérivation 20 est donc un système efficace et peu coûteux, ne consommant pas de perte de charge supplémentaire lorsqu'une chute de 25 température limitée est recherchée. Avantageusement, l'utilisation de boucles de dérivation permet de refroidir les gaz traversant le dispositif de collecte avant leur arrivée dans le centre de traitement des gaz. 30 REVENDICATIONS1.- Dispositif de collecte (6) apte à collecter les gaz émis par plusieurs cuves (3) d'électrolyse d'aluminium, caractérisé en ce qu'il comprend : - des tubulures de récupération (10) respectivement des gaz des cuves d'électrolyse (3) ; - un colleteur (8) propre à recueillir les gaz récupérés par les tubulures de récupération (10) ; et - au moins une boucle de dérivation (20) de l'écoulement des gaz, raccordée à une de ses extrémités au collecteur (8) et, à son autre extrémité, à une des tubulures de récupération (10), ladite boucle de dérivation (20) étant apte à traverser un milieu dont la température est inférieure à la température des gaz. 2.- Dispositif de collecte (6) selon la revendication 1, dans lequel ladite boucle de dérivation (20) est apte à traverser un milieu comprenant de l'air ambiant. 3.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel au moins une portion de chaque boucle de dérivation (20) est ascendante. 4.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel chaque boucle de dérivation (20) présente une forme générale de � U � renversé. 5.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui comporte au moins un support (32) apte à porter une boucle de dérivation (20). 6.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel chaque boucle de dérivation (20) comporte au moins un déflecteur (30) amovible entre une position de fermeture de la boucle de dérivation (20) et une position d'ouverture de ladite boucle de dérivation (20). 7.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui comporte plusieurs boucles de dérivation (20), et dans lequel la section du collecteur (8) est variable, les boucles de dérivation (20) étant raccordées uniquement le long d'un 309 tronçon (26) du collecteur (8) ayant une section supérieure à la section d'un autre tronçon (28) du collecteur (8). 8.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel 5 les tubulures de récupération (10) sont dépourvues d'organes déprimogènes. 9.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, qui comporte plusieurs boucles de dérivation (20), et dans lequel les boucles de dérivation 10 (20) sont formées par des conduits ayant des sections différentes. 10.- Dispositif de collecte (6) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, qui comporte plusieurs boucles de dérivation (20) ayant des longueurs différentes. 15 11. Système de production d'aluminium (2), comprenant des cuves (3) d'électrolyse d'aluminium aptes à générer des gaz au cours d'une réaction d'électrolyse, et au moins un dispositif de collecte (6) de ces gaz, le dispositif de collecte (6) étant conformé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.