Brevet FR2960053A1 — publié le 20111118

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DESENCRASSEMENT D'ECHANGEUR DE CHALEUR La présente invention est relative au désencrassement d'échangeur de chaleur, et plus particulièrement au désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement des gaz de cuves d'électrolyse, lors de la fabrication d'aluminium. Les échangeurs de chaleur utilisés pour le refroidissement de gaz chargés en poussières et en composants gazeux susceptibles de se condenser sur les parois de l'échangeur et de constituer avec les poussières un dépôt solide, s'encrassent pendant leur fonctionnement. Les dépôts solides obtenus ayant généralement une faible conductivité thermique, leur accumulation sur les tubes des échangeurs de chaleur conduit à diminuer leur efficacité thermique. Dans la suite de ce document, nous désignerons par le terme générique « polluants » les éléments susceptibles de se déposer sur les parois de l'échangeur. Nous utiliserons également l'expression «le gaz» pour désigner les gaz chauds à refroidir, qu'il s'agisse d'un gaz unique ou d'un mélange de gaz. Pour ce type d'application, le gaz chaud chargé en poussières et polluants circule à l'extérieur et perpendiculairement aux tubes de l'échangeur de chaleur dans lesquels circule un fluide caloporteur froid. Le gaz chaud se refroidit ainsi par transfert de chaleur du gaz chaud vers le fluide caloporteur froid qui s'échauffe. Les tubes peuvent être équipés d'ailettes pour augmenter l'efficacité thermique de l'échangeur de chaleur. Lors du refroidissement du gaz chaud, un dépôt de particules se forme sur la surface externe des tubes, et des ailettes le cas échéant. L'épaisseur et la consistance de ce dépôt dépend des conditions d'exploitation et de la nature des polluants. Pour limiter la formation de dépôt de poussières et polluants sur la surface 30 extérieure des tubes, il est communément mis en place un filtre en amont de l'échangeur de chaleur. Ce filtre a pour rôle de capter la majorité des poussières en amont de l'échangeur de chaleur limitant ainsi son encrassement. Une mesure en continu de la 35 perte de charge de ce piège permet d'informer sur son niveau d'encrassement et la nécessité de son remplacement ou de son nettoyage. Il peut être constitué d'une grille ou d'un ensemble de tamis et doit être facilement démontable. Parfois, deux filtres sont placés en parallèles sur deux circuits distincts alimentant alternativement l'échangeur de chaleur. Des organes d'isolement placés en amont et en aval des filtres permettent de procéder au démontage d'un filtre disposé dans un circuit et à son nettoyage tout en conservant un fonctionnement normal dans l'autre circuit. En d'autres termes, l'ensemble du gaz chaud traverse un unique filtre, lors du remplacement de l'autre filtre. Pour le refroidissement du gaz provenant de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium, cette solution n'est pas satisfaisante car l'encrassement du filtre est rapide, notamment en raison de la présence d'alumine et de fines poussières fluorées dans les gaz, ce qui nécessite de fréquentes interventions de personnel de maintenance. L'invention proposée permet de réaliser le désencrassement des échangeurs de chaleur sans ces inconvénients. Elle consiste principalement en un procédé de désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargés en poussières et polluants provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium; ledit échangeur de chaleur comportant au moins un tube dans lequel circule un fluide caloporteur apte à refroidir ledit gaz, caractérisé en ce qu'il comporte des phases de désencrassement au cours desquelles la vitesse d'écoulement dudit gaz, circulant au travers de l'échangeur de chaleur est augmenté temporairement. La vitesse du gaz chaud dans l'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement du gaz provenant de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium est habituellement de l'ordre de 10 à 20 mis. Ce niveau de vitesse d'écoulement permet de limiter la perte de charge dans le circuit de gaz chaud et donc la puissance électrique de ventilation. Elle permet également de limiter l'abrasion des tubes de l'échangeur de chaleur par les particules d'alumine présentes dans le gaz. L'inconvénient de cette faible vitesse d'écoulement est qu'elle favorise la formation de dépôts solides sur les parois des tubes de l'échangeur de chaleur. L'idée selon l'invention est de provoquer une augmentation temporaire de la vitesse du gaz chaud au travers de l'échangeur de chaleur afin d'arracher les dépôts accumulés sur la surface externe des tubes. Cet arrachement des dépôts est assuré par le pouvoir abrasif des particules d'alumine à vitesse élevée. Cette augmentation de vitesse selon l'invention est limitée à la zone de l'installation où est placé l'échangeur de chaleur. Elle est sans incidence sur les équipements situés en amont ou en aval du dispositif de désencrassement. 10 Pour pouvoir augmenter ponctuellement la vitesse du gaz chaud dans l'échangeur de chaleur sans modifier sensiblement le débit de gaz chaud en provenance des équipements de production situés en amont, le circuit de gaz chaud est, par exemple, divisé en deux circuits distincts similaires, chacun comportant un échangeur de chaleur. En fonctionnement normal, le débit de gaz chaud est réparti 15 entre les deux circuits. Lors d'une phase de désencrassement de nettoyage d'un échangeur de chaleur, la totalité du gaz chaud est dirigée vers le circuit contenant l'échangeur de chaleur à nettoyer. La vitesse de circulation du gaz chaud, et donc celle des particules d'alumine, est ainsi sensiblement doublée, au travers de l'échangeur de chaleur et un nettoyage de celui-ci est obtenu par l'abrasion induite par les particules 20 d'alumine circulant à vitesse élevée. Pour une vitesse initiale d'environ 10 à 20 m/sec, pendant la phase de désencrassement d'un échangeur de chaleur, la vitesse d'écoulement du gaz chaud est ainsi portée à une vitesse d'environ 20 à 40 m/sec. Sur l'autre circuit parallèle, dans lequel la circulation du gaz chaud est arrêtée, l'échangeur de chaleur est accessible pour d'éventuelles opérations d'inspection ou de maintenance. 30 Une partie des particules arrachées aux dépôts accumulés sur les tubes de l'échangeur de chaleur est emporté par le gaz chaud. Elle est ensuite captée par l'unité d'épuration du gaz que l'on trouve habituellement en aval sur les installations de fabrication d'aluminium. Des particules plus lourdes peuvent également tomber sous l'échangeur de chaleur où elles sont récupérées dans une trémie. 35 L'opération de désencrassement par ce procédé peut être réalisée fréquemment, par exemple une fois tous les cinq à quinze jours. La durée de 25 désencrassement d'un échangeur de chaleur est limitée à celle permettant d'arracher la majorité des dépôts sans provoquer d'abrasion des tubes de l'échangeur de chaleur. Ce procédé présente également l'avantage de ne pas nécessiter l'intervention du personnel d'entretien à chaque opération de désencrassement. Celle-ci n'est nécessaire que pour évacuer les dépôts recueillis au fond de la trémie lorsqu'elle est remplie. L'invention consiste également en un dispositif de désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargés en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium ; ledit échangeur de chaleur comportant au moins un tube dans lequel circule un fluide caloporteur apte à refroidir le gaz, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe d'obturation apte à réduire la surface d'échange entre ledit échangeur de chaleur et ledit gaz pendant des phases de désencrassement de l'échangeur de chaleur. Lorsque les deux circuits la et lb présentent des sections de même taille, la perte de charge induite sur l'écoulement du gaz chaud dans ces circuits, est similaire. Ainsi, en fonctionnement normal, le débit de gaz chaud se répartit en proportions équivalentes entre les deux circuits. Ils peuvent être implantés parallèlement l'un à l'autre ou dans toute autre disposition. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation, décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : - Fig.l représente une vue schématique d'un dispositif de désencrassement selon l'état de la technique avec un filtre en amont de l'échangeur de chaleur, - Fig. 2 représente une vue schématique de la section d'un tube de l'échangeur de chaleur montrant un exemple de dépôt, - Fig. 3 représente une vue de dessus schématique d'un exemple de réalisation de l'invention, - Fig. 4 représente une vue de coté schématique d'une partie d'une variante de l'exemple de réalisation de la Fig. 3 ; et35 - Fig. 5 est un diagramme représentant les étapes du procédé selon l'invention. Le terme « échangeur de chaleur » est employé au singulier dans la présente description pour désigner un ou plusieurs échangeurs de chaleur. Ces échangeurs de chaleur comprennent un ou plusieurs tubes ou canaux de circulation d'un fluide caloporteur. En se reportant à la Fig. 1 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un échangeur de chaleur tubulaire 2 placé dans un circuit 1 d'écoulement de gaz chaud à refroidir 3 circulant selon la direction représentée par la flèche 4. En amont de l'échangeur de chaleur 2, un filtre 18 permet de piéger les poussières portées par le gaz chaud. Sur cette figure, uniquement à titre d'exemple, l'écoulement du fluide caloporteur froid à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est représenté à contre courant par rapport au gaz chaud. En se reportant à la Fig. 2 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un tube 5 de l'échangeur de chaleur 2. Le gaz chaud 3 circule à l'extérieur des tubes selon la direction représentée par la flèche 4. Le fluide caloporteur froid 6 circule à l'intérieur des tubes. En se reportant à la Fig. 3 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un dispositif de désencrassement 16 selon l'invention. Ce dispositif 16 comporte un circuit 1 d'écoulement d'un gaz chaud 3 chargé en poussières et polluants circulant selon la direction représentée par la flèche 4. Ce circuit 1 se divise en deux circuits la, lb parallèles identiques c'est-à-dire deux circuits dont la section est sensiblement identique la et lb. Dans chacun de ces circuits est placé un échangeur de chaleur 2a et 2b. La répartition du débit de gaz chaud 3 entre les deux circuits la et lb est assurée par deux organes d'obturation 8 et 9. Ces organes d'obturation 8 et 9 peuvent, par exemple, être des volets pivotants, des vannes rotatives ou une guillotine. En phase de fonctionnement normal 20, les organes d'obturation 8 et 9 se trouvent en position centrale de sorte que le débit de gaz chaud 3 soit réparti de manière égale entre les deux circuits la et lb. En phase de désencrassement 22 de l'échangeur de chaleur 2a situé dans le premier circuit la, les organes d'obturation 8 et 9 sont réglés en position d'obturation 8b et 9b du second circuit 2b de sorte que l'ensemble du débit de gaz chaud 3 circule dans le premier circuit la. En phase de désencrassement de l'échangeur de chaleur 2b, les organes d'obturation 8 et 9 sont réglés en position d'obturation 8a et 9a du premier circuit 2a de sorte que l'ensemble du débit de gaz chaud 3 circule dans le second circuit lb. Comme visible sur la figure 5, chaque phase de fonctionnement normal 20 est suivie d'une phase de désencrassement 22. Ces phases sont répétées cycliquement. Avantageusement selon l'invention, les phases de désencrassement sont répétées périodiquement. En se reportant à la Fig. 4 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, une trémie 14 placée sous l'échangeur de chaleur 2b. Une telle trémie peut également être disposée sous l'échangeur de chaleur 2a. Elle permet de collecter les dépôts solides 7 de poussières et polluants formés sur les parois des tubes 5 de l'échangeur de chaleur 2 et arrachés de celui-ci lors des phases de désencrassement. Ces dépôts solides 7, visibles sur la figure 2, tombent des tubes de l'échangeur de chaleur vers une goulotte d'évacuation 15. Comme représenté sur la Fig. 4, la face inférieure de l'échangeur de chaleur 2 présente avantageusement une forme complémentaire à la forme de la trémie 14 de sorte d'éviter un écoulement préférentiel du gaz chaud sous l'échangeur. Ainsi, dans l'exemple représenté, l'échangeur de chaleur 2 présente une forme sensiblement tronconique. La goulotte d'évacuation 15 est avantageusement équipée de deux organes de sectionnement successifs 10 et 11 entre lesquels s'accumulent les dépôts 7 sous la forme d'un monticule 12. Les organes de sectionnement sont, par exemple, des vannes papillons ou des guillotines. En phase de fonctionnement normal 20, l'organe de sectionnement supérieur 10 est ouvert et l'organe de sectionnement inférieur 11 est fermé. Lors de l'évacuation des dépôts collectés, l'organe de sectionnement supérieur 10 est fermé de sorte d'éviter l'échappement de gaz chaud, avant d'ouvrir l'organe de sectionnement inférieur 11. Ainsi, en phase de fonctionnement normal 20 ou en phase de désencrassement 22, l'un des organes de sectionnement est en positionnement ouvert et l'autre en positionnement fermé. Avantageusement, la vitesse d'écoulement du gaz 3 au travers de l'échangeur de chaleur 2 est supérieure à 20 m/sec, et préférentiellement comprise entre 20 et 40 m/sec, pendant les phases de désencrassement 22. En variante, le dispositif de désencrassement 16 comporte un unique conduit dans lequel sont aménagés un échangeur de chaleur et un volet pivotant dont l'axe de pivotement est disposé parallèlement au plan de la surface d'échange de l'échangeur de chaleur de manière à ce que le volet obstrue au moins une partie de la surface d'échange, et de préférence la moitié de l'échangeur de chaleur, pendant les phases de désencrassement. Dans ce cas, l'échangeur de chaleur peut être divisé au milieu par une plaque métallique à travers laquelle passent les tubes. Ainsi, la plaque empêche la circulation des gaz sur la moitié obturée de la surface d'échangeur. En variante, l'organe d'obturation 8, 9 est apte à réduire sensiblement d'un demi ou d'un tiers la surface d'échange entre ledit échangeur de chaleur 2 et ledit gaz. Dans ce cas, la vitesse d'écoulement des gaz à refroidir au travers de l'échangeur de chaleur est multipliée par un coefficient pendant les phases de désencrassement; ledit coefficient étant sensiblement compris entre un et demi et deux; ledit coefficient étant de préférence égal à deux. De même en variante, le premier circuit la et le second circuit lb ainsi que les échangeurs de chaleur qu'ils contiennent, présentent des sections de dimension différente. En variante, un seul organe d'obturation 8 est disposé en amont de l'échangeur de chaleur ; l'organe d'obturation 9 disposé en aval de celui-ci étant omis.25 REVENDICATIONS1. Procédé de désencrassement d'échangeur de chaleur (2a, 2b) utilisé pour le refroidissement de gaz (3) chargés en poussières et polluants provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium; ledit échangeur de chaleur (2a, 2b) comportant au moins un tube dans lequel circule un fluide caloporteur apte à refroidir ledit gaz (3), caractérisé en ce qu'il comporte des phases de désencrassement (22) au cours desquelles la vitesse d'écoulement dudit gaz (3), circulant au travers de l'échangeur de chaleur (2a, 2b) est augmenté temporairement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement des gaz à refroidir (3) au travers de l'échangeur de chaleur (2a, 2b) est multipliée par un coefficient pendant les phases de désencrassement (22) ; ledit coefficient étant sensiblement compris entre un et demi et deux; ledit coefficient étant de préférence égal à deux. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement du gaz (3) au travers de l'échangeur de chaleur (2a, 2b) est supérieure à 20 m/sec, et préférentiellement comprise entre 20 et 40 m/sec, pendant les phases de désencrassement (22). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les phases de désencrassement (22) sont répétées périodiquement. 5. Dispositif (16) de désencrassement d'échangeur de chaleur (2a, 2b) utilisé pour le refroidissement de gaz (3) chargés en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium; ledit échangeur de chaleur (2a, 2b) comportant au moins un tube (5) dans lequel circule un fluide caloporteur (6) apte à refroidir le gaz (3), caractérisé en ce qu'il comprend au moins un organe d'obturation (8, 9) apte à réduire la surface d'échange entre ledit échangeur de chaleur (2a, 2b) et ledit gaz (3) pendant des phases de désencrassement (22) de l'échangeur de chaleur (2a, 2b). 6. Dispositif (16) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit organe d'obturation (8, 9) est propre à diviser ladite surface d'échange par un coefficient sensiblement compris entre un et demi et deux, et de préférence égal à deux. 7. Dispositif (16) selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte : - deux circuits d'écoulement des gaz (la, lb), comprenant chacun au moins 5 un échangeur de chaleur (2a, 2b), - ledit organe d'obturation (8, 9) étant apte à conduire ledit gaz (3) dans les deux circuits (la, lb) pendant des phases de fonctionnement normal (20), et dans un seul circuit (la, lb) pendant lesdites phases de désencrassement (22). 10 8. Dispositif (16) selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque circuit (la, lb), comprend une trémie (14) et une goulotte (15) pour collecter et évacuer des dépôts (7) de poussières et polluants formées sur les parois des tubes de l'échangeur de chaleur (2a, 2b) et arrachées pendant les phases de désencrassement (22). 15 9. Dispositif (16) selon la revendication 8, caractérisé en ce que la goulotte (15) comprend au moins deux organes de sectionnement (10) et (11) dont l'un est en position ouverte et l'autre est en position fermée.