Modélisation numérique, caractérisation et validation expérimentale du transfert thermique au-dessus de cellules d'électrolyse d’aluminium

Abstract

La production d’aluminium primaire par le procédé d’électrolyse est améliorée continuellement afin d'atteindre une meilleure efficacité énergétique et un meilleur bilan environnemental, tout en augmentant la production. Cette augmentation se fait en améliorant la conception des cellules d’électrolyse d’aluminium et en intensifiant le courant alimentant les technologies existantes. Pour donner un ordre de grandeur, la production d’aluminium au Canada nécessitait environ 42 500 GWh d’électricité en 2017, soit environ 24 % de la production totale d’hydroélectricité du Québec pour produire 3.2 millions de tonnes.

Dans la salle d’électrolyse, un puissant courant électrique situé entre 200 kA et 600 kA, selon la technologie, traverse chacune des cellules d’électrolyse en série pour alimenter la réaction électrochimique. L’énergie générée par effet Joule est dissipée par les différentes composantes de la cellule d’électrolyse. Dans le cadre de cette thèse, le comportement thermique de la cellule d’électrolyse est prédit par la modélisation numérique des phénomènes de transfert thermique et de conduction électrique, avec une emphase particulière sur les composantes supérieures. La prédiction est améliorée par la caractérisation des propriétés thermochimiques de matériaux et la validation expérimentale effectuée sur des cellules d’électrolyse industrielles.

Le recouvrement anodique est composé par deux éléments distincts : 1) le matériau de recouvrement anodique poudreux (ACM) et 2) la croûte d’anode qui est générée par la réaction entre l’ACM et le bain électrolytique à l’état liquide ou vapeur. La quantification des phases cristallines a démontré les gradients verticaux de Na5Al3F14, Na3AlF6, Na2Ca3Al2F14 et Al2O3 dans la croûte d’anode, engendrés par la pénétration de bain liquide et de vapeur (NaAlF4). Selon les analyses thermochimiques, l’ACM se transforme en croûte d’anode dans la plage de température variant entre 685 °C et 710 °C, tandis que la croûte se détériore à une température d’approximativement 935 °C pour former une cavité dans la cellule d’électrolyse. Les propriétés thermiques complètes (α, k, cp, ρ, enthalpie et ε) ont été déterminées expérimentalement.

La géométrie servant à représenter le recouvrement anodique a été améliorée par des mesures de profils de l’ACM et de la croûte d’anode. La modélisation thermique-électrique en régime permanent a été améliorée en programmant un algorithme de prédiction de l’emplacement de la cavité et en intégrant un module de rayonnement thermique. L’augmentation de l’épaisseur du recouvrement anodique engendre une diminution de la dissipation thermique par le haut et une augmentation de celle par le côté, causant la fonte du talus sur les parois latérales. À partir des simulations, une corrélation numérique a été établie pour diagnostiquer des cellules d’électrolyse présentant une dissipation thermique atypique ou problématique.

Une nouvelle stratégie de modélisation transitoire a été développée pour résoudre deux problèmes comprenant des variations géométriques temporelles. Pour la première fois, l’évolution thermique et électrique d’un ensemble anodique durant toute sa durée de vie a été prédite et validée par des anodes instrumentées placées dans des cellules d’électrolyse industrielles. De plus, le modèle transitoire démontre que l’augmentation temporaire de l’énergie générée, en augmentant le potentiel électrique d’opération, engendre la détérioration irréversible du recouvrement anodique et génère un nouvel équilibre thermique caractérisé par une dissipation latérale plus importante.