RÉACTIVITÉ AU CO2 EFFET DU NIVEAU DE CALCINATION ET DE CUISSON DU COKE 

Procédé Hall-Héroult

Techniques d’analyse et montage expérimental

Introduction

Ce chapitre décrit les techniques d’analyse, le montage utilisé et les analyses de caractérisation par BET, XRD et XPS. Une attention particulière est portée à la modification d’un type de creuset réalisé dans une étude précédente [35]. Pour cette étude, deux types de creusets sont nécessaires, le premier pour l’étude en milieu oxydant (CO2) et le second pour l’étude à haute température en milieu neutre (Argon). Chaque creuset possède une configuration différente et est fabriqué dans des matériaux différents.

Techniques d’analyse

La thermogravimétrie est une technique de choix si le but visé est de connaître les réactivités d’une substance en fonction de la température sous différentes atmosphères. La thermogravimétrie est une technique d’analyse servant à déterminer les changements de masse d’un échantillon en fonction de la température. Dans cette étude, la perte de masse reliée soit à l’oxydation de l’échantillon ou soit à la désulfuration de l’échantillon est suffisante pour traduire l’évolution du système. Les données sur la perte de masse sont enregistrées en continu à l’aide d’une balance connectée à un ordinateur. L’analyse des gaz est effectuée en continu au cours de la calcination au moyen d’un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR). L’appareil de FT-IR utilisé est le modèle 6700, Thermo Nicolet, USA. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier est une technique de spectroscopie d’absorption. Elle est employée pour l’identification de composés chimiques ou encore pour l’identification de la composition d’un échantillon. Le spectromètre infrarouge du montage utilise la plage « infrarouge moyen » du spectre, c’est-à-dire entre 400 et 4000 cm »1 . Cette plage du spectre est utilisée pour étudier les vibrations fondamentales et la structure rotationnelle et vibrationnelle associées à une ou des molécules. Le spectre infrarouge FT-IR d’un échantillon est mesuré en faisant passer un faisceau laser de lumière infrarouge à travers de l’échantillon. La lumière transmise indique la quantité d’énergie absorbée pour chaque longueur d’onde. La transformée de Fourier permet la mesure instantanée de toute la plage spectrale réduisant ainsi grandement le temps d’acquisition.

Montage expérimental

Description du montage

Le montage expérimental (Centre de Recherche Universitaire sur l’Aluminium, UQAC) permet d’effectuer les analyses. Il s’agit d’un montage thermogravimétrique pour des échantillons de taille moyenne (5 à 25g). Un schéma du montage utilisé est présenté à la Figure 2.1. Le chauffage de l’échantillon se fait à l’aide d’un four à induction (Taylor infield 5 kW) asservi par un contrôleur de température (Micristar) équipé d’un censeur infrarouge (OMEGA OS1200) qui mesure la température à partir de 700 K. Le creuset est suspendu à l’aide d’un fil de métal (en acier inoxydable ou en tantale) à une balance (Mettler Toledo XS205) qui exporte les données de masse dans le programme LabX Balance. Les données de température sont alors exportées dans un logiciel et les corrélations entre les données de temps, de température et de masse sont établies. L’acquisition des données est effectuée une fois par seconde. Le chauffage à induction permet de chauffer le creuset directement à des taux élevés (environ 250 K/min) permettant ainsi de reproduire les conditions de température et de taux retrouvés dans un calcinateur industriel. Un isolant est posé autour de la boucle d’induction pour réduire les pertes de chaleur du creuset. Par ailleurs, le flux de gaz est préchauffé dans une bobine avant d’être acheminé à la chambre sous une pression constante (1 atm).
L’analyse des gaz émis se fait à l’aide du spectrométre infrarouge. Une sonde est placée dans le four juste au-dessus du creuset pour recueillir les gaz émis. L’analyse spectroscopique est effectuée seulement sur les gaz non-condensables puisque les condensables (goudrons) pourraient endommager l’appareil. Cette analyse est effectuée à des fins qualitatives, c’est-à-dire pour mesurer le niveau de CO dans la chambre de réaction (four). Il est à noter que l’appareil de chromatographie en phase gazeuse (#8 à la Figure 2.1) n’a pas été utilisé lors de ce projet. Le montage expérimental peut être divisé en 3 parties : > l’analyse thermogravimétrique > l’analyse spectrophotométrique > l’acquisition des données. 1) Four à induction 2} Générateur 3) Échantillon
4}Fyromètre à infra-rouge 5)Balance 6)Contrôleur de température 7)Ordinateur 8)Chromatographe
9) Condensateur 10} Filtres 11) Prise d’échantillon gazeux 12)Rotamètre 13)Pompe aspirante 14)Gaz 15) Isolant 16) Tube de quartz 17) Buse d’échantillonnage.

Conditions expérimentales

Durant les expériences d’oxydation des échantillons sous CO2, la température augmente linéairement à partir de 725 K selon un taux de 20 K/min jusqu’à atteindre un premier plateau à 1125 K qui est maintenu pendant 30 minutes. Par la suite, 3 autres plateaux de 30 minutes sont atteints à 1175, 1225 et 1275 K respectivement à un taux de chauffe de 20 K/min entre ceux-ci. Une rampe de température typique est présentée à la Figure 2.2. Pour les expériences sous argon (calcination), la température augmente linéairement de 725 K à un taux de 20 K/min jusqu’à la température de calcination souhaitée et maintenue pendant 30 minutes. Une granulométrie d’échantillon de -4 à +8 mesh a été utilisée pour chaque volet de l’étude. Des tests ont été effectués pour s’assurer de la reproductibilité des résultats et l’erreur de la mesure thermogravimétrique est de 6,3% (voir Chapitre 5). Le gaz (CO2 ou argon) est introduit dans la partie inférieure du tube de quartz à un débit de 5,4 L/min lors des expériences sous CO2 et de 5,6 L/min lors des expériences sous argon. Le débit d’aspiration est fixé à 3,2 L/min dans toutes les expériences. Des corrections ultérieures sont faites pour tenir compte du délai existant entre l’émission des gaz émis et l’analyse.

Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. Considérations théoriques
1.1.1. Procédé Hall-Héroult
1.1.2. Le liant (Brai de charbon)
1.1.3. L’agent de remplissage (Coke de pétrole)
1.1.4. Les mégots recyclés
1.1.5. Cuisson des anodes
1.2. Revue de la littérature
1.2.1. Effet du niveau de calcination du coke et de la cuisson des anodes sur leurs propriétés
1.2.2. Effet du monoxyde de carbone sur la réactivité du coke
1.2.3. Désulfuration du coke de pétrole
1.2.4. Mise en forme des creusets
1.3. Objectifs de l’étude
1.4. Intérêt de l’étude
2. TECHNIQUES D’ANALYSE ET MONTAGE EXPÉRIMENTAL
2.1. Introduction 
2.2. Techniques d’analyse
2.3. Montage expérimental
2.3.1. Description du montage
2.3.2. Conditions expérimentales
2.4. Conception des creusets
2.5. Caractérisation des échantillons
2.6. Ressources
3. CORRECTIONS À APPORTER AUX RÉSULTATS THERMOGRAVIMÉTRIQUES
3.1. Tests du creuset vide
3.2. Température de l’échantillon vs. Température du creuset
3.3. Force induite par le champ magnétique
3.4. Poussée des gaz chauds
3.5. Volume mort
4. VÉRIFICATION DU GRADIENT DE TEMPÉRATURE DANS LES CREUSETS
4.1. Introduction 
4.2. Le chauffage par induction
4.3. Position des thermocouples
4.4. Résultats
4.5. Conclusions
5. OXYDATION AU CO2 : MODÈLE CINÉTIQUE
5.1. Introduction 
5.2. Modèle cinétique d’oxydation au CO2 de produits carbonés
5.3. Méthode de calcul
5.4. Résultats
5.5. Conclusions
6. RÉACTIVITÉ AU CO2 : EFFET DU NIVEAU DE CALCINATION ET DE CUISSON DU COKE 
6.1. Introduction 
6.2. Résumé
6.3. Résultats thermogravimétriques : comparaison des échantillons
6.3.1. Pour le coke
6.3.1.1. Sommaire pour le coke
6.3.2. Pour la pâte et le brai
6.3.2.1. Sommaire pour la pâte et le brai
6.4. Conclusions 
7. DÉSULFURATION DU COKE DE PÉTROLE
7.1. Introduction
7.2. Résumé
7.3. Résultats des analyses XPS
7.4. Comparaison du coke avant et après oxydation au CO2
7.4.1. Le carbone
7.4.2. L’oxygène
7.4.3. Le soufre
7.5. Comparaison de différents types de cokes verts
7.5.1. Le carbone
7.5.2. L’oxygène
7.5.3. Le soufre
7.6. Conclusions 
BIBLIOGRAPHIE

Télécharger le rapport complet