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Identification et optimisation des paramètres influant sur la qualité du charbon de bois utilisé comme agent réducteur pour la production du silicium métallurgique

Dufourny Adrien. 2018. Identification et optimisation des paramètres influant sur la qualité du charbon de bois utilisé comme agent réducteur pour la production du silicium métallurgique. Montpellier : Montpellier SupAgro, 262 p. Thèse de doctorat : Génie des Procédés : Montpellier SupAgro

Thesis
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Titre anglais : Identification and optimization of the parameters affecting the quality of the charcoal used as a reducing agent for the production of metallurgical silicon

Encadrement : Van de Steen, Laurent ; Humbert, Gilles ; Blin, Joël

Abstract : Le silicium métallurgique est produit par réduction carbothermique du quartz dans des fours à arcs électriques à l'aide de réducteurs carbonés, le plus souvent d'origine fossile. L'utilisation de charbon de bois est une alternative pertinente pour réduire l'impact environnemental du procédé métallurgique. Le charbon permet par ailleurs de limiter la présence de certaines impuretés dans le silicium et de diminuer la consommation globale d'énergie du procédé. Les principaux freins à son utilisation sont sa faible résistance mécanique ainsi que son coût de production qui, dans certains contextes, le rendent difficilement compétitif avec les réducteurs fossiles. L'objectif de ce travail de thèse était de déterminer les propriétés d'intérêts du charbon réducteur, et d'étudier l'influence de la nature du bois et des conditions de pyrolyse sur ces propriétés. Un réacteur pilote de pyrolyse en lit fixe, conçu spécifiquement dans le cadre de cette thèse, a permis de produire des charbons de bois dans des conditions proches de celles rencontrées dans l'industrie. Les charbons ont ensuite été caractérisés selon leurs rendements et leurs caractéristiques physico-chimiques. Des tests de comportement mécanique d'un lit du charbon – résistance à la compression et friabilité – ont été développés. Par ailleurs, la réactivité au CO2 des charbons a été mesurée au moyen d'un réacteur macro-thermogravimétrique. Les charbons ont été produits à partir de deux essences de bois de nature différente, pour trois températures finales de pyrolyse, 500, 650 et 800 °C, et deux temps de séjour à la température finale, 0 et 90 min. L'influence de la nature de la matière première a également été étudiée à travers la caractérisation de charbons produits à partir de quatre essences supplémentaires. Nos résultats ont montré que la nature du bois, notamment sa densité, avait un impact beaucoup plus important sur les propriétés du charbon comme agent réducteur que les conditions de pyrolyse. Par ailleurs, une augmentation de la température finale de pyrolyse se traduit par une résistance mécanique plus importante et une réactivité au CO2 plus faible. A l'exception du rendement en charbon et de la réactivité au CO2, l'impact du temps de séjour sur les propriétés du charbon est négligeable. Les travaux menés ont permis de déterminer les conditions de pyrolyse optimales ainsi que l'essence la plus adéquate pour la production d'un charbon de bois réducteur.

Résumé (autre langue) : Metallurgical silicon is produced by carbothermic reduction of quartz in electric arc furnaces using carbonaceous reducers, mostly of fossil origin. The use of charcoal is a relevant alternative to reduce the environmental impact of the metallurgical process. The charcoal also makes it possible to limit the presence of certain impurities in the silicon and to reduce the overall energy consumption of the process. The main obstacles to its use are its low mechanical strength as well as its cost of production which, in certain contexts, make it difficult to compete with fossil reducers. The aim of this thesis work was to determine the properties of interest of charcoal as a reducer, and to study the influence of wood nature and pyrolysis conditions on these properties. A fixed bed pyrolysis pilot reactor, designed specifically for this thesis, was used to produce charcoal in conditions similar to those encountered in industry. The charcoals were then characterized according to their yields and physicochemical characteristics. Tests of the mechanical behavior of a charcoal bed – resistance to compression and friability – have been developed. In addition, the CO2 reactivity of the charcoals was measured by means of a macro-thermogravimetric reactor. The charcoals were produced from two wood species of different types, for three final pyrolysis temperatures, 500, 650 and 800 °C, and two residence times at the final temperature, 0 and 90 min. The influence of the nature of the raw material was also studied through the characterization of charcoals produced from four additional species. Our results show that the nature of the wood, especially its density, has a much greater impact on charcoal properties as a reducing agent than the pyrolysis conditions. When the final pyrolysis temperature was increased, the mechanical strength increased and the CO2 reactivity decreased. Except for charcoal yield and CO2 reactivity, the impact of residence time on charcoal properties was negligible. The work made it possible to determine the optimal pyrolysis conditions and the most suitable wood for the production of a reducing charcoal.

Mots-clés Agrovoc : Charbon de bois, Silicium, Pyrolyse, Lutte antipollution, métallurgie

Classification Agris : P02 - Pollution

Auteurs et affiliations

  • Dufourny Adrien, CIRAD-PERSYST-UPR BioWooEB (FRA)

Source : Cirad-Agritrop (https://agritrop.cirad.fr/596149/)

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