FR3112842A1 - DEVICE FOR COOLING GAS EFFLUENTS FROM AN INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF ALUMINUM BY IGNITE ELECTROLYSIS - Google Patents
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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 5This device for cooling gaseous effluents from an installation for the production of aluminum by igneous electrolysis, is intended to be positioned between a collector of said effluents, whether it is an individual collector emanating from each of the tanks electrolysis (1) of said installation, or a general collector (6) at which lead said individual collectors, and a treatment center for said effluents. This device consists of a plurality (8) of hollow tubes (9) mounted parallel to each other, with a diameter smaller than the diameter of said individual collectors or of said general collector (6), and within which said gaseous effluents circulate , and constituting an air/air exchanger: - one of the ends of said tubes (9) being in communication with an upstream plenum (10), at which said general collector (6) or said individual collector (5) ends, - the opposite end of said tubes (9) being in communication with a downstream plenum (11), itself in communication with a pipe (13) leading to the gas treatment center. Figure for abstract: Fig 5
Description
Domaine de l’inventionField of 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.The invention belongs to the field of the production of aluminum by igneous electrolysis, and more particularly relates to the treatment of the gaseous effluents resulting from the implementation of this process.
Etat antérieur de la techniquePrior state of the art
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.The production of aluminum by the so-called igneous electrolysis process is currently widespread and mastered. The electrolysis of alumina in the presence of molten cryolite generates the production of gaseous effluents, which contain in particular carbon dioxide, fluorinated products, and in particular hydrofluoric acid HF, and dust. In view of the increase in the severity of anti-pollution standards, the discharge of these effluents cannot occur as such, and are in fact treated at the level of an effluent treatment center, with the precise aim of satisfying the standards. environmental.
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.Devices have therefore been developed capable of, on the one hand, capturing the gaseous effluents leaving the electrolysis tanks or cells, then treating them in such a way as to meet these environmental standards. Such effluent treatment centers traditionally include filtration means, most often in the form of sleeves made of polymer, and typically of polyester, capable of capturing dust, and, on the other hand, treatment means chemicals intended to neutralize fluorinated gases via an adsorption process on alumina.
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.If such treatment of gaseous effluents by means of these treatment centers is generally satisfactory, they are however insufficient in terms of quality, since, as is the tendency of the operators of such aluminum production plants, we want to increase the production capacity. Indeed, such an increase results in an increase in the intensity of the electrolysis current and, as a corollary, typically in an increase in the volume of the gaseous effluents, in addition to an increase in their temperature.
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.In order to combat this rise in temperature, which is likely to impact the integrity of the filtration means and reduce the efficiency of the treatment of fluorinated gases, various technical solutions have been proposed.
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.These include the principle of diluting the effluent gases with ambient air, typically by means of dilution traps located upstream of the effluent treatment centre(s). In addition to the fact that the principle implemented requires a significant flow of added air to achieve the desired temperature reduction, it also generates a greater volume of gas to be treated and therefore a treatment device that is oversized as a result, effectively affecting the overall economics of the aluminum production facility. This is also the reason why this principle is generally only implemented as a back-up, in exceptional situations and when the outside environment is itself very hot.
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.Another technical solution has also been proposed, consisting of injecting water droplets into the effluent gases. The evaporation of said water droplets induces the cooling of said gases (see for example EP 1 172 326). This relatively inexpensive process, however, is little implemented or in a limited way to ensure a lowering of the temperature of the effluent gases below the maximum allowable temperature typically by the filtration sleeves, in this case 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.It has also been proposed to implement air/water exchangers, such as for example described in document EP 2 431 498. Typically, these exchangers consist of tubes inside which the effluent gases from the electrolytic cells flow. , and outside of which circulates a cooling fluid, in particular water, advantageously in the opposite direction, the water acting as a heat transfer fluid intended to cool the tubes and consequently the gases.
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.If, from a thermal point of view, these exchangers prove to be effective and in particular make it possible to lower the desired temperature of the gaseous effluents emanating from the tanks, they nevertheless generate hot water resulting from the heat exchange at the level tubes, which environmental standards prohibit discharging at such a temperature, and which therefore require the implementation of batteries of air coolers in a closed circuit. Doing so significantly increases installation costs. Moreover, in a number of countries where water resources are low, this type of device may prove to be inappropriate, even if the water circulates in a closed circuit.
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.In summary, to date there is no device for reducing sufficiently and effectively the temperature of the gaseous effluents from the electrolytic cells in a concomitant manner with the ease of implementation, the reduction of the size, the reduced production costs and easy maintenance.
Tel est l’objet de la présente invention.This is the object of the present 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.The invention thus proposes a device for cooling gaseous effluents coming from an installation for the production of aluminum by igneous electrolysis, intended to be positioned between a collector of said effluents, whether it is an individual collector emanating of each of the electrolytic cells of said installation, or of a general collector at the level of which lead said individual collectors, and a treatment center for said 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.According to the invention, this device consists of a plurality of hollow tubes mounted parallel to each other, with a diameter smaller than the diameter of the individual collector or the general collector, tubes within which said gaseous effluents circulate:
– one of the ends of said tubes being in communication with an upstream plenum, at which the said individual collector or the general collector ends,
– the other of the ends of said tubes being in communication with a downstream plenum, itself in communication with a pipe leading directly or indirectly to the gas treatment center.
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.In other words, unlike the devices of the prior art, the general principle adopted by the device of the invention is based on an air/air exchanger, the heat exchange taking place by convection between the outside air transiting at the periphery and in contact with the tubes and the gaseous effluents transiting inside the tubes. Obviously, the number of these tubes and their diameter are determined in such a way as to optimize this heat exchange according to the quantity of effluent gases and their temperature to be treated, but also in order to reduce the risks of deposit of material within the tubes, the risk of abrasion, the risk of scaling, in addition to minimizing pressure drops.
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.Thus, according to an advantageous characteristic of the invention, in order to optimize this heat exchange, all or part of the tubes constituting the exchanger is provided with external radial fins emanating from the periphery of the tubes, and able to optimize 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.Advantageously, these fins have a thickness comprised between 0.5 and 3 millimeters, and extend from the outer peripheral wall of the tubes by a distance typically comprised between 20 and 60 millimeters. These dimensions are determined in order to optimize the heat exchange.
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.In addition, these fins result in fact from one or more spirals, defining between each turn a pitch of between 10 and 100 millimeters, again, this pitch being determined to optimize heat exchange. These coils are typically rolled tight around the tube to ensure the best contact between the tube and the fin, to maximize heat transfer. Typically, the spiral or spirals constituting the fins are only welded to the tube at their two ends.
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.According to another advantageous characteristic of the invention, and still with a view to improving and optimizing heat transfer, these tubes, and where appropriate the fins, are made of a material chosen from the group comprising aluminum , black steel, stainless steel and galvanized steel.
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.Typically, the tubes have a length of between 6 and 12 meters, and a diameter of between 50 and 300 millimeters. These values are purely indicative.
Avantageusement, lorsque le tube est muni d’ailettes, la ou les spirales sont montées sur des tubes de dimensions standards.Advantageously, when the tube is provided with fins, the spiral or spirals are mounted on tubes of standard dimensions.
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.According to another advantageous characteristic of the invention, the tubes can be staggered relative to each other, again in order to optimize the circulation of the outside air in contact with the tubes, and therefore to optimize the surface of exchange between the outside and the peripheral surface of said 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.Typically, the inter-tube distance, i.e. between two generatrices of two contiguous tubes in the same exchanger, is between 5 and 100 millimeters if the tubes have no fins. On the other hand, if the tubes are equipped with fins, it is necessary to take into account the size they generate, this distance being able to reach several hundreds of millimetres.
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.With the aim of optimizing the installation of such an exchanger, the tubes are mounted on a modular frame (skid), typically in groups of 100 to 200, it being thus specified that depending on the quantity of gas in effluent to be treated, several of these modular frames can be mounted side by side and connected to the same general collector.
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.Furthermore, in order to reduce the pressure drops inherent in the turbulence generated by the flow at the inlet of the tubes, and more specifically the phenomena of separation of the gas stream within said tubes, the upstream plenum is equipped with means configured to promote the introduction of gases into the tubes. These means are typically provided at the level of one of the constituent walls of said plenum, said wall being pierced with through holes of diameter corresponding to the diameter of said tubes positioned plumb with the inlet of the tubes, and being provided with deflectors or equivalent systems.
Alternativement, ladite paroi est pliée, de telle sorte à définir intrinsèquement des déflecteurs ou des canalisations aptes à réduire les turbulences des effluents.Alternatively, said wall is folded, so as to intrinsically define deflectors or pipes capable of reducing the turbulence of the 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.According to another characteristic of the invention, the downstream plenum is also provided with means, substantially of the same design as those implemented at the level of the upstream plenum, and whose function is to reduce turbulence and overspeed zones at the level of the outlet pipe leading to the effluent treatment center.
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.According to another characteristic of the invention, an additional source of air is added to the exchanger, that is to say other than the ambient air surrounding the exchanger, this source typically consisting of a fan or equivalent, capable of increasing the flow of air intended to come into contact with said tubes, again with the aim of optimizing the heat exchange.
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.According to yet another characteristic of the invention, one or more fans or equivalent devices are positioned within the outlet pipe leading to the effluent treatment center, in order to compensate for the aforementioned pressure drops.
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.According to another advantageous characteristic of the invention, thermoelectric modules are mounted on the fins associated with the tubes, so as to transform the heat resulting from the heat exchange into electrical energy, and thus recover a fraction of the heat thus dissipated.
Brève description des figuresBrief description of 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.The way in which the invention can be implemented and the resulting advantages will emerge better from the examples of embodiment which follow, given by way of indication and not limitation, in support of the appended figures.
Description détaillée de l’inventionDetailed description of the invention
On a donc représenté au sein de la
Une telle architecture est parfaitement connue, de sorte qu’il n’y a pas lieu de la décrire ici plus en détail.Such architecture is well known, so there is no need to describe it here in more detail.
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.According to the particular embodiment of the invention described, the general collector or collectors (6) lead to the device for cooling the gaseous effluents thus collected, illustrated schematically in FIGS. 2 to 5. However, the invention also extends to such a device for cooling said gaseous effluents, not mounted on the general collector or collectors (6), but on the individual collector or collectors (5), the principle remaining however identical.
Plus précisément, et en lien avec la
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.This set (8) of tubes (9) is positioned outside the civil engineering structures housing the series or series of electrolytic cells (1), and in particular in the open air, in order to allow air environment to circulate in contact with the outside of said tubes, and to allow, by convection, to cool the gaseous effluents circulating within the tubes. It is however specified that in the configuration according to which the assembly (8) is mounted, not on a general collector (6), but on an individual collector, said assembly is then positioned inside the engineering structure civil.
Si au sein de la
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.These tubes, with a typical length between 6 and 12 meters, and a diameter typically between 50 and 300 millimeters, are advantageously made of aluminum, due to the good thermal properties of this metal, in addition to its low density.
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.The set (8) can typically comprise between 100 and 200 of such tubes, mounted in the form of skids, thus giving the device a modular character, and furthermore favoring all the associated logistics.
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 (
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
On a représenté au sein des figures 2 à 4, trois configurations possibles de l’invention.There are shown in Figures 2 to 4, three possible configurations of the invention.
Au sein de la
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).Downstream of the exchanger (8), the cooled gases are mixed in one or more reactors (21) with so-called “fresh” metallurgical alumina, previously stored in a silo (19). In these reactors, the gaseous HF will be adsorbed on the alumina; this so-called “fluorinated” alumina is then separated from the purified gas of HF in one or more filters (20). One or more draft fans (23) ensure the depression of the whole and the evacuation of the clean gases in one or more chimneys. The fluorinated alumina is stored in a silo (22) before being used as raw material for supplying the tanks (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
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.Furthermore, in order to reduce as far as possible the pressure drops resulting from the entry of the gaseous effluents into the tubes (8), a means described further on is positioned at the level of the upstream or entry plenum (10). detail in relation to figures 7 to 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 forme biseautée du plénum aval (11) contribue à un résultat analogue.The beveled shape of the downstream plenum (11) contributes to a similar result.
Par ailleurs, les moyens illustrés au sein des figures 7 à 15 contribuent à atteindre cette homogénéité.Furthermore, the means illustrated in FIGS. 7 to 15 contribute to achieving this homogeneity.
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.The general principle underlying these different variants of said means is based on the implementation of a profile or deflector of appropriate shape, and in particular curved, in order to minimize the separation of the gas stream at the inlet of the tubes (9), by with regard to the upstream plenum.
Ainsi, en
La
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.Figures 9 and 10 illustrate another variant of this means, respectively in perspective view and in section and in top view. In this variant, a half-round (32) is welded to the sheet (27), upstream of each of the rows of through orifices (28) with respect to the direction of arrival of the gas flow.
La
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).Figures 12 and 13 illustrate another embodiment of these means. In this case, said means consist of circular half-rounds (34), each welded to the periphery of each through hole (28) of the sheet (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.Figures 14 and 15 illustrate yet another embodiment of these means. The latter are again made up of partial circular sections of half-rounds (35), welded to the sheet (27) upstream of each of the rows of through orifices (28) with respect to the direction of arrival of the gas flow.
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.Still with the aim of reducing the pressure drop, the upstream plenum can have a configuration of the type illustrated in figures 16 to 18.
Ainsi, dans le mode de réalisation de la
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.In the same way, and always with the aim of minimizing the pressure drop of the assembly, and more particularly of homogenizing the speeds in the downstream plenum or outlet plenum (11) by minimizing the turbulence and the overspeed zones there. , is positioned at said downstream plenum (11) the same type of means as those previously described.
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
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).Furthermore, axial type fans are typically used, which meet specific needs characterized by a high flow rate (several tens of m 3 /s) and a relatively low pressure differential (typically <2000Pa).
Plusieurs de ces ventilateurs (24) peuvent être mis en parallèle, de sorte à assurer une redondance.Several of these fans (24) can be placed in parallel, so as to provide redundancy.
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.In a typical application, several thousand kW of thermal energy have to be dissipated for each processing center. Considering an energy efficiency of the order of a few percent (<10%) for these thermoelectric modules, it may be possible to recover a few tens of 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…).The implementation of thermoelectric cells offers the advantage of modularity; in a more restricted way, only a small fraction of the fins could thus be equipped, so as to supply a certain number of electrical equipment located near the exchanger (measuring instruments, lighting, etc.).
Claims (14)
– 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.Device for cooling gaseous effluents coming from an installation for the production of aluminum by igneous electrolysis, intended to be positioned between a collector of said effluents, whether it is an individual collector (5) emanating from each of the electrolytic cells (1) of the said installation, or of a general collector (6) at the level of which the said individual collectors (5) lead, and a treatment center for the said effluents, characterized in that this device consists of a plurality (8) of hollow tubes (9) mounted parallel to each other, with a diameter smaller than the diameter of said individual collectors (5) or of said general collector (6), and within which said gaseous effluents circulate, and constituting a air/air exchanger:
– one of the ends of said tubes (9) being in communication with an upstream plenum (10), at the level of which ends said general collector (6) or said individual collector (5),
– the opposite end of said tubes (9) being in communication with a downstream plenum (11), itself in communication with a pipe (13) leading to the gas treatment center.
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