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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 A.. 2018. Montpellier : Montpellier SupAgro, 262 p.. Thèse de doctorat -- Génie des Procédés.

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.

Mots-clés : charbon de bois; silicium; pyrolyse; lutte antipollution; métallurgie

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