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

Résumé

Carbon anodes, which are used in electrolytic cells to produce aluminum, are made of petroleum coke, rejected anodes, and butts (dry aggregate) and coal tar pitch (binder). Increasing anode quality helps decrease energy consumption, production cost as well as greenhouse gas emissions. Good binding between dry aggregate and pitch results in dense anodes, and thereby affects the final anode properties. Pitches may have significant differences in their chemical composition and physical properties depending on their origins. This, in turn, determines their behavior during pyrolysis (baking) and the characteristics of baked anodes. One objective of this work is to study the correlation between the wettability of a given coke by various pitches with different QI (quinoline insolubles) contents and the properties of anodes made with these pitches. The results show that the chemical and physical properties of pitches influence the wettability of coke by pitch. The wettability of pitch-coke system increases with increasing O, N, and S contents in pitch. The presence of COOH and amine groups in pitch might result in an interaction in the pitch mixtures making them less wetting with coke. The QI particle size and its distribution in pitch play a significant role on the wettability of coke by pitch. The size distribution of coke particles seems to have a strong influence on the penetration of pitch into the coke. The results also showed that the softening point of pitch has an influence on the wetting characteristics of pitch. This study involved the investigation of a number of pitches and anodes made from them. These anodes were produced in the laboratory using an anode recipe similar to that used by industry. The properties of the laboratory anodes (density, air/CO2 reactivity, and electrical resistivity) as well as some of the production parameters (pitch type, pitch content, and anode production conditions such as vibro-compaction time, mixing temperature, and pitch and/or coke preheating temperature) were investigated. Moreover, differences in texture and topography of different pitches and pitch percentage as well as the interface between pitch and aggregate particles in green and baked anodes were studied. Different structures of binder pitches used during the fabrication of green anodes affect the wetting behaviour and the formation of carbonized pitch during the anode baking process. The objective of the project was to investigate the effect of pitch properties on anode properties. Based on the above analyses, the anode properties were correlated with the pitch properties. These results were complemented by the analyses of available industrial data. In addition, the kinetic parameters of the volatile gas components (hydrogen, methane, condensable gas) released during the baking of the laboratory anodes made with different types of pitches and pitch percentages were determined. The quantity and the temperature (and time via heating rate) range over which the volatile gas components were released were found and their kinetic expressions were calculated. Such information helps understand the effect of pitch on anode properties, and this could be effectively used in controlling the volatile combustion to improve energy use in baking furnaces.

Les anodes en carbone, qui sont utilisées dans le procédé électrolytique pour produire l'aluminium, sont fabriquées de coke de pétrole, des anodes rejetées et des mégots (agrégat sec) et de brai de houille (liant). L'amélioration de la qualité de l'anode permet de diminuer la consommation d'énergie, les coûts de production, ainsi que les émissions des gaz à effet de serre (GES). Une bonne liaison entre les particules de l’agrégat sec et des brais mène aux anodes denses et affecte ainsi les propriétés d'anode cuite. Les brais peuvent varier considérablement chimiquement et physiquement en fonction de leurs origines. Ceci, à son tour, détermine leur comportement durant la pyrolyse (cuisson) et les caractéristiques des anodes cuites. Un des objectifs de ce travail est d'étudier la corrélation entre la mouillabilité d'un coke produit en utilisant divers brais avec différentes quantités d'IQ (insolubles de quinoline) et les propriétés des anodes produites avec ce brai. Les résultats montrent que les propriétés chimiques et physiques des brais influencent la mouillabilité du coke par le brai. La mouillabilité augmente avec la quantité de l’oxygène, de l’azote, et la teneur en soufre du brai. La présence des groupes COOH et NR3 peut résulter en une interaction dans les mélanges des brais qui les rendent moins mouillants. La taille des particules d’IQ et sa distribution dans le brai jouent un rôle important sur la mouillabilité du coke par le brai. Aussi, la distribution de la taille des particules de coke semble avoir une forte influence sur la pénétration du brai à travers le lit de coke. Les résultats ont également confirmé que le point de ramollissement du brai a une influence sur les caractéristiques de mouillage du brai. Cette étude implique un certain nombre des brais et des anodes fabriquées à partir de ces derniers. Les anodes ont été produites dans le laboratoire en utilisant une recette d'anode similaire à celle utilisée par l'industrie. Les propriétés des anodes de laboratoire (la densité, la réactivité à l’air/au CO2 et la résistivité électrique) ainsi que certains des paramètres de production d'anode (le type de brai, le contenu de brai, les conditions de formage des anodes) ont été étudiés. En outre, les différences dans la texture et la topographie des différents brais et leur pourcentage dans des anodes ainsi que l'interface entre le brai et les particules de l’agrégat sec dans les anodes crues et cuites ont été étudiés. Les différentes structures des brais utilisés pour fabriquer des anodes crues affectent le comportement de mouillage et la cokéfaction du brai au cours de la cuisson des anodes. Les propriétés de l'anode sont corrélées avec les propriétés du brai. De plus, les paramètres cinétiques des volatiles (hydrogène, méthane, goudron) libérés pendant la cuisson des anodes au laboratoire ont été déterminés avec les différents types des brais. La quantité et l'intervalle de températures des volatiles libérés pendant la cuisson ont été déterminées et leurs expressions cinétiques ont été établies. Ces informations pourraient aider à comprendre l'effet des propriétés du brai sur les propriétés d'anode, et cela pourrait être utilisé effectivement dans le contrôle de la combustion des volatiles afin d’améliorer la consommation énergétique dans le four de cuisson.