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

Abstract

Metallurgical silicon is produced by carbothermic reduction of quartz in electric arc furnaces using carbon reducers, mostly of fossil origin. The use of charcoal is a relevant alternative to reduce the environmental impact of the metallurgical process. The coal 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 work was to determine the interest properties of a reducing carbon, and to study the influence of the nature of the wood and the operating conditions of the pyrolysis on these properties.A fixed bed pyrolysis pilot reactor, designed specifically for this thesis, has produced charcoal in conditions similar to those encountered in industry. The coals were then characterized according to their yields and physicochemical characteristics. Characterization tests of the mechanical behavior in coal bed - resistance to compression and friability - have been developed. In addition, the CO2 reactivity of the coals was measured by means of a macro-thermogravimetric reactor. The coals were produced from two species of wood of different types, Eucalyptus globulus and Picea abies 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 production of charcoal with four additional species at the temperature of 700 ° C without residence time at the final pyrolysis temperature.Our results show that the nature of wood has a much greater impact on its properties as a reducing agent than the operating conditions of pyrolysis. The apparent density of wood is not a good indicator of the mechanical behavior of charcoal, as is often considered. When the final pyrolysis temperature was increased, the mechanical strength increased and the CO2 reactivity decreased. The impact of residence time at the final pyrolysis temperature on coal properties was negligible, with the exception of coal yield and CO2 reactivity, which decreased with increasing residence time. The work carried out made it possible to determine the optimal pyrolysis operating conditions as well as the most suitable gasoline for the production of a reducing charcoal for the silicon industry.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 d’un charbon réducteur, et d'étudier l'influence de la nature du bois et des conditions de la 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 étaient caractérisés selon leurs rendements et leurs caractéristiques physico-chimiques. Des tests de caractérisation du comportement mécanique en 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 production de charbon à partir de quatre essences supplémentaires à la température de 700 °C sans temps de séjour.Nos résultats montrent que la nature du bois a un impact beaucoup plus important sur ses propriétés comme agent réducteur que les conditions opératoires de la pyrolyse. La densité apparente du bois n'est pas toujours un bon indicateur du comportement mécanique du charbon, comme cela est souvent considéré. Lorsque la température de pyrolyse finale a été augmentée, la résistance mécanique a augmenté et la réactivité au CO2 a diminué. L'impact du temps de séjour à la température finale de pyrolyse sur les propriétés du charbon était négligeable, à l'exception du rendement en charbon et de la réactivité au CO2, qui diminuait avec l'augmentation du temps de séjour. Les travaux menés ont permis de déterminer les conditions opératoires de pyrolyse optimales ainsi que l’essence la plus adéquate pour la production d’un charbon de bois réducteur pour l’industrie du silicium