WO2007057534A2 - Cuve d'electrolyse avec echangeur thermique - Google Patents

Cuve d'electrolyse avec echangeur thermique Download PDF

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WO2007057534A2
WO2007057534A2 PCT/FR2006/002465 FR2006002465W WO2007057534A2 WO 2007057534 A2 WO2007057534 A2 WO 2007057534A2 FR 2006002465 W FR2006002465 W FR 2006002465W WO 2007057534 A2 WO2007057534 A2 WO 2007057534A2
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cell according
electrolytic cell
porous
transfer gas
porous material
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PCT/FR2006/002465
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WO2007057534A3 (fr
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Airy-Pierre Lamaze
Richard Laucournet
Christian Barthelemy
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Aluminium Pechiney SA
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Priority to CA002627956A priority patent/CA2627956A1/fr
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    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D17/00—Arrangements for using waste heat; Arrangements for using, or disposing of, waste gases
    • F27D17/10—Arrangements for using waste heat
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • 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
    • C25C3/08—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes
    • C25C3/085—Cell construction, e.g. bottoms, walls, cathodes characterised by its non electrically conducting heat insulating parts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of electrolysis cells, in particular the cells used in the electrolysis process used for the industrial production of aluminum.
  • this invention is concerned with equipping the side walls of an electrolytic cell tank, intended to recover, by heat exchange with a coolant, the thermal energy lost on the sides of the tank, while ensuring the protection and preservation of the sides of the tank and improving the operating conditions of this tank.
  • the international patent application WO. 2004/083489 A1 discloses an electrolysis cell for the production of aluminum, the vessel is provided with a border slab equipped for the recovery of thermal energy, by circulation of a coolant, gaseous or liquid.
  • the circulation of the coolant is through internal channels, arranged in a "serpentine" path in the mass of the edge slab, gastight cavities being obtained by various means at the time of development and assembly side panels, with molded internal profiles and carbon resin elements which are removed during sintering.
  • the introduction and extraction of the coolant is provided by ceramic pipes or fittings glued to the material of the side panels.
  • WO 87/00211 which also relates to electrolysis cells for the production of aluminum, is focused on controlling the temperature of the electrolysis bath by a complex system of gas circuits, provided in chambers cooling means arranged not only in the side walls of the tank, but also in the anode and in the bottom refractory material, the heat transfer gas being preferably helium.
  • the controlled cooling system is supposed to minimize the thickness of insulating refractory materials, and recovering thermal energy. This system appears eminently expensive, in its implementation and its operation.
  • US Pat. No. 4,222,841 provides a tubular heat exchanger above the electrolytic bath, by means of thermal insulation by refractory or carbonaceous panels, separating the bath from the exchanger to prevent the formation of crusts. No details are given as to the nature of the constituent materials of the exchanger, which is particularly stressed in high-temperature fluorinated corrosion. This document also provides a tubular heat exchanger at the side walls and the bottom of the tank containing the bath, again without further specification of the structure and the constituent materials of the exchanger.
  • the document WO 01/94667 describes, in an electrolysis cell for the production of aluminum, in substitution of conventional border slabs, the establishment of lateral cooling panels insulated from the outer box by a thick refractory material.
  • Each side panel is cooled by evaporation of a metal or alloy in the liquid state, such as zinc, sodium or a sodium-lithium alloy.
  • the evaporation chamber of the panel is surmounted by a condensation chamber, cooled by circulating a heat-transfer gas.
  • a condensation chamber cooled by circulating a heat-transfer gas.
  • the refractory material can be attacked by the metals or alloys in liquid or vapor phase, in contact with which it is located.
  • the object of the present invention is to provide a new and advantageous design of the side wall of an electrolytic cell, whose function, other than that of surrounding the edge of the crucible, of producing a heat exchanger in order to recover the thermal energy lost by the sides of the tank, with a large exchange surface, and to control the thickness of the frozen bath slope which protects the side materials of the tank of the chemical attack by the liquid aluminum and molten salt bath, the solution proposed to be simple, therefore economical, while being safe, and a high efficiency with respect to the recovery of thermal energy, with a possible modulation of this energy recovery.
  • the subject of the invention is an electrolytic cell, which can be used for the production of aluminum, comprising side walls provided with a heat exchanger, adapted to be traversed by a heat-transfer gas, characterized in that the side walls of the tank comprise, over at least a fraction of their height and their thickness, at least a portion of porous material capable of permitting a circulation of the heat transfer gas, the or each portion of porous material being connected to input and output means of the heat transfer gas.
  • the side walls of the electrolytic cell include porous parts in which the desired heat exchange takes place.
  • These porous, open-pored parts have a high porosity, such that the number of pores and the size distribution of these pores can provide a transport of heat transfer gas without excessive pressure drop, between an entry point and a point of entry.
  • outlet or extraction the circulation of the gas is preferably provided by suction on the extraction side.
  • the porous material may, in a simple embodiment, have uniform characteristics over the entire height and width of the porous portion.
  • the porous material has variable characteristics, in particular of porosity, thickness and / or thermal conductivity, over the height of the porous part, in order to obtain, in the direction of the height, successive zones possessing different characteristics of heat exchange.
  • the porous part can thus be optimized either by a progression by gradient, or by a subdivision in the direction of the height, in successive zones of characteristics (such as porosity and / or thickness) distinct and chosen to ensure the desired power, for a corresponding heat transfer gas flow.
  • the side walls of the tank may further comprise at least one pipe capable of circulating the heat transfer gas along a preferential path, in particular towards the bottom of the porous part and / or from the top of the porous part.
  • the porous portion may be formed of one or more porous slabs, each slab having a monolithic structure of porous material.
  • the side walls of the electrolytic cell comprise at least a first portion of dense material located on the inner side of these walls, and at least a second portion made at least partially of porous material, located between the first part and the outer chamber of the vessel, that is to say the outer side of these walls, facing the outer chamber of the vessel.
  • the first portion of dense material is typically in contact with an inclined edge edge which together with the cathode blocks form the cathode crucible.
  • a contact material may be interposed between said first portion and the edge to decrease the thermal resistance at that interface.
  • said first portion may possibly be in contact with the upper portion of the fixed electrolytic bath slope.
  • the heat exchange is here carried out in the portion of porous material, located on the outside of the side walls.
  • the portion of dense material may also be formed by one or more slabs of monolithic structure.
  • the dense material portion may be joined to the portion of porous material by assembly.
  • the assembly of the two parts of these walls, namely the inner part of dense material and the outer part of porous material, is achievable by a refractory material such as concrete, typically in the form of refractory slurry, or by a usual adhesive for the materials concerned, or by a specific glue for this application.
  • a variant of the invention provides that the side walls of the electrolytic cell comprise a structure formed by from monolithic slabs, made of a material with variable porosity in the direction of the thickness of said side walls.
  • a porous part may be obtained by a process comprising producing a porous polymer body comprising one or more open porosity polymer foams, preparing a suspension of a ceramic precursor, impregnating the porous body with this suspension, the drying of the impregnated suspension, the baking of the porous body in order to burn the organic components and the sintering of the porous body.
  • US Pat. No. 5,039,340 describes such a method.
  • a variable porosity material can be obtained by forming an initial body having a variable porosity foam or a superposition of two or more distinct porous foams having different porosities.
  • a slab having a portion of dense material and a portion of porous material can be obtained by forming the dense part by casting, vibrating and pressing a precursor of ceramic, and by joining the dense body thus obtained to one or more porous bodies as described above, typically after impregnating them with a ceramic precursor, the firing and the sintering being preferably carried out after having united the dense body and the porous body.
  • the porous material used may be formed of a metal or metal alloy, a thermally conductive ceramic or a mixture or combination thereof, and is typically in the form of a foam.
  • the metal or metal alloy has a melting point greater than 800 ° C.
  • Said metal or metal alloy preferably has a thermal expansion coefficient of less than 25 ⁇ 10 -6 K -1 , such as Nnconel® 686 containing nickel, chromium, molybdenum and tungsten.
  • the intrinsic thermal conductivity of the ceramic is preferably greater than 5 W / mK, and more preferably greater than 20 W / mK.
  • the latter is advantageously a foam mainly containing silicon carbide (SiC ), silicon nitride and / or aluminum nitride, which are thermally conductive materials within the meaning of the present invention (mainly meaning more than 50% by weight)
  • the porous material preferably contains less than 70% by weight of thermally conductive ceramic, and more preferably 85% by weight of thermally conductive ceramic, the remainder being for example, inorganic oxide binders, such as silicates or oxynitrides.
  • the porous material has a porosity greater than 70%, preferably greater than 80% (porosity being defined here as the void ratio).
  • the dense material portion has a porosity of less than 20%.
  • the dense material is preferably a ceramic material containing at least 70% by weight of silicon carbide (SiC), and more preferably 85% by weight of silicon carbide (SiC).
  • SiC silicon carbide
  • SiC silicon carbide
  • the portion of porous material extends over substantially the entire height of the side walls of the tank, which allows to extract on a large surface a controlled amount of heat energy produced by electrolysis.
  • the portion of porous material extends over a limited portion of the total height of the side walls of the tank, in particular on a fraction of the order of one third to one half of the height of this tank, so as to concentrate the heat exchange, and therefore the heat flow withdrawn, in front of limited and judiciously chosen zones, for example at the interface between the liquid aluminum layer and the molten salt bath, known to be a critical area with respect to slope stability.
  • the input and output means of the heat transfer gas may be located in particular at the top and bottom of the or each portion of porous material, so in the upper part and in the lower part of the side walls of the tank, this in particular in the case of a porous zone extending over substantially the entire height of the side walls.
  • the inlet and outlet means for the heat-transfer gas may also be distributed over the horizontal dimension of a part made of porous material of the side walls of the tank, in particular by arranging the inlet and the outlet respectively at the two horizontally opposite ends of the tank. Part of a porous material. This applies in particular to the case of a portion of porous material of great length, in order to ensure a heat exchange as much as possible homogeneous over the entire length of said portion of porous material.
  • a portion of porous material may extend over a zone of length much greater than that of a slab (for example, when the porous part is formed by assembling two or several slabs of porous material).
  • the junction of the slabs is performed so as to allow the flow of heat transfer gas between the respective porous zones of contiguous slabs.
  • the joining cement may be a concrete, a refractory slurry or a suitable glue. The number of heat transfer gas inlets and outlets can thus be limited.
  • the heat transfer gas inlet (s) have orifices situated at a level higher than the level of the liquid in the tank, that is to say that the inlet orifices are located partly high sides of the box or on the periphery of the top of the box, or that, if the inputs themselves are located in the lower part of the tank for technical reasons, these entries are extended by pipes directed upwards and having their orifices located at a level higher than the level of liquid in the tank.
  • At least one side collector is provided, connected to a plurality of heat transfer gas outlets.
  • each side of the electrolytic cell is equipped with at least one collector, all collectors can be connected to a common central vacuum.
  • the two long sides of the tank can each be equipped with two parallel collectors.
  • the passage section of these or some of them is advantageously made adjustable by means of registers. These registers can be preset cold, before starting the operation of the electrolysis cell, depending on the local specificities of the design of the tank.
  • the design and construction of the collector (s), through which the extraction of the heat-transfer gas is carried out, is preferably such that, before adjustment of the above-mentioned registers, a loss of suction charge which is equivalent in all individual heat exchange devices of the tank connected to them, so as to obtain constant heat flow volumes.
  • the heat-transfer gas may be air, or an inert gas, typically nitrogen, helium or argon, or a mixture of air and inert gas.
  • the air inlets can be opened to the surrounding atmosphere, more particularly in the space between adjacent tanks, and only the air outlets are in this case connected to suction manifolds.
  • the air inlets are thus constituted by simple orifices, of suitable shape and size, which operate by depression to feed an exchanger device, in other words a portion of porous material.
  • this air is recycled to increase its inlet temperature in the porous zone, and consequently its outlet temperature of this zone, in order to increase the recovery efficiency of the recovered energy, for example through an external heat exchanger.
  • a distribution network is provided, to return to the inlet ports the air taken at the outlets. The design of this distribution network ensures a pressure drop that is identical to all the air inlet openings of the tank, in order to obtain a homogeneity of operation.
  • the heat transfer gas contains an inert gas, it is advantageous to recycle it because of its value.
  • a distribution network it is possible to combine the embodiment without recycle of the heat transfer gas, thus with suction of the air in the space between the tanks, and the embodiment with recycling.
  • air by means of direct air intake valves in the distribution network, these valves can be located at different points of the distribution network, preferably in combination with isolation valves able to isolate some other different portions of the distribution network.
  • This "combined" mode has the advantage of allowing interventions on the distribution network, or of temporarily mitigating a failure in the "upstream" part of the gas recycling system, or of compensating for air losses in the system. circuit.
  • a thermal insulator is furthermore disposed between the part made of porous material and the chamber of the vessel, and more precisely between the outer face of the part made of porous material, on the one hand, and the internal face of the chamber of the vessel. , on the other hand.
  • the layer of insulating material limits thermal losses, which increases the energy recovery.
  • the thermal insulation is advantageously a fibrous material so that it can act as a deformable pad to protect the edge slabs by absorbing any thermal expansion of the tank, especially during its rise in temperature at the start of operation. the cell.
  • the insulation typically forms a substantially vertical layer whose thickness is between 10 and 100 mm, and preferably 15 and 50 mm.
  • the heat transfer gas preferably circulates by suction, and thus by depression, through the heat exchange device, so that, in the event of failure of the device, the device does not blow heat transfer gas into the structure of the tank, the blocks border, the bottom of the tank or the liquid phases.
  • This variant of the invention can be implemented by connecting the electrolysis cell to a suction system adapted to circulate a heat transfer gas by depression in the or each portion of porous material.
  • the subject of the invention is also an industrial plant for producing aluminum, comprising a plurality of electrolysis cells as previously defined, which are connected by collectors to a heat-transfer gas circuit directed towards recovery means.
  • energy comprising at least one external heat exchanger and / or at least one electricity generator.
  • the system allows optimal recovery of this energy; the valorization of this energy is optimal because it is done at high temperature;
  • the implementation of the invention does not require a questioning of the structure of the electrolytic cell, which contributes to the simplicity and allows a retrofitting of existing tanks; -
  • the energy recovery is easily adjustable, depending on the heat transfer gas inlet temperature and its flow rate, which allows to participate in the regulation of the intensity of service of the electrolysis tanks according to the needs of production or availability of electricity.
  • the heat exchanger system is used to evacuate all or part of the excess energy with respect to a determined operating point;
  • the invention makes it possible to increase the precision of the control of the thickness of the electrolytic bath of frozen bath which protects the materials of the side walls of the tanks against the chemical attack by the liquid aluminum and the bath of molten salts. This makes it possible, in association with the preceding points, to develop new electrolysis cells with a markedly increased specific power, with identical or improved energy balance, with the possibility of modulating the intensity of the tank without disturbing the thermal equilibrium of the tank. tank.
  • Figure 1 is a partial vertical sectional view of an electrolysis cell according to the present invention
  • Figure 2 is a partial sectional view, corresponding to the right part of Figure 1, showing a first variant of the cell;
  • Figure 3 is a view similar to Figure 2, illustrating a second variant
  • Figures 4 to 9 are views similar to the preceding, illustrating further variants of the cell object of the invention.
  • Figure 10 is a vertical sectional view, along X-X of Figure 11, of another embodiment of an electrolysis cell according to the invention.
  • Fig. 11 is a top plan view, partially, of the cell of Fig. 10;
  • Figure 12 shows a modular assembly according to an advantageous variant of the invention.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a mode of recovery of the thermal energy of cells according to the invention.
  • an electrolytic cell 22, used in the production of aluminum from alumina generally comprises:
  • a crucible 40 intended to be cathodically polarized, formed wholly or partly of cathode blocks 4 and of a border 4 ', which is typically formed of edge blocks made of carbonaceous materials, a current arrival at the cathode, by horizontal steel bars, which pass through the caisson 2 and are sealed to the cathode blocks 4,
  • An electrolysis cell 23 is formed by assembling a tank 22 and one or more carbon anodes 6, in the upper part, above the crucible, and connected to a current supply by anodic multipodes 7.
  • the crucible 40 contains a layer of liquid aluminum 9, surmounted by a molten electrolyte bath 10 based on cryolite in which each anode 6 is plunged.
  • the assembly formed by the liquid aluminum layer 9 and by the electrolyte bath 10 is surrounded by a solidified bath zone, called "slope" 11, close to the side walls 8 and in contact with the edge blocks 4 'of the crucible 40.
  • the tank Electrolysis has a generally rectangular shape, with two long sides and two short sides.
  • An electrolysis cell is usually associated with other similar cells, arranged in line, with free spaces (thus filled with air) between the cells of these cells.
  • the side walls 8 of the electrolysis cell are, according to the present invention, divided in the direction of their thickness into at least two adjacent parts.
  • a first portion 12, located on the inner side and thus in contact with the edge blocks 4 '(and possibly the slope 11) is made of a dense refractory material, as much as possible gas-tight, especially in the form of a a plurality of slabs of silicon carbide (SiC).
  • the porous material which is typically a foam (preferably a foam silicon carbide), has a suitable porosity, typically between 10 and 90 ppi (or between about 4 and 36 pores / cm), and preferably between 20 and 70 ppi (or between about 8 and 28 pores / cm) , in order to offer a low pressure drop while maintaining a high heat exchange capacity.
  • the thickness of the dense portion 12 may be between 10 and
  • the thickness of the porous material portion 13 is between 5 and 50 mm, preferably between 10 and 25 mm, and typically between 15 and 25 mm.
  • the assembly of these two parts 12 and 13, at their interface 14, is achievable by means of a specific adhesive, in the form of a suspension or paste, containing a mixture of a mineral filler with an average particle size of less than 250. ⁇ m, and a silicone resin.
  • the mixture may optionally contain a solvent to solubilize the resin and form a fluid suspension.
  • International applications WO 03/033435 and WO 03/033436 describe possible adhesives.
  • a fibrous material can be introduced between the box and the porous portion to reduce heat losses to the box, for their recovery.
  • This insulator can also be placed in compression between the outer wall of the porous material part 13, and the inner face of the box 2.
  • the porous material part 13 is intended to be traversed, from bottom to top in FIG. air that is admitted through an air inlet 15, located in the lower part of the side wall 8, and which is extracted by an air outlet port 16, located in the upper part of the side wall 8.
  • the air which is not recycled in the case illustrated in Figure 1, is taken outside the tank, and in particular in a free space between tanks, and it is admitted by depression following the arrows F1 in FIG. 15.
  • This air extracted by the air outlet orifice 16, travels along the arrow F2 a tubing 17 connected to this orifice 16 and reaches a lateral collector 18, which extends horizontally along one side of the tank and is itself connected to a central vacuum (not shown).
  • the same manifold 18 can thus group the air flows extracted from several similar heat exchangers, which follow one another along a side wall 8 of the tank.
  • the air flowing through the heat exchangers thus constituted, recovers thermal energy released in the tank, and transfers this energy to the outside of the tank.
  • the heat flux range thus evacuated by the walls 8 of the vessel typically ranges from 1 to 35 kw / m 2 .
  • the air outlet orifice 16 is advantageously provided with a damper 19 for adjusting the air outlet section.
  • the orifice 15 is located at the top while the air outlet 16 is located at the bottom of the side wall 8.
  • Figure 3 shows an embodiment approaching that of Figure 1, but wherein the portion of porous material 13 is subdivided, in the direction of the height, into two successive porous partial areas 13a and 13b. More particularly, the lower sub-zone 13a has a greater porosity, and the upper sub-zone 13b has a smaller porosity, conducive to a more intense heat exchange, this partial zone 13b being preferably substantially at the height of the liquid aluminum 9 and the electrolyte bath 10.
  • the air here successively traverses the lower sub-zone 13a and then the upper sub-zone 13b.
  • the air inlet is located in the upper part of the side wall, the air flowing in this case first the upper portion 13b, then the lower portion 13a.
  • FIG. 4 represents another variant, in which the portion of porous material 13 is subdivided, in the direction of height, into three successive porous partial zones, ie a lower partial zone 13c, an intermediate partial zone 13d and an upper partial zone. 13th.
  • FIG. 5 represents yet another variant, approaching the embodiment according to FIG. 3, but including an additional air intake orifice 20 situated at the level of the transition between the lower porous partial zone 13 a and the porous partial zone. upper 13b.
  • an additional air flow is admitted by depression into the additional inlet port 20, and this flow is added, within the upper partial zone 13b, to the flow rate. air admitted through the lower inlet 15.
  • FIG. 7 shows another embodiment, in which the portion of porous material 13, constituting the heat exchanger, extends only over a fraction of the total height of the side walls 8 of the electrolytic cell, for example about half the height of these walls.
  • the portion of porous material 3 is here present in the upper half of this height of walls, so as to be also at the height of the liquid aluminum layer 9 and the electrolyte bath 10.
  • the orifice of The air inlet 15 is thus about halfway up the side wall 8, while the air outlet port 16 is at the top.
  • a reversal of the position of the air inlet and the air outlet is possible here.
  • this portion of porous material 13 remains divisible into two or more partial zones, in this example an upper partial zone 13a and a lower partial zone 13b of different porosities.
  • An additional inlet or air outlet could be provided at the junction of the two porous partial areas 13a and 13b.
  • the height of the portion of porous material 13 can be further reduced, and represent for example only about one third of the total height of the side walls 8 of the tank, as shown in Figure 9.
  • the inlet and outlet orifices are distributed over the height of the side walls 8 of the tank.
  • the inlet and outlet orifices 16 are located at the same height, at the two horizontally opposite ends of the successive porous material parts 13, having a horizontal extension. .
  • each portion of porous material 13 extends horizontally along several adjacent slabs 12 constituting the side walls 8.
  • Each portion of porous material 13 thus has a length much greater than that of slabs 12 and 12. spaces between cradles 21 of the box 2.
  • the outlet ports 16 are connected to collectors 18 which extend along the sides of the electrolysis tank.
  • the porous material parts meet to form, on the perimeter of the electrolysis cell, a continuous strip with alternating inlet and outlet ports.
  • FIG. 12 illustrates a modular assembly of porous sections according to a particularly advantageous embodiment of the invention.
  • the drawing shows two adjacent modules seen at (A) according to section AA of FIG. 12 (B), at (B) along sections BB and B'-B 'of FIG. 12 (A), and at ( C) according to section CC of Fig. 12 (A).
  • the modules 30 are composite and have a first side 31 intended to be in the bottom of the heat exchanger and a second side 32 intended to be in the top of the heat exchanger.
  • the modules comprise at least a first 13a and a second 13b porous sections and internal pipes 51, 52, 53 able to circulate the heat transfer gas along preferential paths.
  • the inlet and outlet points 16 are preferably in a part of the modules 30 intended to be in the upper part of the heat exchanger.
  • Said first and second porous sections 13a, 13b may be separate juxtaposed slabs or parts of the same porous slab.
  • the modules 30 have a downcomer 51 capable of directing the flow of heat transfer gas towards the lower part of the first porous section 13a, a first horizontal pipe 52 able to distribute the flow of heat transfer gas along the first porous section 13a and a second horizontal pipe 53 capable of collecting the heat transfer gas from the second porous section 13b.
  • the walls 43, 44, 45, 46 of said channels 51, 52, 53 may be formed using metallic or ceramic elements, such as tubes, by molding and / or by sealing the porous surfaces with the aid of glues or refractory cements.
  • the first porous section 13a has a first porosity, and in particular a first number of pores per unit length.
  • the second porous section 13b has a second porosity, and in particular a second number of pores per unit length.
  • the number of pores per unit length is typically expressed in ppi or in pores per cm.
  • These composite modules have the advantage of promoting a flow velocity of the substantially vertical heat transfer gas and uniform, which avoids the formation of a thermal gradient along the walls of a tank that could be detrimental to the shape of the embankment solidified.
  • These composite modules 30 advantageously comprise a support slab 12 of thermally conductive material, typically a dense ceramic material as defined above, intended to be located on the inside of the tank, typically in contact with the edge 4 ".
  • 30 may further comprise a layer of thermally insulating material 29, typically a fiber, intended to be located on the outside of the tank, typically in contact with the inner face of the box 2.
  • These composite modules can be juxtaposed so as to place an inlet 15, which is generally cooler, close to an outlet 16, which is generally warmer, which promotes a greater uniformity of the temperature by mutual compensation, in particular via a possible support slab 12 thermally conductive.
  • the first porous section 13a is advantageously located at the average height of the interface between the liquid aluminum 9 and the liquid electrolyte bath 10 in the tank in operation, so as to ensure greater heat exchange by means of a greater porosity and through the pipe to the first porous section 13a of all or part of the heat transfer gas directly from the inlet 15.
  • the first porosity is preferably greater than the second porosity.
  • the first number of pores per unit length is, in these cases, typically between 50 and 70 ppi and the second number of pores per unit length is typically between 30 and 50 ppi.
  • the composite modules 30 illustrated in FIG. 12 can be obtained by a method comprising:
  • a support slab 12 made of thermally conductive ceramic; providing a first porous slab 13a and a second porous slab 13b or providing a porous slab having a first porous portion 13a and a second porous portion 13b;
  • Said collages and blockages can be made using a refractory adhesive such as that described above.
  • FIG. 13 illustrates, very schematically and by way of example, a method for recovering the thermal energy recovered in several electrolysis cells, as previously described.
  • the air or the heat-transfer gas, coming from the different cells 23 of an industrial aluminum production plant, and in particular recovered from the lateral collectors 18, is directed towards the central vacuum and then into a feed circuit 24 to an external heat exchanger 25 for heating, or electricity generation applications that can be directly used in the plant tanks, which by nature are power consumers.
  • This arrangement can also be used to reduce the ambient temperature of the electrolysis rooms by evacuation outside the electrolysis room of the heat produced by the tanks.
  • Tests were carried out with a ceramic porous material plate in order to evaluate the heat exchange capacities accessible with the materials according to the invention.
  • a heat exchanger was manufactured by gluing on a plate of dense silicon carbide material, bonded with silicon nitride, with a thickness of 40 mm, a 25 mm plate of porous silicon carbide ceramic foam which the porosity is 20 ppi (8 pores / cm) and represents a pore volume of 88%.
  • the effective thermal conductivity of the porous plate was between 0.50 and 1 W.nrr 1 .K " 1.
  • the glue was a refractory slurry. The heat exchanger was placed at the entrance of an oven instead.
  • the heat exchange device was isolated by means of fibrous material around the frame Thermocouples placed at different locations, especially at the inlet and the outlet of the coolant, allowed to quantify heat exchange in the porous zone
  • the exposed surface facing the furnace represented 400 cm 2 .
  • the oven was heated to a set temperature, and maintained at this temperature during the test series, the flow of air flowing through the exchanger being controlled by means of a flow meter.
  • Table I shows, depending on the flow rate of the coolant, namely air, the exit temperature of the heated air and the heat flow recovered by the exchanger.
  • the invention is not limited to the embodiments of this electrolysis cell which have been described above, for example; it embraces, on the contrary, all variants respecting the same principle. It is thus, in particular, that one would not depart from the scope of the invention by a modification of the nature of the materials, particularly with regard to the porous materials constituting the heat exchanger, which can also be metallic, or mixed (such as a combination of silicon carbide and metal).
  • the number and the positions of the air inlet or outlet or heat transfer orifices, relative to the porous parts or zones, are widely variable without moving away from the frame. of the invention.
  • the modes of use and / or conversion of the recovered thermal energy are widely variable.

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Abstract

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

Description

Cuve d'électrolyse avec échangeur thermique
La présente invention concerne le domaine technique des cellules d'électrolyse, notamment les cellules utilisées dans le procédé d'électrolyse mis en oeuvre pour la production industrielle de l'aluminium.
Plus particulièrement, cette invention s'intéresse à un équipement des parois latérales d'une cuve de cellule d'électrolyse, visant à récupérer, par échange thermique avec un fluide caloporteur, l'énergie thermique perdue sur les côtés de la cuve, tout en assurant la protection et préservation des côtés de la cuve et en améliorant les conditions de fonctionnement de cette cuve.
La demande internationale de brevet WO. 2004/083489 A1 décrit une cellule d'électrolyse pour la production de l'aluminium, dont la cuve est pourvue d'une dalle de bordure équipée pour la récupération d'énergie thermique, par circulation d'un fluide caloporteur, gazeux ou liquide. La circulation du fluide caloporteur se fait par des canaux internes, aménagés selon un trajet en "serpentin" dans la masse de la dalle de bordure, des cavités étanches aux gaz étant obtenues par divers moyens au moment de l'élaboration et de l'assemblage de panneaux latéraux, avec des profils internes obtenus par moulage et des éléments en résine carbonée qui sont éliminés au cours du frittage. L'introduction et l'extraction du fluide caloporteur sont assurées par des tuyaux ou raccords en céramique, collés au matériau des panneaux latéraux.
L'étanchéité du circuit de fluide caloporteur, ainsi constitué, est complexe et difficile à obtenir par les moyens décrits, que ce soit au niveau des cavités ménagées dans le matériau des panneaux, ou encore au niveau de la jonction entre les tubes d'alimentation de la dalle, ceci notamment du fait que le frittage des pièces s'accompagne d'un retrait important du matériau, et que la porosité résiduelle du matériau à proximité des cavités peut induire des fuites. Le document WO 87/00211 , qui concerne lui aussi les cellules d'électrolyse pour la production de l'aluminium, est axé sur le contrôle de la température du bain d'électrolyse par un système complexe de circuits de gaz, prévu dans des chambres de refroidissement aménagées non seulement dans les parois latérales de la cuve, mais aussi dans l'anode et dans le matériau réfractaire de fond de cuve, le gaz caloporteur étant de préférence l'hélium. Le système de refroidissement sous contrôle est censé permettre de minimiser l'épaisseur des matériaux réfractaires isolants, et de récupérer de l'énergie thermique. Ce système apparaît éminemment coûteux, dans sa mise en place et dans son fonctionnement.
Le brevet US 4222841 prévoit un échangeur thermique tubulaire au-dessus du bain électrolytique, moyennant une isolation thermique par panneaux réfractaires ou carbonés, séparant le bain de l'échangeur pour éviter la formation de croûtes. Aucune précision n'est donnée quant à la nature des matériaux constitutifs de l'échangeur, lequel est particulièrement sollicité en corrosion fluorée à haute température. Ce document prévoit aussi un échangeur thermique tubulaire au niveau des parois latérales et du fond de la cuve contenant le bain, là aussi sans préciser davantage la structure et les matériaux constitutifs de l'échangeur.
Enfin, le document WO 01/94667 décrit, dans une cuve d'électrolyse pour la production d'aluminium, en substitution des dalles de bordure conventionnelles, la mise en place de panneaux latéraux de refroidissement isolés du caisson extérieur par un matériau réfractaire épais. Chaque panneau latéral est refroidi par évaporation d'un métal ou alliage à l'état liquide, tel que le zinc, le sodium ou un alliage sodium-lithium. La chambre d'évaporation du panneau est surmontée d'une chambre de condensation, refroidie par circulation d'un gaz caloporteur. Un tel dispositif est complexe et pose des problèmes de sécurité évidents. De plus, le matériau réfractaire peut être attaqué par les métaux ou alliages en phase liquide ou vapeur, au contact desquels il se trouve.
Face à cet état de la technique, la présente invention a pour but de fournir une conception nouvelle et avantageuse de la paroi latérale d'une cuve d'électrolyse, ayant pour fonction, autre que celle d'entourer la bordure du creuset, de réaliser un échangeur thermique dans l'objectif de récupérer l'énergie thermique perdue par les côtés de la cuve, avec une surface d'échange importante, et de contrôler l'épaisseur du talus de bain figé qui protège les matériaux de côté de la cuve de l'attaque chimique par l'aluminium liquide et le bain de sels fondus, la solution proposée visant à être simple, donc économique, tout en étant sûre, et d'un rendement élevé en ce qui concerne la récupération d'énergie thermique, avec une modulation possible de cette récupération d'énergie. A cet effet, l'invention a pour objet une cuve d'électrolyse, utilisable pour la production d'aluminium, comportant des parois latérales munies d'un échangeur thermique, apte à être parcouru par un gaz caloporteur, caractérisée en ce que les parois latérales de la cuve comportent, sur au moins une fraction de leur hauteur et de leur épaisseur, au moins une partie en matière poreuse apte à permettre une circulation du gaz caloporteur, la ou chaque partie en matière poreuse étant raccordée à des moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur.
Ainsi, selon l'invention, les parois latérales de la cuve d'électrolyse incluent des parties poreuses dans lesquelles a lieu l'échange thermique souhaité. Ces parties poreuses, à pores ouverts, présentent une porosité importante, telle que le nombre de pores et la distribution de taille de ces pores puissent assurer un transport du gaz caloporteur sans perte de charge excessive, entre un point d'entrée et un point de sortie ou d'extraction, la circulation du gaz étant de préférence assurée par aspiration, du côté de l'extraction. La matière poreuse peut, dans une réalisation simple, posséder des caractéristiques homogènes sur toute la hauteur et la largeur de la partie poreuse. Cependant, selon une variante avantageuse, la matière poreuse présente des caractéristiques variables, notamment de porosité, épaisseur et/ou conductivité thermique, sur la hauteur de la partie poreuse, afin d'obtenir, dans le sens de la hauteur, des zones successives possédant des caractéristiques différentes d'échange thermique. La partie poreuse peut ainsi être optimisée soit par une progression par gradient, soit par une subdivision dans le sens de la hauteur, en zones successives de caractéristiques (telles que porosité et/ou épaisseur) distinctes et choisies pour assurer la puissance souhaitée, pour un débit de gaz caloporteur correspondant. Les parois latérales de la cuve peuvent comporter en outre au moins une canalisation apte à faire circuler le gaz caloporteur suivant un trajet préférentiel, notamment en direction du bas de la partie poreuse et/ou en provenance du haut de la partie poreuse.
La partie poreuse peut être formée d'une ou plusieurs dalles poreuses, chaque dalle ayant une structure monolithique en matériau poreux.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les parois latérales de la cuve d'électrolyse comportent au moins une première partie en matériau dense située du côté intérieur de ces parois, et au moins une deuxième partie réalisée au moins partiellement en matière poreuse, située entre la première partie et le caisson extérieur de la cuve, c'est-à-dire du côté extérieur de ces parois, en regard du caisson extérieur de la cuve. La première partie en matériau dense est typiquement en contact avec une bordure à bord incliné qui, avec les blocs cathodiques, forment le creuset cathodique. Un matériau de contact peut être interposé entre ladite première partie et la bordure afin de diminuer la résistance thermique à cette interface. En fonctionnement, ladite première partie peut éventuellement être en contact avec la partie supérieure du talus de bain électrolytique figé. L'échange thermique est ici réalisé dans la partie en matière poreuse, située du côté extérieur des parois latérales.
La partie en matériau dense peut également être formée par une ou plusieurs dalles de structure monolithique. Selon une variante, la partie en matériau dense peut être réunie à la partie en matériau poreux par assemblage. L'assemblage des deux parties de ces parois, à savoir la partie intérieure en matériau dense et la partie extérieure en matière poreuse, est réalisable par une matière réfractaire tel qu'un béton, typiquement sous forme de coulis réfractaire, ou par une colle usuelle pour les matériaux concernés, ou encore par une colle spécifique pour cette application.
Au lieu de prévoir l'assemblage de deux matériaux distincts, se succédant dans le sens de l'épaisseur des parois latérales de la cuve, une variante de l'invention prévoit que les parois latérales de la cuve d'électrolyse comportent une structure formée à partir de dalles monolithiques, réalisées dans un matériau à porosité variable dans le sens de l'épaisseur desdites parois latérales.
Les dalles peuvent former des dispositifs d'échange thermique individuels. Une partie poreuse peut être obtenue par un procédé comportant la production d'un corps en polymère poreux comprenant une ou plusieurs mousses en polymère à porosité ouverte, la préparation d'une suspension d'un précurseur de céramique, l'imprégnation du corps poreux par cette suspension, le séchage de la suspension imprégnée, la cuisson du corps poreux afin de brûler les composants organiques et le frittage du corps poreux. Le brevet américain US 5 039 340 décrit un tel procédé. Un matériau à porosité variable peut être obtenu en formant un corps initial comportant une mousse à porosité variable ou une superposition de deux ou plusieurs mousses poreuses distinctes ayant des porosités différentes. Une dalle comportant une partie en matériau dense et une partie en matériau poreux peut être obtenue en formant la partie dense par coulage, vibrotassage et pressage d'un précurseur de céramique, et en réunissant le corps dense ainsi obtenu à un ou plusieurs corps poreux comme décrit ci-dessus, typiquement après les avoir imprégnés d'un précurseur de céramique, la cuisson et le frittage étant de préférence effectués après avoir réuni le corps dense et le corps poreux. La matière poreuse utilisée peut être formée d'un métal ou d'un alliage métallique, d'une céramique thermiquement conductrice ou un mélange ou une combinaison de ceux-ci, et se présente typiquement sous forme de mousse. De préférence, le métal ou alliage métallique a un point de fusion supérieur à 8000C et est résistant à l'oxydation à des températures supérieures à 2500C, comme les alliages base nickel (c'est-à-dire contenant plus de 50 % en poids de nickel). Ledit métal ou alliage métallique a de préférence un coefficient de dilatation thermique inférieur à 25.10'6 K"1, tel que de Nnconel ® 686 contenant du nickel, du chrome, du molybdène et du tungstène. La conductivité thermique intrinsèque de la céramique est de préférence supérieure à 5 W/m.K, et de préférence encore supérieure à 20 W/m.K Afin d'augmenter la compatibilité de dilatation thermique entre la matière dense et la matière poreuse, cette dernière est avantageusement une mousse contenant majoritairement du carbure de silicium (SiC), du nitrure de silicium et/ou du nitrure d'aluminium, qui sont des matériaux thermiquement conducteurs au sens de la présente invention (majoritairement signifiant plus de 50 % en poids). Dans ce dernier cas, la matière poreuse contient de préférence au moins 70 % en poids de céramique thermiquement conductrice, et de préférence encore 85 % en poids de céramique thermiquement conductrice, le reste pouvant être, par exemple, des liants minéraux de type oxyde, tels que des silicates ou des oxynitrures.
La matière poreuse possède une porosité supérieure à 70 %, de préférence supérieure à 80 % (la porosité étant ici définie comme le taux de vide).
Considérant plus particulièrement le cas de parois latérales comportant une première partie en matériau dense et une deuxième partie en matière poreuse, il est préféré que la partie en matériau dense possède une porosité inférieure à 20 %. Le matériau dense est de préférence un matériau céramique contenant au moins 70 % en poids de carbure de silicium (SiC), et de préférence encore 85 % en poids de carbure de silicium (SiC). En combinaison avec la répartition dans le sens de l'épaisseur des parois latérales de la cuve, la partie en matière poreuse qui est le siège de l'échange thermique peut être présente sur tout ou partie de la hauteur de ces parois.
Selon une première possibilité, la partie en matière poreuse s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales de la cuve, ce qui permet de soutirer sur une surface étendue une quantité contrôlée d'énergie thermique produite par l'électrolyse.
Selon une autre possibilité, la partie en matière poreuse s'étend sur une portion limitée de la hauteur totale des parois latérales de la cuve, notamment sur une fraction de l'ordre d'un tiers à une moitié de la hauteur de cette cuve, de façon à concentrer l'échange thermique, donc le flux thermique soutiré, en face de zones limitées et judicieusement choisies, par exemple au niveau de l'interface entre la couche d'aluminium liquide et le bain de sels fondus, connu pour être une zone critique vis-à-vis de la stabilité du talus.
Les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur peuvent être situés notamment en partie haute et en partie basse de la ou chaque partie en matière poreuse, donc en partie haute et en partie basse des parois latérales de la cuve, ceci notamment dans le cas d'une zone poreuse s'étendant sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales.
Cependant, notamment dans le cas d'une partie en matière poreuse divisée dans le sens de la hauteur en zones successives possédant des caractéristiques différentes d'échange thermique, on prévoit avantageusement au moins une entrée ou une sortie additionnelle du gaz caloporteur située à hauteur intermédiaire, en particulier au niveau de la transition entre deux zones successives, en fonction des besoins d'échange thermique dans ces différentes zones.
Les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur peuvent aussi être répartis sur la dimension horizontale d'une partie en matière poreuse des parois latérales de la cuve, en particulier en disposant l'entrée et la sortie respectivement aux deux extrémités horizontalement opposées d'une partie en matière poreuse. Ceci s'applique en particulier au cas d'une partie en matière poreuse de grande longueur, en vue d'assurer un échange thermique autant que possible homogène sur toute la longueur de ladite partie en matière poreuse.
A cet égard, on notera qu'une partie en matière poreuse peut s'étendre sur une zone de longueur très supérieure à celle d'une dalle (par exemple, lorsque la partie poreuse est formée par assemblage de deux ou plusieurs dalles en matériau poreux). Dans ces cas, la jonction des dalles est réalisée de manière à permettre l'écoulement du gaz caloporteur entre les zones poreuses respectives de dalles jointives. Le ciment de jonction peut être un béton, un coulis réfractaire ou une colle adaptée. Le nombre des entrées et des sorties de gaz caloporteur peut ainsi être limité.
De manière préférentielle, pour éviter, en cas de défaillance locale des dispositifs échangeurs de chaleur, un écoulement de liquides chauds en dehors du caisson extérieur de la cuve, en particulier dans le cas où la zone poreuse s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales de la cuve, donc du caisson, la ou les entrées de gaz caloporteur possèdent des orifices situés à un niveau supérieur au niveau du liquide dans la cuve, c'est-à- dire que les orifices d'entrée sont situés en partie haute des côtés du caisson ou sur la périphérie du dessus du caisson, ou encore que, si les entrées proprement dites sont situées en partie basse de la cuve pour des raisons techniques, ces entrées sont prolongées par des tubulures dirigées vers le haut et ayant leurs orifices situés à un niveau supérieur au niveau de liquide dans la cuve.
Pour la sortie du gaz caloporteur, et plus particulièrement pour l'extraction par aspiration de ce gaz, on prévoit avantageusement au moins un collecteur latéral, raccordé à une pluralité de sorties du gaz caloporteur. De manière préférentielle, chaque côté de la cuve d'électrolyse est équipé d'au moins un collecteur, tous les collecteurs pouvant être raccordés à une centrale d'aspiration commune. Les deux côtés longs de la cuve peuvent être équipés, chacun, de deux collecteurs parallèles. Quelle que soit la position des orifices d'entrée et de sortie du gaz caloporteur, la section de passage de ces orifices ou de certains d'entre eux, est avantageusement rendue réglable au moyen de registres. Ces registres peuvent être préréglés à froid, avant le démarrage de l'exploitation de la cuve d'électrolyse, en fonction des spécificités locales de la conception de la cuve. La conception et la réalisation du ou des collecteurs, par lesquels s'effectue l'extraction du gaz caloporteur, est de préférence telle que, avant réglage des registres précités, on obtienne une perte de charge à l'aspiration qui soit équivalente dans tous les dispositifs d'échange thermique individuels de la cuve qui leurs sont raccordés, de manière à obtenir des flux volumiques de chaleur constants. Le gaz caloporteur peut être de l'air, ou un gaz inerte, typiquement de l'azote, de l'hélium ou de l'argon, ou un mélange d'air et de gaz inerte.
En cas d'utilisation de l'air en tant que gaz caloporteur, les entrées d'air peuvent être ouvertes sur l'atmosphère environnante, plus particulièrement dans l'espace situé entre des cuves adjacentes, et seules les sorties d'air sont dans ce cas raccordées à des collecteurs d'aspiration. Les entrées d'air sont ainsi constituées par de simples orifices, de forme et dimension adaptées, qui fonctionnent par dépression pour alimenter un dispositif échangeur, autrement dit une partie en matière poreuse. Toutefois, dans un autre mode préférentiel d'utilisation de l'air en tant que gaz caloporteur, cet air est recyclé pour augmenter sa température d'entrée dans la zone poreuse, et par conséquent sa température de sortie de cette zone, afin d'augmenter le rendement de valorisation de l'énergie récupérée, par exemple au travers d'un échangeur thermique externe. Dans ce cas, un réseau de distribution est prévu, pour ramener vers les orifices d'entrée l'air prélevé aux orifices de sortie. La conception de ce réseau de distribution assure une perte de charge qui est identique, à tous les orifices d'entrée d'air de la cuve, en vue d'obtenir une homogénéité de fonctionnement.
De même, dans le cas où le gaz caloporteur contient un gaz inerte, il est avantageux de le recycler en raison de sa valeur.
Enfin, s'il est prévu un réseau de distribution, il est possible de combiner le mode de réalisation sans recyclage du gaz caloporteur, donc avec aspiration de l'air dans l'espace situé entre les cuves, et le mode de réalisation avec recyclage de l'air, au moyen de vannes d'admission directe d'air dans le réseau de distribution, ces vannes pouvant être situées en différents points du réseau de distribution, de préférence en combinaison avec des vannes d'isolation aptes à isoler les unes des autres différentes portions du réseau de distribution. Ce mode "combiné" présente l'avantage de permettre les interventions sur le réseau de distribution, ou de pallier temporairement à une défaillance dans la partie "amont" du système de recyclage de gaz, ou encore de compenser des pertes d'air dans le circuit.
Avantageusement, un isolant thermique est en outre disposé entre la partie en matière poreuse et le caisson de la cuve, et plus précisément entre la face extérieure de la partie en matière poreuse, d'une part, et la face interne du caisson de la cuve, d'autre part. La couche de matériau isolant limite les pertes thermiques, ce qui permet d'augmenter la récupération d'énergie. L'isolant thermique est avantageusement un matériau fibreux afin qu'il puisse agir comme un tampon déformable pour protéger les dalles de bordure, en absorbant les éventuelles dilatations thermiques de la cuve, notamment au cours de sa montée en température à la mise en service de la cellule. L'isolant forme typiquement une couche sensiblement verticale dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 100 mm, et préférentiellement 15 et 50 mm.
Le gaz caloporteur circule de préférence par aspiration, et donc par dépression, au travers du dispositif d'échange thermique, afin que, en cas de défaillance du dispositif, le dispositif ne souffle pas du gaz caloporteur dans la structure de la cuve, les blocs de bordure, le fond de la cuve ou les phases liquides. Cette variante de l'invention peut être mise en oeuvre en raccordant la cellule d'électrolyse à un système d'aspiration apte à faire circuler un gaz caloporteur par dépression dans la ou chaque partie en matière poreuse.
Enfin, l'invention a aussi pour objet une installation industrielle de production d'aluminium, comprenant une pluralité de cuves d'électrolyse telles que précédemment définies, qui sont reliées par des collecteurs à un circuit de gaz caloporteur dirigé vers des moyens de récupération d'énergie, comprenant au moins un échangeur thermique externe et/ou au moins un générateur d'électricité. Dans l'ensemble, le système d'échangeur thermique proposé par l'invention possède les avantages suivants :
- Ce système d'échangeur thermique est d'une grande simplicité de réalisation, qui le rend économique et fiable ;
- Etant localisé au plus près de la source d'énergie thermique, le système permet une récupération optimale de cette énergie ; la valorisation de cette énergie est optimale car elle se fait à température élevée ;
- La mise en œuvre de l'invention ne nécessite pas de remise en cause de la structure de la cuve d'électrolyse, ce qui contribue à la simplicité et permet un post-équipement de cuves existantes ; - La récupération d'énergie est aisément modulable, en fonction de la température d'entrée du gaz caloporteur et de son débit, ce qui permet de participer à la régulation de l'intensité de service des cuves d'électrolyse en fonction des besoins de production ou des disponibilités en énergie électrique. Le système d'échangeur thermique sert à évacuer tout ou partie de l'énergie excédentaire par rapport à un point de fonctionnement déterminé ; - L'invention permet d'augmenter la précision de contrôle de l'épaisseur du talus de bain électrolytique figé qui protège les matériaux des parois latérales des cuves contre l'attaque chimique par l'aluminium liquide et le bain de sels fondus. Ceci permet, en association avec les points précédents, de développer de nouvelles cuves d'électrolyse à puissance spécifique notablement augmentée, et à bilan énergétique identique ou amélioré, avec la possibilité de moduler l'intensité de la cuve sans perturber l'équilibre thermique de la cuve.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titre d'exemples, divers modes de réalisation de cette cellule d'électrolyse avec cuve à parois latérales munies d'un échangeur thermique :
La figure 1 est une vue partielle en coupe verticale d'une cellule d'électrolyse conforme à la présente invention ; La figure 2 est une vue en coupe partielle, correspondant à la partie droite de la figure 1 , montrant une première variante de la cellule ;
La figure 3 est une vue similaire à la figure 2, illustrant une deuxième variante ;
Les figures 4 à 9 sont des vues similaires aux précédentes, illustrant encore d'autres variantes de la cellule, objet de l'invention ;
La figure 10 est une vue en coupe verticale, suivant X-X de figure 11 , d'une autre réalisation de cellule d'électrolyse selon l'invention ;
La figure 11 est une vue en plan par-dessus, partielle, de la cellule de la figure 10 ; La figure 12 représente un assemblage modulaire selon une variante avantageuse de l'invention.
La figure 13 est un schéma illustrant un mode de récupération de l'énergie thermique de cellules selon l'invention.
Comme le montre la figure 1 , une cuve d'électrolyse 22, utilisée dans la production de l'aluminium à partir d'alumine, comprend généralement :
- un caisson extérieur 2, en acier,
- un garnissage de sol 3 en matériau réfractaire,
- un creuset 40, destiné à être polarisé cathodiquement, formé en tout ou partie de blocs cathodiques 4 et d'une bordure 4', qui est typiquement formée de blocs de bordure en matériaux carbonés, - une arrivée de courant à la cathode, par des barres d'acier 5 horizontales, qui traversent le caisson 2 et sont scellées aux blocs cathodiques 4,
- des parois latérales de cuve 8, détaillées ci-après. Une cellule d'électrolyse 23 est formée par l'assemblage d'une cuve 22 et d'une ou plusieurs anodes carbonées 6, en partie supérieure, surmontant le creuset, et reliées à une arrivée de courant par des multipodes anodiques 7.
En service, le creuset 40 contient une couche d'aluminium liquide 9, surmontée d'un bain d'électrolyte fondu 10 à base de cryolithe dans lequel plonge chaque anode 6. L'ensemble formé par la couche d'aluminium liquide 9 et par le bain d'électrolyte 10 est entouré par une zone de bain solidifié, dite "talus" 11, proche des parois latérales 8 et en contact avec les blocs de bordure 4' du creuset 40. Vue en plan par-dessus, la cuve d'électrolyse possède une forme générale rectangulaire, avec deux grands côtés et deux petits côtés.
Une cellule d'électrolyse est habituellement associée à d'autres cellules similaires, disposées en file, avec des espaces libres (donc remplis d'air) entre les cuves de ces cellules. Comme l'illustre la partie droite de la figure 1 , les parois latérales 8 de la cuve d'électrolyse sont, conformément à la présente invention, divisées dans le sens de leur épaisseur en au moins deux parties adjacentes. Une première partie 12, située du côté intérieur et se trouvant ainsi au contact des blocs de bordure 4' (et éventuellement du talus 11) est réalisée en un matériau réfractaire dense, autant que possible étanche aux gaz, notamment sous la forme d'une pluralité de dalles à base de carbure de silicium (SiC).
Une seconde partie, située du côté extérieur, donc en regard de la face interne du caisson 2, est constituée ici, sur pratiquement toute sa hauteur, par une matière poreuse 13. La matière poreuse, qui est typiquement une mousse (de préférence une mousse en carbure de silicium), possède une porosité adaptée, typiquement comprise entre 10 et 90 ppi (soit entre environ 4 et 36 pores/cm), et de préférence comprise entre 20 et 70 ppi (soit entre environ 8 et 28 pores/cm), afin d'offrir une faible perte de charge tout en maintenant une capacité d'échange thermique élevée. L'épaisseur de la partie dense 12 peut être comprise entre 10 et
100 mm, et préférentiellement entre 30 et 50 mm, tandis que l'épaisseur de la partie en matière poreuse 13 est comprise entre 5 et 50 mm, préférentiellement entre 10 et 25 mm, et typiquement entre 15 et 25 mm. L'assemblage de ces deux parties 12 et 13, à leur interface 14, est réalisable au moyen d'une colle spécifique, sous forme de suspension ou de pâte, contenant un mélange d'une charge minérale d'une granulométrie moyenne inférieure à 250 μm, et une résine siliconée. Dans le cas d'une suspension, le mélange peut éventuellement contenir un solvant pour solubiliser la résine et former une suspension fluide. Les demandes internationales WO 03/033435 et WO 03/033436 décrivent des colles possibles. Un matériau fibreux, isolant thermique (non représenté), peut être introduit entre le caisson et la partie poreuse afin de réduire les pertes thermiques vers le caisson, en vue de leur récupération. Cet isolant peut également être mis en compression entre la paroi extérieure de la partie en matière poreuse 13, et la face interne du caisson 2. La partie en matière poreuse 13 est prévue pour être parcourue, de bas en haut dans la figure 1 , par de l'air qui est admis par un orifice d'entrée d'air 15, situé en partie basse de la paroi latérale 8, et qui est extrait par un orifice de sortie d'air 16, situé en partie haute de la paroi latérale 8.
L'air, qui n'est pas recyclé dans le cas illustré à la figure 1, est prélevé à l'extérieur de la cuve, et notamment dans un espace libre entre cuves, et il est admis par dépression suivant les flèches F1 dans l'orifice d'entrée d'air 15. Cet air, extrait par l'orifice de sortie d'air 16, parcourt suivant la flèche F2 une tubulure 17 raccordée à cet orifice 16 et parvient à un collecteur latéral 18, qui s'étend horizontalement le long d'un côté de la cuve et est lui-même relié à une centrale d'aspiration (non représentée). Le même collecteur 18 peut ainsi regrouper les flux d'air extraits de plusieurs échangeurs thermiques analogues, qui se succèdent le long d'une paroi latérale 8 de la cuve.
L'air parcourant les échangeurs thermiques, ainsi constitués, récupère de l'énergie thermique dégagée dans la cuve, et transfère cette énergie vers l'extérieur de la cuve. La gamme de flux de chaleur ainsi évacuée par les parois 8 de la cuve s'étend typiquement entre 1 et 35 kw/m2.
L'orifice de sortie d'air 16 est avantageusement pourvu d'un registre 19, permettant de régler la section de sortie de l'air. Selon une disposition inversée, illustrée par la figure 2 (sur laquelle les éléments correspondants sont désignés par les mêmes repères), l'orifice d'entrée d'air 15 est situé en partie haute tandis que l'orifice de sortie d'air 16 est situé en partie basse de la paroi latérale 8.
La figure 3 montre un mode de réalisation se rapprochant de celui de la figure 1, mais dans lequel la partie en matière poreuse 13 est subdivisée, dans le sens de la hauteur, en deux zones partielles poreuses successives 13a et 13b. Plus particulièrement, la zone partielle inférieure 13a possède une plus grande porosité, et la zone partielle supérieure 13b possède une plus petite porosité, propice à un échange thermique plus intense, cette zone partielle 13b se situant de préférence sensiblement à hauteur de la couche d'aluminium liquide 9 et du bain d'électrolyte 10. L'air parcourt ici successivement la zone partielle inférieure 13a puis la zone partielle supérieure 13b. Dans une variante non représentée, l'entrée d'air est située en partie haute de la paroi latérale, l'air parcourant dans ce cas d'abord la zone partielle supérieure 13b, puis la zone partielle inférieure 13a. La figure 4 représente une autre variante, dans laquelle la partie en matière poreuse 13 est subdivisée, dans le sens de la hauteur, en trois zones partielles poreuses successives, soit une zone partielle inférieure 13c, une zone partielle intermédiaire 13d et une zone partielle supérieure 13e.
La figure 5 représente encore une autre variante, se rapprochant de la réalisation selon la figure 3, mais comportant un orifice d'entrée d'air supplémentaire 20, situé au niveau de la transition entre la zone partielle poreuse inférieure 13a et la zone partielle poreuse supérieure 13b. Comme figuré par la flèche F3, un débit d'air additionnel est admis par dépression dans l'orifice d'entrée supplémentaire 20, et ce débit vient s'ajouter, à l'intérieur de la zone partielle supérieure 13b, au débit d'air admis par l'orifice d'entrée inférieur 15.
D'une manière inverse, il est aussi possible de conserver un orifice d'entrée d'air 15 unique, mais de multiplier les sorties d'air, comme l'illustre la figure 6 ; dans ce cas, les différents orifices de sortie d'air 16a, 16b et 16c, situés à des hauteurs distinctes sur la paroi latérale 8, possèdent chacun leur registre 19a, 19b ou 19c, et sont tous raccordés au même collecteur latéral 18, lui-même relié à la centrale d'aspiration.
D'autres combinaisons d'entrées et de sorties d'air, réparties sur la hauteur des parois latérales 8 de la cuve, sont encore envisageables, les réalisations précédemment détaillées n'étant que des exemples. La figure 7, sur laquelle les éléments correspondant à ceux décrits précédemment sont encore désignés par les mêmes repères, montre une autre forme de réalisation, dans laquelle la partie en matière poreuse 13, constitutive de l'échangeur thermique, s'étend seulement sur une fraction de la hauteur totale des parois latérales 8 de la cuve d'électrolyse, par exemple sur environ la moitié de la hauteur de ces parois. En particulier, la partie en matière poreuse 3 est ici présente dans la moitié supérieure de cette hauteur de parois, de manière à se situer aussi à hauteur de la couche d'aluminium liquide 9 et du bain d'électrolyte 10. L'orifice d'entrée d'air 15 se situe ainsi environ à mi- hauteur de la paroi latérale 8, tandis que l'orifice de sortie d'air 16 se situe en partie haute. Bien entendu, à l'instar des exemples précédents, une inversion de la position de l'entrée d'air et de la sortie d'air est ici possible.
Comme le montre la figure 8, également dans le cas d'une partie en matière poreuse 13 ne s'étendant que sur une fraction de la hauteur des parois latérales 8, cette partie en matière poreuse reste divisible en deux ou plusieurs zones partielles, dans cet exemple une zone partielle supérieure 13a et une zone partielle inférieure 13b de porosités différentes. Une entrée ou une sortie d'air supplémentaire pourrait être prévue au niveau de la jonction des deux zones partielles poreuses 13a et 13b. La hauteur de la partie en matière poreuse 13 peut être encore davantage réduite, et ne représenter par exemple qu'environ un tiers de la hauteur totale des parois latérales 8 de la cuve, comme l'illustre la figure 9.
Dans tous les modes de réalisation précédemment décrits, en référence aux figures 1 à 9, les orifices d'entrée et de sortie d'air, quel que soit leur nombre, sont répartis sur la hauteur des parois latérales 8 de la cuve.
Dans un autre type de réalisation, qu'illustrent les figures 10 et 11 , les orifices d'entrée 15 et de sortie 16 sont situés à la même hauteur, aux deux extrémités horizontalement opposées des parties en matière poreuse 13 successives, ayant une extension horizontale. Comme le montre plus particulièrement la figure 11, chaque partie en matière poreuse 13 s'étend horizontalement le long de plusieurs dalles 12 adjacentes constitutives des parois latérales 8. Chaque partie en matière poreuse 13 possède ainsi une longueur très supérieure à celle des dalles 12 et des espaces entre berceaux 21 du caisson 2. Comme précédemment, les orifices de sortie 16 sont raccordés à des collecteurs 18 qui s'étendent le long des côtés de la cuve d'électrolyse. Dans une variante non illustrée, découlant de la réalisation précédente, les parties en matière poreuse se rejoignent pour former, sur le périmètre de la cuve d'électrolyse, un bandeau continu avec une alternance d'orifices d'entrée et de sortie. Dans tous les cas, en vue de forcer la circulation de l'air ou d'un autre gaz caloporteur dans les parties en matière poreuse 13, il est possible d'étanchéifier les surfaces latérales ou terminales de ces parties en matière poreuse, par imprégnation ou colmatage, en évitant ainsi toutes fuites et pertes d'air ou de gaz. La figure 12 illustre un assemblage modulaire de sections poreuses selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention. Le dessin montre deux modules adjacents 30 vus, en (A) selon la coupe A-A de la figure 12 (B), en (B) selon les coupes B-B et B'-B' de la figure 12 (A), et en (C) selon la coupe C-C de la figure 12 (A). Dans ce mode de réalisation, les modules 30 sont composites et ont un premier côté 31 destiné à être dans le bas de l'échangeur thermique et un deuxième côté 32 destiné à être dans le haut de l'échangeur thermique.
Les modules comportent au moins une première 13a et une deuxième 13b sections poreuses et des canalisations internes 51 , 52, 53 aptes à faire circuler le gaz caloporteur suivant des trajets préférentiels. Les points d'entrée 15 et de sortie 16 se situent de préférence dans une partie des modules 30 destinée à être dans la partie haute de l'échangeur thermique. Lesdites première et deuxième sections poreuses 13a, 13b peuvent être des dalles distinctes juxtaposées ou des parties d'une même dalle poreuse. Dans l'exemple illustré, les modules 30 possèdent une canalisation descendante 51 apte à diriger le flux de gaz caloporteur vers la partie basse de la première section poreuse 13a, une première canalisation horizontale 52 apte à répartir le flux de gaz caloporteur le long de la première section poreuse 13a et une deuxième canalisation horizontale 53 apte à recueillir le gaz caloporteur provenant de la deuxième section poreuse 13b. Les parois 43, 44, 45, 46 desdites canalisations 51 , 52, 53 peuvent être formées à l'aide d'éléments métalliques ou céramiques, telles que des tubes, par moulage et/ou par colmatage des surfaces poreuses à l'aide de colles ou de ciments réfractaires.
La première section poreuse 13a possède une première porosité, et notamment un premier nombre de pores par unité de longueur. La deuxième section poreuse 13b possède une deuxième porosité, et notamment un deuxième nombre de pores par unité de longueur. Le nombre de pores par unité de longueur est typiquement exprimé en ppi ou en pores par cm.
Ces modules composites présentent l'avantage de favoriser une vitesse de circulation du gaz caloporteur sensiblement verticale et uniforme, ce qui permet d'éviter la formation d'un gradient thermique le long des parois d'une cuve qui pourrait être préjudiciable à la forme du talus de bain solidifié.
Ces modules composites 30 comportent avantageusement une dalle de support 12 en matériau thermiquement conducteur, typiquement un matériau céramique dense tel que défini plus haut, destiné à se situer du côté intérieur de la cuve, typiquement en contact avec la bordure 4". Ces modules composites 30 peuvent en outre comporter une couche de matériau thermiquement isolant 29, typiquement une fibre, destiné à se situer du côté extérieur de la cuve, typiquement en contact avec la face interne du caisson 2.
Ces modules composites peuvent être juxtaposés de manière à placer une entrée 15, généralement plus froide, à proximité d'une sortie 16, généralement plus chaude, ce qui favorise une plus grande uniformité de la température par compensation mutuelle, notamment par l'intermédiaire d'une éventuelle dalle de support 12 thermiquement conductrice.
La première section poreuse 13a de situe avantageusement au niveau de la hauteur moyenne de l'interface entre l'aluminium liquide 9 et le bain d'électrolyte liquide 10 dans la cuve en fonctionnement, de façon à assurer un échange thermique plus important grâce à une plus grande porosité et grâce à la canalisation vers la première section poreuse 13a de tout ou partie du gaz caloporteur provenant directement de l'entrée 15. Dans les cas où le niveau de l'interface entre l'aluminium liquide 9 et le bain d'électrolyte liquide 10 se situe au niveau de la première section poreuse 13a, la première porosité est de préférence supérieure à la deuxième porosité. Par exemple, le premier nombre de pores par unité de longueur est, dans ces cas, typiquement compris entre 50 et 70 ppi et le deuxième nombre de pores par unité de longueur est typiquement compris entre 30 et 50 ppi.
Les modules composites 30 illustrés à la figure 12 peuvent être obtenus par un procédé comportant :
- la fourniture d'une dalle de support 12 en céramique thermiquement conductrice ; - la fourniture d'une première dalle poreuse 13a et d'une deuxième dalle poreuse 13b ou la fourniture d'une dalle poreuse ayant une première partie poreuse 13a et une deuxième partie poreuse 13b ;
- optionnellement, la fourniture d'un matériau thermiquement isolant 29 ;
- le collage de ladite ou desdites dalles poreuses sur la dalle de support 12, de façon à former à colmater les porosités et à former une surface étanche 41 et un contact thermique efficace à leur interface 14, c'est-à-dire entre une surface déterminée de la dalle support et une surface déterminée de ladite ou desdites dalles poreuses ;
- le collage éventuel du matériau isolant 29 sur une surface opposée de ladite ou desdites dalles poreuses, de façon à colmater les porosités et à former une surface étanche 42 ;
- le colmatage des côtés latéraux 44, 47 de ladite ou desdites dalles poreuses afin de les rendre en tout ou partie étanches ;
- la formation des canalisations 51, 52, 53.
Lesdites collages et colmatages peuvent être réalisés à l'aide d'une colle réfractaire telle que celle décrite plus haut.
La figure 13 illustre enfin, très schématiquement et à titre d'exemple, un mode de récupération de l'énergie thermique récupérée dans plusieurs cuves d'électrolyse, telles que précédemment décrites. L'air ou le gaz caloporteur, issu des différentes cellules 23 d'une installation industrielle de production d'aluminium, et notamment récupéré dans les collecteurs latéraux 18, est dirigé vers la centrale d'aspiration puis dans un circuit 24 d'amenée vers un échangeur thermique externe 25 pour des applications de chauffage, ou de génération d'électricité qui peut être directement utilisée dans les cuves de l'installation, qui par nature sont consommatrices d'électricité. Cet arrangement peut également être utilisé pour réduire la température ambiante des salles d'électrolyse par évacuation à l'extérieur de la salle d'électrolyse de la chaleur produite par les cuves.
Des essais ont été réalisés avec une plaque en matériau poreux céramique afin d'évaluer les capacités d'échange thermique accessibles avec les matériaux selon l'invention. Un échangeur thermique a été fabriqué en collant sur une plaque de matériau dense à base de carbure de silicium, lié avec du nitrure de silicium, d'une épaisseur de 40 mm, une plaque de 25 mm de mousse céramique poreuse en carbure de silicium dont la porosité est de 20 ppi (8 pores/cm) et représente un volume poreux de 88 %. La conductivité thermique effective de la plaque poreuse était comprise entre 0,50 et 1 W.nrr 1.K"1. La colle était un coulis réfractaire. L'échangeur thermique a été disposé à l'entrée d'un four à la place de la porte au moyen d'un bâti métallique. Le dispositif d'échange thermique était isolé au moyen de matériau fibreux autour du bâti. Des thermocouples placés à différents, endroits notamment au niveau de l'entrée et de la sortie du fluide caloporteur, ont permis de quantifier l'échange thermique dans la zone poreuse. La surface exposée face au four représentait 400 cm2.
Le four a été chauffé à une température fixée, puis maintenu à cette température pendant la série d'essais, le débit d'air circulant dans l'échangeur étant maîtrisé au moyen d'un débitmètre.
Le tableau I reporte en fonction du débit du fluide caloporteur, à savoir de l'air, la température de sortie de l'air réchauffé et le flux de chaleur récupéré par l'échangeur. Ces essais montrent que lorsque le débit d'air de refroidissement augmente, la température de l'air en sortie diminue et le flux de chaleur récupéré augmente.
Tableau I
Figure imgf000020_0001
Les inventeurs estiment que l'augmentation du nombre de pores, à densité comparable, n'augmente pas sensiblement la perte de charge dans le milieu poreux jusqu'à environ 60 ppi, tout en augmentant la surface d'échange thermique avec le gaz caloporteur.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation de cette cuve d'électrolyse qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemple ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes respectant le même principe. C'est ainsi, notamment, que l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention par une modification de la nature des matériaux, notamment en ce qui concerne les matériaux poreux constitutifs de l'échangeur thermique, qui peut aussi être métallique, ou mixte (telle qu'une combinaison de carbure de silicium et de métal). Dans le même ordre d'idées, le nombre et les positions des orifices d'entrée et de sortie de l'air ou du gaz caloporteur, relativement aux parties ou zones poreuses, sont largement variables sans que l'on s'écarte du cadre de l'invention. Enfin, les modes d'utilisation et/ou de conversion de l'énergie thermique récupérée sont largement variables.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cuve d'électrolyse (22), utilisable pour la production d'aluminium, comportant des parois latérales (8) munies d'un échangeur thermique apte à être parcouru par un gaz caloporteur, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent, sur au moins une fraction de leur hauteur et de leur épaisseur, au moins une partie en matière poreuse (13) apte à permettre une circulation du gaz caloporteur, la ou chaque partie en matière poreuse (13) étant raccordée à des moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur.
2. Cuve d'électrolyse selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la matière poreuse (13) se présente sous forme de mousse.
3. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) est formée d'un matériau choisi parmi les métaux, les alliages métalliques et les céramiques dont la conductivité thermique intrinsèque est supérieure à 5 W/m.K et un mélange ou une combinaison de ces matériaux.
4. Cuve d'électrolyse selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite céramique contient majoritairement du carbure de silicium, du nitrure de silicium et/ou du nitrure d'aluminium.
5. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que la matière poreuse (13) est une mousse céramique contenant au moins 70 % en poids de céramique thermiquement conductrice.
6. Cuve d'électrolyse selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit métal ou alliage métallique a un coefficient de dilatation thermique inférieur à 25.10"6 K-1.
7. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie en matière poreuse (13) possède une porosité supérieure à 70 %.
8. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la partie en matière poreuse (13) est formée par une ou plusieurs dalles poreuses.
9. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie en matière poreuse (13) est comprise entre 5 et 50 mm.
10. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent au moins une première partie en matériau dense (12) située du côté intérieur de ces parois (8), et au moins une deuxième partie réalisée au moins partiellement en matière poreuse (13) située entre la première partie (12) et le caisson extérieur (2) de la cuve.
11. Cuve d'électrolyse selon la revendication 10, caractérisée en ce que le matériau dense est un matériau céramique contenant au moins 70 % en poids de carbure de silicium.
12. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 11, caractérisée en ce que la partie en matériau dense (12) possède une porosité inférieure à 20 %.
13. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que les première et deuxième parties des parois latérales (8), à savoir la partie intérieure en matériau dense (12) et la partie extérieure en matière poreuse (13), sont réunies par une matière réfractaire (14).
14. Cuve d'électrolyse selon la revendication 13, caractérisée en ce que les première et deuxième parties des parois latérales sont réunies par une colle, sous forme de suspension, contenant un mélange de charge minérale d'une granulométrie moyenne inférieure à 250 μm, une résine siliconée et un solvant organique assurant la solubilisation de la résine et la rhéologie de la suspension.
15. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisée en ce que la partie en matière dense (12) est formée par une ou plusieurs dalles de structure monolithique.
16. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications
10 à 14, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent une structure formée à partir de dalles monolithiques, réalisées dans un matériau à porosité variable dans le sens de l'épaisseur desdites parois latérales (8).
17. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisée en ce que l'épaisseur de la partie dense (12) est comprise entre 10 et 100 mm.
18. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que ladite partie en matière poreuse (13) s'étend sur sensiblement toute la hauteur des parois latérales (8) de la cuve.
19. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisée en ce que ladite partie en matière poreuse (13) s'étend sur une portion limitée de la hauteur totale des parois latérales (8) de la cuve.
20. Cuve d'électrolyse selon la revendication 19, caractérisée en ce que ladite partie en matière poreuse (13) s'étend sur une fraction de l'ordre d'un tiers à une moitié de la hauteur des parois latérales (8) de la cuve.
21. Cuve d'électrolyse selon la revendication 19 ou 20, caractérisée en ce que ladite partie en matière poreuse (13) chevauche l'interface entre la couche d'aluminium liquide (9) et le bain de sels fondus (10).
22. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 21 , caractérisée en ce que la matière poreuse (13) présente des caractéristiques variables, notamment de porosité, épaisseur et/ou conductivité thermique, sur la hauteur de la partie poreuse (13), afin d'obtenir, dans le sens de la hauteur, des zones successives (13a, 13b ; 13c, 13d, 13e) possédant des caractéristiques différentes d'échange thermique.
23. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisée en ce que les moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur sont situées en partie haute et en partie basse de la ou de chaque partie en matière poreuse (13).
24. Cuve d'électrolyse selon la revendication 23, caractérisée en ce que les moyens d'entrée (15) et de sortie (16) du gaz caloporteur sont situés en partie haute et en partie basse des parois latérales (8) de la cuve.
25. Cuve d'électrolyse selon l'ensemble des revendications 22 et 23, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins une entrée (20) et/ou une sortie
(16a, 16b) additionnelle du gaz caloporteur située à hauteur intermédiaire.
26. Cuve d'électrolyse selon la revendication 25, caractérisée en ce que l'entrée (20) et/ou la sortie (16a, 16b) additionnelle du gaz caloporteur est située au niveau de la transition entre deux zones successives (13a, 13b ; 13c, 13d, 13e).
27. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, caractérisée en ce que les moyens d'entrée et de sortie du gaz caloporteur sont répartis sur la dimension horizontale d'une partie en matière poreuse (13) des parois latérales (8) de la cuve.
28. Cuve d'électrolyse selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'entrée (15) et la sortie (16) sont disposées respectivement aux deux extrémités horizontalement opposées d'une partie en matière poreuse (13).
29. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, caractérisée en ce que la ou les entrées (15) de gaz caloporteur possèdent des orifices situés au dessus du niveau de liquide dans la cuve, c'est-à-dire en partie haute du caisson (2) ou sur la périphérie du caisson (2).
30. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 29, caractérisée en ce qu'il est prévu au moins un collecteur latéral (18), raccordé à une pluralité de sorties (16) du gaz caloporteur.
31. Cuve d'électrolyse selon la revendication 30, caractérisée en ce que chaque côté de la cuve est équipé d'au moins un collecteur (18), tous les collecteurs pouvant être raccordés à une centrale d'aspiration commune.
32. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 31 , caractérisée en ce que la section de passage des orifices d'entrée et de sortie (15, 16) du gaz caloporteur, ou de certains d'entre eux, est réglable au moyen de registres (19).
33. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 32, caractérisée en ce que le gaz caloporteur utilisé est de l'air, et en ce que les entrées d'air (16) sont ouvertes sur l'atmosphère environnante.
34. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications
1 à 32, caractérisée en ce que le gaz caloporteur utilisé est de l'air, un gaz inerte ou un mélange d'air et de gaz inerte, et en ce que ce gaz caloporteur est recyclé par un réseau de distribution ramenant vers les orifices d'entrée (15) l'air ou le gaz prélevé aux orifices de sortie (16).
35. Cuve d'électrolyse selon la revendication 34, caractérisée en ce qu'elle combine les modes de réalisation sans recyclage et avec recyclage de l'air, au moyen de vannes d'admission directe de l'air situées en différents points du réseau de distribution.
36. Cuve d'électrolyse selon la revendication 35, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des vannes d'isolation aptes à isoler les unes des autres différentes portions du réseau de distribution.
37. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 36, caractérisée en ce qu'un isolant thermique (29) est disposé entre la partie en matière poreuse (13) et le caisson (2) de la cuve.
38. Cuve d'électrolyse selon la revendication 37, caractérisée en ce que l'isolant thermique est un matériau fibreux.
39. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 37 ou 38, caractérisée en ce que l'isolant forme une couche sensiblement verticale dont l'épaisseur est comprise entre 10 et 100 mm.
40. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 39, caractérisée en ce qu'elle est raccordée à un système d'aspiration apte à faire circuler un gaz caloporteur par dépression dans la ou chaque partie en matière poreuse (13).
41. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications 1 à 40, caractérisée en ce que les parois latérales (8) de la cuve comportent en outre au moins une canalisation (51 , 52, 53) apte à faire circuler le gaz caloporteur suivant un trajet préférentiel en direction du bas de la partie poreuse et/ou en provenance du haut de la partie poreuse, de façon à favoriser une vitesse de circulation du gaz caloporteur sensiblement verticale et uniforme.
42. Cuve d'électrolyse selon l'une quelconque des revendications
1 à 41 , caractérisée en ce que la ou les parties poreuses (13) sont assemblées sous forme de module (30).
43. Cuve d'électrolyse selon la revendication 42, caractérisée en ce que ledit module (30) comporte au moins une première section poreuse (13a) ayant une première porosité, une deuxième section poreuse (13b) ayant une deuxième porosité et étant disposée de manière à être située au dessus de la première section poreuse dans lesdites parois latérales (8) de cuve, la première porosité étant supérieure à la deuxième porosité, une première canalisation horizontale (52) apte à répartir le flux de gaz caloporteur le long de la première section poreuse (13a) et une deuxième canalisation horizontale (53) apte à recueillir le gaz caloporteur provenant de la deuxième section poreuse (13b).
44. Cuve d'électrolyse selon la revendication 43, caractérisée en ce que ledit module comporte une entrée (15) pour l'admission du gaz caloporteur et une sortie (16) pour l'extraction du gaz caloporteur, et en ce que l'entrée (15) et la sortie (16) se situent dans une partie du module (30) destinée à être dans la partie haute dudit échangeur thermique.
45. Cellule d'électrolyse comportant une cuve selon l'une quelconque des revendications 1 à 44.
46. Installation industrielle de production d'aluminium, comprenant une pluralité de cuves d'électrolyse (22) selon l'une quelconque des revendications 1 à 45, reliées par des collecteurs (18) et par une centrale d'aspiration à un circuit de gaz caloporteur (24) dirigé vers des moyens de récupération d'énergie, comprenant au moins un échangeur thermique (25) et/ou au moins un générateur d'électricité.
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