WO2011144862A2 - Procede et dispositif de desencrassement d'echangeur de chaleur - Google Patents

Procede et dispositif de desencrassement d'echangeur de chaleur Download PDF

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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28G—CLEANING OF INTERNAL OR EXTERNAL SURFACES OF HEAT-EXCHANGE OR HEAT-TRANSFER CONDUITS, e.g. WATER TUBES OR BOILERS
    • F28G9/00—Cleaning by flushing or washing, e.g. with chemical solvents
    • 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
    • C25C3/22—Collecting emitted gases

Definitions

  • the present invention relates to the de-encreasing heat exchanger, and more particularly to the de-encreasing heat exchanger used for cooling the electrolysis cell gases during the production of aluminum.
  • the hot gas charged with dust and pollutants circulates outside and perpendicularly to the tubes in which circulates a cool heat transfer fluid.
  • the hot gas thereby cools by heat transfer to the cold heat transfer fluid which heats up.
  • a deposit of particles is formed on the outer surface of the tubes. The thickness and consistency of this deposit depends on the operating conditions and the nature of the pollutants.
  • This filter has the role of capturing the majority of the dust upstream of the heat exchanger thus limiting its fouling.
  • a continuous measurement of the pressure drop of this trap makes it possible to inform about its level of fouling and the need for its replacement or its cleaning. It may consist of a grid or a set of sieves and must be easily removable.
  • two filters are placed in parallel on two separate circuits alternately supplying the exchanger. Isolating members placed upstream and downstream of the filters make it possible to disassemble a filter arranged in one circuit and to clean it while retaining normal operation in the other circuit.
  • It consists mainly of a process of de-fouling heat exchangers used for cooling gas charged with dust and pollutants, especially from igneous electrolysis cells during the manufacture of aluminum; said gas being adapted to pass through a flow circuit comprising at least one heat exchanger adapted to cool said gas, and distribution members adapted to move in said duct, comprising a step of moving said dispensing members between a first position wherein said gas passes through the heat exchanger in a first direction of circulation, and a second position wherein said gas passes through the heat exchanger in a second direction of flow opposite to the first direction of flow.
  • the displacement step is repeated periodically.
  • the flow circuit comprises a primary circuit for passing said gas, a secondary circuit for passing said gas; said secondary circuit comprising a circuit portion common to the primary circuit; said heat exchanger being disposed in said circuit portion characterized in that said first position is an open position of a portion of the primary circuit and closure of a portion of the secondary circuit, and said second position is a position opening a portion of the secondary circuit and closing a portion of the primary circuit.
  • the operating time in each direction of circulation of the gas to be cooled is substantially identical so as to avoid the preferential accumulation of deposition on one of the half-faces of the tubes.
  • the delay between two reversals of the flow direction of the gas to be cooled is adapted according to the clogging speed of the exchanger. It can for example be performed once every 3 to 10 days. And it can be done automatically or manually.
  • Part of the particles torn off the accumulated deposits on the tubes of the heat exchanger is carried away by the hot gas. It is then captured by the gas purification unit that is usually found downstream on aluminum manufacturing facilities. Heavier particles may also fall under the heat exchanger where they are collected in a hopper.
  • This method also has the advantage of not requiring the intervention of maintenance personnel at each de-fouling operation. This is necessary only to evacuate the solid deposits collected at the bottom of the hopper when it is full.
  • the invention also consists in a device for de-fouling a heat exchanger used for cooling gas charged with dust and pollutants, especially from igneous electrolysis cells during the manufacture of aluminum, said device comprising at least one exchanger heat source adapted to cool said gas, further comprising distribution members adapted to move between a first position in which said gas passes through the heat exchanger in a first direction of circulation and a second position in which said gas passes through the heat exchanger in a second direction of traffic opposite to the first direction of circulation.
  • the device comprises:
  • the device comprises a control unit adapted to control the periodic movement of said dispensing members.
  • Fig. l represents a schematic view of a de-fouling device according to the state of the art with a filter upstream of the exchanger
  • Fig. 2 is a schematic view of the section of a tube of a heat exchanger showing an example of solid deposition
  • FIG. 3 is a schematic view of an exemplary embodiment of the invention.
  • heat exchanger is used in the singular in the present description to designate one or more heat exchangers. These heat exchangers comprise one or more tubes or channels for circulating a heat transfer fluid.
  • FIG. 1 of the drawings we can see, schematically represented, a tubular heat exchanger 2 placed in a hot gas flow circuit 1 flowing in the direction represented by the arrow 4. Upstream of the heat exchanger 2, a filter 16 can trap the dust carried by the hot gas.
  • a cold heat transfer fluid inside the heat exchanger is shown against the current relative to the hot gas 3.
  • FIG. 2 of the drawings schematically shown, a tube 5 of the heat exchanger 2.
  • the hot gas 3 flows outside the tubes in the direction shown by the arrow 4.
  • the cold heat transfer fluid 6 circulates inside the tubes.
  • the tubes 5 have an ellipsoidal shape to limit the solid deposition 7 of dust and pollutants on the outer face of the tubes.
  • This device 9 comprises a hot gas flow circuit 1 charged with dust and pollutants flowing in the direction represented by the arrow 4.
  • This hot gas comes, for example, from the electrolytic cell of an aluminum manufacturing device. .
  • the device 9 comprises a primary circuit in which the hot gas circulates when it passes through the exchanger 2 in a first flow direction SI, and a secondary circuit 1b in which the hot gas circulates. when it passes through the exchanger 2 in a second flow direction S2, opposite to the first direction of flow SI.
  • the heat exchanger 2 is placed in a circuit portion 10 common to the two circuits 1a and 1b.
  • the orientation of the hot gas to the primary circuit or to the secondary circuit lb is ensured by the combination of distribution members 6, 7 and 8.
  • These dispensing members 6, 7, 8 comprise for example pivoting flaps, rotary valves or guillotines. These distribution members 6, 8, and 9 are moved between a position 6a, 7a, 8a for opening the primary circuit and for closing the secondary circuit 1b to circulate the gas 3 in the primary circuit 1a through the exchanger of heat 2 in the first direction of circulation SI; and a position 6b, 7b, 8b of opening of the secondary circuit 1b and closing of the primary circuit 1a to circulate the gas 3 in the secondary circuit 1b and through the heat exchanger 2 in the second direction of circulation S2 , opposed to the first sense.
  • the unclogging device 9 further comprises a control unit 20 able to control the displacement of said dispensing members 7, 8, 9.
  • the distribution members 7, 8, 9 are moved periodically.

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Abstract

Procédé de désencrassement d'échangeur de chaleur (2) utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium; ledit gaz étant apte à traverser un circuit d'écoulement (1) comprenant au moins un échangeur de chaleur (2) apte à refroidir ledit gaz (3), et des organes de distribution (6, 7, 8) propres à se déplacer dans ledit conduit (1), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de déplacement desdits organes de distribution (6, 7, 8) entre une première position (6a, 7a, 8a) dans laquelle ledit gaz (3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un premier sens de circulation (S1), et une seconde position (6b, 7b, 8b) dans laquelle ledit gaz (3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un second sens de circulation (S2) opposé au premier sens de circulation (S1).

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DESENCRASSEMENT
D'ECHANGEUR DE CHALEUR.
La présente invention est relative au désencrassement d'échangeur de chaleur, et plus particulièrement au désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement des gaz de cuves d'électrolyse lors de la production d'aluminium. Les échangeurs de chaleur utilisés pour le refroidissement de gaz chargés en poussières et en composants gazeux susceptibles de se condenser sur les parois de l'échangeur et de constituer un dépôt solide, s'encrassent pendant leur fonctionnement. Les dépôts solides obtenus ayant généralement une faible conductivité thermique, leur accumulation sur les tubes des échangeurs conduit à diminuer leur efficacité thermique.
Dans la suite de ce document, nous désignerons par le terme générique « polluants » les composants gazeux susceptibles de se condenser sur les parois de l'échangeur et de constituer avec les poussières un dépôt solide. Nous utiliserons également l'expression « le gaz » pour désigner les gaz chauds à refroidir, qu'il s'agisse d'un gaz unique ou d'un mélange de gaz.
Pour ce type d'application, le gaz chaud chargé en poussières et polluants circule à l'extérieur et perpendiculairement aux tubes dans lesquels circule un fluide caloporteur froid. Le gaz chaud se refroidit ainsi par transfert de chaleur vers le fluide caloporteur froid qui s'échauffe. Pendant ce fonctionnement, un dépôt de particules se forme sur la surface externe des tubes. L'épaisseur et la consistance de ce dépôt dépend des conditions d'exploitation et de la nature des polluants. Pour limiter la formation de dépôt de poussières et polluants sur la surface extérieure des tubes d'échangeur, il est communément mis en place un filtre en amont de l'échangeur.
Ce filtre a pour rôle de capter la majorité des poussières en amont de l'échangeur de chaleur limitant ainsi son encrassement. Une mesure en continu de la perte de charge de ce piège permet d'informer sur son niveau d'encrassement et sur la nécessité de son remplacement ou de son nettoyage. Il peut être constitué d'une grille ou d'un ensemble de tamis et doit être facilement démontable. Parfois, deux filtres sont placés en parallèles sur deux circuits distincts alimentant alternativement l'échangeur. Des organes d'isolement placés en amont et en aval des filtres permettent de procéder au démontage d'un filtre disposé dans un circuit et à son nettoyage tout en conservant un fonctionnement normal dans l'autre circuit.
Pour le refroidissement des gaz provenant de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium, cette solution n'est pas satisfaisante car l'encrassement du filtre est rapide et nécessite de fréquentes interventions du personnel de maintenance. L'invention proposée permet de réaliser le désencrassement des échangeurs sans ces inconvénients.
Elle consiste principalement en un procédé de désencrassement d'échangeurs de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium ; ledit gaz étant apte à traverser un circuit d'écoulement comprenant au moins un échangeur de chaleur apte à refroidir ledit gaz, et des organes de distribution propres à se déplacer dans ledit conduit, comprenant une étape de déplacement desdits organes de distribution entre une première position dans laquelle ledit gaz traverse l'échangeur de chaleur dans un premier sens de circulation, et une seconde position dans laquelle ledit gaz traverse l'échangeur de chaleur dans un second sens de circulation opposé au premier sens de circulation.
En variante, l'étape de déplacement est répétée périodiquement.
En variante, le circuit d'écoulement comprend un circuit primaire de passage dudit gaz, un circuit secondaire de passage dudit gaz ; ledit circuit secondaire comprenant une portion de circuit commune au circuit primaire ; ledit échangeur de chaleur étant disposé dans ladite portion de circuit caractérisé en ce que ladite première position est une position d'ouverture d'une partie du circuit primaire et de fermeture d'une partie du circuit secondaire, et ladite seconde position est une position d'ouverture d'une partie du circuit secondaire et de fermeture d'une partie du circuit primaire.
Le temps de fonctionnement dans chaque sens de circulation du gaz à refroidir est sensiblement identique de sorte d'éviter l'accumulation préférentielle de dépôt sur l'une des ½ faces des tubes.
Le délai entre deux inversions du sens de circulation du gaz à refroidir est adapté en fonction de la vitesse d'encrassement de l'échangeur. Il peut par exemple être réalisé une fois tous les 3 à 10 jours. Et il peut se faire automatiquement ou manuellement.
Une partie des particules arrachées aux dépôts accumulés sur les tubes de l'échangeur de chaleur est emporté par le gaz chaud. Elle est ensuite captée par l'unité d'épuration du gaz que l'on trouve habituellement en aval sur les installations de fabrication d'aluminium. Des particules plus lourdes peuvent également tomber sous l'échangeur de chaleur où elles sont récupérées dans une trémie.
Ce procédé présente également l'avantage de ne pas nécessiter l'intervention du personnel d'entretien à chaque opération de désencrassement. Celle-ci n'est nécessaire que pour évacuer les dépôts solides recueillis au fond de la trémie lorsqu'elle est remplie.
L'invention consiste également en un dispositif de désencrassement d'échangeur de chaleur utilisé pour le refroidissement de gaz chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium, ledit dispositif comprenant au moins un échangeur de chaleur apte à refroidir ledit gaz, comprenant en outre des organes de distribution propres à se déplacer entre une première position dans laquelle ledit gaz traverse l'échangeur de chaleur dans un premier sens de circulation et une seconde position dans laquelle ledit gaz traverse l'échangeur de chaleur dans un second sens de circulation opposé au premier sens de circulation.
En variante, le dispositif comprend :
- un circuit primaire de passage dudit gaz, - un circuit secondaire de passage dudit gaz; ledit circuit secondaire comprenant une portion de circuit du circuit primaire ; ledit échangeur de chaleur étant disposé dans ladite portion de circuit. En variante, le dispositif comprend une unité de commande propre à commander le déplacement périodique desdits organes de distribution.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation, décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins :
- Fig. l représente une vue schématique d'un dispositif de désencrassement selon l'état de la technique avec un filtre en amont de l'échangeur,
- Fig. 2 représente une vue schématique de la section d'un tube d'un l'échangeur de chaleur montrant un exemple de dépôt solide,
- Fig. 3 représente une vue schématique d'un exemple de réalisation de l'invention.
Le terme « échangeur de chaleur » est employé au singulier dans la présente description pour désigner un ou plusieurs échangeurs de chaleur. Ces échangeurs de chaleur comprennent un ou plusieurs tubes ou canaux de circulation d'un fluide caloporteur.
En se reportant à la Fig. 1 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un échangeur de chaleur 2 tubulaire placé dans un circuit 1 d'écoulement de gaz chaud 3 circulant selon la direction représentée par la flèche 4. En amont de l'échangeur de chaleur 2, un filtre 16 permet de piéger les poussières portées par le gaz chaud. Sur cette figure, uniquement à titre d'exemple, l'écoulement d'un fluide caloporteur froid à l'intérieur de l'échangeur de chaleur est représenté à contre courant par rapport au gaz chaud 3. En se reportant à la Fig. 2 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un tube 5 de l'échangeur de chaleur 2. Le gaz chaud 3 circule à l'extérieur des tubes selon la direction représentée par la flèche 4. Le fluide caloporteur froid 6 circule à l'intérieur des tubes. Les tubes 5 ont une forme ellipsoïdale pour limiter le dépôt solide 7 de poussières et polluants sur la face extérieure des tubes.
En se reportant à la Fig. 3 des dessins, on peut voir, schématiquement représenté, un exemple de dispositif de désencrassement 9 selon l'invention. Ce dispositif 9 comprend un circuit 1 d'écoulement de gaz chaud chargé en poussières et polluants circulant selon la direction représentée par la flèche 4. Ce gaz chaud provient, par exemple, de cuve d'électrolyse d'un dispositif de fabrication d'aluminium.
Le dispositif 9 selon l'invention comprend un circuit primaire la dans lequel circule le gaz chaud lorsque celui-ci passe au travers de l'échangeur 2 dans un premier sens d'écoulement SI, et un circuit secondaire lb dans lequel circule le gaz chaud lorsque celui-ci passe au travers de l'échangeur 2 dans un second sens d'écoulement S2, opposé au premier sens d'écoulement SI . L'échangeur de chaleur 2 est placé dans une portion de circuit 10 commune aux deux circuits la et lb.
Dans cet exemple de réalisation, l'orientation du gaz chaud vers le circuit primaire la ou vers le circuit secondaire lb est assurée par la combinaison d' organes de distribution 6, 7 et 8.
Ces organes de distribution 6, 7, 8 comprennent par exemple des volets pivotants, des vannes rotatives ou des guillotines. Ces organes de distribution 6, 8, et 9 sont déplacés entre une position 6a, 7a, 8a d'ouverture du circuit primaire et de fermeture du circuit secondaire lb pour faire circuler le gaz 3 dans le circuit primaire la au travers de l'échangeur de chaleur 2 dans le premier sens de circulation SI; et une position 6b, 7b, 8b d'ouverture du circuit secondaire lb et de fermeture du circuit primaire la pour faire circuler le gaz 3 dans le circuit secondaire lb et au travers de l'échangeur de chaleur 2 dans le second sens de circulation S2, opposé au premier sens.
Le dispositif de désencrassement 9 selon l'invention comprend en outre une unité de commande 20 propre à commander le déplacement desdits organes de distribution 7, 8, 9. Avantageusement, les organes de distribution 7, 8, 9 sont déplacés périodiquement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de désencrassement d' échangeur de chaleur (2) utilisé pour le refroidissement de gaz (3) chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium ; ledit gaz étant apte à traverser un circuit d'écoulement (1) comprenant au moins un échangeur de chaleur
(2) apte à refroidir ledit gaz (3), et des organes de distribution (6, 7, 8) propres à se déplacer dans ledit conduit (1),
caractérisé en ce qu'il comprend une étape de déplacement desdits organes de distribution (6, 7, 8) entre une première position (6a, 7a, 8a) dans laquelle ledit gaz (3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un premier sens de circulation (SI), et une seconde position (6b, 7b, 8b) dans laquelle ledit gaz (3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un second sens de circulation (S2) opposé au premier sens de circulation (SI).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de déplacement est répétée périodiquement.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le circuit d'écoulement
(1) comprend un circuit primaire (la) de passage dudit gaz (3), un circuit secondaire (lb) de passage dudit gaz (3) ; ledit circuit secondaire (lb) comprenant une portion de circuit (10) commune au circuit primaire (la) ; ledit échangeur de chaleur (2) étant disposé dans ladite portion de circuit (10) caractérisé en ce que ladite première position (6a, 7a, 8a) est une position d'ouverture du circuit primaire (la) et de fermeture d'une partie du circuit secondaire (lb), et ladite seconde position (6b, 7b, 8b) est une position d'ouverture du circuit secondaire (lb) et de fermeture d'une partie du circuit primaire (la).
4. Dispositif (9) de désencrassement d'échangeur de chaleur (2) utilisé pour le refroidissement de gaz (3) chargé en poussières et polluants, provenant notamment de cuves d'électrolyse ignées lors de la fabrication d'aluminium, ledit dispositif (9) comprenant au moins un échangeur de chaleur (2) apte à refroidir ledit gaz (3),
caractérisé en ce qu'il comprend en outre des organes de distribution (6, 7, 8) propres à se déplacer entre une première position (6a, 7a, 8a) dans laquelle ledit gaz
(3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un premier sens de circulation (SI) et une seconde position (6b, 7b, 8b) dans laquelle ledit gaz (3) traverse l'échangeur de chaleur (2) dans un second sens de circulation (S2) opposé au premier sens de circulation (SI).
5. Dispositif (9) selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un circuit primaire (la) de passage dudit gaz (3),
- un circuit secondaire (lb) de passage dudit gaz (3) ; ledit circuit secondaire (lb) comprenant une portion de circuit (10) du circuit primaire (lb) ; ledit échangeur de chaleur étant disposé dans ladite portion de circuit (10).
6. Dispositif (9) selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il comprend une unité de commande (20) propre à commander le déplacement périodique desdits organes de distribution (7, 8, 9).
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