Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

De grandes quantités de coke de pétrole (coke vert) sont utilisées comme matière première pour la fabrication des électrodes en électro-métallurgie, et plus particulièrement dans l'industrie de l'aluminium. Avant d'être mis en forme avec le brai liant, le coke subit un traitement thermique à haute température, désigné sous le vocable "calcination". Au cours de la calcination, le départ des matières volatiles (hydrocarbures lourds, hydrogène et méthane) engendre des modifications structurales à l'échelle cristalline, procurant au coke calciné des propriétés bien spécifiques, en vue de répondre aux critères de qualité des futures électrodes.

Une étude de la cinétique de dévolatilisation d'échantillons représentatifs de coke de pétrole est menée à l'aide d'un montage thermogravimétrique, dans des conditions proches de celles existant dans les fours industriels (taux de chauffage variable, pourcentage d'oxygène croissant dans le milieu). Bon nombre d'auteurs soutiennent que la dévolatilisation n'est pas influencée par la nature du milieu dans lequel elle est conduite. Notre étude confirme cette affirmation à faible taux de chauffage seulement. Par contre, lorsque le taux de chauffage croît, la dévolatilisation est retardée en atmosphère oxydante, par rapport au milieu neutre.

Un modèle cinétique permet de comparer les paramètres cinétiques globaux (ordre de la réaction, énergie d'activation) caractérisant le phénomène de dévolatilisation dans les deux milieux, sous différents taux de chauffage.

Au cours de la calcination, les produits volatils de dégazéification, une fois dégagés de la masse de coke, constituent une protection autour de la particule solide, si bien que la combustion du résidu carboné ne s'amorce qu'à haute température. La combustion des volatils et du coke est favorisée par un chauffage lent. Il réside toutefois une différence essentielle entre la combustion en phase gazeuse des volatils et la combustion solide-gaz du résidu de coke. En effet, la combustion des volatils est rapide, alors que le résidu de coke se consume lentement dans des conditions bien précises de vitesse de chauffage et de disponibilité en ce qui concerne l'oxygène comburant. Il importe davantage, dans le cadre de cette étude, de définir les conditions dans lesquelles le coke est attaqué par l'oxygène, plutôt que de s'attacher à la cinétique proprement dite de combustion du coke.

Une analyse structurale des échantillons de coke calciné met en évidence l'influence de la nature du milieu sur les propriétés du coke. On étudie l'effet de la température de calcination, du taux de chauffage et du palier de température en fin de calcination sur l'épaisseur cristalline, la porosité apparente et la densité du coke calciné; et ce sous atmosphère contrôlée (neutre et oxydante). L'évolution de la structure interne du coke au cours du traitement thermique suit la tendance déjà observée antérieurement par d'autres auteurs; toutefois la présence d'oxygène dans le milieu réactionnel influence quelque peu les paramètres structuraux, dans des conditions bien spécifiques de température, de vitesse de chauffage ou de palier de température.