{"id":{"repo_id":"sherbrooke","oai_identifier":"oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/14477"},"canonical_url":"https://search.dev.ndltd.org/etd/sherbrooke/oai:usherbrooke.scholaris.ca:11143/14477","repository":{"repo_id":"sherbrooke","name":"Université de Sherbrooke","base_url":"https://usherbrooke.scholaris.ca/server/oai/request"},"display":{"title":"Waste heat recovery in aluminum plants by means of Stirling engines","abstract":"Parmi tous les secteurs industriels, celui de la production d’aluminium est l’un des plus importants consommateurs d’énergie : les processus les plus modernes nécessitent une quantité d’énergie électrique comprise entre 11 et 15 MW h par tonne d’aluminium produite. La plus grande partie de cette énergie est nécessaire pour réaliser le processus d’électrolyse qui produit de l’aluminium (c’est-à-dire, le procédé Hall-Héroult). La moitié de cette énergie est perdue sous forme de déchets thermiques. Tous les producteurs d’aluminium financent des projets de recherche privés pour trouver des solutions qui améliorent l’efficacité énergétique de leurs usines. Ceci est réalisé par l’analyse des sources de pertes thermiques et par la suite par la valorisation de ces pertes. Par exemple, la chaleur gaspillée dans l’usine d’aluminium peut être utilisée aux fins de chauffage urbain ou pour produire de la puissance électrique. Dans les deux cas, un effet utile (c’est-à-dire, l’énergie thermique ou électrique) est produit à travers une source de chaleur qui serait autrement perdue. Le déchet thermique qui a été largement analysé dans la littérature scientifique est la libération des gaz d’échappement à haute température depuis l’usine d’aluminium vers l’environnement. Plusieurs solutions pour récupérer cette forme d’énergie thermique ont été proposées. Mais ces solutions n’ont pas été appliquées en raison de leurs coûts d’investissement élevés. Ceci est la raison pour laquelle d’autres formes de récupération et de conversion des rejets thermiques doivent être étudiées. Il est bien connu qu’une grande différence de température se produit entre les parois de la cuve électrolytique (dans lesquelles l’aluminium est produit) et l’air ambiant ; plus précisément, la surface de paroi a une température comprise entre 200 ◦ C et 400 ◦ C, tandis que l’air est à la température ambiante. Par conséquent, des phénomènes de transfert de chaleur tels que la convection naturelle et le rayonnement thermique apparaissent. Aujourd’hui, les technologies en mesure de récupérer et de convertir cette forme de chaleur (comme par exemple, les échangeurs de chaleur installés sur la paroi latérale) ne sont pas suffisamment au point, donc davantage de recherche dans ce domaine est nécessaire. L’objectif de cette thèse est d’étudier la récupération des déchets thermiques et leur conversion en puissance utile. Après une brève introduction, une revue de la littérature existante est réalisée afin de mettre en évidence les sources de gaspillage thermique dans le procédé de Hall-Héroult et les technologies disponibles pour les récupérer et les valoriser en respectant les critères de sécurité de l’usine. Il est donc proposé de récupérer les déchets thermiques de la paroi de la cuve par rayonnement (et, dans une moindre mesure, par conduction) et de les convertir en puissance utile à travers des machines Stirling. La récupération des déchets et leur conversion ont été traitées par l’auteur dans deux articles scientifiques présentés dans cette thèse. Les derniers chapitres de la thèse sont dédiés à la discussion de ce projet de recherche et aux travaux futurs.","abstract_html":"Parmi tous les secteurs industriels, celui de la production d’aluminium est l’un des plus importants consommateurs d’énergie : les processus les plus modernes nécessitent une quantité d’énergie électrique comprise entre 11 et 15 MW h par tonne d’aluminium produite. La plus grande partie de cette énergie est nécessaire pour réaliser le processus d’électrolyse qui produit de l’aluminium (c’est-à-dire, le procédé Hall-Héroult). La moitié de cette énergie est perdue sous forme de déchets thermiques. Tous les producteurs d’aluminium financent des projets de recherche privés pour trouver des solutions qui améliorent l’efficacité énergétique de leurs usines. Ceci est réalisé par l’analyse des sources de pertes thermiques et par la suite par la valorisation de ces pertes. 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La récupération des déchets et leur conversion ont été traitées par l’auteur dans deux articles scientifiques présentés dans cette thèse. Les derniers chapitres de la thèse sont dédiés à la discussion de ce projet de recherche et aux travaux futurs.","Among all industrial sectors, the aluminum-production industry is one of the most energy intensive: most up-to-date processes require a quantity of electrical energy ranging between 11 and 15 MWh per ton of produced aluminum. Most of this energy is needed to sustain the electrolysis process that produces aluminum, namely, the Hall-Héroult process; however, a detailed analysis of a conventional aluminum production line demonstrates that almost half of the aforementioned energy is lost under the form of heat. The aluminum companies fund private research projects to find solutions that increase the energy efficiency of their smelters. This is accomplished by analyzing the thermal losses and the possibility of converting them into useful power. For instance, heat wasted in the aluminum plant can be the source for space or district heating. Another solution consists in introducing a heat engine that uses the thermal waste to generate electrical power. In both cases, a useful output (i.e. thermal or electrical power) is produced by means of energy that would be otherwise wasted. There is a thermal waste that has been widely analyzed in the scientific literature, namely the release of exhaust gases at high temperature from the aluminum plant to the environment. Several solutions to recover this form of energy loss have been proposed (for instance, the introduction of an organic Rankine engine); however, these technologies have not been implemented because of their high capital costs. This is the reason why other forms of thermal waste must be investigated. It is well known that there is a considerable temperature difference between the walls of the electrolytic cell (in which aluminum is produced) and the surrounding air; more precisely, the wall surface has a temperature between 200 C and 400 C, while the air and the surrounding walls are at ambient temperature. Therefore, heat transfer phenomena arise, such as natural convection and thermal radiation. Nowadays, technologies able to recover these forms of heat (as sidewall heat exchangers) are not sufficiently advanced; hence, further research in this field is needed. The main objective of this thesis is to study the recovery and the conversion of the electrolysis cell thermal wastes occurring at the pot sidewall. After a brief introduction, the literature review is presented. The review highlights the sources of thermal waste in the Hall-Héroult process; then the (few) technologies able to harvest them without affecting the safety of the smelter are listed. Therefore, it is proposed to recover the cell-sidewall heat wastes by thermal radiation (and, to a lesser extent, by conduction) and to convert them into useful power by means of the Stirling engine technology. The recovery of the thermal losses and their conversion are the main topics of two scientific papers presented in this thesis. 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Après une brève introduction, une revue de la littérature existante est réalisée afin de mettre en évidence les sources de gaspillage thermique dans le procédé de Hall-Héroult et les technologies disponibles pour les récupérer et les valoriser en respectant les critères de sécurité de l’usine. Il est donc proposé de récupérer les déchets thermiques de la paroi de la cuve par rayonnement (et, dans une moindre mesure, par conduction) et de les convertir en puissance utile à travers des machines Stirling. La récupération des déchets et leur conversion ont été traitées par l’auteur dans deux articles scientifiques présentés dans cette thèse. Les derniers chapitres de la thèse sont dédiés à la discussion de ce projet de recherche et aux travaux futurs.","Among all industrial sectors, the aluminum-production industry is one of the most energy intensive: most up-to-date processes require a quantity of electrical energy ranging between 11 and 15 MWh per ton of produced aluminum. Most of this energy is needed to sustain the electrolysis process that produces aluminum, namely, the Hall-Héroult process; however, a detailed analysis of a conventional aluminum production line demonstrates that almost half of the aforementioned energy is lost under the form of heat. The aluminum companies fund private research projects to find solutions that increase the energy efficiency of their smelters. This is accomplished by analyzing the thermal losses and the possibility of converting them into useful power. For instance, heat wasted in the aluminum plant can be the source for space or district heating. Another solution consists in introducing a heat engine that uses the thermal waste to generate electrical power. In both cases, a useful output (i.e. thermal or electrical power) is produced by means of energy that would be otherwise wasted. 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Nowadays, technologies able to recover these forms of heat (as sidewall heat exchangers) are not sufficiently advanced; hence, further research in this field is needed. The main objective of this thesis is to study the recovery and the conversion of the electrolysis cell thermal wastes occurring at the pot sidewall. After a brief introduction, the literature review is presented. The review highlights the sources of thermal waste in the Hall-Héroult process; then the (few) technologies able to harvest them without affecting the safety of the smelter are listed. Therefore, it is proposed to recover the cell-sidewall heat wastes by thermal radiation (and, to a lesser extent, by conduction) and to convert them into useful power by means of the Stirling engine technology. The recovery of the thermal losses and their conversion are the main topics of two scientific papers presented in this thesis. 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