L’objectif de cette étude est de proposer des stratégies de récupération de chaleur au sein d’une aluminerie en se basant sur des considérations techniques et économiques. Après analyse des principaux postes de pertes de chaleur de l’aluminerie, l’étude focalise sur une source particulière : les effluents gazeux issus des cuves d’électrolyse. Deux applications sont envisagées et analysées dans deux articles scientifiques : le chauffage de bâtiments dans l’aluminerie, et le chauffage d’une serre. Dans les deux cas, une modélisation dynamique de la demande de chauffage est proposée, accompagnée d’un dimensionnement détaillé des échangeurs de chaleur et des équipements. Puis, une optimisation est réalisée pour minimiser les coûts de capital et d’opération de l’implantation. Enfin, des cas d’étude sont proposés afin d’analyser la variabilité des solutions retenues. / The objective of this study is to propose heat recovery strategies in a primary aluminum smelter by considering technical and economic aspects. After analyzing the various heat sources and sinks, it was decided to focus the study on the flue gases exiting the electrolysis cells. Two applications are envisioned and presented in two scientific articles: heating buildings within the aluminum smelter, and heating a greenhouse. In both cases, a dynamic model of heating requirement is proposed, associated to the detailed design of heat exchangers and equipment. Then, an optimization is performed to minimize the implementation capital and operation costs. Last, several case studies are presented in order to analyze the variability of the retained solutions.

L’aluminium primaire produit de nos jours est obtenu par l’électrolyse de l’alumine à 960 °C, suivant le procédé proposé par Charles Martin Hall, et Paul Louis-Toussain Héroult, en 1886. Ce procédé, communément appelé Hall-Héroult, du nom de ceux qui l’ont proposé, consiste à imposer un courant électrique au travers un mélange de cryolithe fondue dans laquelle est dissoute l’alumine. Le courant circule entre les anodes et la cathode de carbone. Les anodes sont principalement composées de coke de pétrole calciné et du reste non consommé des anodes usagées, que l’on appelle mégot. Toutes ces particules carbonées sont liées à l’aide de brai de houille (pitch). Une fois le bloc anodique formé, il doit être cuit afin de lui conférer une bonne tenue mécanique. Pour permettre un rendement efficace lors de ce procédé, les anodes, qui amènent le courant, doivent avoir une résistivité électrique la plus faible possible. De plus, ces anodes, consommables, servent aussi d’apport pour le carbone nécessaire à la réaction d’électrolyse, leur composition chimique doit par conséquent être suffisamment pure pour ne pas affecter la qualité de l’aluminium produit. Le projet de recherche présenté ici se focalise sur l’étude et la compréhension du comportement électrique de l’anode avant sa cuisson à des fins de contrôle de qualité en cours de fabrication. Pour déterminer la résistivité électrique d’un matériau composite, le modèle mathématique de Nielsen semble être un outil très intéressant et polyvalent dans différentes applications de modélisation de la résistivité électrique. Pour utiliser ce modèle, il est nécessaire de connaître certaines propriétés des différentes phases constituant l’anode. Dans le cas présent, le matériau anodique sera limité à une fraction de tailles de particules de coke de pétrole et la matrice liante, composée du pitch et de particules fines de coke de pétrole. Les propriétés à connaître sont, pour les particules de coke, leur résistivité électrique intrinsèque, leur rapport de forme, ainsi que la compacité maximale qui puisse être obtenu avec ce matériau. Seule la résistivité électrique de la matrice liante est à connaître nécessairement. Dans l’industrie de l’aluminium, seule la résistivité électrique d’un lit des particules est mesurée pour suivre l’évolution de ce paramètre suivant les différents lots utilisés. Pour implémenter la résistivité électrique du coke dans le modèle de Nielsen, il est nécessaire de déterminer la résistivité électrique intrinsèque du coke. Afin de déterminer cette valeur, des mesures de résistivité électriques ont été faites en utilisant une méthode quatre pointes, qui permet de mesurer la résistivité électrique des matériaux dont la résistivité est faible. Ensuite, le vide inter particulaire présent dans le volume de mesure est retranché afin de ne compter que le volume occupé par le matériau. Finalement, les contacts entre particules ont été estimés par calcul numérique, en utilisant la méthode des éléments discrets. Le nombre, la surface moyenne et la disposition de ces contacts ont été évalués afin d’être implémentés dans un modèle mathématique permettant de calculer la résistivité électrique du coke. Différentes mesures ont permis de proposer une valeur cohérente et acceptable pour la résistivité électrique du coke. Afin de mesurer la résistivité électrique de la matrice liante ainsi que de l’anode, une méthode précise est requise. La méthode standardisée utilisée par l’industrie montre de grands écarts à la moyenne et des valeurs souvent peu reproductibles. La méthode de mesure de la résistivité électrique proposée par Van der Pauw permet d’obtenir des résultats avec une plus grande reproductibilité et un écart à la moyenne fortement amoindri. Cette méthode peut être utile pour mesurer la résistivité électrique des sections coupées dans une carotte d’anode ou de matrice liante moulée. Différentes mesures, effectuées sur des échantillons type anode de différentes compositions ont révélé que la résistivité électrique mesurée en laboratoire ne correspond pas à celle calculée en utilisant le modèle de Nielsen, intégrant les paramètres physiques des matériaux utilisés. Pour expliquer la divergence entre le modèle et les mesures de laboratoire, une analyse en microscopie optique a été effectuée. Il a été révélé que l’épaisseur de la couche de matrice liante entre les particules demeure trop grande pour permettre la création d’un chemin électrique de particule à particule dans le matériau. Ceci implique que la résistivité électrique de la matrice liante impose principalement la résistivité électrique du composite, dans ce cas. / Primary aluminium produced nowadays is obtained by electrolysis of alumina at 960 °C, following the process proposed by Charles Martin Hall, and Paul Louis Toussain Héroult, in 1886. This process, named Hall-Héroult, due to the name of its creators, consists in applying an electrical current trough a mix of molten cryolithe in which is dissolved alumina. The current flows between the carbon anodes and the cathode. Anodes are mostly composed of calcined petroleum coke aggregates and remnant particles of used anodes, butt particles. Those carbonaceous particles are tied together using coal tar pitch. Once the anode bloc is formed, it is backed to gain mechanical strength. To allow an efficient yield during the electrolysis process, anodes, through which the current flows, shall have the lowest electrical resistivity. Furthermore, those consumable anodes, are also required to bring the carbon as reactant for the electrolytic reaction, consequently, their chemical composition must be pure enough not to diminish the produced aluminium quality. The research project presented focuses on the study and understanding of electrical behaviour of the anode prior to its backing, for quality control during manufacturing process. To determine the electrical resistivity of a composite material, Nielsen’s model appears as an interesting tool, reliable for multiple electrical modelling applications. Using this model implies knowing several properties of the different phases present in the anode. In the present case, anode material is restricted to a specific size fraction of coke particles and binder matrix, made of pitch and fine particles. The properties to know are, for the coke particles, their intrinsic electrical resistivity, aspect ratio, and the maximal packing fraction that can be reached. Only electrical resistivity is required for the binder matrix. In aluminium industry, only the electrical resistivities of beds of particles are measured to follow the evolution of this parameter depending the batch used. To implement the electrical resistivity of coke particles in Nielsen model, its intrinsic electrical resistivity is required. To obtain this value, measurement were performed using four probes setting, which allows measuring the electrical resistivity of material presenting low resistivity. Then, inter-particles void present in the measurement volume shall be removed in order to only take account of the volume occupied by the material investigated. Finally, the contacts between particles are estimated by numerical calculation, using discrete element method. The number, average surface and disposition of the contacts were assessed to implement them in a mathematical model allowing calculating the electrical resistivity of coke. Several measures lead to the proposition of a consistent and reliable value for electrical resistivity of coke. To measure the electrical resistivity of binder matrix, as well as the anode’s, an accurate method is required. The standardised method used in the industry reveals strong standard deviation and rather not often reproducible values. The method of measurement of electrical resistivity of continuous phases proposed by Van der Pauw allows retrieving highly reproducible results, with a much lower standard deviation. This technique can be useful to measure the electrical resistivity of slices cut out of anode cores or cast binder matrix. Several measurements, performed on anode like samples with different composition revealed that the electrical resistivity measured in laboratory does not fit with the one calculated using Nielsen’s model, using the physical parameters of the characterized materials. To explain the difference, between the model and laboratory measurements, an optical microscopic analysis was performed. It was disclosed that the binder matrix layer between particles remain too thick to allow the creation of an electrical path from particle to particle within the material. This implies that the electrical resistivity of the binder matrix mostly dictates the one of the composite material, in this case.

Comme de nombreuses industries, les alumineries se retrouvent face au nouveau défi de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). La capture du CO₂ émis par les cuves d'électrolyse permettrait de réduire drastiquement les GES sans nécessiter des changements importants de la technologie actuelle de production. Ce travail présente deux analyses technico-économiques de la capture du CO₂ émis par les cuves d'électrolyse afin d'en évaluer la faisabilité. La première étude vérifie si la capture par la monoethanolamine (MEA), une alkano amine primaire couramment employée pour la séparation des gaz acides, est techniquement possible et économiquement intéressante dans une aluminerie. L'effet du taux de ventilation des cuves d'électrolyse a été étudié afin d'augmenter la concentration du CO₂ dans les effluents gazeux. De plus, la possibilité d'une intégration thermique a été prise en considération, pour permettre d'évaluer dans quels secteurs les rejets thermiques d'une aluminerie sont compatibles avec les besoins énergétiques de l'installation de capture. Il ressort de cette première analyse qu'une concentration en CO₂ de 4 vol% dans les effluents gazeux des cuves d'électrolyse est la configuration la plus adéquate techniquement et économiquement. Le coût de la capture est estimé à 107 $/tonne de C0₂ évité, correspondant à 100 $/tonne d'aluminium produit. Une intégration thermique appropriée permettrait théoriquement de réduire de 58% les coûts de la capture. La seconde étude évalue la possibilité de l'utilisation d'une solution à base d'aminé à encombrement stérique, afin de rendre la capture plus attractive économiquement. Le choix est porté sur l'utilisation d'un mélange de 2-amino 2-methyl 1-propranol (AMP) et de piperazine (PZ), un solvant moins énergivore. Pour l'étude, la configuration avec une concentration en CO₂ de 4 vol% dans les effluents gazeux a été utilisée. Une composition massique de 8% en PZ et de 32% en AMP dans le solvant s'est avérée être la meilleure configuration. L'utilisation du mélange AMP/PZ permet de réduire de 25% le coût du capital et de 29% les coûts opératoires par rapport à la MEA (65 $/tonne de CO₂ évité par rapport à 107 $/tonne pour la MEA). L'intégration thermique permet de réduire le coût de la capture à 58 $/tonne de CO₂ évité.

Une bonne planification et un bon contrôle des opérations ayant lieu dans une aluminerie sont cruciaux pour atteindre un haut niveau de performance et de productivité dans l'usine. Compte tenu du grand nombre de processus impliqués dans le secteur de l’électrolyse, de leur complexité ainsi que de leurs interrelations, il est loin d'être trivial d'évaluer les impacts causés par un changement d’ampérage dans les cuves d’électrolyse sur la capacité opérationnelle de l’usine. Dans le présent travail, un modèle de simulation basé sur la méthode à événements discrets est développé pour analyser la gestion des opérations dans le secteur de l’électrolyse. Les entrées du modèle sont l’aménagement des installations, les horaires de travail, les temps de déplacements et de traitement, la disponibilité et la capacité des équipements tels que les creusets, les ponts roulants, etc., et la liste des cuves à traiter en fonction des demandes de la fonderie. Le modèle a été validé avec les données de l'usine. Les résultats de la simulation incluent des détails sur les opérations effectuées au cours d’une période de 12 heures, soit le temps d'un quart de travail et le moment où elles ont été complétées. La simulation fournit également des informations pertinentes telles que l'incapacité opérationnelle à respecter la planification. En se basant sur le contexte actuel de l’aluminerie Alcoa Deschambault, la recherche permet de démontrer qu'il est possible, avec les ressources actuelles, de soutenir des augmentations de 5% et 10% d’ampérage dans les cuves d’électrolyse. Les travaux contribuent de plus à démontrer la façon de déployer correctement des véhicules autoguidés pour le transport des anodes afin de bien répondre aux besoins de l’entreprise. Le modèle de simulation proposé dans ce mémoire peut donc être considéré comme un outil puissant d’aide à la décision pour tester différents scénarios et ainsi conduire à des décisions bénéfiques à court et à long terme. / A good planning and control of the operations involved in a smelter is crucial for achieving a high-level of performance and productivity for the plant. Given the large number of processes involved in a smelter, as well as their complexity and interrelationships, it is far from trivial to evaluate the real impact that a change to the cell amperage may have on work organization and schedules, equipment capacities and replacement, etc. In the present work, a simulation model based on the discrete event method is developed to analyze the operations management in a potroom. The inputs to the model are the plant layout, the work schedule, the travel and process times, the availability and the capacity of equipment such as crucibles, cranes, etc., and the list of required cells to be tapped, based on the cast house requirements. The model was validated with plant data. Results of the simulation include some details concerning the operations performed within a 12-hour period, a work shift duration, and the time at which they were completed. The simulation also provides information such as the operational incapacity to respect the planning when applicable. Based on the actual context of the Alcoa Deschambault’s smelter, the research demonstrates that it is possible, with current resources, to support an increase of 5% or 10% of amperage. Furthermore, it shows how auto-guided vehicles for the transport of the anodes could be implemented regarding the needs of the company. The proposed simulation model can therefore be viewed as a powerful tool to test different scenarios and lead towards profitable short-term and long-term planning decisions.

Dans le présent projet, on cherche à évaluer le potentiel de récupération et d'intégration des déchets thermiques dans une usine de production primaire d'aluminium. Il s'agit en premier lieu de «cartographier» la chaleur et les températures en jeu; c'est-à-dire construire un inventaire détaillé des rejets thermiques, mais aussi de la consommation de chaleur dans divers bâtiments ou procédés. L'ensemble de l'usine est inclus dans l'analyse: cuves d'electrolyse, secteur de production des anodes, centre de coulée, entrepôts, bureaux, etc. En second lieu, il s'agit d'examiner les procédés qui dissipent de la chaleur pour déterminer les limites therrmodynamiques qui s'appliquent à la récupération thermique. L'analyse exergétique est employée afin d'établir pleinement les possibilités d'intégration thermoénergétiques. L'aluminerie considérée est celle d'Alcoa Deschambault Québec (ADQ). Les résultats montrent que le potentiel d'intégration réelle de la chaleur identifié en usine est faible dû i) aux équipements et technologies de récupération et intégration thermique accessibles et ii) à une demande limitée pour la chaleur de basse/moyenne température. Il n'en reste pas moins qu'il est actuellement possible thermodynamiquement de satisfaire les besoins de chauffage ambiant à l'usine d'ADQ avec les rejets thermiques contenus dans les gaz d'échappements des cuves. Aussi, -10 MW de puissance pourrait être généré en continu avec la chaleur identifiés dans les secteurs d'électrolyse, de cuisson des anodes, et de coulée, compte tenu de l'efficacité des machines thermiques disponibles sur le marché.

Ce mémoire de maîtrise porte sur une étude concernant les équipes de travail conduite au Centre de l'électrolyse d'une aluminerie moderne. Plusieurs auteurs ont traité du sujet de la participation des employés, en termes d'efficacité de production, de rentabilité ou de productivité. Cette étude propose d'orienter l'intérêt sur le bienêtre des travailleurs, en regard de l'environnement psychosocial des travailleurs. Outre les questionnaires, des observations directes ont été effectuées, afin de connaître la demande psychologique, l'autonomie, le soutien social, les efforts et la reconnaissance au travail des opérateurs de cette aluminerie. Les résultats ont également été comparés aux normes existantes et au travail d'employés d'une autre aluminerie dont la gestion préconise la participation des travailleurs

"Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval comme exigence partielle du programme de maîtrise en médecine expérimentale offert à l'Université du Québec à Chicoutimi en vertu d'un protocole d'entente avec l'Université Laval pour l'obtention du grade de Maître ès sciences (M.Sc.)" / L'asthme est un trait complexe et son développement serait associé à différents facteurs tant environnementaux que génétiques. L'interaction entre ces facteurs a précédemment été associée au développement et à la persistance du phénotype. Une analyse des polymorphismes situés au niveau des gènes précédemment associés à l’asthme et à un environnement particulier a été effectuée dans la collection familiale asthmatique du Saguenay-Lac-Saint-Jean (étude SLSJ). L’environnement de cette région est caractérisé, entre autres, par la présence d ’industries de l’aluminium et de pâtes et papiers. Une stratification selon la proximité entre ces industries et le lieu de résidence des individus a été effectuée afin de déterminer l’impact de ces environnements sur la susceptibilité de certains déterminants génétiques sur le développement de l’asthme. Les résultats ont démontré une seule association pour un polymorphisme du gène Catalase (CAT) avec l’asthme dans l’étude SLSJ. La stratification en fonction de la distance physique de résidence par rapport aux industries n 'a pas permis d ’associer de nouveaux déterminants génétiques à l'asthm e ou d ’accroître la significativité de l’association entre CAT et l’asthme. Ces résultats suggèrent que CAT est associée à l’asthme dans l’étude SLSJ indépendamment de la proximité aux industries et donc de l’exposition à un environnement "à risque".