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A detection method of metallic impurities (V, Ni, Fe) in coke and carbon anodes and their effect on anode reactivity

Sun Hang. (2017). A detection method of metallic impurities (V, Ni, Fe) in coke and carbon anodes and their effect on anode reactivity. Mémoire de maîtrise, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Primary aluminum is produced by the electrolysis of alumina in the Hall-Héroult process. The anodes are the source of carbon required for the reduction process. They are made of calcined petroleum coke, butts, recycled anodes, and coal tar pitch. Carbon anodes constitute an important part of the aluminum production cost. During the production of aluminum, carbon anodes are consumed and CO2 is produced. CO2 further reacts with the anode carbon to produce CO. Air also reacts with the exposed anode surface to produce CO2. These reactions increase anode consumption and add to the cost of aluminum production. One of the key industrial goals is to minimize this excess consumption of anodes. The quality of prebaked carbon anodes, consumed in electrolysis during the primary aluminum production, has an important impact on the cell performance. The anode quality depends on the raw material quality and operating conditions in the anode plant. The most common metallic impurities found in cokes and anodes in aluminum industry are vanadium (V), nickel (Ni), and iron (Fe). The properties of the anode are influenced by these impurities. It is reported that they enhance the actual carbon consumption by catalyzing the air and CO2 reactivities in the electrolytic bath. There are different standard methods to quantify the impurities. The American Society for Testing and Materials (ASTM) developed different test methods using Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES), Atomic Absorption Spectrometry (AAS), and X-ray Fluorescence Spectroscopy (XRF). These standard methods require intensive sample preparation, highly skilled personnel, and costly reagents. The methods are usually time-consuming. Thus, a simple but effective tool is necessary to estimate the level of different impurities in the raw materials and the anode. In this study, colorimetric methods were developed to determine the levels of impurities (Fe, V, Ni) in cokes and anodes. In this method, the metallic impurities were extracted from the carbon sample by acids and/or electrophoresis. A certain amount of the extract was treated with reagents that can form specific color with a particular impurity. The color was analyzed using a custom-made image analysis software. The value of a particular component of the color was plotted against known concentrations of the impurities to prepare a calibration curve. The calibration curve was later used to estimate the concentration of impurity (Fe, V, Ni) in different samples with unknown concentrations. The colorimetric reagents used for the estimation of iron, vanadium, and nickel were potassium thiocyanate, N-benzoyl-N-phenylhydroxylamine, and dimethylglyoxime, respectively. It is possible to estimate the Fe, V, and Ni content in a carbon sample precisely with developed colorimetric methods in less than 30 minutes including sample preparation. In these methods, no costly ultrapure reagent was used, which reduced the cost of analysis. Anodes were fabricated using known amounts of impurities (Fe, V, Ni). The density, electrical resistivity, and air and CO2 reactivities of the anode samples were measured. The effect of the above impurities on the air and CO2 reactivities were studied. It was observed that the impurities can catalyze the reactivities of the anode depending on the relative amount of other impurities. An artificial neural network method, which was previously developed by the carbon group, was trained using the experimental data; and the effect of the impurities on the reactivities was also analyzed. This study was carried out within the framework of the University of Quebec at Chicoutimi (UQAC) and Aluminerie Alouette Inc. (AAI) Research Chair on the Utilization of Carbon in Primary Aluminum Industry (UQAC/AAI Research Chair on Carbon).

L'aluminium primaire est produit par l'électrolyse de l'alumine en utilisant le procédé Hall-Héroult. Les anodes sont la source de carbone nécessaire pour le procédé de réduction. Elles sont faites du coke de pétrole calciné, des mégots, des anodes recyclées et du brai de goudron de houille. Les anodes de carbone constituent une partie importante du coût de production de l'aluminium. Lors de la production d'aluminium, les anodes de carbone sont consommées en produisant du CO2. Le CO2 réagit avec le carbone de l'anode et produit du CO. L'air réagit également avec la surface exposée de l'anode et produit aussi du CO2. Ces réactions augmentent la consommation de l'anode et le coût de production de l'aluminium. L'un des objectifs principaux de l’industrie est de minimiser cette consommation excessive d'anodes. La qualité des anodes de carbone précuites, consommées en électrolyse lors de la production d'aluminium primaire, a un impact important sur la performance de la cellule d’électrolyse. La qualité de l'anode dépend de la qualité de la matière première et des conditions d’opération dans l'usine d'anodes. Les impuretés métalliques présentes habituellement dans les cokes et les anodes dans l'industrie de l'aluminium sont le vanadium (V), le nickel (Ni) et le fer (Fe). Les propriétés de l'anode sont influencées par ces impuretés. Selon la littérature, elles augmentent la consommation de carbone réelle en catalysant les réactivités à l'air et au CO2 durant l’électrolyse. Il existe différentes méthodes standards pour quantifier les impuretés. The American Society for Testing and Materials (ASTM) a mis au point différentes méthodes standards qui requit l’utilisation de la spectrométrie d'émission atomique couplée par plasma inductif (ICP-AES), de la spectrométrie d'absorption atomique (AAS) et de la spectroscopie de fluorescence X (XRF). Ces méthodes standards nécessitent une préparation intensive des échantillons, un personnel hautement qualifié et des produits chimiques coûteux. Les méthodes prennent généralement beaucoup de temps. Ainsi, un outil simple, mais efficace est nécessaire pour estimer le niveau des différentes impuretés dans les matières premières et l'anode. Lors de cette étude, des méthodes colorimétriques ont été développées pour déterminer la teneur d'impuretés (Fe, V, Ni) dans les cokes et les anodes. Selon cette méthode, les impuretés métalliques ont été extraites de l'échantillon de carbone par des acides et/ou de l’électrophorèse. Une certaine quantité de l'extrait a été traitée avec des réactifs qui peuvent former une couleur spécifique avec une impureté particulière. La couleur a été analysée en utilisant un logiciel d’analyse d’image développé par le groupe de carbone à l’UQAC. La valeur d'un composant particulier de la couleur a été tracée en fonction des concentrations connues des impuretés pour préparer une courbe d'étalonnage. La courbe d'étalonnage a ensuite été utilisée pour estimer la concentration d'impureté (Fe,V, Ni) dans les différents échantillons pour lesquels les concentrations étaient inconnues. Les réactifs colorimétriques utilisés pour l'estimation du fer, du vanadium et du nickel étaient respectivement le thiocyanate de potassium, la N-benzoyl-N-phénylhydroxylamine et la diméthylglyoxime. Il est possible d'estimer précisément la teneur en Fe, V et Ni dans un échantillon de carbone en moins de 30 minutes avec les méthodes colorimétriques développées, y compris la préparation des échantillons. Aucun réactif ultra-pur coûteux n'a été utilisé, ce qui a réduit le coût de l'analyse. Des anodes ont été fabriquées en utilisant des quantités connues d'impuretés (Fe,V,Ni). La densité, la résistivité électrique et les réactivités à l'air et au CO2 des échantillons d'anode ont été mesurées. L'effet de ces impuretés sur les réactivités à l'air et au CO2 a été étudié. Il a été observé que les impuretés peuvent catalyser les réactivités de l'anode en fonction de la quantité relative par rapport à d'autres impuretés. Un modèle basé sur le réseau de neurones artificiels (RNA), précédemment développé par le groupe de carbone, a été entrainé en utilisant les données expérimentales. Par après, l'effet des impuretés sur les réactivités a été analysé. Cette étude a été réalisée dans le cadre de la Chaire de recherche Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) et Aluminerie Alouette Inc. (AAI) sur l’utilisation du carbone dans l’industrie d’aluminium (Chaire de recherche UQAC/AAI sur le carbone).

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Mémoire de maîtrise)
Date:Décembre 2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Maîtrise en ingénierie
Nombre de pages:122
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie chimique
Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Chimie
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):kocaefe, Duygu
Bhattacharyay, Dipankar
Mots-clés:anode/coke, colorimetry, electrophoresis, image analysis, metallic impurity, réactivité à l'air/au CO2, anode, metallic impurities, Fe, V, Ni, colorimetric method, air and CO2 reactivity
Déposé le:23 avr. 2018 11:42
Dernière modification:24 avr. 2018 00:19
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