Soutenance mémoire
Coke de pétrole
MISE EN CONTEXTE
PROBLÉMATIQUE
Le niveau de calcination du coke est l’une des caractéristiques importantes évaluées lors du choix d’un coke pour la fabrication des anodes. Les propriétés du coke et la performance des anodes sont affectées par le niveau de calcination du coke. Des niveaux de calcination élevés augmentent la densité vibrée du coke (VBD) (jusqu’à désulfuration du coke). Depuis des années, la tendance a été de calciner le coke à des niveaux élevés de manière à atteindre une VBD élevée et donc des densités d’anodes aussi élevées que possible.
Plus récemment, des essais industriels effectués avec du coke sous-calciné tendent à montrer que ce dernier permet de réduire la consommation anodique.
Toutefois, les conclusions des études effectuées à l’échelle laboratoire sur le sujet sont divergentes, ce qui fait que la pratique de la sous-calcination n’est pas encore généralisée. Dans ces études, la réactivité de l’anode est caractérisée par des méthodes différentes. De plus, le coke calciné à divers niveaux est aussi obtenu par des méthodes différentes, ce qui peut modifier ses propriétés. Le niveau de cuisson des anodes peut également varier d’une étude l’autre. Ces différents facteurs peuvent être à l’origine du manque de consensus sur le sujet.
Aussi, le présent ouvrage porte sur l’étude de l’impact du niveau de calcination du coke sur la réactivité des anodes en fonction des méthodes d’évaluation de la performance des anodes et du niveau de cuisson de celles-ci. L’effet de la méthode de calcination du coke sur les principales caractéristiques du coke calciné a également été traité.
ÉTUDE BIBLIOGRAPHIQUE
L’effet « pur » du degré de calcination du coke sur la performance des anodes a été étudié par différents auteurs.
Tout d’abord, la performance de l’anode peut être déterminée par le biais de tests d’electrolyse de l’alumine effectués en laboratoire sur des carottes d’anodes industrielles ou d’anodes de laboratoire. À de faibles densités de courant, c’est la réactivité du coke de l’agrégat qui est mesurée, tandis qu’à des densités de courant plus élevées, c’est plutôt la réactivité de la matrice (ultrafines + brai) qui est mesurée [Hume S. M. et al., (1992)]1.
Une deuxième approche consiste à déterminer la réactivité par réaction chimique au gaz (CO2, O2) (méthode R&D carbone, méthode Alcan). Ces méthodes caractérisent la totalité de l’anode : coke de l’agrégat et matrice (ultrafines + brai). Elles introduisent la notion de « perte » et de « poussière », la « poussière » étant une mesure de l’hétérogénéité de l’anode. Il est communément adopté que la « poussière » est minimisée en réduisant la réactivité entre la phase liante (constituée par les ultrafines et le brai) et le coke de l’agrégat.
EFFET DU NIVEAU DE CALCINATION DU COKE SUR LA CONSOMMATION ANODIQUE
[Brown J. A. et al., (1963)] ont utilisé trois cokes différents (chacun ayant un niveau de soufre différent) et des niveaux de calcination (Lc) compris entre 17 et 43 Â.
Ils ont observé que la consommation des anodes précuites et Sôderberg de laboratoire diminue quand le degré de calcination du coke ou la densité réelle du coke diminue.
[Thonstad J., (1964)] a fabriqué des anodes de laboratoire en remplaçant le coke calciné par du brai précalciné à 500 °C. Ces anodes, bien que poreuses, n’ont pas été sujettes au poussiérage durant le test d’électrolyse.
[Nguyen Q. C, (1985)]4 a utilisé du coke vert (cru) pour faire des anodes précuites de laboratoire. Les anodes fabriquées à partir de ce coke présentaient une consommation anodique moins importante – et proche de la consommation théorique – que celle des anodes de référence (101 et 106 % respectivement). [Belitskus D., (1991)]a étudié l’effet du degré de calcination du coke sur la consommation anodique. Il n’a pas observé d’effet du degré de calcination du coke sur la consommation anodique.
EFFET DU NIVEAU DE CALCINATION DU COKE SUR LA RÉACTIVITÉ DES ANODES
[Nguyen Q. C, (1985)] a utilisé du coke vert (cru) pour faire des anodes précuites de laboratoire. La réactivité à l’air et au CO2 de ces anodes était nettement plus basse que celle des anodes de référence. Les propriétés de l’anode cuite telles que la densité apparente et la résistivité électrique étaient également nettement meilleures. [Dreyer C. et al, (1996)] ont étudié deux familles de cokes (bas et haut S), calcinés à différentes températures, en fonction de la température de cuisson des anodes.Ils ont observé que le résidu de la réactivité des anodes de chacune des deux familles est d’autant plus faible que le degré de calcination du coke est élevé, et ce tant qu’il n’y a pas désulfuration. À l’intérieur d’une même famille, la température optimale de cuisson est d’autant plus faible que le niveau de calcination du coke est élevé. Ces auteurs ont tiré comme conclusion que, du point de vue de la réactivité, il est préférable d’utiliser des cokes très calcinés et de cuire les anodes jusqu’à la température où commence la désulfuration.[Steward N. I., (1997)] a étudié l’effet de la calcination des cokes sur la réactivité au CO2 des anodes Sôderberg. Chacun des cokes/mélanges de cokes étudiés (cinq au total) a été calciné entre 1000 et 1450 °C. Le résidu augmente (environ de 2,5 %) et le niveau de poussière diminue (environ de 0,5 %) quand le degré de calcination du coke augmente (1000 <Tc (°C)< 1450). La désulfuration des anodes se produit à partir de 1300 °C. Or, l’auteur n’observe pas d’augmentation de réactivité des anodes dans la zone de cuisson correspondante.[Samanos B. et al., (2001)] ont étudié l’effet de la sous-calcination du coke sur la réactivité des anodes. Plus le degré de sous-calcination du coke est important, plus le poussiérage des anodes diminue. D’autre part, l’anode doit être cuite à une température suffisamment élevée pour minimiser la perte.
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Table des matières
RÉSUMÉ
TABLE DES MATIERES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
NOMENCLATURE
CHAPITRE 1 MISE EN CONTEXTE
1.1 PROBLEMATIQUE
1.2 Étude bibliographique
1.3 Effet du niveau de calcination du coke sur la consommation anodique
1.4 Effet du niveau de calcination du coke sur la réactivité des anodes
1.5 Généralités sur le procédé Hall-Héroult
1.6 Généralités sur les anodes de carbone
1.7 Coke de pétrole
1.7.1 Fabrication du coke cru (vert)
1.7.2 Calcination du coke
1.8 Brai de houille (de charbon)
1.9 Mégot recyclé
1.10 Cuisson des anodes
1.11 La consommation théorique et excédentaire des anodes
1.12 Notions fondamentales sur les réactions solide/gaz
1.12.1 Réaction de l’anode avec l’air
1.12.2 Réaction de l’anode avec le CO2
1.13 Consommation sélective de la phase liante et poussiérage
CHAPITRE 2 PARTIE EXPÉRIMENTALE
2.1 Les différentes méthodes de mesure de la consommation des anodes
2.1.1 Réactivité à l’air (Méthode Alcan)
2.1.2 Réactivité au CO2 (méthode R&D Carbon)
2.1.3 Test de consommation anodique
2.2 Mesure de la réactivité de la phase liante de l’anode par Analyse thermogravimétrique (ATG) sous air
2.2.1 Fabrication de matériel représentant la phase liante de l’anode
2.2.2 Description de la méthode de mesure par ATG
2.2.3 Essais préliminaires
2.3 Méthodes de Caractérisation
2.3.1 Densité en vrac (VBD)
2.3.2 Autres méthodes
CHAPITRE 3 ÉTUDE DE L’EFFET DU NIVEAU DE CALCINATION DU COKE SUR SES PROPRIÉTÉS
3.1 Effet du niveau de calcination du coke sur la consommation des anodes
3.2 Effet de la température de calcination du coke sur ses propriétés
3.2.1 Effet sur la porosité du coke
3.2.2 Effet de la température de calcination du coke sur son paramètre cristallin
3.2.3 Effet de la température de calcination du coke sur la surface BET
3.2.4 Effet de la température de calcination du coke sur les groupements oxygénés présents en surface et effet sur la mouillabilité
3.2.5 Effet de l’impact du niveau de calcination du coke sur le contact coke-brai (test de mouillabilité)
3.2.6 Effet de la granulométrie du coke calciné en laboratoire la désulfuration et le Lc.
3.2.7 Effet de la cuisson du coke vert sur la désulfuration et sur le Lc.
CHAPITRE 4
4.1 Influence de la procédure de fabrication/cuisson des anodes sur leur réactivité
4.1.1 Effet de la durée du palier de cuisson
4.1.2 Effet de la présence de mégot dans l’agrégat
4.1.3 Réactivité au CO2 des électrodes de laboratoire suite à une cuisson industrielle
CHAPITRE 5 COMPARAISON DES MÉTHODES DE MESURE DE LA RÉACTIVITÉ DES ANODES
5.1 Comparaison des méthodes de mesure de la consommation anodique
5.2 Test de réactivité au CO2
5.3 Thermogravimétrie des pâtes et du coke
5.3.1 Effet de la calcination du coke sur son oxydation à l’air
5.3.2 Mesure de la réactivité à l’air, cokes calcinés vs cokes cuits
5.3.3 Impact de la Cuisson du coke sur SA surface spécifique
5.3.4 Impact de la cuisson du coke sur son Lc
5.3.5 Impact de la cuisson du coke sur ça désulfuration
5.3.6 Mesure de la réactivité à l’air du coke cuit
5.3.7 Impact de la Cuisson du coke sur sa surface spécifique
5.3.8 Impact de la cuisson du coke sur son Lc
5.3.9 Mesure de la réactivité à l’air des pâtes (phase liante)
5.3.10 Impact de la cuisson du la phase liante sur sa surface spécifique
5.3.11 Impact de la cuisson de la phase liante sur son Lc
5.3.12 Impact de la désulfuration sur la réactivité des pâtes (phase liante)
5.4 Effet du niveau de calcination du coke sur la consommation anodique
CHAPITRE 6 CONCLUSIONS
6.1 Calcination du coke à l’échelle semi-industrielle
6.2 Mégot
6.3 Cuisson des anodes
6.4 Dosage des oxygènes de surface et mouillabilité
6.5 Réactivité à l’air du coke
6.6 Réactivité à l’air du coke cuit
6.7 Réactivité à l’air des pâtes
6.8 Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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