FR3112842A1 - Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux provenant d’une installation pour la production d’aluminium par electrolyse ignee - Google Patents

Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux provenant d’une installation pour la production d’aluminium par electrolyse ignee Download PDF

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Abstract

Ce dispositif de refroidissement d’effluents gazeux provenant d’une installation pour la production d’aluminium par électrolyse ignée, est destiné à être positionné entre un collecteur desdits effluents, qu’il s’agisse d’un collecteur individuel émanant de chacune des cuves d’électrolyse (1) de ladite installation, ou d’un collecteur général (6) au niveau duquel aboutissent lesdits collecteurs individuels, et un centre de traitement desdits effluents. Ce dispositif est constitué d’une pluralité (8) de tubes creux (9) montés parallèlement les uns par rapport aux autres, de diamètre inférieur au diamètre desdits collecteurs individuels ou dudit collecteur général (6), et au sein desquels circulent lesdits effluents gazeux, et constituant un échangeur air/air :– l’une des extrémités desdits tubes (9) étant en communication avec un plénum amont (10), au niveau duquel aboutit ledit collecteur général (6) ou ledit collecteur individuel (5),– l’extrémité opposée desdits tubes (9) étant en communication avec un plénum aval (11), lui-même en communication avec une canalisation (13) aboutissant au centre de traitement des gaz. Figure pour l’abrégé : Fig 5

Description

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT D’EFFLUENTS GAZEUX PROVENANT D’UNE INSTALLATION POUR LA PRODUCTION D’ALUMINIUM PAR ELECTROLYSE IGNEE
Domaine de l’invention
L’invention appartient au domaine de la production d’aluminium par électrolyse ignée, et plus particulièrement vise le traitement des effluents gazeux résultant de la mise en œuvre de ce procédé.
Etat antérieur de la technique
La production d’aluminium par le procédé dit d’électrolyse ignée est à ce jour largement répandue et maîtrisée. L’électrolyse de l’alumine en présence de cryolithe fondue engendre la production d’effluents gazeux, qui contiennent notamment du dioxyde de carbone, des produits fluorés, et notamment de l’acide fluorhydrique HF, et de la poussière. Eu égard à l’accroissement de la sévérité des normes anti-pollution, le rejet de ces effluents ne peut intervenir tel quels, et sont de fait traités au niveau d’un centre de traitement des effluents, dans le but justement de satisfaire les normes environnementales.
Il a donc été développé des dispositifs aptes à, d’une part, capter les effluents gazeux en sortie des cuves ou cellules d’électrolyse, puis, de les traiter de telle sorte à satisfaire à ces normes environnementales. De tels centres de traitement des effluents comprennent traditionnellement des moyens de filtration, se présentant le plus souvent sous la forme de manchons réalisés en polymère, et typiquement en polyester, aptes à capter les poussières, et, d’autre part, des moyens de traitement chimique destinés à neutraliser les gaz fluorés via un procédé d’adsorption sur l’alumine.
Si un tel traitement des effluents gazeux au moyen de ces centres de traitement donne globalement satisfaction, ils s’avèrent cependant insuffisants sur le terrain qualitatif, dès lors que, comme c’est la tendance des exploitants de telles usines de production d’aluminium, on souhaite augmenter la capacité de production. En effet, une telle augmentation se traduit par une élévation de l’intensité du courant d’électrolyse et, corollairement, typiquement par l’augmentation du volume des effluents gazeux, outre une élévation de leur température.
Afin de lutter contre cette élévation de température, susceptible notamment d’impacter l’intégrité des moyens de filtration et de réduire l’efficacité du traitement des gaz fluorés, diverses solutions techniques ont été proposées.
Parmi celles-ci figurent le principe de dilution des gaz effluents avec de l’air ambiant, typiquement au moyen de trappes de dilution situées en amont du ou des centres de traitement des effluents. Outre le fait que le principe mis en œuvre nécessite un débit significatif d’air ajouté pour aboutir à la diminution de température souhaitée, il engendre également un plus grand volume de gaz à traiter et donc un dispositif de traitement surdimensionné en conséquence, affectant de fait l’économie générale de l’installation de production d’aluminium. C’est d’ailleurs la raison pour laquelle ce principe n’est généralement mis en œuvre qu’à titre d’appoint, lors de situations exceptionnelles et lorsque l’environnement extérieur est lui-même très chaud.
Il a également été proposé une autre solution technique consistant à injecter des gouttelettes d’eau dans les gaz effluents. L’évaporation desdites gouttelettes d’eau induit le refroidissement desdits gaz (voir par exemple EP 1 172 326). Ce procédé relativement peu onéreux, est cependant peu mis en œuvre ou de manière limitée pour s’assurer d’un abaissement de la température des gaz effluents en-dessous de la température maximum admissible typiquement par les manchons de filtration, en espèce 135°C.
On a également proposé de mettre en œuvre des échangeurs air/eau, tels que par exemple décrits dans le document EP 2 431 498. Typiquement, ces échangeurs sont constitués de tubes à l’intérieur desquels circulent les gaz effluents issus des cuves d’électrolyse, et à l’extérieur desquels circule un fluide réfrigérant, notamment de l’eau, avantageusement à contresens, l’eau jouant le rôle de fluide caloporteur destiné à refroidir les tubes et par voie de conséquence les gaz.
Si, sur le plan thermique, ces échangeurs s’avèrent efficaces et permettent notamment d’aboutir à l’abaissement de la température souhaitée des effluents gazeux émanant des cuves, ils génèrent cependant de l’eau chaude résultant de l’échange thermique au niveau des tubes, que les normes environnementales interdisent de rejeter à une telle température, et qui dès lors nécessitent la mise en œuvre de batteries d’aéro-réfrigérants en circuit fermé. Ce faisant, on augmente de manière significative les coûts de l’installation. Au demeurant, dans un certain nombre de pays dans lesquels la ressource en eau est faible, ce type de dispositif peut s’avérer inapproprié, quand bien même l’eau circule en circuit fermé.
En résumé, on ne dispose pas à ce jour de dispositif permettant de réduire de manière suffisante et efficace la température des effluents gazeux issus des cuves d’électrolyse de manière concomitance avec la facilité de mise en œuvre, la réduction de l’encombrement, des coûts de réalisation réduits, et de maintenance aisée.
Tel est l’objet de la présente invention.
L’invention propose ainsi un dispositif de refroidissement d’effluents gazeux provenant d’une installation pour la production d’aluminium par électrolyse ignée, destiné à être positionné entre un collecteur desdits effluents, qu’il s’agisse d’un collecteur individuel émanant de chacune des cuves d’électrolyse de ladite installation, ou d’un collecteur général au niveau duquel aboutissent lesdits collecteurs individuels, et un centre de traitement desdits effluents.
Selon l’invention, ce dispositif est constitué d’une pluralité de tubes creux montés parallèlement les uns par rapport aux autres, de diamètre inférieur au diamètre du collecteur individuel ou du collecteur général, tubes au sein desquels circulent lesdits effluents gazeux :
– l’une des extrémités desdits tubes étant en communication avec un plénum amont, au niveau duquel aboutit ledit collecteur individuel ou le collecteur général,
– l’autre des extrémités desdits tubes étant en communication avec un plénum aval, lui-même en communication avec une canalisation aboutissant directement ou indirectement au centre de traitement des gaz.
En d’autres termes, contrairement aux dispositifs de l’art antérieur, le principe général retenu par le dispositif de l’invention repose sur un échangeur air/air, l’échange thermique intervenant par convection entre l’air extérieur transitant à la périphérie et au contact des tubes et les effluents gazeux transitant à l’intérieur des tubes. Bien évidemment, le nombre de ces tubes et leur diamètre sont déterminés de telle sorte à optimiser cet échange thermique en fonction de la quantité de gaz effluents et de leur température à traiter, mais également afin de réduire les risques de dépôt de matière au sein des tubes, les risques d’abrasion, les risques d’entartrage, outre afin de minimiser les pertes de charge.
Ainsi, selon une caractéristique avantageuse de l’invention, afin d’optimiser cet échange thermique, tout ou partie des tubes constitutifs de l’échangeur est muni d’ailettes radiales externes émanant de la périphérie des tubes, et aptes à optimiser la convection.
Avantageusement, ces ailettes présentent une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 millimètres, et s’étendent depuis la paroi périphérique externe des tubes d’une distance typiquement comprise entre 20 et 60 millimètres. Ces dimensions sont déterminées afin d’optimiser l’échange thermique.
En outre, ces ailettes résultent dans les faits d’une ou de plusieurs spirales, définissant entre chaque spire un pas compris entre 10 et 100 millimètres, là encore, ce pas étant déterminé pour optimiser l’échange thermique. Ces spirales sont typiquement roulées serrées autour du tube de sorte à assurer le meilleur contact entre le tube et l’ailette, afin de maximiser le transfert de chaleur. Typiquement, la ou les spirales constitutives des ailettes sont uniquement soudées sur le tube au niveau de leur deux extrémités.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, et toujours dans l’optique d’améliorer et d’optimiser le transfert thermique, ces tubes, et le cas échéant les ailettes, sont réalisés en un matériau choisi dans le groupe comprenant l’aluminium, l’acier noir, l’acier inoxydable et l’acier galvanisé.
Typiquement, les tubes présentent une longueur comprise entre 6 et 12 mètres, et un diamètre compris entre 50 et 300 millimètres. Ces valeurs sont purement indicatives.
Avantageusement, lorsque le tube est muni d’ailettes, la ou les spirales sont montées sur des tubes de dimensions standards.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, les tubes peuvent être montés en quinconce les uns par rapport aux autres, afin là encore d’optimiser la circulation de l’air extérieur au contact des tubes, et donc d’optimiser la surface d’échange entre l’extérieur et la surface périphérique desdits tubes.
Typiquement, la distance inter-tubes, c’est-à-dire entre deux génératrices de deux tubes contigus dans un même échangeur, est comprise entre 5 et 100 millimètres si les tubes sont dépourvus d’ailettes. En revanche, si les tubes sont munis d’ailettes, il y a lieu de tenir compte de l’encombrement qu’elles génèrent, cette distance pouvant atteindre plusieurs centaines de millimètres.
Dans l’objectif d’optimiser l’installation d’un tel échangeur, les tubes sont montés sur un châssis modulaire (skid), typiquement par groupe de 100 à 200, étant ainsi précisé qu’en fonction de la quantité de gaz d’effluent à traiter, il peut être monté plusieurs de ces châssis modulaires côte à côte et reliés à un même collecteur général.
Par ailleurs, afin de réduire les pertes de charge inhérentes aux turbulences générées par l’écoulement en entrée des tubes, et plus précisément les phénomènes de décollement de la veine gazeuse au sein desdits tubes, le plénum amont est muni de moyens configurés pour favoriser l’introduction des gaz dans les tubes. Ces moyens sont typiquement ménagés au niveau de l’une des parois constitutives dudit plénum, ladite paroi étant percées d’orifices traversants de diamètre correspondant au diamètre desdits tubes positionnés à l’aplomb de l’entrée des tubes, et étant munie de déflecteurs ou de systèmes équivalents.
Alternativement, ladite paroi est pliée, de telle sorte à définir intrinsèquement des déflecteurs ou des canalisations aptes à réduire les turbulences des effluents.
Selon une autre caractéristique de l’invention, le plénum aval est également muni de moyens, sensiblement de même conception que ceux mis en œuvre au niveau du plénum amont, et dont la fonction est de réduire les turbulences et les zones de survitesse au niveau de la canalisation de sortie aboutissant au centre de traitement des effluents.
Selon une autre caractéristique de l’invention, il est adjoint à l’échangeur une source d’air additionnelle, c’est-à-dire autre que l’air ambiant environnant l’échangeur, cette source étant typiquement constituée d’un ventilateur ou équivalent, apte à augmenter le débit d’air destiné à venir au contact desdits tubes, là encore dans l’objectif d’optimiser l’échange thermique.
Selon encore une autre caractéristique de l’invention, un ou plusieurs ventilateurs ou dispositifs équivalents sont positionnés au sein de la canalisation de sortie aboutissant au centre de traitement des effluents, afin de compenser les pertes de charge précitées.
Selon une autre caractéristique avantageuse de l’invention, des modules thermoélectriques sont montés sur les ailettes associées aux tubes, de sorte à transformer la chaleur résultant de l’échange thermique en énergie électrique, et ainsi valoriser une fraction de la chaleur ainsi dissipée.
Brève description des figures
La manière dont l’invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des exemples de réalisation qui suivent, donnés à titre indicatif et non limitatif, à l’appui des figures annexées.
La figure 1 est une représentation schématique d’une cuve d’électrolyse et de son raccordement à un collecteur général.
La figure 2 est une représentation schématique du cheminement des effluents gazeux selon une première forme de réalisation de l’invention.
La figure 3 est une représentation schématique analogue à la d’une seconde forme de réalisation de l’invention, mettant en œuvre le principe de convection forcée.
La est une représentation schématique analogue à la , d’une autre forme de réalisation de l’invention, mettant en œuvre un ventilateur monté sur la canalisation de sortie aboutissant au centre de traitement des effluents.
La est une représentation schématique en perspective d’un exemple de réalisation du dispositif de l’invention, connecté au collecteur général.
La est une représentation schématique en perspective d’un exemple de réalisation d’un tube mis en œuvre dans le dispositif de l’invention.
La est une représentation schématique en perspective d’un premier mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une représentation schématique en perspective d’un deuxième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une représentation schématique en perspective d’un troisième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une vue schématique en section et de dessus du mode de réalisation du moyen de la .
La est une vue schématique en section et de dessus d’une variante du mode de réalisation du moyen de la
La est une représentation schématique en perspective d’un quatrième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une vue schématique en section et de dessus du mode de réalisation du moyen de la .
La est une représentation schématique en perspective d’un cinquième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une vue schématique en section et de dessus du mode de réalisation du moyen de la .
La est une vue schématique en section d’un sixième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une vue schématique en section d’un septième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La est une vue schématique en section d’un huitième mode de réalisation des moyens mis en œuvre au sein du plénum amont afin de diminuer la perte de charge.
La représente une représentation schématique d’une ailette associée à un tube du dispositif de l’invention, équipée de modules thermoélectriques.
La est une représentation schématique en section transversale illustrant un premier mode d’agencement des tubes du dispositif de l’invention.
La est une vue analogue à la , d’un autre mode d’agencement, en l’espèce en quinconce, des tubes du dispositif de l’invention.
Description détaillée de l’invention
On a donc représenté au sein de la une vue schématique d’une cuve d’électrolyse. Une telle cuve (1) est classiquement constituée d’une pluralité d’anodes (2) fixées par des tiges d’anode (3) sur un châssis conducteur électrique, et partiellement immergées dans un bain d’alumine et de cryolithe fondue. Des capots amovibles (4) permettent le changement des anodes (3). La cuve (1) est reliée par une canalisation individuelle (5) à un collecteur général (6), afin de recueillir, puis de conduire les effluents gazeux générés au sein de ladite cuve lors de l’opération d’électrolyse.
Une telle architecture est parfaitement connue, de sorte qu’il n’y a pas lieu de la décrire ici plus en détail.
Selon la forme particulière de réalisation de l’invention décrite, le ou les collecteurs généraux (6) aboutissent au dispositif de refroidissement des effluents gazeux ainsi collectés, illustré schématiquement sur les figures 2 à 5. Cependant, l’invention s’entend également d’un tel dispositif de refroidissement desdits effluents gazeux, non pas monté sur le ou les collecteurs généraux (6), mais sur le ou les collecteurs individuels (5), le principe demeurant cependant identique.
Plus précisément, et en lien avec la , les effluents gazeux émanant des collecteurs généraux (6) sont acheminés par une canalisation (7) vers un ensemble (8) de tubes creux (9), montés parallèlement les uns aux autres.
La connexion entre la canalisation (7) et l’entrée des tubes (9) est réalisée au niveau d’un plénum amont (10), davantage détaillé ci-après. Les effluents gazeux traversent lesdits tubes (9), puis sont collectés au niveau d’un plénum aval (11), en communication avec une autre canalisation (12), reliée à son tour à un collecteur (13) destiné à acheminer lesdits effluents gazeux après passage dans les tubes (9), et donc après refroidissement au niveau d’un centre de traitement des effluents (non représenté sur cette ).
Cet ensemble (8) de tubes (9) est positionné à l’extérieur des structures de génie civil abritant la ou les séries de cuves d’électrolyse (1), et notamment à l’air libre, afin de permettre à l’air ambiant de circuler au contact de l’extérieur desdits tubes, et de permettre, par convection, de refroidir les effluents gazeux circulant au sein des tubes. Il est cependant précisé que dans la configuration selon laquelle, l’ensemble (8) est monté, non pas sur un collecteur général (6), mais sur un collecteur individuel, ledit ensemble est alors positionné à l’intérieur de la structure de génie civil.
Si au sein de la , seul un ensemble (8) de tubes a été illustré, il peut être envisagé d’en disposer de plusieurs, montés en série ou en parallèle, afin d’aboutir à la diminution de température souhaitée des effluents gazeux avant que ceux-ci aboutissent au centre de traitement des effluents, pour les raisons évoquées en préambule.
Ces tubes, d’une longueur typique comprise entre 6 et 12 mètres, et d’un diamètre compris typiquement entre 50 et 300 millimètres, sont réalisés avantageusement en aluminium, en raison des bonnes propriétés thermiques de ce métal, outre de sa faible densité.
L’ensemble (8) peut comprendre typiquement entre 100 et 200 de tels tubes, montés sous la forme de skids, conférant ainsi au dispositif un caractère modulaire, et favorisant en outre toute la logistique associée.
Au sein d’un même skid, tous les tubes (8) sont identiques et positionnés parallèlement les uns aux autres. Ils peuvent avantageusement être montés alignés les uns avec les autres ( ), ou en quinconce ( ), afin d’optimiser le déplacement de l’air ambiant (représenté par les flèches) au contact desdits tubes, et donc corollairement, améliorer l’échange thermique par convection.
Par ailleurs, et dans un souci d’augmenter de manière supplémentaire l’échange thermique, chaque tube (9) est muni d’ailettes radiales (16), s’étendant depuis la paroi extérieure (15) desdits tubes (voir ). Ces ailettes peuvent dans les faits être constituées d’une ou de plusieurs plaques métalliques, avantageusement du même métal que celui constitutif du tube, d’épaisseur comprise entre 0,5 et 3 millimètres, et fixées sur ladite paroi extérieure par soudage à chaque extrémité uniquement. Cette ou ces spirales hélicoïdales, de même axe que l’axe de révolution du tube considéré, définissent à chaque rotation une ailette, séparée des ailettes contiguës d’un même pas typiquement compris entre 10 et 100 millimètres.
On a représenté au sein des figures 2 à 4, trois configurations possibles de l’invention.
Au sein de la , est illustré la configuration de base, dans laquelle l’ensemble (8) de tubes (9) n’est soumis qu’à l’action de l’air ambiant. En fonction du nombre d’ensembles et/ou de tubes par ensemble, outre du volume d’effluents gazeux à traiter ou de la température desdits effluents en sortie des cuves (1), une telle configuration peut s’avérer suffisante.
En aval de l’échangeur (8), les gaz refroidis sont mélangés dans un ou plusieurs réacteurs (21) avec de l’alumine métallurgique dite « fraiche », préalablement stockée dans un silo (19). Dans ces réacteurs, le HF gazeux va s’adsorber sur l’alumine ; cette alumine dite « fluorée » est ensuite séparée du gaz épuré du HF dans un ou plusieurs filtres (20). Un ou plusieurs ventilateurs de tirage (23) assurent la mise en dépression de l’ensemble et l’évacuation des gaz propres dans une ou plusieurs cheminées. L’alumine fluorée est stockée dans un silo (22) avant d’être utilisée comme matière première pour l’alimentation des cuves (1).
Dans l’hypothèse où la configuration ainsi décrite est insuffisante en termes d’abaissement de la température des effluents gazeux, une autre configuration, telle qu’illustrée en prévoit la mise en œuvre d’air pulsé, typiquement au moyen d’un ou de plusieurs ventilateurs (26) ou de dispositifs équivalents. De tels ventilateurs sont dans ce cas dimensionnés de telle sorte afin d’aboutir à la diminution souhaitée de la température des effluents gazeux.
Par ailleurs, afin de réduire autant que faire se peut les pertes de charge résultant de l’entrée des effluents gazeux au sein des tubes (8), on positionne au niveau du plénum amont ou d’entrée (10) un moyen décrit plus en détail en relation avec les figures 7 à 18.
En premier lieu, les plénums d’entrée (10) et de sortie (11) de l’échangeur présentent typiquement une forme de biseau, ainsi qu’on peut bien l’observer sur la . La partie la plus large ou base du biseau communique directement avec la canalisation (7), et est contiguë avec les premiers tubes (9) constitutifs de l’ensemble (8), c’est-à-dire au niveau de la zone où la vitesse des effluents gazeux est la plus importante. Puis la forme en biseau du plénum en direction des tubes (9) les plus éloignés, permet de maintenir la vitesse desdits effluents gazeux dans le plénum dans une gamme acceptable au fur et à mesure que les gaz alimentent les tubes (9) (typiquement entre 14m/s et 20m/s) tout en assurant une distribution homogène desdits gaz entre les tubes (9), permettant d’optimiser la dissipation de chaleur.
La forme biseautée du plénum aval (11) contribue à un résultat analogue.
Par ailleurs, les moyens illustrés au sein des figures 7 à 15 contribuent à atteindre cette homogénéité.
Le principe général sous-tendu par ces différentes variantes desdits moyens repose sur la mise en œuvre d’un profil ou déflecteur de forme appropriée, et notamment courbe, afin de minimiser le décollement de la veine gazeuse en entrée des tubes (9), en ce qui concerne le plénum amont.
Ainsi, en , est illustrée une première forme de réalisation d’un tel moyen, sur laquelle a été matérialisée par la référence (27), la tôle du plénum (10) venant se positionner au niveau de l’entrée de l’échangeur (8). Cette tôle (27) est percée d’orifices traversants (28), de diamètre identique à celui des tubes (9), et positionnés en regard de chacun desdits tubes. La tôle (27) est munie de déflecteurs (29), typiquement en section sagittale en forme d’aileron de requin, fixés sur ladite tôle, par exemple entre des entretoises (30), en bordure de chacun des orifices traversants, et en aval par rapport au sens de circulation des effluents gazeux matérialisé par la flèche. En raison du profil courbe desdits déflecteurs, outre de leur positionnement par rapport au sens du flux gazeux, on diminue de manière significative la perte de charge.
La illustre une variante de la , dans laquelle en lieu et place des déflecteurs (29), on soude au niveau de chacun des orifices traversants (28) de la tôle (27), un coude creux (31), orienté en direction du flux gazeux, et apte à assurer un changement de direction d’environ 45° dudit flux gazeux, mais là encore selon un profil courbe.
Les figures 9 et 10 illustrent une autre variante de ce moyen, respectivement en vue perspective et en section et en vue de dessus. Dans cette variante, on soude un demi-rond (32) sur la tôle (27), en amont de chacune des lignes d’orifices traversants (28) par rapport au sens d’arrivée du flux gazeux.
La illustre une variante des figures 9 et 10, respectivement en section et en vue du dessus. On rajoute, par rapport à ce mode de réalisation, des portions de demi-rond (33) s’étendant entre les demi-ronds (32).
Les figures 12 et 13 illustrent une autre forme de réalisation de ces moyens. En l’espèce, lesdits moyens sont constitués de demi-ronds circulaires (34), soudé chacun à la périphérie de chaque orifice traversant (28) de la tôle (27).
Les figures 14 et 15 illustrent encore une autre forme de réalisation de ces moyens. Ces derniers sont là encore constitués de sections circulaires partielles de demi-ronds (35), soudés sur la tôle (27) en amont de chacune des lignes d’orifices traversants (28) par rapport au sens d’arrivée du flux gazeux.
Toujours dans l’objectif de réduire la perte de charge, le plénum amont peut présenter une configuration du type de celle illustrée au sein des figures 16 à 18.
Ainsi, dans le mode de réalisation de la , la tôle (27), destinée à venir se positionner en amont des tubes, est pliée, définissant une ligne brisée, dont les faces positionnées au voisinage des tubes sont percées d’orifices traversants, au niveau desquels sont soudés des coudes creux à profil courbe (36), dont l’autre extrémité est soudée sur les tubes (9).
Les figures 17 et 18 illustrent un principe analogue à celui de la .
De la même façon, et toujours dans le but de minimiser la perte de charge de l’ensemble, et plus particulièrement d’homogénéiser les vitesses dans le plénum aval ou plénum de sortie (11) en y minimisant les turbulences et les zones de survitesse, on positionne au niveau dudit plénum aval (11) le même type de moyen que ceux précédemment décrits.
Toujours dans l’objectif de palier la problématique née de la perte de charge, inhérente au passage des effluents gazeux au sein de l’échangeur (8), il peut être envisagé (voir ), de positionner un ou plusieurs ventilateur(s) (24) ou dispositifs équivalents en aval du plénum aval (11). De tels ventilateurs sont conçus de sorte à opérer dans les conditions spécifiques caractéristiques des effluents gazeux émanant des cuves (1). Ainsi, le matériau constitutif des pales du ventilateur (24) est choisi de sorte à résister aux gaz poussiéreux susceptibles de générer des phénomènes d’abrasion et d’entartrage. On utilise avantageusement une nuance d’acier spécifique tel que le S690QL selon la norme EN10025-6.
Par ailleurs, des ventilateurs de type axial sont typiquement utilisés, qui répondent aux besoins spécifiques caractérisés par un débit élevé (plusieurs dizaines de m3/s) et un différentiel de pression relativement faible (typiquement <2000Pa).
Plusieurs de ces ventilateurs (24) peuvent être mis en parallèle, de sorte à assurer une redondance.
Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, on met à profit la très grande surface d’échange offerte par les ailettes (16) dont sont munis les tubes (9) (plusieurs milliers de m2par échangeur), et le fait qu’en raison de l’environnement dans lequel l’échangeur est plongé, on dispose d’une température de surface desdites ailettes supérieure d’une quantité voisine de 40°C au-dessus de la température ambiante, pour récupérer l’énergie thermique ainsi générée et la transformer en énergie électrique. A cet effet, on positionne des cellules thermoélectriques (25) sur lesdites ailettes (16) à cette fin, ainsi qu’illustré sur la .
Dans le cadre d’une application typique, plusieurs milliers de kW d’énergie thermique sont à dissiper pour chaque centre de traitement. En considérant une efficacité énergétique de l’ordre de quelques pourcents (<10%) pour ces modules thermoélectriques, il peut être envisageable de récupérer quelques dizaines de kW.
La mise en œuvre de cellules thermoélectriques offre l’avantage de la modularité ; de façon plus restreinte, seule une petite fraction des ailettes pourrait ainsi être équipée, de sorte à alimenter un certain nombre d’équipements électriques localisés à proximité de l’échangeur (instruments de mesure, éclairages…).

Claims (14)

  1. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux provenant d’une installation pour la production d’aluminium par électrolyse ignée, destiné à être positionné entre un collecteur desdits effluents, qu’il s’agisse d’un collecteur individuel (5) émanant de chacune des cuves d’électrolyse (1) de ladite installation, ou d’un collecteur général (6) au niveau duquel aboutissent lesdits collecteurs individuels (5), et un centre de traitement desdits effluents, caractérisé en ce que ce dispositif est constitué d’une pluralité (8) de tubes creux (9) montés parallèlement les uns par rapport aux autres, de diamètre inférieur au diamètre desdits collecteurs individuels (5) ou dudit collecteur général (6), et au sein desquels circulent lesdits effluents gazeux, et constituant un échangeur air/air :
    – l’une des extrémités desdits tubes (9) étant en communication avec un plénum amont (10), au niveau duquel aboutit ledit collecteur général (6) ou ledit collecteur individuel (5),
    – l’extrémité opposée desdits tubes (9) étant en communication avec un plénum aval (11), lui-même en communication avec une canalisation (13) aboutissant au centre de traitement des gaz.
  2. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon la revendication 1, dans lequel tout ou partie des tubes (9) constitutifs de l’échangeur (8) est muni d’ailettes radiales externes (16), émanant de la périphérie (15) des tubes (9), et aptes à optimiser la convection.
  3. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon la revendication 2, dans lequel les ailettes (16) présentent une épaisseur comprise entre 0,5 et 3 millimètres, et s’étendent depuis la paroi périphérique externe (15) des tubes (9) d’une distance comprise entre 20 et 60 millimètres.
  4. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 2 et 3, dans lequel les ailettes (15) sont constituées d’une ou de plusieurs spirales hélicoïdales, dont l’axe de rotation est confondu avec l’axe de révolution des tubes (9), le pas de la ou des hélices ainsi constituées étant compris entre 10 et 100 millimètres.
  5. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel les tubes (9) sont réalisés en un matériau choisi dans le groupe comprenant l’aluminium, l’acier noir, l’acier inoxydable et l’acier galvanisé.
  6. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel les tubes (9) sont montés en quinconce les uns par rapport aux autres.
  7. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel la distance inter-tubes au sein d’un échangeur (8) est comprise entre 5 et plusieurs centaines de millimètres.
  8. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel les tubes (9) sont montés sur un châssis modulaire par groupe de 100 à 200.
  9. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’échangeur (8) comporte en outre au moins une source d’air additionnelle (26), c’est-à-dire autre que l’air ambiant environnant l’échangeur, cette source étant typiquement constituée d’un ventilateur ou équivalent, apte à augmenter le débit d’air destiné à venir au contact desdits tubes (9).
  10. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel les plénums amont (10) et aval (11) de l’échangeur (8) présentent une forme de biseau.
  11. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel le plénum amont (10) est muni de moyens (29, 31, 32, 33, 34, 35) rapportés sur l’une des tôles (27) constitutifs dudit plénum, et aptes à réduire les décollements de la veine gazeuse à l’entrée des tubes (9) et ainsi de minimiser les pertes de charge.
  12. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel le plénum aval (11) est muni de moyens aptes à réduire les turbulences et les zones de survitesse dans ce même plénum et ainsi de minimiser les pertes de charge.
  13. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel un ou plusieurs ventilateur(s) (24) ou dispositifs équivalents est (sont) installés en aval de l’échangeur (8), de sorte à vaincre la perte de charge inhérente au passage des effluents gazeux au sein dudit échangeur.
  14. Dispositif de refroidissement d’effluents gazeux selon l’une des revendications 2 à 13, dans lequel les ailettes (16) des tubes (9) sont munies de modules thermoélectriques (25), destinés à transformer la chaleur dissipée par lesdites ailettes en énergie électrique.
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