ENCYCLOPÉDIE DE LA RECHERCHE SUR L’ALUMINIUM AU QUÉBEC 2013 | Page 28

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PRODUCTION D’ALUMINIUM
ALUMINIUM PRODUCTION
Modélisation

de la combustion dans
un modèle de four de cuisson
MODÉLISATION DE LA COMBUSTION DANS UN MODÈLE DE FOUR DE CUISSON D’ANODES
d’anodes
Combustion modeling within an
SIMULATION OF COMBUSTION IN(ON ANODE BAKING FURNACE MODELanode
baking furnace model)

François Grégoire1, Louis Gosselin1, Houshang Alamdari2, Donald Ziegler3
1
2

Département de génie mécanique, Université Laval, QC, Canada

Département de génie des mines, de la métallurgie et des matériaux, Université Laval, QC, Canada
3

Alcoa Primary Metals, Alcoa Technical Center, PA, USA

Introduction
• Les fours de cuisson d’anodes modernes ont une consommation énergétique d’environ 2 GJ par
tonne d’anode cuite. Cette énergie est fournie par la combustion du gaz naturel (ou mazout) au
niveau des brûleurs (Figure 1).

Flammes des
brûleurs
Cloison

• Un modèle détaillé de four de cuisson d’anodes doit inclure la combustion, en plus d’autres
phénomènes complexes (les 3 modes de transfert thermique, turbulence, cinétique de pyrolyse
du brai, etc.).
• Plusieurs modèles de combustion existent afin de reproduire les flammes des brûleurs : Eddy
Break-Up, Eddy Dissipation, fraction de mélange, Diffusion Flamelets, etc. Chacun de ces
modèles s’appuie sur certaines hypothèses, les résultats risquent donc d’être différents selon le
modèle utilisé.
• QUESTION : Est-ce que le choix du modèle de combustion a une grande influence sur la
température prédite des anodes? C’est ce que nous cherchons à vérifier en comparant 2 modèles
de combustion applicables aux conditions régnant dans le four : le modèle Eddy Dissipation et le
modèle de fraction de mélange.

Réfractaires
Coke
Anodes

Figure 1 : Schéma d’un four de cuisson d’anodes.
Les flammes des brûleurs réchauffent l’air qui circule dans la cloison. L’air ainsi
chauffé cuit indirectement les anodes de carbone par conduction.

Méthodologie

Entrée de CH4
Entrée de CH4
m = 1,5×10-3 kg/s m = 1,5×10-3 kg/s
T = 27°C
T = 27°C

• Dans les 2 modèles de combustion utilisés, le gaz naturel est du méthane (CH4) à 100 % qui
réagit stoechiométriquement avec l’oxygène (O2) de l’air.
• Comparaison des 2 modèles de combustion
• Modèle Eddy Dissipation avec réaction simplifiée CH4(g) + O2(g) → CO2(g) + H2O(g)
Taux de réaction contrôlé par la turbulence. Réactions endothermiques de dissociation des
produits de combustion ne sont pas considérées. 4 variables à résoudre : les 4 espèces
chimiques de la réaction.

PRIX // AWARD

François Grégoire
Louis Gosselin
Département de
génie mécanique,
Université Laval
Houshang Alamdari
Département de génie des
mines, de la métallurgie et des
matériaux, Université Laval
Donald Ziegler
Alcoa Technical Center

• Modèle de fraction de mélange avec fonction de densité de probabilité
Fraction de mélange reliée à la composition chimique du gaz via l’hypothèse d’équilibre
chimique. Réactions endothermiques de dissociation des produits de combustion sont
considérées. 2 variables à résoudre : la fraction de mélange et la variance de la fraction de
mélange.

Entrée d’air
m = 0,3 kg/s
T = 1000 à 1200°C

Cloison (gaz)
Tinitiale = 1000°C

Anodes
Tinitiale = 750°C

• Les 2 modèles simulent 3 jours de chauffage durant lesquels les brûleurs injectent du CH4 en
continu. La Figure 2 résume le domaine de calcul, les conditions initiales/frontières et les
phénomènes physiques inclus dans le gaz et dans les solides.

Réfractaires
Tinitiale = 950°C

Sortie d’air et
des produits
de combustion

Coke
Tinitiale = 850°C

y

y

z

x

Symétrie au centre
de l alvéole

Symétrie au centre
de la cloison

Physique dans la cloison : turbulence, combustion et transfert de
chaleur par convection et rayonnement.
Physique dans les solides : transfert de chaleur par conduction.

Figure 2 : Domaine de calcul 3D et conditions initiales/frontières utilisées pour
la simulation de 3 jours de chauffage dans le four de cuisson.

Résultats et conclusions
Résultats à la fin de 3 jours de chauffage
• Figure 3 : La température maximale de flamme est
de 2545°C avec le modèle Eddy Dissipation et de
2290°C avec le modèle de fraction de mélange.
Le modèle de fraction de mélange produit des
résultats plus réalistes car la température
adiabatique de flamme est d’environ 2380°C.
• Figure 4 : La température au centre des anodes
est très similaire avec les 2 modèles de
combustion, la différence maximale est de 1 %
entre les modèles.
• Figure 5 : Le rayonnement incident à la surface
des réfractaires est un peu plus élevé avec le
modèle Eddy Dissipation à cause de la
température de flamme plus élevée. Néanmoins,
cette différence est négligeable au niveau de la
cuisson des anodes.
• Figure 6 : Les 2 modèles prédisent des flux de
chaleur très similaires à la surface des
réfractaires, la différence maximale est de 10 %
entre les modèles.

Figure 3 : Température de
flamme au centre de la cloison

Température
(°C)

Figure 4 : Température au
centre des anodes de carbone

Modèle Eddy Dissipation

Figure 6 : Flux de chaleur à
la surface des réfractaires

Flux de
chaleur
(W/m²)

Radiation
incidente
(W/m²)

Température
(°C)

Modèle Eddy Dissipation

Figure 5 : Radiation incidente
à la surface des réfractaires

Modèle Eddy Dissipation

Modèle Eddy Dissipation

Modèle fraction de mélange

Modèle fraction de mélange

y
Modèle fraction de mélange

Modèle fraction de mélange

x

Conclusions
• Les 2 modèles de combustion prédisent une cuisson des anodes de carbone très similaire.
• Le modèle de fraction de mélange est tout de même recommandé car :
• température de flamme plus réaliste et inférieure à la température de flamme adiabatique;
• modèle plus léger numériquement (2 variables) et peut prédire les concentrations d’espèces polluantes (NOx, etc.).

Journée des étudiants – REGAL

The detailed modeling of an anode baking furnace includes multiple complex
La modélisation détaillée d’un four de cuisson d’anodes implique p