WO2011131901A1 - Système et procédé de traitement avec concentration des fumées et gaz produits par une cuve d'électrolyse lors de la fabrication d'aluminium - Google Patents

Système et procédé de traitement avec concentration des fumées et gaz produits par une cuve d'électrolyse lors de la fabrication d'aluminium Download PDF

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gases
treatment
electrolytic cell
unit
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El Hani Bouhabila
Thierry Malard
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Solios Environnement
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    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/06—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of aluminium
    • C25C3/22—Collecting emitted gases
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    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes

Definitions

  • the present invention relates to a system and method of treating with concentration of fumes and gases produced by an electrolytic cell during the manufacture of aluminum.
  • the fumes and gases from the electrolysis tanks are treated by a dry filtration process and adsorption with alumina to remove hydrogen fluoride and dust. This treatment is sometimes followed by a desulfurization step. However, the fumes and gases thus treated still contain carbon dioxide at a low concentration of less than 1.5%.
  • the object of the present invention is to propose a system and a method for treating the fumes and gases produced by an electrolytic cell, capable of concentrating the fumes and gases of tanks and of producing concentrated C0 2 gases with a concentration greater than 7%, ie with a C0 2 concentration of product gases that is above the minimum required by existing C0 2 treatment technologies.
  • the subject of the invention is a system for treating the fumes and gases produced by at least one igneous electrolysis cell during the manufacture of aluminum, the fumes and gases comprising carbon dioxide, dusts and carbon dioxide. hydrogen fluoride; the treatment system comprising:
  • a collection circuit capable of collecting at least a portion of the fumes and gases produced by the electrolytic cell
  • a treatment channel comprising a treatment unit capable of filtering the dust and of removing at least a portion of the hydrogen fluoride contained in the fumes and gases, and a capture unit capable of capturing at least a portion of the dioxide of carbon contained in the fumes and gases cooled, and secondly, a recycling path capable of recovering part of the fumes and gases cooled and reintroducing them into the electrolytic cell to increase the concentration of carbon dioxide in the fumes and gas captured by the capture unit.
  • the processing system comprises one or more of the following features:
  • a dust separation system arranged in the recycling path downstream of the cooling system
  • a first fumes and gas suction system arranged in the treatment channel upstream of the capture unit, a second fumes and gas suction system arranged in the recycling path, and a control system of the first and second suction systems adapted to regulate the flow of fumes and gases reintroduced into the electrolytic cell and the flow rate of fumes and gases captured by the capture unit;
  • the electrolytic cell comprises substantially sealed closure hoods
  • each electrolytic cell comprises at least one system for distributing the recycled fumes and gases
  • the cooling system comprises a heat exchanger traversed by a coolant, and wherein the treatment system comprises a recovery unit adapted to recover the heat of the heat transfer fluid;
  • the recycling path and / or the collection circuit comprises a closure device.
  • the invention also relates to a process for treating fumes and gases produced by at least one igneous electrolysis cell during the manufacture of aluminum; fumes and gases containing carbon dioxide, dust and hydrogen fluoride; the process comprising the following steps:
  • the method comprises one or more of the following characteristics:
  • the cooling step is performed by a heat exchanger traversed by a heat transfer fluid, the method further comprising a step of recovering the heat of the coolant having passed through the heat exchanger, by a recovery unit.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an electrolytic cell and a treatment system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the steps of the treatment method according to the first embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of an electrolytic cell and a treatment system according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the steps of the processing method according to the second embodiment of the invention
  • Figure 5 is a schematic sectional view of an electrolytic cell and a treatment system according to a third embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a diagram illustrating the steps of the processing method according to the third embodiment of the invention.
  • the treatment system according to the invention is suitable for collecting and treating the fumes and gases produced by several tens or even hundreds of tanks.
  • the treatment system comprises an igneous electrolysis cell 2 which comprises a parallelepipedic box 4 open at its upper base and whose bottom carries one or more carbon blocks constituting the cathode 6.
  • caisson 4 contains an electrolysis bath 8 constituted by alumina dissolved in cryolite, brought to a temperature of between 950 ° and 1000 ° C. In this bath 8, one or more anodes 10 are immersed. When an electric current is applied between the anodes 10 and the cathode 6, the alumina is decomposed into aluminum 12 forming a metal bath which covers the cathode 6, and oxygen which reacts with each anode 10 and causes the progressive combustion.
  • the aluminum 12 is regularly removed from the electrolysis cell 2.
  • the upper part of the electrolysis bath 8 is solidified, thus constituting a crust 14 which covers the bath 8 and thermally insulates it.
  • the reaction at each anode causes an emission of fumes and gases that migrate to the top of the vessel.
  • Said fumes and gases include pollutants such as carbon dioxide and carbon monoxide, sulfur dioxide, hydrogen fluoride gas (HF), carbon and alumina particles, dusts and fluorinated compounds.
  • the decomposition of the alumina causes a decrease in its content in the electrolysis bath 8.
  • a movable tubular steel rod installed between two anodes 10, pierces the crust 14 and Alumina is injected into the electrolysis bath 8.
  • This rod hereinafter referred to as a metering injector 16 is operable in a vertical movement by means of a jack, preferably a pneumatic cylinder, to pierce the crust 14.
  • the electrolytic cell 2 further comprises a fume and gas distribution system 21 shown diagrammatically and partially in FIG. 1.
  • This distribution system 21 is arranged for example between the open face of the tank and the covers 20. It is suitable for distributing the fumes and gases reintroduced into the electrolytic cell 2, as explained later in the description. It is, for example, constituted by several pipes and / or nozzles.
  • the treatment system 22 comprises a circuit 24 for collecting the fumes and gases produced by one or more electrolysis cells 2, and a first heat exchange loop 26.
  • the collection circuit 24 comprises a collection device 28 for fumes and gases 15 capable of causing a depression under the hoods 20 and sucking up the fumes and the gases situated therebetween and the crust 14, and a unit 30 for treating these fumes and gases 15.
  • the treatment unit 30 is able to filter the dust contained in the fumes and gases 15 collected by the collection device 28, and to eliminate most of the gaseous hydrogen fluoride by adsorption of hydrogen fluoride gas from these fumes. and gas on alumina which is then separated from the fumes and gases by filtering.
  • the processing unit 30 is adapted to treat the fumes and gases in a dry process known as "DRY-SCRUBBER DS". This process allows a dust reduction of greater than 98% by filtration and a reduction of hydrogen fluoride gas of about 99.8% by adsorption and filtration.
  • the amount of hydrogen fluoride gas contained in the fumes and gases exiting the treatment unit 30 is less than 0.5 mg / Nm 3 .
  • the amount of dust contained in the fumes and gases leaving the treatment unit 30 is less than 5 mg / Nm 3
  • At least a part of the fluorinated alumina generated by the treatment of the fumes and gases 15, by the treatment unit 30, is introduced into the electrolytic cell 2 by means of the metering piercer 16.
  • the heat exchange loop 26 comprises a heat exchanger 32 and a unit 34 for recovering the heat of a heat transfer fluid.
  • the heat exchange loop 26 is traversed, on the one hand, by the heat transfer fluid, and on the other hand, at the level of the exchanger 32, by the fumes and gases leaving the collection device 28 before these ci do not pass through the processing unit 30.
  • the heat transfer fluid heated by the heat exchanger 32 is used for example to produce electricity by an ORC cycle generator, that is to say an Organic Rankine Cycle.
  • the coolant is for example constituted by water, oil or an inert gas.
  • the heat exchanger 32 is adapted to cool the fumes and gases of the collection circuit 24 by a temperature of 130-200 ° C at a temperature of 50-100 ° C.
  • the collection circuit 24 is then divided at a bifurcation 36, a treatment path 38, also called a treatment line 38, fumes and gases and a recycling path 40, also called a recycling line 40, suitable for recover a majority part of the refrigerated fumes and gases and reintroduce them into the tank
  • the recycling path 40 is, for example, constituted by a pipe connected, on the one hand, to the bifurcation 36 and, on the other hand, to the electrolytic cell 2. This recycling makes it possible to concentrate the gas and thereby increase their C0 2 content.
  • the recycling path 40 is arranged downstream of the processing unit 30 and upstream of the capture unit 50.
  • a first 42 and a second 44 suction systems are arranged one in the processing path 38 and the other in the recycling path 40. They are, for example, constituted by fans.
  • the first 42 and second 44 suction systems are controlled by a control system 46 adapted to regulate the flow of fumes and gases reintroduced into the electrolysis tank 2 and the flow rate of fumes and gases passing through the treatment channel 38.
  • Q Re being the flow rate of fumes and gases recycled to the tanks by the second suction system 44;
  • Q R being the flow rate of the fumes and gases produced by the electrolysis bath 8;
  • Q c being the flow rate of fumes and gases sucked by the first suction system 42.
  • the total flow rate Q T is approximately equal to 7000 to 10000 Nm / h / tank, the flow rate Q c sucked by the first suction system 42 is approximately equal to 1/10 of QT. This flow can be adjustable up to 1/2 of the maximum Q T.
  • the control system 46 is able to increase the air flow sucked by the first suction system 42, and stop the suction system 44, when the covers 20 are open to change the anodes 10.
  • the control system 46 is able to increase the flow rate of air sucked by the first suction system 42 by completely opening a closure device 61 arranged in the collection circuit 24, and completely closing a delivery device 24.
  • shutter 60 arranged in the recycling path 40 when the covers 20 on a tank are open to change the anodes 10.
  • the shutter devices 60 and 61 may be constituted by valves or by diaphragms. They are, for example, controlled by the control system 46.
  • the processing system 22 does not include a control system 46.
  • the covers 20 are fixed to each other in a substantially sealed manner to limit the introduction of From the outside of the electrolytic cell 2, the hoods 20 are, for example, curved and surrounded by seals bearing the high temperatures.
  • the sealing of the electrolysis tanks 2 is thus reinforced to suck up the minimum of outside air and to prevent the outflow of the electrolytic cells, fumes and gases from the recycling path 40.
  • the treatment route 38 comprises a scrubber 48 with seawater or with a basic solution, or another system capable of eliminating, by absorption and chemical reaction, the sulfur dioxide (SO 2 ) contained in the fumes and gas leaving the unit.
  • a capture unit 50 clean to capture the carbon dioxide and a chimney 52 clean to evacuate the remaining fumes and purified gas.
  • the fumes and gases comprise less than 30 mg / Nm 3 of sulfur dioxide.
  • the recycling path 40 is arranged upstream of the capture unit 50.
  • the fumes and gases collected by the collection device 28 are sucked at a rate of 70000 to 100000 Nm 3 / tons of aluminum produced. They contain 200-500 mg / Nm 3 of dust, 150-400 mg / Nm 3 of hydrogen fluoride gas, 1.5 to 4 g / Nm 3 of sulfur dioxide, 100-200 g / Nm 3 of carbon and 10 to 16 g / Nm 3 of carbon monoxide.
  • the treatment method begins with a step 100 for collecting the fumes and gases 15 by the collecting device 28.
  • the collected fumes and gases pass through the heat exchanger 32.
  • the fumes and gases are cooled.
  • the coolant of the heat exchange loop 26 is heated by the passage of the fumes and gases through the heat exchanger 32.
  • the treatment unit 30 treats the fumes and gases by filtering the dust and removing most of the gaseous hydrogen fluoride. Then, the fluorinated alumina generated by the treatment unit 30 is at least partially reinjected into the electrolysis bath 8, via the metering pintle 16.
  • a majority part of the fumes and gases leaving the treatment unit 30 are sucked into the recycling path 40 by the second suction system 44. Then, this part of the fumes and The gas is reintroduced into the electrolytic cell 2.
  • This portion of the fumes and gases treated in step 104 is distributed. in the upper part of the electrolytic cell by the distribution system 21.
  • This part of the fumes and gases, cooled by its passage through the exchanger 32, cools the fumes and gases leaving the electrolysis bath 8. The reintroduction of this part of the fumes and gases into the electrolytic cell 2 makes it possible to increase the C0 2 concentration of the fumes and gases collected by the collection device 28.
  • part of the sulfur dioxide contained in the fumes and gases is removed by absorption and chemical reaction by the scrubber 48.
  • the capture unit 50 eliminates by absorption or by other techniques (membrane filtration) a portion of the carbon dioxide from the fumes and gases 15.
  • the fumes and gases leaving the capture unit 50 are evacuated via the stack 52.
  • control system 46 is able to regulate the flow of fumes and gases reintroduced into the electrolysis vessel 2 and the flow rate of fumes and gases. brought to the scrubber 48 and the capture unit 50.
  • the control system 46 thus makes it possible to control the pollutant concentration of the fumes and gases treated in the treatment route 38.
  • the recycling path 40 makes it possible to cool the fumes and gases leaving the electrolysis bath 8 and to increase the concentrations of pollutants, and in particular carbon dioxide, of the fumes and gases treated by the treatment route 38.
  • this treatment system 22 reduces the size of the washers 48.
  • this treatment system 22 makes it possible to reduce the size of the sheaths of the treatment path 38 and of the chimney 52.
  • this treatment system 22 makes it possible to recover energy using the heat exchanger 32.
  • the processing system 54 according to the second embodiment of the invention, illustrated in FIG. 3, is similar to the treatment system according to the first embodiment with the exception of the existence of a dust separation system.
  • 56 arranged in the collection path 24 upstream of the exchanger 32, and the fact that the processing unit 30 belongs to the processing channel 38 rather than to the collection circuit 24; the bifurcation 36 being located upstream of the processing unit 30.
  • the bifurcation 36 being located upstream of the processing unit 30.
  • the recycling path 40 is arranged upstream of the processing unit 30 and the capture unit 50.
  • the dust separation system 56 makes it possible to filter the fumes and gases before they pass through the heat exchanger 32. It is, for example, constituted by a cyclone.
  • this embodiment of the invention reduces the fouling of the heat exchanger 32.
  • this treatment system 22 makes it possible to reduce the size of the scrubbers 48.
  • the treatment method begins with a step 100 for collecting the fumes and gases 15 by the collection device 28. Then, during a step 101, the separation system 56 separates the dust from the fumes and gases.
  • the fumes and gases leaving the separation system pass through the heat exchanger 32.
  • the fumes and gases are cooled and the coolant is heated.
  • a majority part of the fumes and gases leaving the heat exchanger 32 is recovered in the recycling path 40, by suction of the second suction system 44. This part of the fumes and gas is then reintroduced into the electrolysis cell 2.
  • the treatment unit 30 processes the fumes and gases sucked by the first suction system 42, by filtering off the dust and by removing most of the hydrogen fluoride gas.
  • the fluorinated alumina is reinjected into the electrolysis bath 8.
  • the steps 108 to 114 of the treatment method, according to the second embodiment of the invention, are identical to the steps 108 to 114 of the treatment method, according to the first embodiment of the invention.
  • the processing system 58 according to the third embodiment of the invention, illustrated in FIG. 5, is similar to the processing system according to the second embodiment of the invention with the exception of the implementation of the system of the invention. dust separation 56 of the dust in the recycling path 40 downstream of the heat exchanger rather than in the collection circuit 24.
  • this avoids putting the dust back into the tanks.
  • the treatment method is similar to the treatment method according to the second embodiment of the invention except that step 101 filtering takes place after step 102 of cooling fumes and gases, and after step 106 of recovery of fumes and gases in the recycling path 40.
  • the term "recycling" refers to a reintroduction of a fraction of the majority of fumes and gases in the electrolytic cell and does not necessarily imply a treatment of these fumes and gases before their reintroduction into the reaction vessel. 'electrolysis.

Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de traitement (22) des fumées et gaz (15) produits par au moins une cuve d'électrolyse (2) ignée lors de la fabrication d'aluminium, les fumées et gaz comportant du dioxyde de carbone, des poussières et du fluorure d'hydrogène; le système de traitement (22) comportant; un circuit de collecte (24) apte à collecter au moins une partie des fumées et gaz (15) produits par la cuve d'électrolyse (2); un système de refroidissement (32) des fumées et gaz (15) collectés; caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, une voie de traitement (38) comprenant une unité de traitement (30) propre à filtrer les poussières et à éliminer au moins une partie du fluorure d'hydrogène, et une unité de captation (50) apte à capter au moins une partie du dioxyde de carbone contenue dans les fumées et gaz (15) refroidis, et d'autre part, une voie de recyclage (40) apte à récupérer une partie des fumées et gaz (15) refroidis et à les réintroduire dans la cuve d'électrolyse (2) pour augmenter la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées et gaz captés par l'unité de captation (50).

Description

Système et procédé de traitement avec concentration des fumées et gaz produits par une cuve d'électrolyse lors de la fabrication d'aluminium
La présente invention concerne un système et un procédé de traitement avec concentration des fumées et gaz produits par une cuve d'électrolyse lors de la fabrication d'aluminium.
Généralement les fumées et gaz issus des cuves d'électrolyse sont traités par un procédé de fïltration sec et adsorption à l'alumine pour éliminer le fluorure d'hydrogène et les poussières. Ce traitement est parfois suivi par une étape de désulfuration. Toutefois, les fumées et gaz ainsi traités comportent encore du dioxyde de carbone à une faible concentration, de moins de 1.5%.
Or, les systèmes de captation de dioxyde de carbone existants ne sont pas capables de traiter du dioxyde de carbone présentant une concentration aussi faible.
La présente invention a pour but de proposer un système et un procédé de traitement des fumées et gaz produits par une cuve d'électrolyse, capables de concentrer les fumées et gaz de cuves et de produire des gaz concentrés en C02 avec une concentration supérieure à 7%, c'est-à-dire avec une concentration en C02 des gaz produits qui est supérieure au minimum requis par les technologies existantes de traitement de C02.
A cet effet, l'invention a pour objet un système de traitement des fumées et gaz produits par au moins une cuve d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium, les fumées et gaz comportant du dioxyde de carbone, des poussières et du fluorure d'hydrogène; le système de traitement comportant :
- un circuit de collecte apte à collecter au moins une partie des fumées et gaz produits par la cuve d'électrolyse;
- un système de refroidissement des fumées et gaz collectés ;
- une voie de traitement comprenant une unité de traitement propre à filtrer les poussières et à éliminer au moins une partie du fluorure d'hydrogène contenues dans les fumées et gaz, et une unité de captation apte à capter au moins une partie du dioxyde de carbone contenue dans les fumées et gaz refroidis, et d'autre part, une voie de recyclage apte à récupérer une partie des fumées et gaz refroidis et à les réintroduire dans la cuve d'électrolyse pour augmenter la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées et gaz captés par l'unité de captation.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le système de traitement comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- un système de séparation de poussières agencé en amont du système de refroidissement ;
- un système de séparation de poussières agencé dans la voie de recyclage en aval du système de refroidissement ;
- un premier système d'aspiration des fumées et gaz agencé dans la voie de traitement en amont de l'unité de captation, un second système d'aspiration des fumées et gaz agencé dans la voie de recyclage, et un système de commande du premier et second systèmes d'aspiration propre à réguler le débit des fumées et gaz réintroduits dans la cuve d'électrolyse et le débit des fumées et gaz captés par l'unité de captation ;
- la cuve d'électrolyse comprend des capots de fermeture sensiblement étanche ;
- chaque cuve d'électrolyse comprend au moins un système de distribution des fumées et gaz recyclés ;
- le système de refroidissement comporte un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, et dans lequel le système de traitement comporte une unité de récupération propre à récupérer la chaleur du fluide caloporteur ;
- la voie de recyclage et/ou le circuit de collecte comporte un dispositif d'obturation.
De plus, l'invention a également pour objet un procédé de traitement des fumées et gaz produits par au moins une cuve d'électrolyse ignée lors de la fabrication d'aluminium ; les fumées et gaz comportant du dioxyde de carbone, des poussières et du fluorure d'hydrogène; le procédé comportant les étapes suivantes :
a) collecte des fumées et gaz produits par la cuve d'électrolyse par au moins un dispositif de collecte;
b) refroidissement des fumées et gaz collectés par un système de refroidissement; c) traitement des fumées et gaz refroidis pour filtrer les poussières et éliminer au moins une partie du fluorure d'hydrogène, par une unité de traitement;
d) captation du dioxyde de carbone contenu dans les fumées et gaz refroidis, par une unité de captation ;
e) récupération d'une partie des fumées et gaz refroidis et réintroduction de ladite partie des fumées et gaz dans la cuve d'électrolyse pour augmenter la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées et gaz captés par l'unité de captation.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- une étape de séparation des poussières contenues dans les fumées et gaz collectés, ladite étape de séparation précédant l'étape de refroidissement des fumées et gaz ;
- une étape de séparation des poussières contenues dans les fumées et gaz récupérés ;
- une étape de régulation du débit des fumées et gaz récupérés et réintroduits dans la cuve d'électrolyse, et du débit des fumées et gaz captés par l'unité de captation ;
- l'étape de refroidissement est réalisée par un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, le procédé comportant en outre une étape de récupération de la chaleur du fluide caloporteur ayant traversé Γ échangeur de chaleur, par une unité de récupération.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, non limitatif, en se référant aux dessins sur lesquels :
la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une cuve d'électrolyse et d'un système de traitement selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est un diagramme illustrant les étapes du procédé de traitement selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une cuve d'électrolyse et d'un système de traitement selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; la figure 4 est un diagramme illustrant les étapes du procédé de traitement selon le deuxième mode de réalisation de l'invention ;
la figure 5 est une vue schématique en coupe d'une cuve d'électrolyse et d'un système de traitement selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; et la figure 6 est un diagramme illustrant les étapes du procédé de traitement selon le troisième de réalisation de l'invention.
Les éléments identiques ou analogues des premier, deuxième et troisième modes de réalisation du système de traitement sont désignés ci-après par les mêmes références et ne sont décrits qu'une seule fois.
Une unique cuve d'électrolyse a été décrite. Toutefois, le système de traitement selon l'invention est propre à collecter et à traiter les fumées et gaz produits par plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de cuves.
En référence à la figure 1, le système de traitement selon l'invention comporte une cuve d'électrolyse ignée 2 qui comprend un caisson 4 parallépipédique ouvert à sa base supérieure et dont le fond porte un ou des blocs carbonés constituant la cathode 6. Ce caisson 4 contient un bain d'électrolyse 8 constitué par de l'alumine dissoute dans de la cryolithe, porté à une température comprise entre 950° et 1000° C. Dans ce bain 8, une ou plusieurs anodes 10 sont plongées. Lorsqu'un courant électrique est appliqué entre les anodes 10 et la cathode 6, l'alumine se décompose en aluminium 12 formant un bain métallique qui recouvre la cathode 6, et en oxygène qui réagit avec chaque anode 10 et en provoque la combustion progressive.
L'aluminium 12 est régulièrement retiré de la cuve d'électrolyse 2.
La partie supérieure du bain d'électrolyse 8 est solidifiée, constituant ainsi une croûte 14 qui recouvre le bain 8 et l'isole thermiquement.
La réaction à chaque anode 10 provoque une émission de fumées et de gaz 15 qui migrent sur le dessus de la cuve. Lesdites fumées et gaz comprennent des polluants tels que du dioxyde et du monoxyde de carbone, du dioxyde de soufre, du fluorure d'hydrogène gazeux (HF), des particules de carbone et d'alumine, des poussières et des composés fluorés. La décomposition de l'alumine entraîne une diminution de sa teneur dans le bain d'électrolyse 8. Lorsque cette teneur tombe au dessous d'une valeur limite, une tige tubulaire mobile d'acier installée entre deux anodes 10, perce la croûte 14 et injecte de l'alumine dans le bain d'électrolyse 8. Cette tige, ci-après appelée piqueur-doseur 16, est manœuvrable selon un mouvement vertical à l'aide d'un vérin, de préférence pneumatique, pour percer la croûte 14.
La majorité des fumées et gaz 15 emprisonnés entre l'anode 10 et la croûte 14 s'échappent par le trou percé périodiquement dans la croûte 14 par le piqueur-doseur 16, et par les fissures qui peuvent exister dans la croûte, pour se loger sous des capots 20 qui recouvrent la face ouverte de la cuve d'électrolyse 2. Comme les capots 20 ne sont pas étanches, de l'air provenant de l'extérieur de la cuve s'introduit sous les capots 20 et refroidit les fumées et gaz.
La cuve d'électrolyse 2 comporte, en outre, un système 21 de distribution des fumées et gaz représenté schématiquement et partiellement sur la figure 1. Ce système de distribution 21 est agencé par exemple entre la face ouverte de la cuve et les capots 20. Il est propre à distribuer les fumées et gaz réintroduits dans la cuve d'électrolyse 2, comme explicité ultérieurement dans la description. Il est, par exemple, constitué par plusieurs conduites et/ou par des buses.
Le système de traitement 22, selon un premier mode de réalisation de l'invention, comporte un circuit 24 de collecte des fumées et gaz produits par une ou plusieurs cuves d'électrolyse 2, et une première boucle d'échange thermique 26.
Le circuit de collecte 24 comporte un dispositif de collecte 28 des fumées et gaz 15 apte à provoquer une dépression sous les capots 20 et aspirer les fumées et les gaz 15 situés entre ceux-ci et la croûte 14, et une unité 30 de traitement de ces fumées et gaz 15.
L'unité de traitement 30 est propre à filtrer les poussières contenues dans les fumées et gaz 15 collectés par le dispositif de collecte 28, et à éliminer la majeure partie de fluorure d'hydrogène gazeux par adsorption du fluorure d'hydrogène gazeux de ces fumées et gaz sur de l'alumine qui est ensuite séparée des fumées et gaz par filtrage. L'unité de traitement 30 est adaptée pour traiter les fumées et gaz 15 selon un procédé sec connu sous le nom « DRY-SCRUBBER DS». Ce procédé permet une réduction des poussières supérieure à 98% par fïltration et une réduction du fluorure d'hydrogène gazeux d'environ 99,8%> par adsorption et fïltration.
La quantité de fluorure d'hydrogène gazeux contenue dans les fumées et gaz 15 sortant de l'unité de traitement 30 est inférieure à 0,5 mg/Nm3. La quantité de poussière contenue dans les fumées et gaz 15 sortant de l'unité de traitement 30 est inférieure à 5 mg/Nm3
Au moins une partie de l'alumine fluorée générée par le traitement des fumées et gaz 15, par l'unité de traitement 30, est introduite dans la cuve d'électrolyse 2 à l'aide du piqueur-doseur 16.
La boucle d'échange thermique 26, comporte un échangeur de chaleur 32, et une unité 34 de récupération de la chaleur d'un fluide caloporteur. La boucle d'échange thermique 26 est parcourue, d'une part, par le fluide caloporteur, et d'autre part, au niveau de l'échangeur 32, par les fumées et gaz 15 sortant du dispositif de collecte 28 avant que ceux-ci ne traversent l'unité de traitement 30.
Le fluide caloporteur chauffé par l'échangeur de chaleur 32, est utilisé par exemple pour produire de l'électricité par un générateur à cycle ORC, c'est-à-dire un Cycle de Rankine Organique. Le fluide caloporteur est par exemple constitué par de l'eau, de l'huile ou d'un gaz inerte.
L'échangeur de chaleur 32 est propre à refroidir les fumées et gaz 15 du circuit de collecte 24 d'une température de 130 - 200° C à une température de 50 - 100° C.
Le circuit de collecte 24 se divise ensuite au niveau d'une bifurcation 36, en une voie 38 de traitement, aussi appelée conduite de traitement 38, des fumées et gaz et une voie 40 de recyclage, aussi appelée conduite de recyclage 40, apte à récupérer une partie généralement majoritaire des fumées et gaz refroidis et à les réintroduire dans la cuve d'électrolyse 2. La voie de recyclage 40 est, par exemple constituée par une conduite raccordée, d'une part, à la bifurcation 36 et, d'autre part, à la cuve d'électrolyse 2. Ce recyclage permet de concentrer les gaz et d'augmenter ainsi leur teneur en C02.
Ainsi, selon ce mode de réalisation, la voie de recyclage 40 est agencée en aval de l'unité de traitement 30 et en amont de l'unité de captation 50.
Un premier 42 et un second 44 systèmes d'aspiration sont agencés l'un dans la voie de traitement 38 et l'autre dans la voie de recyclage 40. Ils sont, par exemple, constitués par des ventilateurs.
Les premier 42 et second 44 systèmes d'aspiration sont commandés par un système de commande 46 propre à réguler le débit des fumées et gaz réintroduits dans la cuve d'électrolyse 2 et le débit des fumées et gaz traversant la voie de traitement 38.
De façon générale : QT = QRe + Qc
Figure imgf000009_0001
QT étant le débit total des fumées et gaz aspirés par les premier 42 et second 44 systèmes d'aspiration ;
QRe étant le débit des fumées et gaz recyclés dans les cuves par le deuxième système d'aspiration 44 ;
QR étant le débit des fumées et gaz produits par le bain d'électrolyse 8 ;
QF étant le débit de l'air aspiré de l'extérieur vers l'intérieur de la cuve ;
Qc étant le débit des fumées et gaz aspirés par le premier système d'aspiration 42.
Le débit total QT est environ égal à 7000 à 10000 Nm /h/cuve, le débit Qc aspiré par le premier système d'aspiration 42 est environ égal à 1/10 de QT. Ce débit peut être réglable jusqu'à 1/2 du QT au maximum. Le système de commande 46 est apte à augmenter le débit d'air aspiré par le premier système d'aspiration 42, et d'arrêter le système d'aspiration 44, lorsque les capots 20 sont ouverts pour changer les anodes 10.
Le système de commande 46 est apte à augmenter le débit d'air aspiré par le premier système d'aspiration 42 par ouverture complète d'un dispositif d'obturation 61 agencé dans le circuit de collecte 24, et fermeture complète d'un dispositif d'obturation 60 agencé dans la voie de recyclage 40, lorsque les capots 20 sur une cuve sont ouverts pour changer les anodes 10. Les dispositifs d'obturation 60 et 61 peuvent être constitués par des vannes ou par des diaphragmes. Ils sont, par exemple, commandés par le système de commande 46.
Si les débits aspirés par les premier 42 et second 44 systèmes d'aspiration sont stables, le débit de l'air aspiré de l'extérieur vers l'intérieur de la cuve d'électrolyse 2 est contrôlé même si l'étanchéité totale des capots 20 n'est pas assurée.
En effet, QF = QT - QRe - QR
Comme QT > QRe , avec un maintien du haut de la cuve en légère dépression et une bonne distribution des fumées et gaz provenant de la voie de recyclage 40, le risque d'échappement des fumées et gaz de l'intérieur vers l'extérieur de la cuve d'électrolyse 2 est minimisé avec des cuves équipées de capots standards.
En variante, le système de traitement 22 selon le premier mode de réalisation de l'invention ne comporte pas de système de commande 46. Dans ce cas, les capots 20 sont fixés les uns aux autres de manière sensiblement étanche pour limiter l'introduction d'air provenant de l'extérieur de la cuve d'électrolyse 2. A cet effet, les capots 20 sont, par exemple, bombés et entourés de joints supportant les hautes températures. L'étanchéité des cuves d'électrolyse 2 est ainsi renforcée pour aspirer le minimum d'air extérieur et pour éviter l'échappement vers l'extérieur des cuves d'électrolyse, des fumées et gaz provenant de la voie de recyclage 40.
La voie de traitement 38 comporte un laveur 48 à eau de mer ou à solution basique, ou un autre système propre à éliminer par absorption et réaction chimique le dioxyde de soufre (S02) contenu dans les fumées et gaz 15 sortant de l'unité de traitement 30, une unité de captation 50 propre à capter le dioxyde de carbone et une cheminée 52 propre à évacuer les fumées et gaz épurés restants.
A la sortie du laveur 48, les fumées et gaz 15 comportent une quantité inférieure à 30 mg/Nm3 de dioxyde de soufre.
Ainsi, la voie de recyclage 40 est agencée en amont de l'unité de captation 50.
Les fumées et gaz 15 collectés par le dispositif de collecte 28 sont aspirés à un débit de 70000 à 100000 Nm3/tonnes d'Aluminium produit. Ils comportent 200-500 mg/Nm3 de poussières, 150-400 mg/Nm3 de fluorure d'hydrogène gazeux, 1,5 à 4 g/Nm3 de dioxyde de soufre, 100-200 g/Nm3 de dioxyde de carbone et 10 à 16 g/Nm3 de monoxyde de carbone.
En référence à la figure 2, le procédé de traitement, selon le premier mode de réalisation de l'invention, débute par une étape 100 de collecte des fumées et gaz 15 par le dispositif de collecte 28.
Au cours d'une étape 102, les fumées et gaz 15 collectés traversent l'échangeur de chaleur 32. Les fumées et gaz 15 sont refroidis. Simultanément, le fluide caloporteur de la boucle d'échange thermique 26 est réchauffé par le passage des fumées et gaz au travers de l'échangeur de chaleur 32.
Ensuite, au cours d'une étape 104, l'unité de traitement 30 traite les fumées et gaz par filtrage des poussières et par élimination de la majeure partie du fluorure d'hydrogène gazeux. Puis, l'alumine fluorée générée par l'unité de traitement 30 est au moins en partie réinjectée dans le bain d'électrolyse 8, via le piqueur doseur 16.
Au cours d'une étape 106, une partie en général majoritaire des fumées et gaz 15 sortant de l'unité de traitement 30 est aspirée dans la voie de recyclage 40 par le second système d'aspiration 44. Puis, cette partie des fumées et gaz est réintroduite dans la cuve d'électrolyse 2. Cette partie des fumées et gaz 15 traitée dans l'étape 104 est distribuée dans la partie supérieure de la cuve d'électrolyse par le système de distribution 21. Cette partie des fumées et gaz, refroidie par son passage au travers de l'échangeur 32, refroidit les fumées et gaz 15 sortant du bain d'électrolyse 8. La réintroduction de cette partie des fumées et gaz dans la cuve d'électrolyse 2 permet d'augmenter la concentration en C02 des fumées et gaz 15 collectés par le dispositif de collecte 28. En conséquence, la captation du C02 de ces gaz et fumées est facilitée et la taille du dispositif de traitement de dioxyde de soufre peut être grandement réduite, respectivement en 50 et 48 par la voie de traitement 38 et le premier système d'aspiration 42, qui traite une fraction en général minoritaire du débit total de sortie des cuves.
Au cours d'une étape 108, une partie du dioxyde de soufre contenue dans les fumées et gaz 15 est éliminée par absorption et réaction chimique, par le laveur 48.
Au cours d'une étape 110, l'unité de captation 50 élimine par absorption ou par d'autres techniques (filtrage membranaire) une partie du dioxyde de carbone des fumées et gaz 15.
Enfin, au cours d'une étape 112, les fumées et gaz 15 sortant de l'unité de captation 50 sont évacués par la cheminée 52.
Au cours d'une étape 114 qui se déroule durant l'ensemble des étapes 100 à 112, le système de commande 46 est propre à réguler le débit de fumées et gaz réintroduits dans la cuve d'électrolyse 2 et le débit de fumées et gaz amenés vers le laveur 48 et l'unité de captation 50. Le système de commande 46 permet ainsi de contrôler la concentration en polluants des fumées et gaz traités dans la voie de traitement 38.
Avantageusement, la voie de recyclage 40 permet de refroidir les fumées et gaz sortant du bain d'électrolyse 8 et d'augmenter les concentrations en polluants et notamment en dioxyde de carbone des fumées et gaz traités par la voie de traitement 38.
Avantageusement, ce système de traitement 22 permet de réduire la taille des laveurs 48. Avantageusement, ce système de traitement 22 permet de réduire la taille des gaines de la voie de traitement 38 et de la cheminée 52.
Avantageusement, ce système de traitement 22 permet de récupérer de l'énergie à l'aide de l'échangeur de chaleur 32.
Le système de traitement 54 selon le second mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 3, est similaire au système de traitement selon le premier mode de réalisation à l'exception de l'existence d'un système de séparation de poussières 56 agencé dans la voie de collecte 24 en amont de l'échangeur 32, et du fait que l'unité de traitement 30 appartienne à la voie de traitement 38 plutôt qu'au circuit de collecte 24 ; la bifurcation 36 étant située en amont de l'unité de traitement 30. Ainsi, une quantité importante des fumées et gaz est recyclée avant traitement dans l'unité 30.
En conséquence, selon ce mode de réalisation la voie de recyclage 40 est agencée en amont de l'unité de traitement 30 et de l'unité de captation 50.
Le système de séparation de poussières 56 permet de filtrer les fumées et gaz 15 avant leur passage dans l'échangeur de chaleur 32. Il est, par exemple, constitué par un cyclone.
Avantageusement, ce mode de réalisation de l'invention réduit l'encrassement de l'échangeur de chaleur 32.
Avantageusement, ce système de traitement 22 permet de réduire la taille 20 des laveurs 48.
En référence à la figure 4, le procédé de traitement, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, débute par une étape 100 de collecte des fumées et gaz 15 par le dispositif de collecte 28. Puis, au cours d'une étape 101, le système de séparation 56 sépare les poussières des fumées et gaz.
Au cours d'une étape 102, les fumées et gaz 15 sortants du système de séparation traversent l'échangeur de chaleur 32. Les fumées et gaz 15 sont refroidis et le fluide caloporteur est réchauffé.
Puis, au cours d'une étape 106, une partie en général majoritaire des fumées et gaz sortants de l'échangeur de chaleur 32 est récupérée dans la voie de recyclage 40, par aspiration du second système d'aspiration 44. Cette partie des fumées et gaz est ensuite réintroduite dans la cuve d'électrolyse 2.
Enfin, au cours d'une étape 104, l'unité de traitement 30 traite les fumées et gaz aspirés par le premier système d'aspiration 42, par fîltration des poussières et par élimination de la majeure partie du fluorure d'hydrogène gazeux. L'alumine fluorée est réinjectée dans le bain d'électrolyse 8.
Les étapes 108 à 114 du procédé de traitement, selon le deuxième mode de réalisation de l'invention, sont identiques aux étapes 108 à 114 du procédé de traitement, selon le premier mode de réalisation de l'invention.
Le système de traitement 58 selon le troisième mode de réalisation de l'invention, illustré sur la figure 5, est similaire au système de traitement selon le deuxième mode de réalisation de l'invention à l'exception de la mise en place du système de séparation de poussières 56 des poussières dans la voie de recyclage 40 en aval de l'échangeur de chaleur plutôt que dans le circuit de collecte 24.
Avantageusement, on évite ainsi de remettre les poussières dans les cuves.
En référence à la figure 6, le procédé de traitement, selon le troisième mode de réalisation de l'invention, est similaire au procédé de traitement selon le deuxième mode de réalisation de l'invention à l'exception du fait que l'étape 101 de filtrage a lieu après l'étape 102 de refroidissement des fumées et gaz, et après l'étape 106 de récupération des fumées et gaz dans la voie de recyclage 40.
Selon la présente description, le terme « recyclage » désigne une réintroduction d'une fraction en général majoritaire des fumées et gaz dans la cuve d'électrolyse et n'implique pas forcément un traitement de ces fumées et gaz avant leur réintroduction dans la cuve d'électrolyse.

Claims

REVENDICATIONS
1. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) des fumées et gaz (15) produits par au moins une cuve d'électrolyse (2) ignée lors de la fabrication d'aluminium, les fumées et gaz comportant du dioxyde de carbone, des poussières et du fluorure d'hydrogène; le système de traitement (22 ; 54 ; 58) comportant :
- un circuit de collecte (24) apte à collecter au moins une partie des fumées et gaz (15) produits par la cuve d'électrolyse (2);
- un système de refroidissement (32) des fumées et gaz (15) collectés ;
caractérisé en ce qu'il comporte, d'une part, une voie de traitement (38) comprenant une unité de traitement (30) propre à filtrer les poussières et à éliminer au moins une partie du fluorure d'hydrogène contenues dans les fumées et gaz refroidis, et une unité de captation (50) apte à capter au moins une partie du dioxyde de carbone contenue dans les fumées et gaz (15) refroidis, et d'autre part, une voie de recyclage (40) apte à récupérer une partie des fumées et gaz (15) refroidis et à les réintroduire dans la cuve d'électrolyse (2) pour augmenter la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées et gaz captés par l'unité de captation (50).
2. - Système de traitement (22) selon la revendication 1, dans lequel la voie de recyclage (40) est agencée en aval de l'unité de traitement (30) et en amont de l'unité de captation (50).
3. - Système de traitement (54) selon la revendication 1, dans lequel la voie de recyclage (40) est agencée en amont de l'unité de traitement (30) et de l'unité de captation (50).
4. - Système de traitement (54) selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, qui comporte un système de séparation de poussières (56) agencé en amont du système de refroidissement (32).
5. - Système de traitement (58) selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, qui comporte un système de séparation de poussières (56) agencé dans la voie de recyclage (40) en aval du système de refroidissement (32).
6. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, qui comporte un premier système (42) d'aspiration des fumées et gaz agencé dans la voie de traitement (38) en amont de l'unité de captation (50), un second système (44) d'aspiration des fumées et gaz (15) agencé dans la voie de recyclage (40), et un système de commande (46) du premier (42) et second (44) systèmes d'aspiration propre à réguler le débit des fumées et gaz (15) réintroduits dans la cuve d'électrolyse (2) et le débit des fumées et gaz (15) captés par l'unité de captation (50).
7. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui comporte au moins une cuve d'électrolyse (2) comprenant des capots (20) de fermeture sensiblement étanche.
8. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, qui comporte au moins une cuve d'électrolyse (2) comprenant au moins un système (21) de distribution des fumées et gaz (15) recyclés.
9. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le système de refroidissement (32) comporte un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur, et dans lequel le système de traitement (22 ; 54 ; 58) comporte une unité de récupération (34) propre à récupérer la chaleur du fluide caloporteur.
10. - Système de traitement (22 ; 54 ; 58) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la voie de recyclage (40) et/ou le circuit de collecte (24) comporte un dispositif d'obturation (60, 61).
11. - Procédé de traitement des fumées et gaz produits par au moins une cuve d'électrolyse (2) ignée lors de la fabrication d'aluminium ; les fumées et gaz (15) comportant du dioxyde de carbone, des poussières et du fluorure d'hydrogène; le procédé comportant les étapes suivantes :
a) collecte (100) des fumées et gaz (15) produits par la cuve d'électrolyse (2) par au moins un dispositif de collecte (28) ; b) refroidissement (102) des fumées et gaz collectés par un système de refroidissement (32) ;
caractérisé en ce que le procédé comporte en outre les étapes suivantes :
c) traitement (104) des fumées et gaz refroidis pour filtrer les poussières et éliminer au moins une partie du fluorure d'hydrogène, par une unité de traitement (30) ;
d) captation (110) du dioxyde de carbone contenu dans les fumées et gaz (15) refroidis, par une unité de captation (50) ;
e) récupération (106) d'une partie des fumées et gaz (15) refroidis et réintroduction de ladite partie des fumées et gaz (15) dans la cuve d'électrolyse (2) pour augmenter la concentration du dioxyde de carbone dans les fumées et gaz captés par l'unité de captation.
12. - Procédé de traitement selon la revendication 11, dans lequel l'étape de récupération (106) est réalisée après l'étape de traitement (104) et avant l'étape de captation (110).
13. - Procédé de traitement selon la revendication 11, dans lequel l'étape de récupération (106) est réalisée avant l'étape de traitement (104) et avant l'étape de captation (110).
14. - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 11 et 13, qui comporte une étape de séparation (101) des poussières contenues dans les fumées et gaz collectés, ladite étape de séparation précédant l'étape de refroidissement (102) des fumées et gaz (15).
15. - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 11 et 13, qui comporte une étape de séparation (101) des poussières contenues dans les fumées et gaz récupérés.
16. - Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 11 à 15, qui comporte une étape (114) de régulation du débit des fumées et gaz récupérés et réintroduits dans la cuve d'électrolyse (2), et du débit des fumées et gaz captés par l'unité de captation (50).
17.- Procédé de traitement selon l'une quelconque des revendications 11 à 16, dans lequel l'étape de refroidissement (102) est réalisée par un échangeur de chaleur (32) parcouru par un fluide caloporteur, le procédé comportant en outre une étape (102) de récupération de la chaleur du fluide caloporteur ayant traversé Γ échangeur de chaleur (32), par une unité de récupération (34)
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