Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2012/156616 1 PCT/FR2012/051014
PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LIMITER LES EMISSIONS DE
POLLUANTS GAZEUX PAR LES MEGOTS D'ANODE
La présente invention concerne la réduction des effluents gazeux émis
lors de la production industrielle d'aluminium par électrolyse ignée. Cette
production est réalisée dans des cuves regroupées par plusieurs dizaines
dans une halle d'électrolyse appelée potroom . Chaque cuve comprend
des anodes précuites consommables et une cathode fixe afin de réaliser la
réaction de réduction de l'alumine en aluminium qui vient se déposer au fond
de ladite cuve. Cette réaction a lieu à une température supérieure à 950 C et
en présence de fluor.
Lorsque les anodes sont consumées, elles sont retirées de la cuve par
un pont roulant et sont généralement déposées à l'intérieur de la halle
d'électrolyse, le temps qu'elles refroidissent. Dans la suite de ce document,
nous appelons mégot d'anode, la partie inférieure de l'anode qui se trouvait
en dessous du niveau de l'alumine de couverture dans la cuve d'électrolyse.
Le mégot d'anode comprend donc la partie carbonée restante, une partie de
l'élément métallique sur lequel celle-ci est fixée ainsi que des résidus de
bain
fluorés et d'alumine de couverture dont la partie carbonée est recouverte.
Pendant leur refroidissement, tant que leur température est supérieure
à environ 300 C, les résidus de bain d'électrolyse en contact avec l'air
émettent du fluor gazeux (HF), très polluant. Le fluor gazeux résulte de la
réaction des résidus de bain avec l'eau présente dans l'air sous forme de
vapeur.
Le brevet CA2216923 décrit un procédé dans lequel les effluents émis
par les mégots sont récupérés avec le dispositif de captage propre aux cuves
d'électrolyse. Pour cela, les mégots sont placés dans une enceinte fermée
placée au voisinage immédiat de la cuve et reliée au dispositif d'aspiration
de
celle-ci. Ce procédé n'est pas pleinement satisfaisant car il nécessite une
manipulation délicate des mégots pour les placer dans leur enceinte fermée.
De plus, il ne permet pas de limiter les émissions d'effluents par les mégots
et nécessite une capacité supplémentaire du dispositif de traitement des
fumées des cuves d'électrolyse pour traiter les émanations provenant des
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mégots. Enfin, il encombre le voisinage de la cuve d'électrolyse ce qui gêne
le travail des opérateurs.
Le brevet CA2256145 décrit un procédé pour le refroidissement de
mégots d'anodes et la réduction de leur émission de fluor gazeux. Selon ce
procédé, les mégots d'anode traversent un tunnel capoté en étant immergés
dans un lit d'alumine fluidisée. De l'air est injecté pour assurer la
fluidisation
de l'alumine et le refroidissement par convection des mégots. Les mégots
traverse le tunnel pendant une durée d'environ 2 heures ce qui permet
d'abaisser leur température en dessous de 300 C. Le refroidissement se
poursuit ensuite à l'air libre. Pendant son passage dans le tunnel, l'alumine
fluidisée entourant le mégot capte une grande partie des gaz fluorés émis, le
solde étant repris par le système de ventilation du tunnel avant d'être épuré
par un dispositif traditionnel de traitement des fumées. Pour leur transfert
de
la cuve d'électrolyse au tunnel de refroidissement, les mégots sont placés
dans des containers dans lesquels ils peuvent être recouverts d'alumine afin
de limiter les émissions de fluor gazeux. Cette solution technique n'est pas
pleinement satisfaisante car elle nécessite un tunnel d'une longueur
importante, comprise entre 25 et 60 mètres, nécessitant des débits de
fluidisation importants, ainsi que des moyens de manutention et de
déplacement des anodes qui sont source potentiel de pannes. Le tunnel
requiert également un dispositif relativement complexe d'injection d'air de
sorte à fluidiser également l'alumine située au dessus des mégots. Le
passage des mégots d'anodes dans des containers de liaison nécessite des
opérations de manutention supplémentaires. De plus, tel qu'il est réalisé, le
recouvrement des anodes chaudes par de l'alumine peut créer un
phénomène de geyser d'alumine et nécessite de vidanger l'alumine après
chaque usage du container.
L'invention proposée permet de limiter les émanations d'effluents
gazeux par les mégots d'anode après leur retrait des cuves d'électrolyse, et
de capter les émanations produites par un dispositif simple de mise en
oeuvre. Elle consiste notamment, de préférence pour chaque mégot d'anode
retiré d'une cuve, à isoler la partie du mégot recouverte de résidus de bain
de l'air ambiant. Pour cela, le mégot est plongé dans un volume de poudre
d'alumine contenu dans un bac de sorte que le mégot soit complètement
immergé dans l'alumine. Le fluor gazeux éventuellement formé est
immédiatement capté par l'alumine évitant ainsi toute pollution de la halle.
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Ainsi, l'invention consiste en un procédé de traitement de mégots
d'anode provenant de cuves de production d'aluminium par électrolyse ignée
en recouvrant les mégots d'anode par de l'alumine ayant un pouvoir de
captation du fluor, caractérisé en ce que, dès le retrait d'un mégot d'une
cuve d'électrolyse, ledit mégot est immergé dans de l'alumine
préalablement fluidisée pour faciliter l'immersion, et en ce que la
fluidisation
de l'alumine est stoppée dès la fin de l'immersion, de sorte que le mégot soit
recouverte, par de l'alumine statique jusqu'à la fin de son transfert de
ladite
cuve d'électrolyse à un poste équipé d'au moins un dispositif d'aspiration et
de traitement des fumées, notamment un poste de concassage à chaud ou
un poste de refroidissement, de sorte à confiner le mégot et limiter son
émission de polluants gazeux, notamment fluorés.
Selon l'invention, ledit volume d'alumine est fluidisé pour faciliter
l'introduction du mégot d'anode encore chaud dans ce volume. La fluidisation
est coupée dès que le mégot est en place. Après l'arrêt de la fluidisation,
l'alumine retombe par gravité et recouvre le mégot d'anode conduisant au
confinement de celui-ci. L'alumine joue alors le rôle de barrière physique, en
limitant les mouvements de convection d'air autour du mégot, et de barrière
chimique puisque le fluor gazeux émis par le mégot est immédiatement
adsorbé par l'alumine.
Avantageusement, l'alumine est fluidisée lors du retrait du mégot
d'anode pour faciliter le retrait.
La partie carbonée est à une température d'environ 700 C lorsque le
mégot d'anode est retiré de la cuve d'électrolyse. A partir d'une température
d'environ 300 C, l'émission de gaz fluoré par la partie carbonée devient
suffisamment faible pour qu'il ne soit plus nécessaire de la confiner.
Après le transfert du mégot d'anode au poste de concassage à chaud
équipé d'au moins un dispositif d'aspiration et de traitement des fumées,
l'alumine est de nouveau fluidisée pour favoriser le retrait du mégot d'anode
hors du volume d'alumine dans lequel ledit mégot a été confiné. La partie
carbonée est concassée pour être utilisée pour la fabrication de nouvelles
anodes. Après l'opération de concassage, les éléments carbonés sont
maintenus sous au moins un dispositif d'aspiration et de traitement des
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fumées, au moins jusqu'à ce que leur température soit descendue en
dessous de 300 C.
Dans une variante avantageuse de l'invention, après le transfert du
mégot d'anode au poste de refroidissement équipé d'au moins un dispositif
d'aspiration et de traitement des fumées, l'alumine est de nouveau fluidisée
pour favoriser le refroidissement de la partie carbonée du mégot d'anode. Le
refroidissement est avantageusement maintenu jusqu'à ce que la
température de la partie carbonée soit descendue en dessous de 300 C.
L'invention consiste également en un dispositif pour le traitement de
mégots d'anode, permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit
précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un bac contenant
de l'alumine en quantité suffisante pour recouvrir le mégot d'anode et un
moyen de fluidisation de cette alumine.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus,
en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement
question ci-après à propos d'exemples de réalisation, décrits avec référence
aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
- Fig.1 représente une vue schématique en perspective d'une anode
consommée,
- Fig. 2 représente une vue schématique en perspective d'un exemple
de réalisation de réceptacle à mégots selon l'invention,
- Fig. 3 représente une vue schématique en coupe verticale d'un
réceptacle à mégots selon l'invention, et,
- Fig. 4 représente une vue schématique d'un réceptacle à mégots
selon l'invention placé à un poste équipé d'un dispositif d'aspiration et de
traitement des fumées.
La figure 1 représente une vue schématique d'une anode simple
consommée, standard pour la production d'aluminium par électrolyse ignée.
Elle est composée d'une partie carbonée 1 accrochée à une tige métallique
2, longue de 2 à 3 m, et servant à l'alimentation en courant électrique et à
la
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fixation à la cuve d'électrolyse. Lors de son retrait de la cuve
d'électrolyse,
une couche d'alumine de couverture résiduelle 12 reste au dessus de la
partie carbonée 1 et recouvre une partie de la tige métallique 2. Le mégot
d'anode 5 est donc composé de la partie carbonée 1, de l'alumine de
couverture résiduelle 12 et de la partie de la tige métallique 2 qui est
recouverte par l'alumine de couverture résiduelle 12. Il existe également des
anodes doubles composées de deux parties carbonées telles que 1
accrochées à une seule partie ou tige métallique 2.
Selon l'exemple de réalisation de l'invention représenté en Fig. 2, les
réceptacles 3 à mégots sont composés d'une structure métallique définissant
des bacs 4a, 4b, 4c à l'intérieur desquels sont déposés les mégots d'anode
5. Dans cet exemple, le réceptacle 3 est composé de 3 bacs et peut donc
accueillir trois mégots d'anode double tels que 5. Selon d'autres exemples
de réalisation, les réceptacles 3 auront un nombre de bacs différent, par
exemple 2 ou 4.
Le fond de chaque bac 4 comprend une plaque 6 d'un matériau
permettant de retenir l'alumine 8 tout en ayant une porosité suffisante pour
assurer le rôle de toile de fluidisation. Cette plaque 6 peut, par exemple,
être
un fritté métallique. Elle est supportée par des renforts non représentés sur
cette figure. La zone 7 sous la plaque 6 de fritté métallique est alimentée en
gaz de fluidisation afin d'assurer la fluidisation de l'alumine 8. Le gaz de
fluidisation est avantageusement de l'air mais peut être d'une autre nature,
par exemple de l'azote.
Le dispositif d'alimentation en gaz de fluidisation de la zone 7 n'est
pas représenté sur les figures. La plaque 6 de fritté métallique et la charge
d'alumine 8 génèrent une perte de charge qui favorise une répartition
homogène du gaz sur toute la surface de la plaque 6 de fritté métallique.
Néanmoins, selon le nombre de renforts de soutient de la plaque 6 de fritté
métallique et leur géométrie, le
dispositif d'alimentation en gaz de
fluidisation peut comprendre plusieurs arrivées de gaz de sorte de répartir le
débit sur différents secteurs de la surface de la zone 7.
Sur la Fig. 2, sont représentées les trois situations dans lesquelles
peut se trouver un bac 4. Ainsi, le bac 4a est vide, sans alumine, le bac 4b
est rempli d'alumine fluidisée 8a et le bac 4c contient un mégot d'anode 5
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confiné dans un volume d'alumine non fluidisée 8b. En production,
l'ensemble des bacs 4 est rempli d'alumine 8.
La fluidisation de l'alumine 8 est avantageusement pilotée
individuellement, bac 4 par bac, de sorte de limiter cet état au bac 4 où la
fluidisation est nécessaire.
Il est avantageux de conserver une épaisseur minimale d'alumine 8
sous le mégot d'anode 5 et d'éviter que les mégots 5 ne viennent en contact
contre la plaque 6 de fritté métallique. Selon l'exemple de réalisation de la
Fig. 3, deux traverses 9 servent de buttées ou d'entretoises entre le mégot
d'anode 5 et la plaque 6. Les traverses 9 sont placées à quelques
centimètres au-dessus de la plaque de fritté métallique 6, par exemple 10
cm. Le nombre, la forme et les dimensions de ces traverses 9 sont choisies
de sorte de ne pas augmenter les pertes de charges pour le gaz de
fluidisation et de permettre un accès aux opérateurs pour les opérations de
vidange et de nettoyage des bacs 4. Par exemple, les traverses 9 peuvent
être réalisées en profilé en I ou en T. Les traverses 9 sont par exemple
fixées
par leurs extrémités longitudinales sur deux parois verticales opposées de la
structure métallique 3. Elles peuvent également reposer sur la plaque 6 si
une reprise de charge est prévue en dessous de la plaque 6.
Comme représenté en Fig. 2 et Fig. 3, la tige 2 d'anode peut être
stabilisée au moyen d'attaches amovibles 10. Celles-ci sont par exemple
fixées entre le bord de la structure métallique 3 et la tige 2 de l'anode.
Pour un mégot d'anode 5 d'environ 0,3 m3, la quantité d'alumine 8
nécessaire par bacs 4 est d'environ 1,8 m3. Les dimensions des bacs 4 sont
définies par les dimensions de la partie carbonée 1 des mégots 5 et le
volume d'alumine 8 nécessaire. Les bacs 4 ont par exemple une longueur
de 2 m, une largeur de 2 m pour une hauteur de 1 m. La hauteur d'alumine 8
avant l'immersion du mégot est d'environ 0,6 m.
L'alimentation des bacs 4 en gaz de fluidisation peut être réalisée par
différents moyens, par exemple en se connectant sur le réseau d'air de
fluidisation des cuves d'électrolyse. Un réseau spécifique d'air peut
également être réalisé pour la fluidisation des bacs 4 pour l'ensemble du
potroom. Selon une autre variante, chaque réceptacle 3 peut être équipé
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d'un ventilateur délivrant le débit d'air nécessaire au réceptacle. Le débit
et la
pression d'alimentation de l'air de fluidisation de l'alumine sont ajustés
lors
de la mise en service de l'installation. Par exemple, un bac 4 est alimenté
avec un débit d'environ 270 m3/h sous une pression d'environ 1500 daPa.
L'alumine 8 utilisée n'a pas besoin d'avoir un pouvoir de captation très
élevé. Elle sert principalement de barrière physique pour empêcher la
convection de l'air autour de l'anode. Ainsi, de l'alumine 8 fluorée utilisée
dans les cuves d'électrolyse peut être utilisée dans les bacs 4. En variante,
de l'alumine 8 pure, non fluorée, peut être utilisée.
Lors du retrait du mégot 5 du bac 4, un tas d'alumine peut rester en
place sur le dessus de la partie carbonée 1. Une partie de cette alumine est
susceptible de tomber sur le sol lors du déplacement du mégot 5. Pour éviter
cela, après avoir levé le mégot 5 au dessus du lit d'alumine, l'opérateur peut
chasser cette alumine au moyen d'un outil manuel ou d'un jet de gaz. Selon
une variante de réalisation, des buses latérales peuvent être placées en
partie supérieure du bac 4 pour réaliser cette opération automatiquement lors
du retrait du mégot 5.
Pour rendre la manutention plus aisée, les réceptacles 3 à mégots
comprennent des moyens permettant d'être pris en charge par exemple par
un véhicule à fourches ou par un pont roulant. Ainsi, après la mise en place
des mégots 5 dans les bacs 4, il est possible de déplacer les réceptacles 3
dans un espace situé au voisinage de la potroom, dans lequel sera réalisé
par exemple le refroidissement des mégots 5 ou leur concassage.
Généralement, une potroom comprend 1 ou 2 rangées parallèles de
cuves d'électrolyse. Les opérations de remplacement des anodes sont
réalisées le long des potroom. Il convient donc de placer un réceptacle 3
comprenant trois bacs 4 à mégots 5 toutes les trois cuves sur toute
rangée au même moment que sont disposées les anodes neuves prêt des
cuves. Ainsi, pour une halle d'électrolyse contenant une centaine de cuves,
une trentaine de réceptacles 3 à mégot sont suffisants.
Il est nécessaire de renouveler périodiquement l'alumine 8 contenue
dans les bacs 4 de sorte à conserver un pouvoir de captation suffisant. La
fluidisation de l'alumine 8 à chaque opération de dépose et de retrait de
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mégot 5 permet d'assurer un brassage de l'alumine 8 et donc un
enrichissement en fluor homogène de l'ensemble du bac 4. La fréquence de
vidange est liée à la qualité d'alumine utilisée. Plus le pouvoir de captation
initial de l'alumine 8 sera important et plus les vidanges pourront être
espacées. Ainsi, l'usage d'alumine pure, non fluorée, à la place de l'alumine
destinée aux cuves permet de renouveler moins fréquemment les bacs 4. Il
est avantageux d'organiser une vidange périodique à une fréquence définie
ou à l'occasion de l'évacuation des déchets de bain d'électrolyse. La vidange
des bacs 4 sera avantageusement réalisée après le transfert des réceptacles
3 vers un espace approprié.
Chaque bac 4 du dispositif selon l'invention comprend une ou
plusieurs trappes de vidange placées juste au dessus de la plaque 6 de fritté
métallique. Il est avantageux de fluidiser l'alumine lors de la vidange de
sorte
à faciliter son évacuation. La plaque ou toile de fluidisation 6 est
suffisamment solide pour qu'un opérateur puisse entrer dans le réceptacle 3
à mégot enlever les fragments de mégots 5 d'anode tombés sur le fond.
Sur la Fig. 4 est représenté schématiquement un réceptacle 3 à
mégots 5 selon l'invention, placé à un poste 11 équipé de dispositifs 13
d'aspiration et de traitement des fumées. Ce poste 11 peut être notamment
un poste de concassage à chaud ou un poste de refroidissement des mégots
d'anode 5.
