Brevet FR3037975A1 — publié le 20161230

Contexte La présente invention est relative au traitement des gaz de cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium. Elle concerne plus particulièrement un dispositif d'aspiration des effluents gazeux au sein des cuves d'électrolyses qui augmente le débit d'aspiration à traiter lorsqu'un ou plusieurs capots sont retirés temporairement, pour permettre une intervention sur la cuve. Problème posé Dans les usines de production d'aluminium, les cuves d'électrolyse sont munies de capots permettant de maintenir la dépression à l'intérieur de la cuve et d'assurer la captation des effluents car ceux-ci comportent des polluants. Lorsque des capots sont retirés, le débit d'aspiration n'est plus suffisant pour assurer une bonne captation des effluents gazeux et il y a dégagement de gaz et de fumées chargées de polluants par les cuves d'électrolyse qui s'échappent dans le milieu extérieur par l'ouverture dans la halle d'électrolyse. Ces gaz et fumées étant nocifs, il est nécessaire d'empêcher ou au moins de limiter les émanations polluantes dans la halle. Etat de la technique Le procédé classique pour résoudre ce problème technique est d'augmenter la dépression et le débit d'aspiration au sein de la cuve, par exemple de 2.4 Nm3/s (normal mètre cube par seconde) à 5Nm3/s. Pour cela, plusieurs systèmes existent à ce jour. Le document W02012/017165 décrit un système qui utilise la gaine d'aspiration normale pour effectuer la suraspiration : sur la gaine d'aspiration de la cuve, une vanne fermant partiellement la section est installée, créant ainsi une perte de charge. Lorsque la vanne est actionnée, celle-ci s'ouvre, supprimant ainsi la perte de charge, ce qui augmente naturellement le débit d'aspiration sur la cuve concernée. Ce système est peu onéreux mais a une efficacité limitée (typiquement, le débit de suraspiration est limité à 1,5 ou 1,6 fois le débit nominal) et nécessite une surconsommation permanente au niveau des ventilateurs de tirage à cause de la perte de charge additionnelle. 3037975 2 Le document W02007116320 décrit un système utilisant de l'air surpressé injecté à l'intérieur de la gaine d'aspiration normale de la cuve par une buse créant ainsi un phénomène d'induction par effet Venturi, ce qui augmente le débit d'aspiration. Ce système est couplé au basculement d'un diaphragme d'équilibrage présent en sortie de 5 cuve permettant ainsi de gagner encore en débit de suraspiration. Ce système représente un certain investissement pour le réseau d'air surpressé et les diaphragmes escamotables ainsi qu'un coût de fonctionnement supplémentaire dû à la consommation d'air surpressé . Il faut aussi noter que les diaphragmes d'équilibrage ont des dimensions différentes suivant la position de la cuve dans la halle d'électrolyse ; ainsi les cuves en 10 extrémité n'ont théoriquement pas de diaphragmes. Le débit de suraspiration dépendra donc de la position de la cuve. L'augmentation de débit générée par l'injection d'air surpressé seule étant insuffisante pour obtenir un débit de suraspiration acceptable, il est nécessaire de coupler ce système avec le système décrit précédent afin de pouvoir atteindre l'augmentation de débit voulue. 15 Un problème commun à ces systèmes est leur manque d'efficacité car le débit de suraspiration obtenu est limité typiquement à 1,5 ou 1,6 fois le débit nominal, ce qui est insuffisant pour garantir l'absence d'émanation gazeuse dans la halle. Solution proposée L'invention consiste notamment à injecter du gaz sous pression dans la gaine d'aspiration 20 d'une cuve de production d'aluminium par électrolyse ignée en utilisant l'effet Coanda pour générer un débit supplémentaire par une suraspiration dans la gaine permettant d'obtenir la dépression nécessaire dans ladite cuve et empêchant la sortie des effluents gazeux dans la halle lorsqu'un ou des capots sont retirés temporairement, et/ou lorsque la porte d'accès à l'intérieur de la cuve est ouverte. 25 Avantageusement, le gaz sous pression injecté dans le dispositif selon l'invention est de l'air. L'effet Coanda est un phénomène de déviation d'un fluide par une surface convexe. Il est le résultat de l'attraction d'un jet de fluide par une surface convexe voisine. Le fluide en suit la surface et subit une déviation avant de s'en détacher avec une trajectoire différente de celle qu'il avait en amont. L'invention bénéficie ainsi du principe 3037975 3 d'entrainement d'un second flux de gaz par un premier flux de gaz guidé par soufflage sur une surface convexe. L'introduction du gaz sous pression guidé contre les parois du dispositif associée à un divergent entraine ainsi une grande quantité induite d'effluents gazeux avec une faible quantité de gaz sous pression. 5 Selon un premier aspect, l'invention propose alors un dispositif de suraspiration d'effluents gazeux utilisant l'effet Coanda. Le dispositif est implanté sur une gaine d'aspiration venant se raccorder à un collecteur relié à un centre de traitement de gaz vers lequel les effluents gazeux sont dirigés. Le dispositif comprend : un corps creux dont l'intérieur est délimité par une paroi latérale, 10 un injecteur destiné à être raccordé d'une part à un circuit d'alimentation de gaz sous pression, et d'autre part raccordé à la paroi latérale du corps pour injecter le gaz sous pression à l'intérieur du corps, au moins un organe de déviation de la trajectoire du flux de l'injecteur à l'intérieur le corps, l'organe de déviation comprenant au moins un corps convexe placé sur la 15 trajectoire du flux de l'injecteur dans le corps et prolongé par la paroi latérale du corps, le corps convexe étant spécialement adapté pour conduire le flux de gaz sous pression de l'injecteur à suivre la paroi latérale du corps dans le sens de circulation des effluents gazeux par effet Coanda, induisant une suraspiration des effluents gazeux. Le procédé selon l'invention permet d'obtenir une suraspiration d'effluents gazeux 20 provenant d'une cuve pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée en alimentant le dispositif par du gaz sous pression générant un effet Coanda notamment pendant et après le retrait d'au moins un capot, ou tous travaux nécessitant une ouverture des capots sans leur retrait, ou l'ouverture de la porte d'accès à l'intérieur de la cuve. 25 Avantageusement, selon l'invention, le débit de gaz sous pression injecté dans le dispositif est ajusté selon le débit de suraspiration requis. Le dispositif selon l'invention peut en outre présenter les caractéristiques suivantes, considérées seules ou en combinaison : 3037975 4 le corps comprend au moins une portion divergente suivant l'injecteur dans le sens de circulation des effluents gazeux, permettant d'accentuer le phénomène de suraspiration par le dispositif ; - le dispositif est partiellement ou complètement, réalisé en matériau diélectrique de 5 sorte d'isoler électriquement la cuve du collecteur ; le dispositif comprend un organe de réglage du débit de gaz sous pression ; le dispositif comprend un organe d'équilibrage du débit d'aspiration ; le gaz sous pression est de l'air ; la gaine ne véhicule qu'une partie des effluents gazeux émis par une cuve ; 10 le dispositif constitue le premier tronçon de la gaine, dans le sens d'écoulement des effluents gazeux. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un procédé de suraspiration d'effluents gazeux provenant d'une cuve pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée, utilisant le dispositif tel que présenté ci-dessus. Ladite cuve comporte des capots 15 amovibles et une porte d'accès. Le dispositif est alimenté en gaz sous pression pour générer une suraspiration des effluents gazeux par effet Coanda, notamment pendant et après le retrait d'au moins un capot et/ou lorsque la porte est ouverte. Le procédé peut présenter les caractéristiques suivantes, considérées seules ou en combinaison : 20 le débit de gaz sous pression injecté dans le dispositif est ajusté selon le débit de suraspiration requis ; - le gaz sous pression a une pression comprise entre 1 et 8 bars, en fonction de la taille des cuves d'électrolyse et le débit de gaz à aspirer, ainsi que la pression du gaz sous pression disponible dans la halle. 25 Selon un troisième aspect, l'invention concerne une installation de récupération d'effluents gazeux comprenant une cuve pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée. L'installation comprend au moins une gaine reliée d'une part à la cuve et d'autre part à un collecteur destiné à acheminer au moins une partie des effluents de 3037975 5 la cuve à un centre de traitement des gaz. L'installation comprend en outre au moins un dispositif de suraspiration tel que présenté ci-dessus, ledit dispositif de suraspiration étant raccordé à la au moins une gaine Par exemple, le dispositif de suraspiration est connecté à l'entrée de la gaine dans le sens 5 de circulation des effluents gazeux. Selon un mode de réalisation, la cuve peut être reliée à une pluralité de gaines. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et non limitative, en référence aux figures annexées suivantes : 10 figure 1 : représentation schématique d'une cuve pour la production industrielle d'aluminium comprenant le dispositif de suraspiration d'effluents gazeux selon l'invention. figure 2 : coupe schématique d'un exemple de réalisation du dispositif de suraspiration d'effluents gazeux selon l'invention. 15 La figure 1 représente une cuve 2 pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée. Ladite cuve 2 est équipée d'un dispositif d'aspiration d'effluents gazeux émis dans la cuve, lequel est relié à un centre de traitement de gaz (non représenté) par au moins une gaine d'aspiration 3 reliée à un collecteur de gaz 4. Cette gaine 3 permet de collecter les effluents 9 émis dans la cuve 2. La cuve 2 est munie de capots amovibles 8 20 pour permettre le retrait et l'insertion des anodes pour l'électrolyse et d'une porte 16 d'accès à l'intérieur de la cuve 2. Dans cet exemple de réalisation de l'invention, un dispositif 1 de suraspiration est implanté sur la gaine 3 entre la cuve 2 et le collecteur 4. Il peut être positionné avantageusement en début de gaine 3 dans le sens des effluents de gaz 9, et être en lien 25 direct avec la cuve 2. Le dispositif 1 est alors le premier tronçon de la gaine 3. Cette disposition peut être particulièrement avantageuse en favorisant l'aspiration des effluents gazeux dans la gaine 3. 3037975 6 La figure 2 est une coupe schématique du dispositif 1 de suraspiration selon un exemple de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 est composé d'un corps 13 creux, implanté sur la gaine 3, de sorte que les effluents 9 gazeux s'échappant de la cuve 2 d'électrolyse vers le collecteur 4 en passant par la gaine 3 d'aspiration passent par le corps 13 creux. 5 L'intérieur du corps 13 creux est délimité par une paroi 13a latérale, dans la continuité de la gaine 3. Plus précisément, ledit corps 13 est conçu pour s'adapter à la forme de la gaine 3. Avantageusement, mais non limitativement, la paroi 13a latérale du corps 13 creux est de section circulaire, comme le sont généralement les sections de gaines 3 dans les usines de production d'aluminium mais peut être de toute autre forme. 10 Le dispositif 1 de suraspiration peut être raccordé entre deux tronçons de la gaine 3, être raccordé entre la cuve 2 et la gaine 3 ou être raccordé entre la gaine 3 et le collecteur 4. Le dispositif 1 de suraspiration comprend un injecteur 6 qui injecte de l'air sous pression le long de la paroi 13a latérale, sur tout ou une partie de sa circonférence. Plus précisément, l'injecteur 6 est raccordé à la paroi 13a latérale du corps 13 creux de sorte 15 que la sortie de l'injecteur 6 débouche à l'intérieur du corps 3 creux. La sortie dudit injecteur 6 est disposée de préférence à proximité de l'entrée du corps 13 creux dans le sens d'écoulement des effluents gazeux 9. Pour une gaine 3 cylindrique, la sortie de l'injecteur 6 est par exemple de forme annulaire, et s'étend sur l'ensemble de la circonférence de la paroi 13a latérale, à proximité de l'entrée du corps 13 creux. Dans une 20 variante de réalisation de l'invention, cet injecteur 6 peut comprendre une pluralité de sorties débouchant à l'intérieur du corps 13 creux, et réparties sur la circonférence de la paroi 13a latérale du corps 13, à proximité de l'entrée du corps 13 creux. Dans ce qui suit, il est considéré que l'injecteur 6 comprend une seule sortie annulaire. L'injecteur 6 est raccordé par ailleurs à un circuit 7 d'alimentation de gaz sous pression 25 14. La pression d'alimentation est comprise dans une fourchette non limitative de 1 à 8 bars selon le débit d'effluents gazeux à aspirer et la pression du gaz sous pression disponible. Le dispositif 1 dispose également d'une vanne 12 placée sur le circuit 7 pour ajuster le débit de gaz 14 sous pression de sorte de réguler le débit d'aspiration des effluents 9 gazeux. 3037975 7 Le dispositif 1 de suraspiration comprend par ailleurs un organe de déviation de la trajectoire du flux d'air comprimé à la sortie de l'injecteur 6, permettant de guider le flux d'air comprimé. Plus précisément, l'organe de déviation comprend au moins un corps 15 convexe, placé à la sortie de l'injecteur 6, à l'intérieur du corps 13 creux, sur la trajectoire 5 du gaz sous pression, et prolongé dans le sens découlement des effluents 9 gazeux par la paroi 13a latérale du corps 13 creux. L'adjectif convexe doit ici s'entendre par référence aux gaz circulant dans la gaine 3 et le corps 13 creux, c'est-à-dire comme désignant un corps dont la surface est bombée vers l'intérieur du corps 13 creux. L'adjectif convexe doit par ailleurs être interprété dans un 10 sens large, et un corps convexe comprend une surface qui peut être formée par une seule surface courbe, par une succession de surfaces courbes, et / ou par une succession de surfaces planes inclinées les unes par rapport aux autres. Selon l'effet Coanda, le flux de gaz sous pression sortant de l'injecteur 6 épouse la surface du corps 15 convexe pour suivre la paroi 13a latérale du corps 13. Il est à noter que la 15 figure 2 est une représentation schématique du dispositif 1 selon l'invention, la forme de l'injecteur 6, notamment, étant uniquement illustrative. La configuration générale de l'injecteur 6 et la géométrie du corps 15 convexe sont optimisées pour exploiter au mieux l'effet Coanda. L'afflux de gaz 14 sous pression dans le dispositif 1 avec une vitesse importante, crée une dépression périphérique, le long de la paroi 13a latérale dans le 20 corps 13 creux, et entraine une dépression centrale conduisant à la suraspiration des effluents gazeux 9 provenant de la cuve 2 d'électrolyse par l'intermédiaire de la gaine 3. Pour accentuer cet effet d'aspiration, le dispositif 1 de suraspiration peut comprendre un divergent 10 dans le corps 13, c'est-à-dire que la section de la paroi 13a latérale du corps 13 est plus étroite au niveau de la sortie de l'injecteur 6 et qu'elle s'élargit ensuite dans le 25 sens de l'écoulement des effluents gazeux 9. Cette géométrie permet de créer une dépression plus importante et ainsi attirer davantage d'effluents gazeux 9 à travers le dispositif 1. Ce divergent 10 permet également de diminuer la perte de charge du dispositif 1. Ainsi en injectant du gaz sous pression, le débit d'aspiration dans la cuve 2 est augmenté 30 de 1,5 à 2,5 fois. Soit Ca le débit de gaz aspiré à travers la gaine 3 lorsqu'il n'y a pas 3037975 8 d'injection de gaz sous pression 14. Le débit Q2 en sortie du dispositif 1 sera le nouveau débit d'aspiration 01' auquel s'ajoute le débit de gaz sous pression (Qgaz). Q2 = 01' + Qgaz et 01' = 1.5 à 2.5 x 01 5 Dans la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée, il est important d'isoler électriquement les cuves 2. Les gaines 3 et le collecteur 4 peuvent véhiculer l'électricité si aucun système d'isolation n'est mis en place. Le dispositif 1 peut contribuer à cet isolement par sa position sur la gaine 3. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif 1 est réalisé partiellement ou totalement en matériau diélectrique de sorte 10 d'isoler électriquement la cuve 2 du collecteur 4. Dans une variante de mise en oeuvre de l'invention, le dispositif 1 de suraspiration est situé sur une gaine dédiée à la suraspiration. Les effluents gazeux sont alors extraits de la cuve 2 par deux orifices d'aspiration. Tandis qu'une gaine fonctionne de manière permanente, la seconde gaine est dédiée à la suraspiration. 15 Lors du changement d'anode dans une cuve 2, des capots 8 sont retirés de la cuve. Afin d'éviter le dégagement d'effluents gazeux polluants par cette ouverture, le dispositif 1 de suraspiration est activé. De l'air sous pression 14 du système d'alimentation 7 de gaz sous pression 14 est introduit dans l'injecteur 6 du dispositif 1. L'air sous pression 14 est expulsé dans le corps 13 sur le corps 15 convexe. Ce flux de gaz sort à une vitesse 20 importante de l'injecteur 6 en raison de sa décompression et est dévié par le corps 15 convexe qui suit la sortie de l'injecteur 6. Une dépression périphérique est générée à l'intérieur du corps 13 creux, le long de la paroi 13a latérale, entrainant une dépression centrale conduisant à un phénomène de suraspiration des effluents gazeux 9 provenant de la cuve 2. Le débit d'aspiration est alors largement augmenté dans la gaine 3. En 25 fonction de la quantité et de la pression du gaz sous pression injecté, il est possible de d'augmenter substantiellement le débit d'aspiration, notamment en le multipliant par deux. Selon le nombre de capots 8 soulevés, la vanne 12 permet d'ajuster le débit de gaz 14 sous pression introduit dans le dispositif 1 faisant ainsi varier la suraspiration. A la 3037975 9 fermeture des capots 8 et/ou de la porte 16 d'accès à la cuve, le dispositif 1 est arrêté et l'aspiration reprend un débit normal. La production d'aluminium par électrolyse ignée génère une grande quantité d'effluents gazeux qui nécessite d'être traités. Il est donc nécessaire d'utiliser des gaines 3 de grand 5 diamètre. A titre d'exemple, pour une gaine 3 de forme cylindrique ayant un diamètre de 600 mm, le diamètre intérieur du dispositif 1 au niveau de la partie convexe 15 de l'injecteur 6 possède une entrée de 400 mm. Le dispositif 1 est alimenté en air sous une pression de 7 bars. Le débit de gaz sous pression injecté dans l'injecteur 6 permet d'augmenter le débit d'aspiration sur la cuve d'électrolyse jusqu'à 6Nm3/s (au lieu de 10 2.5Nm3/s sans ce dispositif). Le dispositif 1 selon l'invention peut avoir des dimensions différentes et/ou des conditions de fonctionnement différentes selon la position de la cuve concernée par celui-ci au regard du collecteur 4. La gaine 3 peut également comprendre un organe d'équilibrage 17, tel un diaphragme, de 15 sorte d'ajuster les débits d'aspiration entre les cuves. Le dispositif 1 selon l'invention est alors placé en amont ou en aval dudit organe d'équilibrage 17 dans le sens d'écoulement des effluents. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif 1 intègre ledit organe d'équilibrage 17. Le retrait de capots 8 et/ou l'ouverture de portes 16 d'accès aux cuves, ainsi que 20 l'alimentation en gaz 14 sous pression de dispositifs 1, conduisent à une augmentation du débit total alimentant le centre de traitement des gaz. Celui-ci est dimensionné pour absorber cette augmentation ponctuelle de débit à traiter. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de suraspiration d'effluents gazeux (9) provenant d'une cuve (2) pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée, implanté sur une gaine (3) destiné à se raccorder à un collecteur (4) relié à un centre (5) de traitement de gaz vers lequel les effluents gazeux sont dirigés, le dispositif (1) étant caractérisé en ce qu'il comprend : un corps (13) creux dont l'intérieur est délimité par une paroi (13a) latérale, un injecteur (6) destiné à être raccordé d'une part à un circuit d'alimentation (7) de gaz sous pression (14), et d'autre part raccordé à la paroi (13a) latérale du corps (13) pour injecter le gaz sous pression à l'intérieur du corps (13), au moins un organe de déviation de la trajectoire du flux de l'injecteur (6) à l'intérieur le corps (13), l'organe de déviation comprenant au moins un corps (15) convexe placé sur la trajectoire du flux de l'injecteur (6) dans le corps (13) et prolongé par la paroi (13a) latérale du corps (13), le corps (15) convexe étant spécialement adapté pour conduire le flux de gaz sous pression (14) de l'injecteur (6) à suivre la paroi latérale du corps (3) dans le sens de circulation des effluents gazeux (9) par effet Coanda, induisant une suraspiration des effluents gazeux (9). 2. Dispositif (1) selon la revendication 1, dans lequel le corps (13) comprend au moins une portion divergente suivant l'injecteur (6) dans le sens de circulation des effluents gazeux. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est, partiellement ou complètement, réalisé en matériau diélectrique de sorte d'isoler électriquement la cuve (2) du collecteur (4). 4. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un organe (12) de réglage du débit de gaz sous pression (14). 5. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un organe d'équilibrage (17) du débit d'aspiration. 3037975 11 6. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz (14) sous pression est de l'air. 7. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la gaine (3) ne véhicule qu'une partie des effluents gazeux (9) émis par une cuve (2). 5 8. Dispositif (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il constitue le premier tronçon de la gaine (3), dans le sens d'écoulement des effluents gazeux (9). 9. Procédé de suraspiration d'effluents gazeux provenant d'une cuve (2) pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée, utilisant un dispositif (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite cuve (2) 10 comportant des capots (8) amovibles et une porte d'accès (16), caractérisé en ce que ledit dispositif (1) est alimenté en gaz sous pression (14) pour générer une suraspiration des effluents gazeux (9) par effet Coanda, notamment pendant et après le retrait d'au moins un capot (8) et/ou lorsque la porte (16) est ouverte. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le débit de gaz sous 15 pression (14) injecté dans le dispositif (1) est ajusté selon le débit de suraspiration requis. 11. Procédé selon la revendication 9 ou la revendication 10, caractérisé en ce que le gaz (14) sous pression a une pression comprise entre 1 et 8 bars. 12. Installation de récupération d'effluents gazeux comprenant une cuve (2) pour la 20 production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée, l'installation comprenant au moins une gaine (3) reliée d'une part à la cuve (2) et d'autre part à un collecteur destiné à acheminer au moins une partie des effluents de la cuve (2) à un centre (5) de traitement des gaz, l'installation comprenant en outre au moins un dispositif (1) de suraspiration selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 25 ledit dispositif (1) de suraspiration étant implanté sur la au moins une gaine (3). 13. Installation de récupération d'effluents gazeux selon la revendication 12, dans laquelle le dispositif (1) de suraspiration est connecté à l'entrée de la gaine (3) dans le sens de circulation des effluents gazeux (9). 3037975 12 14. Installation de récupération d'effluents gazeux selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans laquelle la cuve (2) est reliée à une pluralité de gaines (3).