FR2893329A1 - Cuve d'electrolyse avec echangeur thermique. - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte aux cellules d'électrolyse utilisées pour la production d'aluminium.Les parois latérales (8) de la cuve, qui entourent son creuset (4, 4'), sont constituées, sur au moins une fraction de leur hauteur et/ou de leur épaisseur, par une partie en matière poreuse (13), apte à permettre la circulation d'un gaz caloporteur, la partie en matière poreuse (13) étant raccordée à des moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur, de manière à constituer un échangeur thermique récupérant l'énergie thermique perdue sur les côtés de la cuve.

Description

Cuve d'électrolyse avec échangeur thermique

La présente invention concerne le domaine technique des cellules d'électrolyse, notamment les cellules utilisées dans le procédé d'électrolyse mis en oeuvre pour la production industrielle de l'aluminium. Plus particulièrement, cette invention s'intéresse à un équipement des parois latérales d'une cuve de cellule d'électrolyse, visant à récupérer, par échange thermique avec un fluide caloporteur, l'énergie thermique perdue sur les côtés de la cuve, tout en assurant la protection et préservation des côtés de la cuve et en améliorant les conditions de fonctionnement de cette cuve. La demande internationale de brevet WO 2004/083489 Al décrit une cellule d'électrolyse pour la production de l'aluminium, dont la cuve est pourvue d'une dalle de bordure équipée pour la récupération d'énergie thermique, par circulation d'un fluide caloporteur, gazeux ou liquide. La circulation du fluide caloporteur se fait par des canaux internes, aménagés selon un trajet en "serpentin" dans la masse de la dalle de bordure, des cavités étanches aux gaz étant obtenues par divers moyens au moment de l'élaboration et de l'assemblage de panneaux latéraux, avec des profils internes obtenus par moulage et des éléments en résine carbonée qui sont éliminés au cours du frittage. L'introduction et l'extraction du fluide caloporteur sont assurées par des tuyaux ou raccords en céramique, collés au matériau des panneaux latéraux.

L'étanchéité du circuit de fluide caloporteur, ainsi constitué, est complexe et difficile à obtenir par les moyens décrits, que ce soit au niveau des cavités ménagées dans le matériau des panneaux, ou encore au niveau de la jonction entre les tubes d'alimentation de la dalle, ceci notamment du fait que le frittage des pièces s'accompagne d'un retrait important du matériau, et que la porosité résiduelle du matériau à proximité des cavités peut induire des fuites. Le document WO 87/00211, qui concerne lui aussi les cellules d'électrolyse pour la production de l'aluminium, est axé sur le contrôle de la température du bain d'électrolyse par un système complexe de circuits de gaz, prévu dans des chambres de refroidissement aménagées non seulement dans les parois latérales de la cuve, mais aussi dans l'anode et dans le matériau réfractaire de fond de cuve, le gaz caloporteur étant de préférence l'hélium. Le système de refroidissement sous contrôle est censé permettre de minimiser l'épaisseur des matériaux réfractaires isolants, et de récupérer de l'énergie thermique. Ce système apparaît éminemment coûteux, dans sa mise en place et dans son fonctionnement. Le brevet US 4222841 prévoit un échangeur thermique tubulaire au-dessus du bain électrolytique, moyennant une isolation thermique par panneaux réfractaires ou carbonés, séparant le bain de l'échangeur pour éviter la formation de croûtes. Aucune précision n'est donnée quant à la nature des matériaux constitutifs de l'échangeur, lequel est particulièrement sollicité en corrosion fluorée à haute température. Ce document prévoit aussi un échangeur thermique tubulaire au niveau des parois latérales et du fond de la cuve contenant le bain, là aussi sans préciser davantage la structure et les matériaux constitutifs de l'échangeur.

Enfin, le document WO 01/94667 décrit, dans une cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium, en substitution des dalles de bordure conventionnelles, la mise en place de panneaux latéraux de refroidissement isolés du caisson extérieur par un matériau réfractaire épais. Chaque panneau latéral est refroidi par évaporation d'un métal ou alliage à l'état liquide, tel que le zinc, le sodium ou un alliage sodium-lithium. La chambre d'évaporation du panneau est surmontée d'une chambre de condensation, refroidie par circulation d'un gaz caloporteur. Un tel dispositif est complexe et pose des problèmes de sécurité évidents. De plus, le matériau réfractaire peut être attaqué par les métaux ou alliages en phase liquide ou vapeur, au contact desquels il se trouve. Face à cet état de la technique, la présente invention a pour but de fournir une conception nouvelle et avantageuse de la paroi latérale d'une cuve d'électrolyse, ayant pour fonction, autre que celle d'entourer la bordure du creuset, de réaliser un échangeur thermique dans l'objectif de récupérer l'énergie thermique perdue par les côtés de la cuve, avec une surface d'échange importante, et de contrôler l'épaisseur du talus de bain figé qui protège les matériaux de côté de la cuve de l'attaque chimique par l'aluminium liquide et le bain de sels fondus, la solution proposée visant à être simple, donc économique, tout en étant sûre, et d'un rendement élevé en ce qui concerne la récupération d'énergie thermique, avec une modulation possible de cette récupération d'énergie.

A cet effet, l'invention a pour objet une cuve d'électrolyse, utilisable pour la production d'aluminium, comportant des parois latérales munies d'un échangeur thermique, apte à être parcouru par un gaz caloporteur, caractérisée en ce que les parois latérales de la cuve comportent, sur au moins une fraction de leur hauteur et de leur épaisseur, au moins une partie en matière poreuse apte à permettre une circulation du gaz caloporteur, la ou chaque partie en matière poreuse étant raccordée à des moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur. Ainsi, selon l'invention, les parois latérales de la cuve d'électrolyse incluent des parties poreuses dans lesquelles a lieu l'échange thermique souhaité. Ces parties poreuses, à pores ouverts, présentent une porosité importante, telle que le nombre de pores et la distribution de taille de ces pores puissent assurer un transport du gaz caloporteur sans perte de charge excessive, entre un point d'entrée et un point de sortie ou d'extraction, la circulation du gaz étant de préférence assurée par aspiration, du côté de l'extraction. La matière poreuse peut, dans une réalisation simple, posséder des caractéristiques homogènes sur toute la hauteur de la partie poreuse. Cependant, selon une variante avantageuse, la matière poreuse présente des caractéristiques variables, notamment de porosité, épaisseur et/ou conductivité thermique, sur la hauteur de la partie poreuse, afin d'obtenir, dans le sens de la hauteur, des zones successives possédant des caractéristiques différentes d'échange thermique. La partie poreuse peut ainsi être optimisée soit par une progression par gradient, soit par une subdivision dans le sens de la hauteur, en zones successives de caractéristiques (telles que porosité et/ou épaisseur) distinctes et choisies pour assurer la puissance souhaitée, pour un débit de gaz caloporteur correspondant. La partie poreuse peut être formée d'une ou plusieurs dalles 30 poreuses, chaque dalle ayant une structure monolithique en matériau poreux. Selon un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales de la cuve d'électrolyse comportent au moins une première partie en matériau dense située du côté intérieur de ces parois, et au moins une 35 deuxième partie réalisée au moins partiellement en matière poreuse, située entre la première partie et le caisson extérieur de la cuve, c'est-à-dire du côté extérieur de ces parois, en regard du caisson extérieur de la cuve. La première partie en matériau dense est typiquement en contact avec une bordure à bord incliné qui, avec les blocs cathodiques, forment le creuset cathodique. Un matériau de contact peut être interposé entre ladite première partie et la bordure afin de diminuer la résistance thermique à cette interface. En fonctionnement, ladite première partie peut éventuellement être en contact avec la partie supérieure du talus. L'échange thermique est ici réalisé dans la partie en matière poreuse, située du côté extérieur des parois latérales. La partie en matériau dense peut également être formée par une ou plusieurs dalles de structure monolithique. Selon une variante, la partie en matériau dense peut être réunie à la partie en matériau poreux par assemblage. L'assemblage des deux parties de ces parois, à savoir la partie intérieure en matériau dense et la partie extérieure en matière poreuse, est réalisable par une matière réfractaire tel qu'un béton, typiquement sous forme de coulis réfractaire, ou par une colle usuelle pour les matériaux concernés, ou encore par une colle spécifique pour cette application. Au lieu de prévoir l'assemblage de deux matériaux distincts, se succédant dans le sens de l'épaisseur des parois latérales de la cuve, une variante de l'invention prévoit que les parois latérales de la cuve d'électrolyse comportent une structure formée à partir de dalles monolithiques, réalisées dans un matériau à porosité variable dans le sens de l'épaisseur desdites parois latérales.

Les dalles peuvent former des dispositifs d'échange thermique individuels. Une partie poreuse peut être obtenue par un procédé comportant la production d'un corps en polymère poreux comprenant une ou plusieurs mousses en polymère à porosité ouverte, la préparation d'une suspension d'un précurseur de céramique, l'imprégnation du corps poreux par cette suspension, le séchage de la suspension imprégnée, la cuisson du corps poreux afin de brûler les composants organiques et le frittage du corps poreux. Le brevet américain US 5 039 340 décrit un tel procédé. Un matériau à porosité variable peut être obtenu en formant un corps initial comportant une mousse à porosité variable ou une superposition de deux ou plusieurs mousses poreuses distinctes ayant des porosités différentes.

Une dalle comportant une partie en matériau dense et une partie en matériau poreux peut être obtenue en formant la partie dense par coulage, vibrotassage et pressage d'un précurseur de céramique, et en réunissant le corps dense ainsi obtenu à un ou plusieurs corps poreux comme décrit ci-dessus, typiquement après les avoir imprégnés d'un précurseur de céramique, la cuisson et le frittage étant de préférence effectués après avoir réuni le corps dense et le corps poreux. La matière poreuse utilisée peut être formée d'un métal, d'une céramique thermiquement conductrice ou un mélange ou une combinaison de ceux-ci, et se présente typiquement sous forme de mousse. De préférence, le métal a un point de fusion supérieur à 800 C et est résistant à l'oxydation à des températures supérieures à 250 C, comme les alliages base nickel (c'est-à-dire contenant plus de 50 % en poids de nickel). La conductivité thermique intrinsèque de la céramique est de préférence supérieure à 5 W/m.K, et de préférence encore supérieure à 20 W/m.K Afin d'augmenter la compatibilité de dilatation thermique entre la matière dense et la matière poreuse, cette dernière est avantageusement une mousse contenant majoritairement du carbure de silicium (SiC), du nitrure de silicium et/ou du nitrure d'aluminium (majoritairement signifiant plus de 50 % en poids). Dans ce dernier cas, la matière poreuse contient de préférence au moins 70 % en poids de céramique, et de préférence encore 85 % en poids de céramique. La matière poreuse possède une porosité supérieure à 70 %, de préférence supérieure à 80 % (la porosité étant ici définie comme le taux 25 de vide). Considérant plus particulièrement le cas de parois latérales comportant une première partie en matériau dense et une deuxième partie en matière poreuse, il est préféré que la partie en matériau dense possède une porosité inférieure à 20 %. Le matériau dense est de préférence un 30 matériau céramique contenant au moins 70 % en poids de carbure de silicium (SiC), et de préférence encore 85 % en poids de carbure de silicium (SiC). En combinaison avec la répartition dans le sens de l'épaisseur des parois latérales de la cuve, la partie en matière poreuse qui est le siège 35 de l'échange thermique peut être présente sur tout ou partie de la hauteur de ces parois.

Selon une première possibilité, la partie en matière poreuse s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales de la cuve, ce qui permet de soutirer de façon pratiquement homogène une quantité contrôlée d'énergie thermique produite par l'électrolyse.

Selon une autre possibilité, la partie en matière poreuse s'étend sur une portion limitée de la hauteur totale des parois latérales de la cuve, notamment sur une fraction de l'ordre d'un tiers à une moitié de la hauteur de cette cuve, de façon à concentrer l'échange thermique, donc le flux thermique soutiré, en face de zones limitées et judicieusement choisies, par exemple au niveau de l'interface entre la couche d'aluminium liquide et le bain de sels fondus, connu pour être une zone critique vis-à-vis de la stabilité du talus. Les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur peuvent être situés notamment en partie haute et en partie basse de la ou chaque partie en matière poreuse, donc en partie haute et en partie basse des parois latérales de la cuve, ceci notamment dans le cas d'une zone poreuse s'étendant sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales. Cependant, notamment dans le cas d'une partie en matière poreuse divisée dans le sens de la hauteur en zones successives possédant des caractéristiques différentes d'échange thermique, on prévoit avantageusement au moins une entrée ou une sortie additionnelle du gaz caloporteur située à hauteur intermédiaire, en particulier au niveau de la transition entre deux zones successives, en fonction des besoins d'échange thermique dans ces différentes zones.

Les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur peuvent aussi être répartis sur la dimension horizontale d'une partie en matière poreuse des parois latérales de la cuve, en particulier en disposant l'entrée et la sortie respectivement aux deux extrémités horizontalement opposées d'une partie en matière poreuse. Ceci s'applique en particulier au cas d'une partie en matière poreuse de grande longueur, en vue d'assurer un échange thermique autant que possible homogène sur toute la longueur de ladite partie en matière poreuse. A cet égard, on notera qu'une partie en matière poreuse peut s'étendre sur une zone de longueur très supérieure à celle d'une dalle (par exemple, lorsque la partie poreuse est formée par assemblage de deux ou plusieurs dalles en matériau poreux). Dans ces cas, la jonction des dalles est réalisée de manière à permettre l'écoulement du gaz caloporteur entre les zones poreuses respectives de dalles jointives. Le ciment de jonction peut être un béton, un coulis réfractaire ou une colle adaptée. Le nombre des entrées et des sorties de gaz caloporteur peut ainsi être limité.

De manière préférentielle, pour éviter, en cas de défaillance locale des dispositifs échangeurs de chaleur, un écoulement de liquides chauds en dehors du caisson extérieur de la cuve, en particulier dans le cas où la zone poreuse s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales de la cuve, donc du caisson, la ou les entrées de gaz caloporteur possèdent des orifices situés à un niveau supérieur au niveau du liquide dans la cuve, c'est-à-dire que les orifices d'entrée sont situés en partie haute des côtés du caisson ou sur la périphérie du dessus du caisson, ou encore que, si les entrées proprement dites sont situées en partie basse de la cuve pour des raisons techniques, ces entrées sont prolongées par des tubulures dirigées vers le haut et ayant leurs orifices situés à un niveau supérieur au niveau de liquide dans la cuve. Pour la sortie du gaz caloporteur, et plus particulièrement pour l'extraction par aspiration de ce gaz, on prévoit avantageusement au moins un collecteur latéral, raccordé à une pluralité de sorties du gaz caloporteur.

De manière préférentielle, chaque côté de la cuve d'électrolyse est équipé d'au moins un collecteur, tous les collecteurs pouvant être raccordés à une centrale d'aspiration commune. Les deux côtés longs de la cuve peuvent être équipés, chacun, de deux collecteurs parallèles. Quelle que soit la position des orifices d'entrée et de sortie du gaz caloporteur, la section de passage de ces orifices ou de certains d'entre eux, est avantageusement rendue réglable au moyen de registres. Ces registres peuvent être préréglés à froid, avant le démarrage de l'exploitation de la cuve d'électrolyse, en fonction des spécificités locales de la conception de la cuve. La conception et la réalisation du ou des collecteurs, par lesquels s'effectue l'extraction du gaz caloporteur, est de préférence telle que, avant réglage des registres précités, on obtienne une perte de charge à l'aspiration qui soit équivalente dans tous les dispositifs d'échange thermique individuels de la cuve qui leurs sont raccordés, de manière à obtenir des flux volumiques de chaleur constants.

Le gaz caloporteur peut être de l'air, ou un gaz inerte, typiquement de l'azote, de l'hélium ou de l'argon, ou un mélange d'air et de gaz inerte. En cas d'utilisation de l'air en tant que gaz caloporteur, les entrées d'air peuvent être ouvertes sur l'atmosphère environnante, plus particulièrement dans l'espace situé entre des cuves adjacentes, et seules les sorties d'air sont dans ce cas raccordées à des collecteurs d'aspiration. Les entrées d'air sont ainsi constituées par de simples orifices, de forme et dimension adaptées, qui fonctionnent par dépression pour alimenter un dispositif échangeur, autrement dit une partie en matière poreuse. Toutefois, dans un autre mode préférentiel d'utilisation de l'air en tant que gaz caloporteur, cet air est recyclé pour augmenter sa température d'entrée dans la zone poreuse, et par conséquent sa température de sortie de cette zone, afin d'augmenter le rendement de récupération d'énergie. Dans ce cas, un réseau de distribution est prévu, pour ramener vers les orifices d'entrée l'air prélevé aux orifices de sortie. La conception de ce réseau de distribution assure une perte de charge qui est identique, à tous les orifices d'entrée d'air de la cuve, en vue d'obtenir une homogénéité de fonctionnement.

De même, dans le cas où le gaz caloporteur contient un gaz inerte, il est avantageux de le recycler en raison de sa valeur. Enfin, s'il est prévu un réseau de distribution, il est possible de combiner le mode de réalisation sans recyclage du gaz caloporteur, donc avec aspiration de l'air dans l'espace situé entre les cuves, et le mode de réalisation avec recyclage de l'air, au moyen de vannes d'admission directe d'air dans le réseau de distribution, ces vannes pouvant être situées en différents points du réseau de distribution, de préférence en combinaison avec des vannes d'isolation aptes à isoler les unes des autres différentes portions du réseau de distribution. Ce mode "combiné" présente l'avantage de permettre les interventions sur le réseau de distribution, ou de pallier temporairement à une défaillance dans la partie "amont" du système de recyclage de gaz, ou encore de compenser des pertes d'air dans le circuit. Avantageusement, un isolant thermique est encore disposé entre la partie en matière poreuse et le caisson de la cuve, et plus précisément entre la face extérieure de la partie en matière poreuse, d'une part, et la face interne du caisson de la cuve, d'autre part. La couche de matériau isolant limite les pertes thermiques, ce qui permet d'augmenter la récupération d'énergie. L'isolant thermique est avantageusement un matériau fibreux afin qu'il puisse agir comme un tampon déformable pour protéger les dalles de bordure, en absorbant les éventuelles dilatations thermiques de la cuve, notamment au cours de sa montée en température à la mise en service de la cellule. L'isolant forme typiquement une couche sensiblement verticale dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 100 mm, et préférentiellement 15 et 50 mm. Le gaz caloporteur circule de préférence par aspiration, et donc par dépression, au travers du dispositif d'échange thermique, afin que, en cas de défaillance du dispositif, le dispositif ne souffle pas du gaz caloporteur dans la structure de la cuve, les blocs de bordure, le fond de la cuve ou les phases liquides. Cette variante de l'invention peut être mise en oeuvre en raccordant la cellule d'électrolyse à un système d'aspiration apte à faire circuler un gaz caloporteur par dépression dans la ou chaque partie en matière poreuse. Enfin, l'invention a aussi pour objet une installation industrielle de production d'aluminium, comprenant une pluralité de cuves d'électrolyse telles que précédemment définies, qui sont reliées par des collecteurs à un circuit de gaz caloporteur dirigé vers des moyens de récupération d'énergie, comprenant au moins un échangeur thermique et/ou au moins un générateur d'électricité. Dans l'ensemble, le système d'échangeur thermique proposé par l'invention possède les avantages suivants : - Ce système d'échangeur thermique est d'une grande simplicité de réalisation, qui le rend économique et fiable ; - Etant localisé au plus près de la source d'énergie thermique, le système permet une récupération optimale de cette énergie ; la valorisation de cette énergie est optimale car elle se fait à température élevée ; - La mise en oeuvre de l'invention ne nécessite pas de remise en cause de la structure de la cuve d'électrolyse, ce qui contribue à la simplicité et permet un post-équipement de cuves existantes ; - La récupération d'énergie est aisément modulable, en fonction de la température d'entrée du gaz caloporteur et de son débit, ce qui permet de participer à la régulation de l'intensité de service des cuves d'électrolyse en fonction des besoins de production ou des disponibilités en énergie électrique. Le système d'échangeur thermique sert à évacuer tout ou partie de l'énergie excédentaire par rapport à un point de fonctionnement déterminé ; - L'invention permet d'augmenter la précision de contrôle de l'épaisseur du talus du bain électrolytique figé qui protège les matériaux des parois latérales des cuves contre l'attaque chimique par l'aluminium liquide et le bain de sels fondus. Ceci permet, en association avec les points précédents, de développer de nouvelles cuves d'électrolyse à puissance spécifique notablement augmentée, et à bilan énergétique identique ou amélioré. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, divers modes de réalisation de cette cellule d'électrolyse avec cuve à parois latérales munies d'un échangeur thermique : La figure 1 est une vue partielle en coupe verticale d'une cellule d'électrolyse conforme à la présente invention ; La figure 2 est une vue en coupe partielle, correspondant à la partie droite de la figure 1, montrant une première variante de la cellule ; La figure 3 est une vue similaire à la figure 2, illustrant une deuxième variante ; Les figures 4 à 9 sont des vues similaires aux précédentes, illustrant encore d'autres variantes de la cellule, objet de l'invention ; La figure 10 est une vue en coupe verticale, suivant X-X de figure 11, d'une autre réalisation de cellule d'électrolyse selon l'invention ; La figure 11 est une vue en plan par-dessus, partielle, de la cellule de la figure 10 ; La figure 12 est un schéma illustrant un mode de récupération de l'énergie thermique de cellules selon l'invention.

Comme le montre la figure 1, une cuve d'électrolyse 22, utilisée dans la production de l'aluminium à partir d'alumine, comprend généralement : - un caisson extérieur 2, en acier, - un garnissage de sol 3 en matériau réfractaire, - un creuset 40, destiné à être polarisé cathodiquement, formé en tout ou partie de blocs cathodiques 4 et d'une bordure 4', qui est typiquement formée de blocs de bordure en matériaux carbonés, - une arrivée de courant à la cathode, par des barres d'acier 5 5 horizontales, qui traversent le caisson 2 et sont scellées aux blocs cathodiques 4, -des parois latérales de cuve 8, détaillées ci-après. Une cellule d'électrolyse 23 est formée par l'assemblage d'une cuve 22 et d'une ou plusieurs anodes carbonées 6, en partie supérieure, 10 surmontant le creuset, et reliées à une arrivée de courant par des multipodes anodiques 7. En service, le creuset 40 contient une couche d'aluminium liquide 9, surmontée d'un bain d'électrolyte fondu 10 à base de cryolithe dans lequel plonge chaque anode 6. L'ensemble formé par la couche 15 d'aluminium liquide 9 et par le bain d'électrolyte 10 est entouré par une zone de bain solidifié, dite "talus" Il, proche des parois latérales 8 et en contact avec les blocs de bordure 4' du creuset 40. Vue en plan par-dessus, la cuve d'électrolyse possède une forme générale rectangulaire, avec deux grands côtés et deux petits côtés. 20 Une cellule d'électrolyse est habituellement associée à d'autres cellules similaires, disposées en file, avec des espaces libres (donc remplis d'air) entre les cuves de ces cellules. Comme l'illustre la partie droite de la figure 1, les parois latérales 8 de la cuve d'électrolyse sont, conformément à la présente 25 invention, divisées dans le sens de leur épaisseur en au moins deux parties adjacentes. Une première partie 12, située du côté intérieur et se trouvant ainsi au contact des blocs de bordure 4' (et éventuellement du talus 11) est réalisée en un matériau réfractaire dense, autant que possible étanche aux gaz, notamment sous la forme d'une pluralité de dalles à base de 30 carbure de silicium (SiC). Une seconde partie, située du côté extérieur, donc en regard de la face interne du caisson 2, est constituée ici, sur pratiquement toute sa hauteur, par une matière poreuse 13. La matière poreuse, qui est typiquement une mousse (de préférence une mousse en carbure de 35 silicium), possède une porosité adaptée, typiquement comprise entre 10 et 30 ppi (soit entre environ 4 et 12 pores/cm) afin d'offrir une faible perte de charge tout en maintenant une capacité d'échange thermique élevée. L'épaisseur de la partie dense 12 peut être comprise entre 10 et 100 mm, et préférentiellement entre 30 et 50 mm, tandis que l'épaisseur de la partie en matière poreuse 13 est comprise entre 5 et 50 mm, et préférentiellement entre 15 et 25 mm. L'assemblage de ces deux parties 12 et 13, à leur interface 14, est réalisable au moyen d'une colle spécifique, sous forme de suspension ou de pâte, contenant un mélange d'une charge minérale d'une granulométrie moyenne inférieure à 250 pm, et une résine siliconée. Dans le cas d'une suspension, le mélange peut éventuellement contenir un solvant pour solubiliser la résine et former une suspension fluide. Les demandes internationales WO 03/033435 et WO 03/033436 décrivent des colles possibles. Un matériau fibreux, isolant thermique (non représenté), peut être introduit entre le caisson et la partie poreuse afin de réduire les pertes thermiques vers le caisson, en vue de leur récupération. Cet isolant peut également être mis en compression entre la paroi extérieure de la partie en matière poreuse 13, et la face interne du caisson 2. La partie en matière poreuse 13 est prévue pour être parcourue, ici de bas en haut, par de l'air qui est admis par un orifice d'entrée d'air 15, situé en partie basse de la paroi latérale 8, et qui est extrait par un orifice de sortie d'air 16, situé en partie haute de la paroi latérale 8. L'air, qui ici n'est pas recyclé, est prélevé à l'extérieur de la cuve, et notamment dans un espace libre entre cuves, et il est admis par dépression suivant les flèches F1 dans l'orifice d'entrée d'air 15. Cet air, extrait par l'orifice de sortie d'air 16, parcourt suivant la flèche F2 une tubulure 17 raccordée à cet orifice 16 et parvient à un collecteur latéral 18, qui s'étendhorizontalement le long d'un côté de la cuve et est lui-même relié à une centrale d'aspiration (non représentée). Le même collecteur 18 peut ainsi regrouper les flux d'air extraits de plusieurs échangeurs thermiques analogues, qui se succèdent le long d'une paroi latérale 8 de la cuve. L'air parcourant les échangeurs thermiques, ainsi constitués, récupère de l'énergie thermique dégagée dans la cuve, et transfère cette énergie vers l'extérieur de la cuve. La gamme de flux de chaleur ainsi évacuée par les parois 8 de la cuve s'étend typiquement entre 1 et 35 kw/m2. L'orifice de sortie d'air 16 est avantageusement pourvu d'un registre 19, permettant de régler la section de sortie de l'air.

Selon une disposition inversée, illustrée par la figure 2 (sur laquelle les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères), l'orifice d'entrée d'air 15 est situé en partie haute tandis que l'orifice de sortie d'air 16 est situé en partie basse de la paroi latérale 8. La figure 3 montre un mode de réalisation se rapprochant de celui de la figure 1, mais dans lequel la partie en matière poreuse 13 est subdivisée, dans le sens de la hauteur, en deux zones partielles poreuses successives 13a et 13b. Plus particulièrement, la zone partielle inférieure 13a possède une plus grande porosité, et la zone partielle supérieure 13b possède une plus petite porosité, propice à un échange thermique plus intense, cette zone partielle 13b se situant de préférence sensiblement à hauteur de la couche d'aluminium liquide 9 et du bain d'électrolyte 10. L'air parcourt ici successivement la zone partielle inférieure 13a puis la zone partielle supérieure 13b. Dans une variante non représentée, l'entrée d'air est située en partie haute de la paroi latérale, l'air parcourant dans ce cas d'abord la zone partielle supérieure 13b, puis la zone partielle inférieure 13a. La figure 4 représente une autre variante, dans laquelle la partie en matière poreuse 13 est subdivisée, dans le sens de la hauteur, en trois zones partielles poreuses successives, soit une zone partielle inférieure 13c, une zone partielle intermédiaire 13d et une zone partielle supérieure 13e. La figure 5 représente encore une autre variante, se rapprochant de la réalisation selon la figure 3, mais comportant un orifice d'entrée d'air supplémentaire 20, situé au niveau de la transition entre la zone partielle poreuse inférieure 13a et la zone partielle poreuse supérieure 13b. Comme figuré par la flèche F3, un débit d'air additionnel est admis par dépression dans l'orifice d'entrée supplémentaire 20, et ce débit vient s'ajouter, à l'intérieur de la zone partielle supérieure 13b, au débit d'air admis par l'orifice d'entrée inférieur 15.

D'une manière inverse, il est aussi possible de conserver un orifice d'entrée d'air 15 unique, mais de multiplier les sorties d'air, comme l'illustre la figure 6 ; dans ce cas, les différents orifices de sortie d'air 16a, 16b et 16c, situés à des hauteurs distinctes sur la paroi latérale 8, possèdent chacun leur registre 19a, 19b ou 19c, et sont tous raccordés au même collecteur latéral 18, lui-même relié à la centrale d'aspiration.

D'autres combinaisons d'entrées et de sorties d'air, réparties sur la hauteur des parois latérales 8 de la cuve, sont encore envisageables, les réalisations précédemment détaillées n'étant que des exemples. La figure 7, sur laquelle les éléments correspondant à ceux décrits précédemment sont encore désignés par les mêmes repères, montre une autre forme de réalisation, dans laquelle la partie en matière poreuse 13, constitutive de l'échangeur thermique, s'étend seulement sur une fraction de la hauteur totale des parois latérales 8 de la cuve d'électrolyse, par exemple sur environ la moitié de la hauteur de ces parois. En particulier, la partie en matière poreuse 3 est ici présente dans la moitié supérieure de cette hauteur de parois, de manière à se situer aussi à hauteur de la couche d'aluminium liquide 9 et du bain d'électrolyte 10. L'orifice d'entrée d'air 15 se situe ainsi environ à mi-hauteur de la paroi latérale 8, tandis que l'orifice de sortie d'air 16 se situe en partie haute. Bien entendu, à l'instar des exemples précédents, une inversion de la position de l'entrée d'air et de la sortie d'air est ici possible. Comme le montre la figure 8, également dans le cas d'une partie en matière poreuse 13 ne s'étendant que sur une fraction de la hauteur des parois latérales 8, cette partie en matière poreuse reste divisible en deux ou plusieurs zones partielles, dans cet exemple une zone partielle supérieure 13a et une zone partielle inférieure 13b de porosités différentes. Une entrée ou une sortie d'air supplémentaire pourrait être prévue au niveau de la jonction des deux zones partielles poreuses 13a et 13b. La hauteur de la partie en matière poreuse 13 peut être encore davantage réduite, et ne représenter par exemple qu'environ un tiers de la hauteur totale des parois latérales 8 de la cuve, comme l'illustre la figure 9. Dans tous les modes de réalisation précédemment décrits, en référence aux figures 1 à 9, les orifices d'entrée et de sortie d'air, quel que soit leur nombre, sont répartis sur la hauteur des parois latérales 8 de la cuve.

Dans un autre type de réalisation, qu'illustrent les figures 10 et Il, les orifices d'entrée 15 et de sortie 16 sont situés à la même hauteur, aux deux extrémités horizontalement opposées des parties en matière poreuse 13 successives, ayant une extension horizontale. Comme le montre plus particulièrement la figure Il, chaque partie en matière poreuse 13 s'étend horizontalement le long de plusieurs dalles 12 adjacentes constitutives des parois latérales 8. Chaque partie en matière poreuse 13 possède ainsi une longueur très supérieure à celle des dalles 12 et des espaces entre berceaux 21 du caisson 2. Comme précédemment, les orifices de sortie 16 sont raccordés à des collecteurs 18 qui s'étendent le long des côtés de la cuve d'électrolyse. Dans une variante non illustrée, découlant de la réalisation précédente, les parties en matière poreuse se rejoignent pour former, sur le périmètre de la cuve d'électrolyse, un bandeau continu avec une alternance d'orifices d'entrée et de sortie. Dans tous les cas, en vue de forcer la circulation de l'air ou d'un autre gaz caloporteur dans les parties en matière poreuse 13, il est possible d'étanchéifier les surfaces latérales ou terminales de ces parties en matière poreuse, par imprégnation ou colmatage, en évitant ainsi toutes fuites et pertes d'air ou de gaz. La figure 12 illustre enfin, très schématiquement et à titre d'exemple, un mode de récupération de l'énergie thermique récupérée dans plusieurs cuves d'électrolyse, telles que précédemment décrites. L'air ou le gaz caloporteur, issu des différentes cellules 23 d'une installation industrielle de production d'aluminium, et notamment récupéré dans les collecteurs latéraux 18, est dirigé vers la centrale d'aspiration puis dans un circuit 24 d'amenée vers un échangeur thermique 25 pour des applications de chauffage, ou de génération d'électricité qui peut être directement utilisée dans les cuves de l'installation, qui par nature sont consommatrices d'électricité. Des essais ont été réalisés avec une plaque en matériau poreux céramique afin d'évaluer les capacités d'échange thermique accessibles avec les matériaux selon l'invention. Un échangeur thermique a été fabriqué en collant sur une plaque de matériau dense à base de carbure de silicium, lié avec du nitrure de silicium, d'une épaisseur de 40 mm, une plaque de 25 mm de mousse céramique poreuse en carbure de silicium dont la porosité est de 20 ppi (8 pores/cm) et représente un volume poreux de 88 %. La conductivité thermique effective de la plaque poreuse était comprise entre 0,50 et 1 W.m-1.K-1. La colle était un coulis réfractaire. L'échangeur thermique a été disposé à l'entrée d'un four à la place de la porte au moyen d'un bâti métallique. Le dispositif d'échange thermique est isolé au moyen de matériau fibreux autour du bâti. Des thermocouples placés à différents, endroits notamment au niveau de l'entrée et de la sortie du fluide caloporteur, ont permis de quantifier l'échange thermique dans la zone poreuse. La surface exposée face au four représentait 400 cm2.

Le four a été chauffé à une température fixée, puis maintenu à cette température pendant la série d'essais, le débit d'air circulant dans l'échangeur étant maîtrisé au moyen d'un débitmètre. Le tableau I reporte en fonction du débit du fluide caloporteur, à savoir de l'air, la température de sortie de l'air réchauffé et le flux de chaleur récupéré par l'échangeur. Ces essais montrent que lorsque le débit d'air de refroidissement augmente, la température de l'air en sortie diminue et le flux de chaleur récupéré augmente.

Tableau I Débit d'air Température de Température de Flux de chaleur (Nm3/H) l'air en entrée l'air en sortie récupéré ( C) ( C) (kW/m2) 2,6 20 555 9,1 5 20 467 14,0 8 20 387 24,9 10 20 328 26,2 13 20 264 26,9 15 20 237 27,6 18 20 215 29,8 Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation de cette cuve d'électrolyse qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes20 respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention par une modification de la nature des matériaux, notamment en ce qui concerne les matériaux poreux constitutifs de l'échangeur thermique, qui peut aussi être métallique, ou mixte (telle qu'une combinaison de carbure de silicium et de métal). Dans le même ordre d'idées, le nombre et les positions des orifices d'entrée et de sortie de l'air ou du gaz caloporteur, relativement aux parties ou zones poreuses, sont largement variables sans que l'on s'écarte du cadre de l'invention. Enfin, les modes d'utilisation et/ou de conversion de l'énergie thermique récupérée sont largement variables.

Claims (42)

REVENDICATIONS

1. Cuve d'électrolyse (22), utilisable pour la production d'aluminium, comportant des parois latérales (8) munies d'un échangeur thermique apte à être parcouru par un gaz caloporteur, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent, sur au moins une fraction de leur hauteur et de leur épaisseur, au moins une partie en matière poreuse (13) apte à permettre une circulation du gaz caloporteur, la ou chaque partie en matière poreuse (13) étant raccordée à des moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur.

2. Cuve d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) se présente sous forme de mousse.

3. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) est formée d'un matériau choisi parmi les métaux, les céramiques dont la conductivité intrinsèque est supérieure à 5 W/m.K et un mélange ou une combinaison de ces matériaux.

4. Cuve d'électrolyse selon la revendication 3, caractérisée en 20 ce que ladite céramique contient majoritairement du carbure de silicium, du nitrure de silicium et/ou du nitrure d'aluminium.

5. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) est une mousse céramique contenant au moins 70 % en poids de céramique. 25

6. Cuve d'électrolyse selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit métal est choisi parmi les alliages base nickel.

7. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie en matière poreuse (13) possède une porosité supérieure à 70 %. 30

8. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la partie en matière poreuse (13) est formée par une ou plusieurs dalles poreuses.

9. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie en 35 matière poreuse (13) est comprise entre 5 et 50 mm.

10. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent au moins une première partie en matériau dense (12) située du côté intérieur de ces parois (8), et au moins une deuxième partie réalisée au moins partiellement en matière poreuse (13) située entre la première partie (12) et le caisson extérieur (2) de la cuve.

11. Cuve d'électrolyse selon la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau dense est un matériau céramique contenant au moins 70 % en poids de carbure de silicium.

12. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 1 1, caractérisée en ce que la partie en matériau dense (12) possède une porosité inférieure à 20 %.

13. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que les première et deuxième parties des parois latérales (8), à savoir la partie intérieure en matériau dense (12) et la partie extérieure en matière poreuse (13), sont réunies par une matière réfractaire (14).

14. Cuve d'électrolyse selon la revendication 13, caractérisée en ce que les première et deuxième parties des parois latérales sont réunies par une colle, sous forme de suspension, contenant un mélange de charge minérale d'une granulométrie moyenne inférieure à 250 pm, une résine siliconée et un solvant assurant la solubilisation de la résine et la rhéologie de la suspension.

15. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des 25 revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la partie en matière dense (12) est formée par une ou plusieurs dalles de structure monolithique.

16. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent une structure formée à partir de dalles monolithiques, 30 réalisés dans un matériau à porosité variable dans le sens de l'épaisseur desdites parois latérales (8).

17. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie dense (12) est comprise entre 10 et 100 mm. 35

18. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que la ou chaque partie enmatière poreuse (13) s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales (8) de la cuve.

19. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que la ou chaque partie en 5 matière poreuse (13) s'étend sur une portion limitée de la hauteur totale des parois latérales (8) de la cuve.

20. Cuve d'électrolyse selon la revendication 19, caractérisée en ce que la ou chaque partie en matière poreuse (13) s'étend sur une fraction de l'ordre d'un tiers à une moitié de la hauteur de la cuve. 10

21. Cuve d'électrolyse selon la revendication 19 ou 20, caractérisée en ce que la ou chaque partie en matière poreuse (13) se situe au niveau de l'interface entre la couche d'aluminium liquide (9) et le bain de sels fondus (10).

22. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 21, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) présente des caractéristiques variables, notamment de porosité, épaisseur et/ou conductivité thermique, sur la hauteur de la partie poreuse (13), afin d'obtenir, dans le sens de la hauteur, des zones successives (13a, 13b ; 13c, 13d, 13e) possédant des caractéristiques différentes d'échange 20 thermique.

23. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisée en ce que les moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur sont situées en partie haute et en partie basse de la ou de chaque partie en matière poreuse (13). 25

24. Cuve d'électrolyse selon la revendication 23, caractérisée en ce que les moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur sont situés en partie haute et en partie basse des parois latérales (8) de la cuve.

25. Cuve d'électrolyse selon l'ensemble des revendications 22 30 et 23, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins une entrée (20) et/ou une sortie (16a, 16b) additionnelle du gaz caloporteur située à hauteur intermédiaire.

26. Cuve d'électrolyse selon la revendication 25, caractérisée en ce que l'entrée (20) et/ou la sortie (16a, 16b) additionnelle du gaz 35 caloporteur est située au niveau de la transition entre deux zones successives (13a, 13b ; 13c, 13d, 13e).

27. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, caractérisée en ce que les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur sont répartis sur la dimension horizontale d'une partie en matière poreuse (13) des parois latérales (8) de la cuve.

28. Cuve d'électrolyse selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'entrée (15) et la sortie (16) sont disposées respectivement aux deux extrémités horizontalement opposées d'une partie en matière poreuse (13).

29. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, caractérisée en ce que la ou les entrées (15) de gaz caloporteur possèdent des orifices situés à un niveau supérieur au niveau de liquide dans la cuve, c'est-à-dire en partie haute du caisson (2) ou sur la périphérie du caisson (2).

30. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 29, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins un collecteur latéral (18), raccordé à une pluralité de sorties (16) du gaz caloporteur.

31. Cuve d'électrolyse selon la revendication 30, caractérisée en ce que chaque côté de la cuve est équipé d'au moins un collecteur (18), tous les collecteurs pouvant être raccordés à une centrale d'aspiration commune.

32. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 31, caractérisée en ce que la section de passage des orifices d'entrée et de sortie (15, 16) du gaz caloporteur, ou de certains d'entre eux, est réglable au moyen de registres (19).

33. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 32, caractérisée en ce que le gaz caloporteur utilisé est de l'air, et en ce que les entrées d'air (16) sont ouvertes sur l'atmosphère environnante.

34. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 32, caractérisée en ce que le gaz caloporteur utilisé est de l'air, un gaz inerte ou un mélange d'air et de gaz inerte, et en ce que ce gaz caloporteur est recyclé par un réseau de distribution ramenant vers les orifices d'entrée (15) l'air ou le gaz prélevé aux orifices de sortie (16).

35. Cuve d'électrolyse selon la revendication 34, caractérisée en ce qu'elle combine les modes de réalisation sans recyclage et avecrecyclage de l'air, au moyen de vannes d'admission directe de l'air situées en différents points du réseau de distribution

36. Cuve d'électrolyse selon la revendication 35, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des vannes d'isolation aptes à isoler les 5 unes des autres différentes portions du réseau de distribution.

37. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 36, caractérisée en ce qu'un isolant thermique est disposé entre la partie en matière poreuse (13) et le caisson (2) de la cuve.

38. Cuve d'électrolyse selon la revendication 37, caractérisée 10 en ce que l'isolant thermique est un matériau fibreux.

39. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 37 ou 38, caractérisée en ce que l'isolant forme une couche sensiblement verticale dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 100 mm.

40. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des 15 revendications 1 à 39, caractérisée en ce qu'elle est raccordée à un système d'aspiration apte à faire circuler un gaz caloporteur par dépression dans la ou chaque partie en matière poreuse (13).

41. Cellule d'électrolyse comportant une cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 40. 20

42. Installation industrielle de production d'aluminium, comprenant une pluralité de cuves d'électrolyse (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 41, reliées par des collecteurs (18) et par une centrale d'aspiration à un circuit de gaz caloporteur (24) dirigé vers des moyens de récupération d'énergie, comprenant au moins un échangeur 25 thermique (25) et/ou au moins un générateur d'électricité.