Introduction au procédé d’électrolyse de l’aluminium

La fabrication d’une anode est un processus rigoureux, car l’on cherche à obtenir des propriétés mécaniques, physiques et électriques optimales. Toutefois, le processus de fabrication, d’un point de vue du bilan de masse est beaucoup plus simple de façon théorique. Les agrégats secs sont mélangés entre eux selon une recette précise, et divisés en fonction de leur granulométrie. Les fractions massiques appropriées sont mélangées avec un liant liquide et une anode est produite à l’aide d’un moule. Ces anodes crues nécessitent par la suite une cuisson afin d’être propres à une utilisation dans les cuves d’électrolyses.

MATIÈRE NÉCESSAIRE À LA PRODUCTION D’UNE ANODE 

AGRÉGATS SECS

Il y a trois types d’agrégats secs qui sont généralement utilisés dans la fabrication des anodes. Bien que ceux-ci sont essentiellement composés de carbone. Il y a des différences significatives dans chacun des composés; raison pour laquelle le contrôle des proportions est un élément essentiel du procédé.

En premier lieu, il y a le coke de pétrole qui est un résidu de la production d’hydrocarbures. Pour une utilisation dans l’industrie de l’aluminium, celui-ci doit subir une calcination pour que ses propriétés mécaniques, chimiques, physiques et électriques soient bien définies et conservent leurs intégrités. De plus, au cours de cette calcination, l ‘humidité du matériel et les éléments volatils s’échappent du composé. Il est donc nécessaire pour l’aluminerie de recevoir du coke calciné de façon périodique pour satisfaire à la production d’anodes. Le coke est un composé généralement riche en soufre (0.5 à 4%) et la gestion de cet élément requiert un suivi constant de la part de l’ équipe de gestion du procédé pour conserver une concentration moyenne presque constante.

En second lieu, il y a les «anodes cuites». Cet agrégat catégorise tous les produits carbonés et recyclés de l’usine qui ont subi une cuisson. Ces produits sont des mégots d’anodes revenant des salles d’électrolyse ainsi que des anodes cuites qui ont été rejetées pour non-conformité. Comme ceux-ci ont subi une cuisson, il n’y a aucun élément encore volatil dans la matrice formant ces composés. Dans le cas des mégots revenant de l’électrolyse, il y de la manutention supplémentaire qui est nécessaire pour traiter différent type de mégots qui peuvent être plus riche en sodium. Par ailleurs, un nettoyage des mégots est nécessaire pour retirer le produit de couverture (contamination de sodium) qui se retrouve par-dessus les anodes.

En troisième lieu, il y a les anodes non cuites communément appelées « anodes crues » qui ont été rejetées pour non-conformité avant d’arriver à l’étape de la cuisson. Leur composition est directement liée à la recette utilisée pour leur production puisqu’aucun autre traitement ne leur est imposé avant la réinsertion.

SILO DE MATIÈRE PREMIÈRE

La matière première (coke et brai) servant à fournir l’usine d’anode est acheminée principalement par bateau. Ces livraisons sont effectuées à un intervalle régulier variant entre 25 et 30 jours. Ainsi donc, l’alimentation ponctuelle de composition connue s’insère dans l’unité d’opération représentant les silos d’alimentation primaire et la composition de la matière première de ce silo est recalculée en fonction du résidu qui y était présent préalablement à la livraison. L’utilisation d’une unité d’opération FIFO (First In, First Out) permettrait d’améliorer la précision du modèle en considérant les différentes strates représentant les différentes sources qui peuvent être de composition variée.

LIANT CHIMIQUE

Afin de relier les différents composés solides, le brai de houille est utilisé pour la mise en forme de l’anode. Ce composé a un point de ramollissement aux environs de l20°C. Lors de son froidissement, il fonne une cohésion avec les particules solides de l’anode, ce qui assure le maintien de la conformité géométrique de celle-ci.

CONTAMINANTS PRÉSENTS DANS LA MATIÈRE PREMIÈRE 

Plusieurs composés chimiques doivent être considérés pour la production d’anode puisque la plupart d’entre eux ont un impact direct sur la réactivité des anodes et engendrent une baisse de l’efficacité du procédé d’électrolyse de l’alumine.

SOUFRE

Le soufre est le contaminant principal présent dans le coke. En effet, comme celui-ci est un résidu de la production d’hydrocarbure plus léger, Je soufre s’accumule dans le coke jusqu’à des concentrations variant généralement entre 0.5 et 4%. Pour éviter que le procédé ne varie constamment dû à ces fluctuations qui sont dépendante de la technologie des fournisseurs, le coke peut être prémélangé afin d’obtenir une concentration de soufre variant entre 2.2 et 2.6%. Lorsque l’anode est soumise à sa cuisson, la teneur en soufre aura tendance à diminuer suite à la désulfurisation de celle-ci. Edwards et coll. [32] ont fait la revue littéraire de plusieurs cas publiés pour des cokes verts et des cokes calcinés. Ils ont tenté de comprendre la corrélation entre certains paramètres de la cuisson des anodes et la différence entre la teneur initiale et la teneur finale en soufre du produit. À partir de trois paramètres d’entrées (température, temps, Le), une température équivalente (Teq) a pu être définie, pour ainsi développer les deux équations suivantes permettant de quantifier la désulfurisation pour des cokes calcinés à haut soufre et à bas soufre.
Desulf High_Sulfur (%wt) = 0.0165 · (Teq – 1264)
Desulf Normal_Sulfur (%wt) = 0.0035 · (Teq- 1255)
En utilisant ces formules, et selon la technologie disponible dans les installations étudiées, ils ont pu calculer la quantité de soufre qui se volatilise varient entre 0.09kg/ t anodes cuites et 0.90 kg / t anodes cuites.

SODIUM

La contamination principale en sodium provient des mégots et de façon générale, ce niveau de sodium est le résultat du nettoyage effectué préalablement au broyage des anodes. Il est fréquent qu’une faible fraction de la cryolithe (Na3AlF6) soit toujours attachée à la surface de l’anode et que celle-ci se retrouve subséquemment dans le procédé.

Par ailleurs, les anodes en cuves sont trempées dans le bain électrolytique. Par conséquent, lorsque certaines conditions sont atteintes, le bain électrolytique (Na3AlF6) pénètre directement dans les anodes. Les analyses chimiques effectuées par Suriyapraphadilok et coll) indiquent cette tendance. En effet, le ratio NA / Al / F observable dans leurs analyses chimiques est très similaire au ratio attendu dans une telle situation. Par contre, sous certaines conditions hautement défavorables, l’absorption de bain peut être beaucoup plus rapide comme le démontrent certaines analyses effectuées par Aluminerie Alouette [34].

En effet, la teneur en sodium de différents morceaux d’anodes a été examinée sachant que ceux-ci ont été exposés de façon prolongée à des conditions considérées comme défavorables. Dans ce sens, le niveau de sodium présent dans les échantillons analysés est très variable en fonction de la profondeur (moy: 200-500 ppm Na). Par contre, dans certains cas de même catégorie, une augmentation significative de la teneur en sodium (> 1000 ppm) est notable. Ces informations indiquent que la durée de l’exposition est significative pour calculer le niveau d’absorption. Une analyse systématique est nécessaire pour identifier une corrélation entre le niveau de sodium moyen de ces différents morceaux d’anodes.

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Table des matières

CHAPITRE 1 : MISE EN SITUATION 
1.1 Problématique
1.2 Objectifs
1.3 Introduction au procédé d’électrolyse de l’aluminium
1.3.1 Processus
1.3.2 Composantes essentielles
1.3.3 Impuretés
1.4 Vue d’ensemble du mémoire
1.5 Composés chimiques considérés
1.6 Choix du logiciel de simulation
CHAPITRE 2: BILAN DE MATIÈRE POUR L’USINE D’ ANODE 
2.1 Introduction
2.2 Matière nécessaire à la production d’une anode
2.2.1 Agrégats secs
2.2.2 Silo de matière première
2.2.3 Liant chimique
2.3 Fabrication d’une anode
2.4 Contaminants présents dans la matière première
2.4.1 Soufre
2.4.2 Sodium
2.4.3 Autres cotnposés
2.4.4 Contamination moyenne
2.5 Contamination en fer
2.5 .1 Broyeur à boulets (données opérations)
2.5.2 Broyeurs à contacts (dom1ées opérations)
2.5 .3 Séparateurs magnétiques (données opérations)
2.6 Four à cuire
2.6.1 Bénéfices de la cuisson des anodes
2.6.2 Processus de cuisson
2.6.3 Émissions de gaz (dégazage) (chimie)
2.6.4 Autres volatiles (chimie)
2. 7 Zone de stockages
2.8 Simulations
2.8.1 Opération normale
2.8.2 Stratégie d’alimentation nonnale
2.8.3 Impact d’un changement dans la matière première
CHAPITRE 3 : BILAN DE MATIÈRE POUR L’USINE DE TRAITEMENT DU BAIN 
3.1 Introduction
3.1.1 Flux des matières entrantes
3.2 Contaminants principaux dans la matière première
3.3 Contamination en fer
3.4 Simulations
CHAPITRE 4 : BILAN DE MATIÈRE POUR LES SALLES D’ÉLECTROLYSES 
4.1 Introduction
4.2 Schématique générale des salles d’électrolyse
4.3 Bilan de masse appliqué à une cuve d’électrolyse
4.3.1 Ensembles anodiques
4.3.2 Bain électrolytique
4.3.3 Aluminium
4.3.4 Produit de couverture
4.3.5 Cathodes
4.3.6 Émission de gaz secondaires
4.3.7 Impuretés supplémentaires
4.4 Gains potentiels sur la pureté du métal produit
4.5 Centre de traitement des gaz
4.6 Simulations
4.6.1 Validation- Opérations normales
4.6.2 Changement de composition des anodes
4.6.3 Changement de composition du produit de couverture
4.6.4 Variation du rendement Faraday
4.6.5 Impact de la durée et de la fréquence des effets anodiques
CHAPITRE 5 : CONCLUSION

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