Brevet FR2960052A1 — 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 production 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 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 conduit à diminuer leur efficacité thermique. Dans la suite de ce document, nous désignerons par le terme générique « polluants » les composants gazeux susceptibles de se condenser sur les parois de l'échangeur et de constituer avec les poussières un dépôt solide. 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 dans lesquels circule un fluide caloporteur froid. Le gaz chaud se refroidit ainsi par transfert de chaleur vers le fluide caloporteur froid qui s'échauffe. Pendant ce fonctionnement, un dépôt de particules se forme sur la surface externe des tubes. L'épaisseur et la consistance de ce dépôt dépendent des conditions d'exploitation et de la nature des polluants. Pour limiter la formation de dépôt de poussières et polluants sur la surface extérieure des tubes d'échangeur, il est communément mis en place un filtre en amont de l'échangeur. 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 perte de charge de ce piège permet d'informer sur son niveau d'encrassement et sur 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. 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 des 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 et nécessite de fréquentes interventions du personnel de maintenance. L'invention proposée permet de réaliser le désencrassement des échangeurs de 15 chaleur sans ces inconvénients. Elle consiste principalement en un procédé de désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication 20 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 comporte les étapes suivantes : - circulation du gaz dans un circuit principal au cours de phases de fonctionnement normal, ledit échangeur de chaleur étant agencé dans ledit circuit 25 principal, et - circulation du gaz dans un circuit de by-pass de l'échangeur de chaleur au cours de phases de désencrassement. L'arrêt de la circulation du gaz chaud tout en maintenant l'écoulement du 30 fluide caloporteur froid conduit à un refroidissement rapide des tubes de l'échangeur de chaleur. Ceux-ci sont généralement réalisés dans un alliage métallique, par exemple à base d'aluminium ou de cuivre. Ces matériaux ont un coefficient de dilatation beaucoup plus important que le coefficient de dilatation du dépôt solide. Le choc thermique qui résulte de l'arrêt de l'écoulement du gaz chaud conduit à des 35 dilatations différentielles du dépôt solide et des tubes de l'échangeur de chaleur. Cela provoque le craquage du dépôt solide et son décollement des tubes. Ainsi, des morceaux de dépôt solide tombent en bas de l'échangeur de chaleur et peuvent être récupérés dans une trémie. A titre d'exemple, pour le refroidissement du gaz provenant de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium, le gaz chaud est à une température d'environ 120 à 180°C à l'entrée de l'échangeur de chaleur et à environ 90 à 130°C après l'échangeur de chaleur. Le fluide caloporteur utilisé pour le refroidissement est généralement de l'eau, avec une température d'environ 40 à 70°C à l'entrée de l'échangeur de chaleur et à environ 50 à 140°C après l'échangeur de chaleur. Avantageusement, pendant la phase de désencrassement de l'échangeur de chaleur, l'arrêt de la circulation du gaz chaud au travers de l'échangeur de chaleur est combiné à la circulation dans les tubes d'un fluide caloporteur plus froid qu'en fonctionnement normal. Par exemple, une eau à une température d'environ 20 à 40°C en entrée d'échangeur de chaleur. L'opération de désencrassement par ce procédé est rapide. Il suffit en effet d'arrêter l'écoulement du gaz chaud pendant une durée d'environ 5 à 20 minutes. Elle peut être réalisée fréquemment, par exemple une fois tous les 3 à 10 jours. 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 solides recueillis au fond de la trémie lorsqu'elle est remplie. Les observations que nous avons réalisées montrent, de manière surprenante, que lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les dépôts solides se détachent en petits morceaux, comme des écailles, qu'il est facile de collecter et d'évacuer. L'invention consiste également en un dispositif de désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium, ledit dispositif comprenant au moins un échangeur de chaleur comportant au moins un tube dans lequel circule un fluide caloporteur apte à refroidir ledit gaz, caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un circuit principal dans lequel ledit échangeur de chaleur est agencé, ledit gaz étant propre à circuler dans ledit circuit principal lors de phases de fonctionnement normal, - un circuit de by-pass de l'échangeur de chaleur dans lequel ledit gaz circule pendant des phases de désencrassement dudit échangeur de chaleur, - au moins un organe de distribution apte à conduire ledit gaz dans le circuit principal pendant les phases de fonctionnement normal et dans le circuit de by-pass 5 pendant les phases de désencrassement de l'échangeur de chaleur. 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 10 ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : - Fig.l représente une vue schématique d'une solution selon l'état de la technique avec un filtre en amont de l'échangeur, 15 - Fig. 2 représente une vue schématique de la section d'un tube d'un échangeur de chaleur montrant un exemple de dépôt solide, - Fig. 3 représente une vue schématique d'un exemple de réalisation de l'invention ; - Fig. 4 représente une vue schématique d'un autre exemple de réalisation de l'invention ; et - 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. 30 En se reportant à la Fig. 1 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un échangeur de chaleur 2 tubulaire placé dans un circuit 1 d'écoulement de gaz chaud 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 35 gaz chaud. Sur cette figure, uniquement à titre d'exemple, l'écoulement d'un fluide caloporteur froid à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est représenté à contre courant par rapport au gaz chaud 3. 20 25 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. Les tubes 5 ont une forme ellipsoïdale pour limiter le dépôt solide 7 de poussières et polluants sur la face extérieure 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 de gaz chaud chargé en poussières et polluants circulant selon la direction représentée par la flèche 4. Ce gaz chaud provient, par exemple, de cuve d'électrolyse d'un dispositif de fabrication d'aluminium. Ce circuit 1 se divise en un circuit principal la comprenant un échangeur de chaleur 2, et un circuit de by-pass lb ou de contournement de l'échangeur de chaleur. Ce circuit de by-pass lb ne comporte pas d'échangeur de chaleur ou de filtre. Le circuit de by-pass lb est disposé parallèlement au circuit principal la. Dans cet exemple de réalisation, l'orientation du gaz chaud vers le circuit principal la ou vers le circuit de by-pass lb est assurée par la combinaison d'organes de distribution 8 et 9. Ces organes de distribution comprennent par exemple des volets pivotants, des vannes rotatives ou une guillotine. Ces organes de distribution 8, 9 sont déplacés entre une position d'ouverture du circuit principal la et de fermeture du circuit de by-pass lb pour faire circuler le gaz 3 dans le circuit principal la au travers de l'échangeur de chaleur 2 ; et une position d'ouverture du circuit de by-pass lb et de fermeture du circuit principal la pour faire circuler le gaz 3 dans le circuit de by-pass lb. En référence à la figure 5, en phase de fonctionnement dit normal 20, les organes de distribution 8 et 9 sont placés en position 8a, 9a d'ouverture du circuit principal la et d'obstruction du circuit de by-pass lb. Pendant les phases 22 de désencrassement de l'échangeur de chaleur 2, les organes de distribution 8 et 9 sont placés en position 8b, 9b d'ouverture du circuit de by-pass lb et d'obstruction du circuit principal la contenant l'échangeur de chaleur 2. 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. Avantageusement selon l'invention, la température du fluide caloporteur est abaissée pendant les phases de désencrassement. Selon l'exemple de réalisation représenté sur la Fig. 4, une trémie 14 est placée sous l'échangeur de chaleur 2 afin 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 tombent des tubes de l'échangeur de chaleur 2 vers une goulotte d'évacuation 15. Celle-ci est avantageusement équipée de deux organes de sectionnement successifs 10 et 11 entre lesquels s'accumulent les dépôts solides 7 sous la forme d'un monticule 12. Les organes de sectionnement 10, 11 sont, par exemple, des vannes papillons ou des guillotines. En phase de fonctionnement normal, l'organe de sectionnement supérieur 10 est ouvert et l'organe de sectionnement inférieur 11 est fermé. Lors de l'évacuation des dépôts solides 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, pendant une phase de fonctionnement normal ou pendant une phase de désencrassement, l'un des organes de sectionnement est en position ouverte et l'autre en position fermée. Comme représenté sur la Fig. 3, 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. REVENDICATIONS1. Procédé de désencrassement d'échangeur de chaleur (2) utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium ; ledit échangeur de chaleur (2) comportant au moins un tube (5) dans lequel circule un fluide caloporteur (6) apte à refroidir le gaz (3); caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - circulation du gaz (3) dans un circuit principal (la) au cours de phases de fonctionnement normal, ledit échangeur de chaleur (2) étant agencé dans ledit circuit principal (la), et - circulation du gaz (3) dans un circuit de by-pass (lb) de l'échangeur de chaleur (2) au cours de phases de désencrassement (22). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un déplacement d'au moins un organe de distribution (8, 9) entre une position d'ouverture du circuit principal (la) et de fermeture du circuit de by-pass (lb) pour faire circuler le gaz (3) dans le circuit principal (la) au travers de l'échangeur de chaleur (2) et une position d'ouverture du circuit de by-pass (lb) et de fermeture du circuit principal (la) pour faire circuler le gaz (3) dans le circuit de by-pass (lb). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les phases de désencrassement (22) sont répétées périodiquement. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température du fluide caloporteur (6) est abaissée pendant les phases de désencrassement (22). 5. Dispositif (16) de désencrassement d'échangeur de chaleur (2) utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium, ledit dispositif (16) comprenant au moins un échangeur de chaleur (2) comportant au moins un tube (5) dans lequel circule un fluide caloporteur (6) apte à refroidir ledit gaz (3) , caractérisé en ce qu'il comprend en outre : - un circuit principal (la) dans lequel ledit échangeur de chaleur (2) est agencé, ledit gaz (3) étant propre à circuler dans ledit circuit principal (la) lors de phases de fonctionnement normal (20),- un circuit de by-pass (lb) de l'échangeur de chaleur (2) dans lequel ledit gaz (3) circule pendant des phases de désencrassement (22) dudit échangeur de chaleur (2), - au moins un organe de distribution (8) apte à conduire ledit gaz (3) dans le circuit principal (la) pendant les phases de fonctionnement normal (20) et dans le circuit de by-pass (lb) pendant les phases de désencrassement (22) de l'échangeur de chaleur (2). 6. Dispositif (16) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit principal (la) comprend une trémie (14) disposée sous l'échangeur de chaleur (2), et une goulotte (15) pour collecter et évacuer les dépôts (7) de poussières et polluants formées sur les parois des tubes (5) de l'échangeur de chaleur (2) et arrachées lors des phases de désencrassement (22). 7. Dispositif (16) selon la revendication 6, 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 en position fermée.