Chim 315 Partie 12005
Transcript of Chim 315 Partie 12005
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 1
CHIMIE DU CIMENTVALORISATION DES DECHETS EN
CIMENTERIE
Université Libre de BruxellesFaculté des Sciences Appliquées
Laboratoire de Chimie Industrielle
Professeur Camille Defossé
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 2
CHIMIE DU CIMENTVALORISATION DES DECHETS EN CIMENTERIE
SOMMAIRE PAR CHAPITRES
1. Introduction2. Fabrication du ciment Portland3. Valorisation des déchets en cimenterie4. Composition du ciment Portland5. Hydratation, prise et durcissement6. Le béton: notions de structure, propriétés et durabilité
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 3
1. Définition de liant hydrauliques 2. Les types de ciments3. Le ciment Portland: nature. Quelques chiffres
1. INTRODUCTIONSOMMAIRE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 4
Le ciment est un liant hydraulique,
c’est-à-dire une matière inorganique finement moulue
qui, mélangée avec de l’eau, forme une pâte faisant prise
et durcissant progressivement au cours du temps,
même à l’abri de l’air, et notamment sous l’eau
1. INTRODUCTION
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 5
1. INTRODUCTIONAujourd’hui, environ 98 % du ciment produit dans le monde est du Ciment Portland, c-à-d du ciment contenant principalement des silicates de calcium.
Parmi les 2% restants, citons par ordre d ’importance décroissante les ciments alumineux (aluminates de calcium exclusivement), les ciments magnésiens...
Actuellement, la production annuelle de béton dans le monde atteint 5 milliards de m3 correspondant à la production annuelle de 1,5 milliards de tonnes de ciment Portland. La production européenne était en 1975 de 172 Mt (437 fours), soit environ 12% de la production mondiale.
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 6
1. Généralités: notation cimentière, les phases du clinker, les modules cimentiers
2. Présentation schématique d ’une cimenterie3. La ligne de cuisson4. Les différents types de voies5. Le processus de clinkérisation6. L ’aptitude à la cuisson7. Les cycles de volatils8. La production intermédiaire de poussières en VH et
VSS9. Notions de réfractaires
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDSOMMAIRE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 7
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Nom Symbolechimique
NotationCimentière
Masse molaire
Oxyde de Calciumou Chaux vive CaO C 56
Oxyde de silice ousilice SiO2 S 60
Oxyde d’Aluminiumou Alumine Al2O3 A 102
Oxyde de Fer Fe2O3 F 160
Ciment portland: silicates et (ferro)aluminates de calciumNotations cimentières pour les 4 éléments majeurs constitutifs
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 8
CLINKER : roche artificielle fabriquée à haute température (habituellement à 1450 °C)
Les matières premières nécessaires à la fabrication du clinker sont le calcaire (80%) et un matériau riche en silice et alumine (20%), par exemple l’argile ou le kaolin.
Ces matières sont extraites des carrières, concassées, et proportionnées lors du concassage ou lors de la constitution de “lits d’homogénéisation”
Après reprise et broyage (refus de ~1.5% à 160 micromètres), le mélange est stocké dans des silos où la composition chimique peut être modifiée par des adjonctions appropriées.
2. LA FABRICATION DU CIMENTGENERALITES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 9
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Fabrication:
Calcaire + argileBroyage farineCuisson clinker+gypse +(ajouts) et broyage ciment
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 10
Principales phases cristallochimiques du clinker
SiO2
16 ÷ 26 %
Al203
4 ÷ 8 %
Fe203
2 ÷ 5 %
CaO
60 ÷ 67 %
CLINKER* C3S (~60%)* C2S (~25%)* C3A (~ 5%)* C4AF(~10%)
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 11
Principales phases cristallochimiques du clinker
C3S C2S C3A
C4AF
3CaO - SiO2 2CaO - SiO2 3 CaO Al203 4CaO
Al203Fe2O3
Ca3 SiO5 Ca2 SiO4 Ca3 Al206 Ca4AI2
Fe2Olo
Alite Bélite
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 12
La composition d ’un ciment Portland est définie de manière univoque par sa teneur dans les 4 phases. Il existe donc 3 degrés de liberté. Les cimentiers ont l ’habitude de les fixer grâce à 3 « modules »
Module silicique SiO2/ Al2O3 + Fe2O3 1.8 - 3.5
Module ferrique Al2O3/ Fe2O3 1,5 - 3,0
Module de Kuhl CaO 0.94 - 0.98
(2,8 SiO2 + 1,1 Al203 + 0,7 Fe203)
Les modules cimentiers
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 13
Calcul du cru
Les proportions de calcaire et argile seront calculées pour :
donner les modules LSF, SM, A/F désirés
donc la composition attendue du clinker
en prenant en compte les contraintes comme :
la composition de la matière première et sa disponibilité
les limites en composants indésirables tels que Ti, P, …
autres…
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 14
Le facteur de saturation en chaux (module de Kühl, LSF) est un moyen :
Pratique Approché et un peu arbitraire
d ’exprimer la balance entre :
La teneur en calcium Les autres éléments (Si, Al, Fe) susceptibles de se
combiner avec elle
La combinaison du calcium avec le silicium est une réaction difficileLa valeur du module de Kühl influe directement l’aptitude à la cuisson :
aptitude à la cuisson si LSF chaux libre (non combinée) si LSF
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDEXPRESSION DE LA COMPOSITION CHIMIQUE
DES CRUS DE CIMENT PORTLAND
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 15
Le module silicique (SM)
Donne une idée générale sur la répartition entre silicates (C3S + C2S) et aluminates (C3A + C4AF) L’aptitude à la cuisson si SM
Le module aluminoferrique (A/F)
Donne la répartition C3A / C4AF L’aptitude à la cuisson si A/F
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLANDEXPRESSION DE LA COMPOSITION CHIMIQUE
DES CRUS DE CIMENT PORTLAND
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 16
2. FABRICATION DU CIMENT PORTLAND VUE GENERALE D’UNE CIMENTERIE VOIE
SECHE
calcaire
four
broyeur
broyeur
ciment
argile
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 17
Carrière de calcaire Carrière d’argile
Autres matériels
Concasseur Prehomo
Broyage cruHomogénéisation
Four
Précalcinateur
Refroidisseur
Silo de Clinker
Broyage ciment
Ajouts de gypse
Silos de ciment
Sondages
2. LA FABRICATION DU CIMENTPRESENTATION SCHEMATIQUE D’UNE CIMENTERIE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 18
2. LA FABRICATION DU CIMENTLA CARRIERE DE CALCAIRE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 19
2. LA FABRICATION DU CIMENTPREPARATION DU CRU
Schéma de préhomogénéisation
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 20
2. LA FABRICATION DU CIMENTPREPARATION DU CRU
Schéma de silo d’homogénéisation
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 22
Le four tournant
Le four est constitué d’un tube de plusieurs mètres de diamètre, dont l’axe est légèrement incliné et qui tourne sur lui-même (2 à 3 t/min).La farine avance à l’intérieur du four en glissant et roulant le long des parois internes recouvertes de briques réfractaires. Elle s’agglomère aux environs de 1300 °C pour former des nodules, suite à la fusion partielle de ses constituants.La température maximum atteinte: environ 1450 °C.Coûts de cuisson : environ 1/4 du coût industriel du clinker.
2. LA FABRICATION DU CIMENTCUISSON
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 23
Dépoussiérage des gaz avant rejet à l ’atmosphère: le filtre électrostatique
2. LA FABRICATION DU CIMENTCUISSON
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 24
2. LA FABRICATION DU CIMENTCUISSON
Dépoussiérage des gaz avant rejet à l ’atmosphère: coupe et fonctionnementschématique d ’un filtre àmanches
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 25
Dans les broyeurs à boulets traditionnels, le clinker et les adjonctions minérales (gypse, laitier de haut fourneau, cendres volantes, fillers) passent à travers deux (ou trois) chambres contenant des corps broyants de différent diamètre, séparées par des grilles.
Dans la première chambre, le mélange est dégrossi. Dans la deuxième chambre, il est broyé à la finesse souhaitée.
2. LA FABRICATION DU CIMENTBROYAGE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 26
Différentes qualités de ciment sont produites à partir du même clinker.
Une cimenterie possède donc différents silos de stockage pour une capacité globale de quelques dizaines de milliers de tonnes.
2. LA FABRICATION DU CIMENTSTOCKAGE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 27
Des techniciens surveillent en permanence le bon fonctionnement des machines et interviennent immédiatement en cas d’anomalie. Ils sont assistés dans cette tâche de systèmes spécifiques et de systèmes de pilotage automatique des installations.
Salle de contrôleLa salle de contrôle rassemble tous les organes de conduite et de surveillance des nombreuses installations qui composent la chaîne de fabrication du ciment.
2. LA FABRICATION DU CIMENTCONDUITE DU PROCESS
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 28
VOIE HUMIDE: broyage du cru sous eau obtention d ’une pâte (25% eau) injection directe de la pâte dans le four
VOIE SEMI-SECHE: broyage-séchage du cru (->farine) granulation sous eau injection des granules dans une chambre de préchauffage « grille
Lepol » avant four VOIE SECHE:
Broyage séchage du cru (->farine) Passage de la farine dans une tour de préchauffage à cyclones
avant four VOIE SECHE AVEC PRECALCINATION:
idem que précédent apport thermique en pied de tour (tuyère de précalcination)
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIES
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 29
SEMI V. SECHE
PROCEDE HUMIDE HUMIDE SECPRE-
CHAUFFAGEPRE-
CALCINATEUR
Longueur du four 40 - 232 40 - 90 24 - 75 40 - 95 54 - 110
Diamètre du four 2.4 - 6.6 3.6 - 6.6 2.3 - 6.0 2.8 - 6.0 3.5 - 5.9
Débit sortie 100 - 3 350 400 - 3 000 100 - 2 400 200 - 3 500 1 500 - 8 500
Humidité del'alimentation
24 - 48 17 - 22 10 - 15a 8b 8b
ConsommationFuel (Kcal/kgclinker)
1 000 - 2 200 900 - 1 200 800 - 950 800 - 950 800 - 950
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIES
PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES DIFFERENTES VOIES
a) Chaleur supplémentaire pour sécher la matière première
b) Chaleur supplémentaire nécessaire au-dessus de 8 %
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 30
2. LA FABRICATION DU CIMENTPROFILS DE TEMPERATURE ET TEMPS DE SEJOUR
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 31
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 32
La farine provenant des silos d’homogénéisation subit un réchauffement progressif (de 100 à ~900 °C) au cours par échange de chaleur entre le matériau entrant et les gaz chauds sortant du four.
Une tour d’échangeurs est composée de 4 à 5 étages de cyclones.
Dans les cyclones, le matériau suit un parcours hélicoïdal à contre-courant des gaz chauds.
Voie sèche: la tour échangeuse
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 33
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Voie sèche
Schéma de tour échangeuse « à cyclones »
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 34
La pré-calcination
Dans une installation moderne, avant son passage dans le dernier cyclone, la farine passe par un stade de pré-calcination qui sert à optimiser l’échange de chaleur entre le matériau et les gaz chauds, et à achever la décarbonatation du calcaire qui survient vers 900 °C.
Environ 60% du combustible peut être consommé à ce stade dans la mesure où la décarbonatation est un procédé extrêmement endothermique.
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 36
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Séquence des réactions chimiques dans une ligne de cuisson
Déshydratation et déshydroxylation des argiles: 20- 600 °C
Décarbonatation: 550- 950 °C
Transformation des argiles (alumino-silicates): 600- 950 °C
Réactions en phase solide de combinaison Ca-Al-Fe-Si: 550-1250 °C
Formation de la phase liquide C3A-C4AF: 1250-1350 °C
Formation du C3S: 1350-1450 °C
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 37
Analyses comparées des matériaux primaires, cru, clinker et ciment
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
CALCAIRE ARGILE CRU CLINKER (comb. charbon)
CIMENT
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 38
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 39
Vue schématique d’un clinker en phase terminale de cuisson après apparition de la phase liquide.
Après la formation de la phase liquide et de quantités transitoires importantes de bélite, le dernier composé à se former est l ’alite.
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 40
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Formation de l ’alite
Dissolution de la chaux et des cristaux de quartz et de bélite dans la phase liquideReprécipitation de l ’alite.
Facteurs critiques
Importance de la phase liquide (25% idéal)Finesse de la farine (cinétique de dissolution)
Ca2+ + 4O2- + SiO44 - 3CaO SiO2
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 41
CONSOMMATION ENERGETIQUE: VALEURS TYPIQUES
Valeurs typiques des coûts énergétiques nécessaires à la cuisson du clinker.
Enthalpie de clinkerisation = 1/2 du coût énergétique global.
Depuis 1960, consommation énergétique globale réduite de moitié.
Consommation énergétique (Kcal/Kg)
Enthalpie de formation du clinker 410
Chaleur sensible 304
Clinker après refroidissement 26
Air chaud moulin cru 52
Air chaud moulin carbone 71
Fumées 150
Poussières 5
Évaporation d’eau 16
Pertes par rayonnement 100
Four 75
Refroidisseur 5
Tours à cyclones 20
Total 829
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 42
Industrie cimentière française: évolution de la consommation spécifique 1973 - 2003
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
3741 3748 3770 3744
2763
2487 24882561
37263710376637783789
37483691
373437513755375537553788
383038843934
47504734
4499
4365
42694198
41394056 4081
3997 3993
2741
3712
3604 35663528
34533361
3248 3271 3288
3124
3018
2840
37963845
3914
2400
2900
3400
3900
4400
4900
1973
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
années
en m
égajo
ule
s p
ar to
nne d
e c
linker
Combustibles fossiles + déchets Combustibles fossiles seuls
Consommation de combustibles
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 43
Industrie cimentière européenne : performances énergétiques/tonne de ciment
2. LA FABRICATION DU CIMENTLE PROCESSUS DE CLINKERISATION
0
1
2
3
4
5
6
7
EN
CI-
Ma
ast
rich
t
EN
CI-
IJm
uid
en
EN
CI-
Ro
tte
rda
m
Zw
itse
rla
nd
Oo
ste
nri
jk
Fra
nkri
jk
Du
itsl
an
d
Be
lgië
Jap
an
Sp
an
je
Zu
id K
ore
a
Ve
ren
igd
Ko
nin
kri
jk
Bra
zilië
Au
stra
lië
Turk
ije
Mexic
o
Ita
lië
Ch
ina
Ind
on
esi
ë
Ca
na
da
Oe
kra
ïne
Ru
sla
nd
Ind
ia
Sa
ud
i A
rab
ië
Ma
rokko
Arg
en
tin
ië
Th
aila
nd
Zu
id A
frik
a
Taiw
an
Ira
n
Ve
ne
zue
la
US
A
Co
lom
bia
Eg
yp
te
Tota
le e
ne
rgie
-in
ho
ud
ce
me
nt
[GJ/
ton
ce
me
nt]
Elektriciteitsverbruik
Brandgetal
1.3
1.71.5
2.8
[BM, B]
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 44
REFROIDISSEMENT DU CLINKER
La vitesse de refroidissement du clinker est un aspect technologique très important.
La situation idéale est celle d’une trempe rapide.
Le refroidissement lent du clinker entraîne :
Conversion du C3S en C2S + phase liquide (rétrogradation) Formation de gros cristaux (C3S, C2S, périclase, CaOl) ce qui
influence la réactivité du clinker.
2. LA FABRICATION DU CIMENTCUISSON
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 45
Facteurs principaux influençant l ’aptitude à la cuisson.
1.Finesse de la farine
2.Composition:
- Effet du facteur de saturation en chaux- Effet du module A/F- Relation entre le module silicique et la phase liquide- Influence des alcalins et du SO2
3. Fluxants et minéralisateurs
2. LA FABRICATION DU CIMENTL’APTITUDE A LA CUISSON
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 46
Cycles du chlore et du soufre: les raisons
Description et modélisation des cycles
Cycles d ’éléments métalliques
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 47
Quelques éléments chimiques forment des composés qui, à la température de cuisson dans le four de cimenterie, sont plus ou moins volatilisés ou décomposés avec dégagement de produits gazeux.
Ces phases gazeuses sont entraînées avec les gaz de combustion, remontent le four à contre-courant de la matière solide et vont se condenser dans des zônes du four ou du bas de la tour, puis retourner en zone de cuisson.
Il s’agit donc d’un cycle qui peut donner lieu à l’établissement d ’un équilibre ou, pour différentes raisons, entraîner des accumulations de matière en amont (concrétions, anneaux) qui peuvent boucher la ligne de cuisson.
Chlore et soufre sont les principaux éléments chimiques qui peuvent donner lieu à des cycles importants.
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 48
Volatilité des chlorureset sulfates alcalins:tensions de vapeur auxtempératures du four
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS: LE CHORE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 49
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS:LE CHLORE
H C l
C l
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 50
Dans le four il est véhiculé sous forme de sulfates, dont les plus stables sont par ordre décroissant K2SO4, Na2SO4, CaSO4.
SO2 (ex S des combustibles) remonte dans le four avec la phase gazeuse, puis va se combiner à CaO de la matière cimentière avec de l’oxygène, suivant la réaction:
CaSO4 CaO + SO2 + 1/2 O2
CaSO4 s’accumulera, quant l’apport stoechiométrique de soufre (surtout des combustibles) sera plus élevé que l’apport de K2O et Na2O (surtout de la farine).
Si le four est conduit en atmosphère oxydante (~3% O2 en sortie four), l ’émission de SO2 diminue sera limitée.
Si pas d ’ équilibre, formation d ’anneaux de sulfates dans le four et bouchage éventuel
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS: LE SOUFRE
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 51
Actions préventives ou remèdes
Limitation de l ’apport en soufre et surtout en chlore
Décrochage des concrétions par des coups de canon à air comprimé ou d ’explosifs
Soutirage de poussières en amont four Systématique en VH (poussières de four) et VSS (poussières de
cyclones) Possible en VSI par installation d ’un « bypass »
avec comme conséquences une déperdition d ’énergie (extraction de gaz chauds) le problème du traitement des poussières extraites riches en
chlorures et sulfates (recyclage au broyage dans certaines qualités de ciment)
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS
Ciments Calcia C. Defossé ULB CHIM 315 02-2004 52
Cycles d ’éléments métalliques
Volatils systématiques: Hg > Tl > CdVolatils suivant conditions du four: PbTous les autres: très peu volatils et même réfractairesTous, sauf Hg, « cyclent » à l ’intérieur de la ligne et même la majorité à l ’intérieur du four
Taux de captation > 99.99%
2. LA FABRICATION DU CIMENTLES CYCLES DE VOLATILS