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

Résumé

L'industrie de l'aluminium utilise le coke de pétrole vert pour la fabrication d'électrodes et le coke doit être calciné dans les fours rotatifs. Pendant le processus de calcination certains phénomènes physiques importants interviennent, tels le dégagement de matières volatiles, la génération de poussières de coke, la combustion des matières volatiles et des poussières. La qualité du coke produit dépend fortement du taux de chauffage, de la température maximale et du refroidissement.

Un four de calcination est un échangeur à contre-courant. Le coke se déplace dans le four sous l'effet combiné de la rotation et de l'inclinaison. L'air nécessaire à la combustion s'écoule dans le sens opposé du coke et est fourni par quatre tuyères localisées en amont de la zone de combustion. L'énergie nécessaire à la calcination du coke de pétrole provient presque en totalité de la combustion partielle des matières volatiles libérées à la surface du lit de coke.

Les matières volatiles commencent à se dégager lorsque la température du coke atteint environ 500°C. Seulement environ un tiers des matières volatiles réagissent, le reste est récupéré pour la combustion dans des bouilloires. Soulignons la présence de trois espèces chimiques constituant les matières volatiles, soit l'hydrogène, le méthane et le goudron. Ainsi le transfert de chaleur qui contrôle principalement le processus de calcination dépend fortement de la combustion. En opération normale un four rotatif est autosuffisant du point de vue énergétique.

Un modèle en trois dimensions en régime transitoire d'un four rotatif est disponible. Il prend en compte les phénomènes physiques de base intervenant dans le transfert de chaleur, tels les écoulements du gaz et du coke, le rayonnement et la combustion représentée par l'imposition d'une source d'énergie. Toutefois il faut améliorer le modèle de combustion, vu sa grande influence sur les résultats obtenus.

Dans un four de calcination, la combustion est contrôlée principalement par la diffusion provenant de l'écoulement turbulent. Cependant chaque matière volatile a une vitesse de réaction distincte et se dégage à des endroits différents, ainsi il est important de considérer l'aspect cinétique dans la combustion. Une approche est envisagée pour tenir compte à la fois des effets de la diffusion et de la cinétique dans un même modèle.

La combustion des particules de coke transportées par le gaz est une source d'énergie non négligeable. Il est proposé de traiter les particules dans le gaz comme une espèce chimique, c'est-à-dire en considérant celles-ci comme une concentration de particules. Ainsi il est posé une équation de conservation de la même forme que celle formulée pour chaque matière volatile.

L'ensemble des équations aux dérivées partielles obtenues est solutionné par la méthode des volumes finis utilisant le logiciel PHOENICS de CHAM(UK). Une simulation numérique a été faite à l'aide du nouveau modèle de combustion et certaines fractions massiques sont comparées avec des mesures prises lors d'une campagne de mesures effectuée en usine [1].