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

Résumé

La production des anodes de carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse pour la réduction de l’alumine est très complexe et énergivore. Leur cuisson a lieu dans des fours spécialisés dont le fonctionnement nécessite beaucoup d’attention afin d’en améliorer la performance. C’est dans cette optique que s’inscrit le présent projet de recherche rendu compte tout au long de ce mémoire. Cependant, l’évaluation des coûts de travaux pour la recherche de moyens d’amélioration a orienté cette étude vers la modélisation mathématique du procédé comme outil de travail. Ce projet fait partie des travaux réalisés dans le cadre des activités de la Chaire de recherche UQAC-AAI sur le carbone. Le modèle de procédé développé au cours de cette étude nous a permis d’évaluer les effets de plusieurs paramètres qui interviennent dans le fonctionnement des fours. Ceux-ci jouent un rôle important dans la qualité des anodes de carbone parce que la cuisson est la dernière étape où les propriétés des anodes sont fixées. Le modèle est basé sur la solution des équations des bilans de masse et d’énergie dans les différentes parties du four. L’écoulement des gaz a été considéré bidirectionnel, une simplification qui est réaliste, mais qui a aussi permis d’éviter la solution complexe des équations de la quantité de mouvement. L’approche simplifiée utilisée dans ce modèle a réduit le temps de calcul tout en permettant la représentation de tous les phénomènes importants du procédé de cuisson des anodes. L’intérêt fut porté vers les paramètres énergétiques de cuisson des anodes que représentent la quantité de carburant injectée et la quantité de matières volatiles contenus dans les anodes. L’impact de certains paramètres de caractéristiques géométriques et physiques des fours de cuissons a été également évalué. Les résultats obtenus ont été consolidés par les travaux antérieurs sur d’autres fours en général. Ainsi, cette analyse a été enrichissante car elle a permis de prévoir l’effet que certains paramètres pourraient engendrer sur la cuisson des anodes. De même, à l’issu de cette étude, il est plus aisé de prédire le comportement d’un four de cuisson en fonctionnement sous des contraintes de productions différentes. Elle a toutefois permis d’approfondir nos connaissances du point de vue énergétiques et de mieux comprendre le procédé de cuisson des anodes de carbones dans les fours.

The production of carbon anodes used in electrolysis cells for the reduction of alumina is highly complex and energy-intensive. These carbon anodes are baked in specialized furnaces, which require a great deal of attention in order to improve their performance. It is with this principle in mind that this research project has been carried out in this master’s thesis. The assessment, based on the cost, of work required for the improvement of the furnace operation has oriented this project towards the mathematical modeling of the process as a working tool. This master’s project is part of the work carried out within the framework of the activities of the UQAC-AAI research chair on carbon. The process model developed during this study allowed the evaluation of the effects of several parameters entailed in the operation of baking furnaces. These play an important role in the quality of baked carbon anodes because baking is the last step where the anode properties are fixed. The model is based on the solution of the mass and heat balance equations in different parts of the furnace. The gas flow was considered two dimensional, a simplification that is realistic and also one that allowed avoiding the complex solution of momentum equations. The simplified approach used in this model helped reduce the computation time while allowing the representation of all important phenomena of the anode baking process. The focus was kept on the energy parameters of anode baking, which are represented by the quantity of fuel injected and the amount of volatile matter contained in the anodes. The impact of some parameters of geometrical and physical characteristics of the baking furnaces was also evaluated. The results obtained have been corroborated by previous works on other horizontal furnaces in general. This analysis was worthwhile because it allowed predicting the effect that certain parameters could have on the baking of anodes. Also, with the model developed, it is now possible to predict the behavior of a baking furnace in operation under constraints of different production scenarios. This work has enriched our knowledge from the point of view of energy use as well as in terms of a better understanding of the anode baking process in these furnaces.