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

Résumé

Dans l’industrie de l’aluminium de première fusion, les anodes en carbone sont consommées continuellement en grande quantité durant la réduction de l’alumine dans les cellules d’électrolyse. Les anodes sont fabriquées à partir du coke calciné, des mégots, des anodes recyclées et du brai de goudron de houille comme liant entre les particules des agrégats solides. Les anodes crues sont cuites dans des fours très larges où elles atteignent les propriétés voulues en termes de densité, de résistance mécanique et de conductivité électrique. La cuisson est l’une des plus importantes et la plus couteuse des étapes de production des anodes en carbone. Le fonctionnement approprié du four permet de fournir les anodes de bonne qualité. Un modèle mathématique 3D transitoire du four horizontal de cuisson d’anodes a été développé pour prendre en compte les phénomènes les plus importants se produisant durant la cuisson et parmi ces phénomènes : l’écoulement turbulent, la combustion du carburant, le transfert de chaleur par tous les modes, la dévolatilisation, la combustion des matières volatiles, l’infiltration de l’air et le transfert de masse des espèces chimiques qui interviennent durant la cuisson des anodes (combustion et dévolatilisation). Les prédictions du modèle global permettent de donner des informations très détaillés sur les différentes étapes de la cuisson des anodes dans le four. Le modèle 3D a été conçu afin de simuler le feu de cuisson en entier parcourant ainsi lors d’une seule simulation les trois phases de cuisson : le préchauffage, le chauffage et le refroidissement. En parallèle au développement du modèle, plusieurs campagnes de mesures ont été réalisées sur un four industriel. Les mesures ont servi à collecter un grand nombre de paramètres de la cuisson ainsi que leur variation durant le fonctionnement du four. Les mesures effectuées par le système de contrôle du four ainsi que les enregistrements des compagnes de mesures ont servi comme références pour comparer les prédictions obtenues du modèle. Une validation du modèle a été effectuée aussi à l’aide des différents résultats collectés. Les prédictions faites par le modèle sont très proches des mesures. Donc le modèle a été jugé fiable pour la reproduction des phénomènes qui se passent durant le fonctionnement du four. Le modèle mathématique 3D transitoire est décrit dans tous ses détails. Son utilisation en tant qu’outil de prédiction est présentée et permet de voir l’impact de n’importe quel paramètre géométrique ou opérationnel sur la cuisson des anodes. Le modèle donne la distribution de la température au niveau de toutes les anodes et la température maximale atteinte dans toutes les positions des anodes. Le modèle développé dans ce projet de recherche est parmi les modèles les plus complets construits à ce jour. La considération de la géométrie détaillée de toutes les composantes du four, la considération des phénomènes les plus importants lors de la cuisson, la résolution en détail de la cinétique de la dévolatilisation, la combustion de l’huile et de matières volatiles et la capacité à simuler le feu au complet représentent les points important d’originalité pour ce travail. Selon les résultats obtenus du modèle, il a été constaté que l’évolution de la température des anodes durant la cuisson est sensible à l’écoulement des gaz dans la cloison, la structure du four, les propriétés des matériaux du four et les paramètres d’opération tels que le débit du carburant. Le modèle est le seul capable de prédire les résultats de la cuisson dans le cas des déformations des cloisons du four horizontal. L’effet de la géométrie des entretoises et du nombre de briques entretoises dans la cloison et leur rôle dans les distributions de l’écoulement et de la température des anodes ont été montrés par le modèle. Il a été trouvé qu’une bonne distribution de l’écoulement assure une homogénéité du chauffage des anodes. Concernant la largeur de la cloison, les résultats ont montré que le chauffage des anodes est plus important pour la cloison la plus large du fait que le temps de résidence des gaz est relativement plus élevé pour permettre un échange de chaleur plus important entre les gaz et les surface des briques. Pour la taille des anodes, les résultats montrent que sa variation change la résistance thermique entre les gaz et les anodes. Une épaisseur raisonnable doit être présente entre les anodes et le mur afin de diffuser la chaleur et d’avoir des profils de température homogènes. Les propriétés thermiques des briques et des anodes ont été testées à l’aide du modèle ainsi que la variation de la quantité des matières volatiles dégagée par les anodes. Les résultats montrent l’importance de la variation des propriétés thermiques des anodes et leurs effets sur la cuisson. Pour les briques, une diffusivité thermique plus petite engendre une mauvaise distribution de la température et le contraire résulte en une consommation supplémentaire du carburant. Il a été trouvé que la variation de même 1% de la quantité des matières volatiles produit des écarts de température importants durant la cuisson des anodes. Enfin, la consommation du carburant et la déformation de la cloison changent les paramètres de la cuisson des anodes. La déformation de la cloison résulte en un chauffage non-homogène des anodes et la quantité de carburant consommée peut engendrer une sur-cuisson ou sous-cuisson des anodes.

In the primary aluminum industry, carbon anodes are continually consumed in large quantities during the reduction of alumina in electrolysis cells. The anodes are made from calcined coke, recycled anodes, butts, and coal tar pitch as the binder between the particles of solid aggregates. The green anodes are baked in large furnaces where they reach the desired properties in terms of density, mechanical strength, and electrical conductivity. Baking is one of the most important and most expensive steps of carbon anode production. The proper operation of the furnace results in good quality carbon anodes. A transient 3D mathematical model was developed for horizontal anode baking furnaces that takes into account the most important phenomena occurring during baking such as turbulent flow, combustion of fuel, different modes of heat transfer, devolatilization, the combustion of volatiles, air infiltration as well as mass transfer for all chemical species. The predictions of the global model give detailed information in all stages of the baking of anodes in the furnace. The 3D model developed simulates the complete baking cycle in a single simulation which takes all three stages of baking (preheating, heating, and cooling) into account. In parallel to the model development, a number of industrial measurement campaigns were carried out in the plant. The campaigns provided a large range of data on baking parameters and their variations during the furnace operation. These data as well as the data collected by the furnace control system in the plant were used as reference for comparison with model predictions. Model validation was carried out using these measurements. The predictions of the model were found to be in agreement with the plant data showing that the model represents well all the phenomena taking place during baking. The transient 3D mathematical model is described in detail in the thesis. Its use as a predictive tool allows the understanding of the impact of any geometric or operational furnace parameter on the temperature distribution of all anodes and the maximum temperature reached in any position in the pit. The transient mathematical model developed in this project is one of the most complete models available. Consideration of the detailed geometry, the most important phenomena taking place during baking, the inclusion of volatile evolution in detail, the combustion of fuel and volatile matter as well as the simulation of a complete cycle for a baking furnace constitute the originality of this work. The results obtained from the model can be visualized in 3D for each time step of the simulation. The evolution of temperature during anode baking is sensitive to the gas flow in the flue, the furnace design, the properties of the materials, and the operating parameters such as fuel flowrate. Only a 3D model is able to simulate the baking process in a horizontal furnace with deformed flue walls. The effect of the geometry and the number of tie bricks in the flue, their role in the distribution of flow and anodes temperatures have been demonstrated by the model. It was found that a good flow distribution ensures a uniform heating of anodes. Regarding the width of the flue, the results showed that the heating of the anodes is more effective for larger flue because of the fact that the gas residence time is greater to allow a higher heat exchange between the gas and the brick surface. For the size of the anodes, the results show that the variation changes the thermal resistance between the gas and the anodes. There must be a reasonable thickness between the anodes and the wall to diffuse the heat and have a homogeneous temperature profile. The thermal properties of bricks and anodes as well as the variation in the devolatilization rate were tested using the model. The results show the importance of variable (temperature-dependant) thermal properties of anodes and their effects on baking. For bricks, a low diffusivity causes a non-uniform temperature distribution and a high diffusivity increases the fuel consumption. It was found that even 1% change in the amount of volatiles produced significant temperature variation during anode baking. Finally, the consumption of fuel and the deformation of a flue wall affect the anodes baking parameters. The deformation of a wall results in a non-homogeneous heating of anodes, and the amount of fuel consumed can cause over-baking or under- baking of the anodes.