DE PRODUCTION INDUSTRIELLE D'ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE IGNÉE

Contexte

La présente invention est relative au traitement des gaz de cuves d'électrolyse pour la production d'aluminium. Elle concerne plus particulièrement le 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. Lorsque des capots sont retirés, la pression à l'intérieur de la cuve augmente et il y a dégagement de gaz et de fumées chargées de polluants par l'ouverture dans la halle d'électrolyse.

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, typiquement de 2.4 Nm ³ /s (normal mètre cube par seconde) à 5 Nm ³ /s. Pour cela, plusieurs systèmes existent à ce jour.

Le système le plus courant, décrit notamment dans les documents WO20051 1 1480, EP1252373 et WO200874386, est une gaine d'aspiration secondaire vers laquelle est dérivé le flux de gaz aspiré dans la cuve à l'aide d'un registre, ladite gaine se connecte à un collecteur secondaire lui-même connecté à un ventilateur « booster » permettant d'assurer le débit de suraspiration pour une ou plusieurs cuves simultanément. Ce système, bien qu'assez efficace, demande un lourd investissement pour le collecteur secondaire, notamment à cause des ventilateurs boosters et des registres nécessaires (un par cuve). La consommation électrique de ce système est aussi assez importante, la suraspiration devant être enclenchée couramment.

Le document WO201217165 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.

Le document WO20071 16320 décrit un système utilisant de l'air comprimé injecté à l'intérieur de la gaine d'aspiration normale de la cuve par une buse créant ainsi un phénomène d'induction ce qui augmente le débit d'aspiration. Ce système est couplé au basculement d'un diaphragme d'équilibrage présent en sortie de cuve permettant ainsi de gagner encore en débit de suraspiration. Ce système représente un certain investissement pour le réseau d'air comprimé et les diaphragmes escamotables ainsi qu'un coût de fonctionnement dû à la consommation d'air comprimé. 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 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 comprimée 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.

Enfin, le document CN1737202 décrit une cuve d'électrolyse disposant de deux gaines d'aspiration. En conditions normale, une vanne papillon ferme une des deux aspirations et le débit aspiré au sein de la cuve est le débit d'aspiration standard. Lorsque la vanne est ouverte, les aspirations dans la cuve sont doublées et le débit de suraspiration peut alors être atteint. Ce système est économique par rapport à ceux décrits précédemment car il n'inclut pas de collecteur secondaire, ni ventilateur booster, ni de perte de charge supplémentaire ou de réseau d'air comprimé. Comme tous les systèmes de suraspiration existants, celui-ci se contente d'augmenter le débit global aspiré dans la cuve.

Le problème commun à tous ces systèmes est qu'ils se contentent d'augmenter le débit d'aspiration dans toute la cuve alors que seuls quelques capots sont retirés. Cela implique un débit plus important à traiter et une efficacité qui n'est pas optimale.

Solution proposée

L'invention consiste notamment à augmenter l'aspiration de gaz localement juste au niveau des capots retirés, optimisant ainsi l'efficacité de la suraspiration. Cette aspiration est activée lors du retrait des capots, par des bouches d'aspiration placées le long d'une gaine à l'intérieur de la cuve reliée au réseau principale d'aspiration pour qu'elle soit en dépression. Ainsi, lors du retrait d'un ou plusieurs capots, les bouches d'aspiration situées au niveau de ces capots sont ouvertes permettant d'aspirer les effluents gazeux à ces emplacements.

Ainsi, l'invention propose une installation de traitement des gaz issus d'un procédé d'électrolyse pour la production d'aluminium. L'installation comprend :

- au moins une cuve pour la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée. La cuve comprend elle-même au moins un capot amovible, de sorte que la cuve peut prendre un état de maintenance dans laquelle le capot est retiré de la cuve libérant un passage pour le retrait et la mise en place d'anodes d'électrolyse et un état de fonctionnement dans laquelle le capot ferme le passage de la cuve ;

- au moins une gaine de suraspiration d'une part débouchant à l'intérieur de la cuve et d'autre part apte à être reliée à un collecteur de gaz.

La gaine de suraspiration comprend alors au moins une bouche d'aspiration débouchant sur une ouverture orientée vers l'extérieur de la cuve. Chaque bouche d'aspiration est munie d'un dispositif de fermeture de l'ouverture, le dispositif de fermeture pouvant prendre une position de fermeture dans laquelle l'ouverture de la bouche d'aspiration est obstruée lorsque la cuve est en état de fonctionnement et une position ouverte dans laquelle l'ouverture de la bouche d'aspiration est dégagée lorsque la cuve est en état de maintenance. L'installation permet ainsi d'augmenter localement le débit d'aspiration lorsque l'ouverture de la bouche d'aspiration est dégagée. Le dispositif d'aspiration peut présenter en outre les caractéristiques suivantes, seules ou en combinaison : la cuve peut comprendre une pluralité de capots, et la gaine de suraspiration peut comprendre une pluralité de bouches d'aspiration, le nombre de capot correspondant au nombre de bouches d'aspiration ; l'installation peut comprendre une gaine d'aspiration principale débouchant dans la cuve et destinée à être reliée au collecteur ; la gaine de suraspiration peut être raccordée à une gaine d'aspiration secondaire, distincte de la gaine d'aspiration principale collectant les effluents émis dans la cuve par des moyens autres que les bouches d'aspiration ; la gaine d'aspiration secondaire peut être raccordée à la gaine d'aspiration principale en amont du collecteur ; la gaine d'aspiration secondaire peut être directement raccordée à un collecteur ; - un dispositif d'équilibrage telle qu'une vanne, peut être placé en amont du raccordement de la gaine d'aspiration secondaire sur la gaine d'aspiration principale, dans le sens d'écoulement des effluents gazeux, permettant qu'une partie ou que la totalité du débit d'aspiration passe par la gaine d'aspiration secondaire ; l'ouverture de la bouche d'aspiration peut être sensiblement orientée vers les anodes de la cuve de sorte de favoriser la collecte des effluents gazeux émis par les anodes ; le dispositif de fermeture peut être solidaire du au moins un capot et venir obstruer l'ouverture de la bouche d'aspiration lorsque la cuve est en état de fonctionnement ; - le dispositif de fermeture peut être constitué d'un élément amovible venant se plaquer sur l'ouverture de la bouche d'aspiration lorsque la cuve est dans l'état de fonctionnement grâce à la dépression présente dans ladite bouche d'aspiration ; l'ouverture des bouches d'aspiration peut présenter une forme évasée et le dispositif de fermeture comprend un élément de forme complémentaire venant s'emboiter dans la forme évasée de l'ouverture des bouches d'aspiration. Différents modes de réalisation de l'invention sont possibles et des exemples sont décrits ci-après avec références aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs.

Sur ces dessins :

· Fig. 1 est une vue schématique isométrique d'une cuve d'électrolyse ouverte sur trois capots ainsi que ses gaines d'aspiration ayant le dispositif de suraspiration selon un premier exemple de réalisation de l'invention.

• Fig. 2 est une vue coupée latéralement du mode de réalisation représenté en Fig. 1 , la coupe étant au niveau d'un capot retiré.

· Fig. 3 est une vue schématique isométrique d'une cuve d'électrolyse ouverte sur trois capots ainsi que ses gaines d'aspiration ayant le dispositif de suraspiration selon un second exemple de réalisation de l'invention.

• Fig. 4 est une vue de dessus coupée suivant le trait de coupe A-A représenté sur la Fig. 2, au niveau de la gaine de suraspiration dans l'une ou l'autre des configurations représentées en Fig .1 et Fig. 2.

• Fig. 5 est une vue latérale schématique d'exemple de gaine de suraspiration, de la branche latérale et d'un capot avec le système d'étanchéité, selon l'invention.

• Fig. 6 est une vue de dessus schématique de la gaine de suraspiration, de la branche latérale et du système d'étanchéité solidaire du capot pour un exemple de réalisation de l'invention.

Description détaillée d'un exemple de réalisation de l'invention

En se reportant aux Fig. 1 , 2, 3 et 4, on peut voir représenté un mode de réalisation d'une installation de traitement des gaz issus d'un procédé d'électrolyse pour la production d'aluminium. L'installation comprend au moins une cuve d'électrolyse 1 , ladite cuve 1 étant équipée d'un dispositif d'aspiration d'effluents gazeux provenant de la cuve, lequel est relié à un centre de traitement de gaz, non représenté, par une gaine 2 d'aspiration principale reliée à un collecteur 3 de gaz. Cette gaine 2 d'aspiration principale permet de collecter les effluents émis dans la cuve 1 par le procédé d'électrolyse. La cuve 1 est munie de capots 4 amovibles pour permettre le retrait et l'insertion des anodes 5. Les anodes 5 sont solidarisées à des tiges 6 facilitant leur manipulation et sont disposées selon deux rangées. Les anodes 5 sont retirées et insérées dans la cuve 1 à travers un passage ménagé latéralement le long de la cuve 1 . Plus précisément, deux passages sont ménagés, le long de chaque rangée d'anodes 5. La cuve 1 peut alors prendre deux états :

un état de maintenance, dans lequel au moins un capot 4 amovible est retiré, libérant le ou les passages au moins partiellement, pour l'insertion ou le retrait d'une anode 5 ;

un état de fonctionnement, dans lequel les capots 4 ferment le ou les passages de la cuve 1 , pendant le déroulement de l'électrolyse en général.

Ainsi, dans l'état de fonctionnement de la cuve 1 , les gaz qui s'échappent du procédé d'électrolyse sont récupérés par un réseau principal comprenant des moyens classiquement connus, non représentés ici, et la gaine 2 d'aspiration principale, et dirigés par la gaine 2 d'aspiration principale vers le collecteur 3. Lorsque le passage de la cuve 1 doit être ouvert en retirant au moins un capot 4, la cuve 1 étant alors dans l'état de maintenance, les gaz risquent de s'échapper hors de la cuve 1 dans la halle d'électrolyse.

Pour empêcher les gaz de s'échapper hors de la cuve 1 dans l'état de maintenance, comme représentée en Fig. 2 et 4, l'installation comprend en outre au moins une gaine 7 de suraspiration disposée à l'intérieur de la cuve 1 . Celle-ci est placée par exemple derrière les tiges 6 d'anode afin de ne pas gêner le retrait des anodes 5. Cette gaine 7 de suraspiration court en deux branches 7a, 7b latérales s'étendant parallèlement aux et au-dessus des deux rangées d'anodes 5, des deux côtés de la cuve 1 , le long des capots 4. Les deux branches 7a, 7b peuvent se rassembler à une extrémité des rangées, la gaine 7 de suraspiration formant un « U ». Elle est munie sur chaque branche 7a, 7b latérale d'une pluralité de bouches d'aspiration 8. Chaque bouche 8 d'aspiration débouche sur une ouverture 9, orientée vers l'extérieur de la cuve 1 . Le terme « ouverture » » doit être compris ici comme étant une sortie de la gaine 7 de suraspiration, c'est-à-dire que l'ouverture donne accès à l'extérieur de la gaine 7 de suraspiration. Les ouvertures 9 des bouches 8 d'aspiration sont de manière avantageuse sensiblement orientées vers le bas de la cuve 1 , c'est-à-dire vers les anodes 5, de sorte à favoriser la collecte des effluents gazeux émis par les anodes 5 pendant le procédé d'électrolyse. Chaque bouche 8 d'aspiration est alors munie d'un dispositif 12 de fermeture de son ouverture 9. Chaque dispositif 12 de fermeture peut prendre deux positions, en fonction de l'état de la cuve 1 :

lorsque la cuve 1 est dans l'état de fonctionnement, les dispositifs 12 de fermeture sont dans une position de fermeture, dans laquelle ils obstruent les ouvertures 9 des bouches 8 d'aspiration, de manière sensiblement hermétique ; lorsque la cuve 1 est dans l'état de maintenance, les dispositifs 12 de fermeture sont dans une position ouverte, laissant dégagée l'ouverture 9 d'au moins une bouche 8 d'aspiration. Selon un mode de réalisation préféré, chaque bouche 8 d'aspiration correspond à un capot 4. Les dispositifs 12 de fermeture peuvent alors être confondus avec les capots 4 de manière à ce que chaque capot 4, lorsque la cuve 1 est dans l'état de fonctionnement, ferme sensiblement hermétiquement une ouverture 9 d'une bouche 8 d'aspiration, située au-dessus des anodes 5.

La gaine 7 de suraspiration sort ensuite de la cuve 1 par une gaine 1 1 d'aspiration secondaire de manière similaire à celle de la gaine 2 d'aspiration principale. Plus précisément, les deux branches 7a, 7b latérales de la gaine 7 de suraspiration se rejoignent au niveau de la gaine 1 1 d'aspiration secondaire. La gaine 1 1 secondaire peut être équipée d'un ventilateur « booster », amovible ou non, pour augmenter le débit de suraspiration. La gaine 7 de suraspiration et la gaine 1 1 d'aspiration secondaire forme un réseau de suraspiration.

En se reportant aux Fig. 1 , 2, et 4, selon un premier exemple de réalisation de l'invention, la gaine 1 1 d'aspiration secondaire est connectée à la gaine 2 d'aspiration principale. En aspiration normale, lorsque la cuve 1 est dans l'état de fonctionnement, les ouvertures 9 de la gaine 7 de suraspiration sont fermées par les capots 4 et, à part d'éventuels petits débits de fuite, aucun débit de gaz ne circule dedans. Seule la gaine 2 d'aspiration principale fournit une aspiration des gaz d'électrolyse vers le collecteur 3. Lorsqu'un ou plusieurs capots 4 sont retirés libérant ainsi les ouvertures 9 correspondantes, une partie du débit des gaz d'électrolyse est déviée de la gaine d'aspiration principale 2 vers la gaine de suraspiration 7 résultant en une aspiration localisée au niveau des ouvertures 9.

FEU I LLE RECTI FI ÉE (RÈGLE 91) ISA/EP Un dispositif d'équilibrage 10 peut généralement être placé sur la gaine d'aspiration principale 2. Ainsi lorsque plusieurs cuves 1 sont reliées à collecteur 3 chacune par leur gaine 2 d'aspiration principale, les débits de soutirage entre les différentes cuves 1 peuvent être équilibrés entre eux. Il s'agit par exemple d'un diaphragme statique dimensionné de manière à créer une perte de charge permanente supplémentaire.

La gaine 1 1 d'aspiration secondaire peut se connecter à la gaine d'aspiration principale 2 en aval du dispositif d'équilibrage 10, dans le sens de circulation des gaz, de manière à réduire la perte de charge dans la gaine 7 de suraspiration et ainsi augmenter la dépression et le débit dans celle-ci. Avantageusement, le dispositif d'équilibrage 10 a une perte de charge supplémentaire, identique pour l'ensemble des cuves, afin de renforcer la dépression dans la gaine 1 1 d'aspiration secondaire et ainsi augmenter le débit de suraspiration.

Dans ce qui suit, les termes « amont et « aval » devront être compris en référence au sens d'écoulement des effluents gazeux, de la cuve 1 vers le collecteur 3 de gaz. Selon une variante de réalisation, le dispositif d'équilibrage 10 est réglable, telle qu'une vanne, de sorte qu'une partie ou que la totalité du débit de l'aspiration de la cuve 1 passe par la gaine de suraspiration 7 lorsque la cuve 1 est dans l'état de maintenance. Ainsi, par rapport au mode de réalisation précédent, le débit localisé de suraspiration est ajustable.

En se reportant à la Fig. 3, selon un autre exemple de réalisation de l'invention, la gaine 1 1 d'aspiration secondaire se connecte directement sur le collecteur 3, rendant le réseau de suraspiration indépendant du réseau principal. Ainsi, il n'est pas utile de rajouter un dispositif de réglage 10 sur la gaine 2 d'aspiration principale car le débit dans la gaine d'aspiration principale 2 ne va pas influer significativement sur l'aspiration dans la gaine de suraspiration 7 lorsqu'un capot 4 est retiré. L'aspiration totale au sein de la cuve 1 ne sera donc pas déviée comme précédemment mais multipliée. Selon une alternative, la gaine de suraspiration 7 se connecte sur un collecteur secondaire parallèle au collecteur 3 qui se connecte au réseau principal d'aspiration en un point ayant une pression plus faible ; la dépression au sein de la gaine de suraspiration 7 se voit ainsi accrue et le débit de suraspiration augmenté.

Enfin, selon un dernier exemple de réalisation de l'invention, la gaine 7 de suraspiration est directement reliée à la gaine 2 d'aspiration principale. Les bouches

FEU I LLE RECTI FI ÉE (RÈGLE 91) ISA/EP d'aspiration 8 fermées par des capots 4 sont alors directement connectées à la gaine 2 d'aspiration principale à l'intérieur de la cuve 1 .

En se reportant aux Fig. 5 et 6, selon une variante de réalisation, les ouvertures 9 des bouches d'aspiration 8 sont chacune fermées sensiblement hermétiquement par des dispositifs de fermeture 12 distincts des capots 4, lorsque les capots 4 sont en place sur la cuve 1 .

Ces dispositifs 12 de fermeture peuvent être actionnés simultanément avec les capots 4, c'est-à-dire qu'ils sont en position ouvert dès qu'au moins un capot 4 est retiré, la cuve 1 étant dans l'état de maintenance et sont en position fermée dès que l'ensemble des capots 4 est mis en place sur la cuve 1 , la cuve étant dans l'état de fonctionnement. Les dispositifs 12 de fermeture peuvent également être pilotés par la mise en place et le retrait des capots 4.

Les dispositifs de fermeture 12 peuvent avantageusement être solidaires des capots 4 correspondants. Un dispositif 12 de fermeture peut comprendre notamment : · Une plaque métallique rigide attachée solidement à un capot 4, avec un angle défini de manière à ce que celle-ci couvre toute la surface de l'ouverture 9, tel que représenté sur la Fig. 5. Une tresse métallique, ou autre type de joint résistant à la chaleur, peut être rajoutée sur la plaque 12, et/ou les bords de l'ouverture 9, afin d'améliorer l'étanchéité. · Un élément amovible, telle qu'une plaque flexible en aluminium, ou tout autre matériau résistant à la chaleur, solidaire du capot 4 qui vient se plaquer sur l'ouverture 9 grâce à la dépression dans la bouche d'aspiration 8 lorsque la cuve 1 est dans l'état de fonctionnement.

• Une plaque métallique solidaire du capot 4 dont la forme des bords épouse la forme de l'ouverture 9 afin d'assurer un emboîtement facile et une bonne étanchéité. Tel que représenté sur la Fig. 6, l'ouverture 9 présente une forme évasée, et le dispositif 12 de fermeture comprend alors un élément de forme complémentaire permettant un emboîtement simple, augmentant les surfaces de contact entre les bords de l'ouverture 9 et le dispositif 12 de fermeture et donc l'étanchéité. Cette forme évasée de l'ouverture 9 qui peut tout aussi bien être une forme de pavillon permet en outre une meilleure aspiration en diminuant les pertes de charges. Une tresse métallique, ou tout autre type de joint résistant à la chaleur, peut être rajoutée sur la plaque 12, et/ou les bords de l'ouverture 9, afin d'assurer l'étanchéité.