Valorisation Des Déchets
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C. Defoss
02-2004
CHIMIE DU CIMENT
VALORISATION DES DECHETS EN CIMENTERIE
SOMMAIRE PAR CHAPITRES
1. Introduction
2. Fabrication du ciment Portland
3. Valorisation des dchets en cimenterie
4. Composition du ciment Portland
5. Hydratation, prise et durcissement
6. Le bton: notions de structure, proprits et
durabilit
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1. INTRODUCTION
SOMMAIRE
1. Dfinition de liant hydrauliques
2. Les types de ciments
3. Le ciment Portland: nature. Quelques chiffres
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1. INTRODUCTION
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1. INTRODUCTION
Aujourdhui, environ 98 % du ciment produit dans le monde est du Ciment Portland, c--d
du ciment contenant principalement des silicates de calcium.
Parmi les 2% restants, citons par ordre dimportance dcroissante les ciments alumineux
(aluminates de calcium exclusivement), les ciments magnsiens...
Actuellement, la production annuelle de bton dans le monde atteint 5 milliards de m 3
correspondant la production annuelle de 1,5 milliards de tonnes de ciment Portland. La
production europenne tait en 1975 de 172 Mt (437 fours), soit environ 12% de la
production mondiale.
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Cimentire
Oxyde de Calcium
ou Chaux vive
CaO
56
Oxyde de silice ou
silice
SiO2
60
Oxyde dAluminium
ou Alumine
Al2O3
102
Oxyde de Fer
Fe2O3
160
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
GENERALITES
CLINKER : roche artificielle fabrique haute
temprature (habituellement 1450 C)
Les matires premires ncessaires la fabrication
du clinker sont le calcaire (80%) et un matriau
riche en silice et alumine (20%), par exemple
largile ou le kaolin.
Ces matires sont extraites des carrires,
concasses, et proportionnes lors du concassage
ou lors de la constitution de lits
dhomognisation
Aprs reprise et broyage (refus de ~1.5% 160
micromtres), le mlange est stock dans des silos
o la composition chimique peut tre modifie par
des adjonctions appropries.
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SiO2
16 26 %
CaO
Al203
60 67 %
4 8%
Fe203
CLINKER
* C3S (~60%)
* C2S (~25%)
* C3A (~ 5%)
* C4AF(~10%)
2 5%
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10
C 3S
C 2S
C 3A
C4AF
3CaO - SiO2
2CaO - SiO2
3 CaO Al203
Ca2 SiO4
Ca3 Al206
4CaO
Al203Fe2O3
Ca3 SiO5
Ca4AI2
Fe2Olo
Alite
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Blite
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Module ferrique
3,0
Module de Kuhl
0.98
1.8 - 3.5
1,5 -
Al2O3/ Fe2O3
0.94 -
CaO
(2,8 SiO2 + 1,1 Al203 + 0,7 Fe203)
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si LSF
chaux libre (non combine)
si LSF
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broyeur
ciment
four
broyeur
argile
calcaire
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
PRESENTATION SCHEMATIQUE DUNE CIMENTERIE
Sondages
Prehomo
Concasseur
Carrire dargile
Carrire de calcaire
Autres matriels
Broyage cru
Homognisation
Silos de ciment
Ajouts de gypse
Prcalcinateur
Four
Silo de Clinker
Refroidisseur
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Broyage ciment
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LA CARRIERE DE CALCAIRE
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
PREPARATION DU CRU
Schma de prhomognisation
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
PREPARATION DU CRU
Schma de silo
dhomognisation
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON: LE FOUR
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON
Le four tournant
Le four est constitu dun tube de
plusieurs mtres de diamtre, dont laxe
est lgrement inclin et qui tourne sur
lui-mme (2 3 t/min).
La farine avance lintrieur du four en
glissant et roulant le long des parois
internes recouvertes de briques
rfractaires. Elle sagglomre aux environs
de 1300 C pour former des nodules, suite
la fusion partielle de ses constituants.
La temprature maximum atteinte: environ
1450 C.
Cots de cuisson : environ 1/4 du cot
industriel du clinker.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON
Dpoussirage des gaz avant rejet latmosphre: le filtre
lectrostatique
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON
Dpoussirage des gaz
avant rejet
latmosphre: coupe
et fonctionnement
schmatique dun
filtre
manches
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
BROYAGE
Dans les broyeurs boulets traditionnels, le clinker et les
adjonctions minrales (gypse, laitier de haut fourneau, cendres
volantes, fillers) passent travers deux (ou trois) chambres
contenant des corps broyants de diffrent diamtre, spares par
des grilles.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
STOCKAGE
Diffrentes qualits de
ciment sont produites
partir du mme clinker.
Une cimenterie possde
donc diffrents silos de
stockage pour une capacit
globale de quelques dizaines
de milliers de tonnes.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CONDUITE DU PROCESS
Salle de contrle
La salle de contrle rassemble tous les organes de conduite et de surveillance des
nombreuses installations qui composent la chane de fabrication du ciment.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIES
VOIE HUMIDE:
broyage du cru sous eau
obtention dune pte (25% eau)
injection directe de la pte dans le four
VOIE SEMI-SECHE:
broyage-schage du cru (->farine)
granulation sous eau
injection des granules dans une chambre de prchauffage grille
Lepol avant four
VOIE SECHE:
Broyage schage du cru (->farine)
Passage de la farine dans une tour de prchauffage cyclones
avant four
VOIE SECHE AVEC PRECALCINATION:
idem que prcdent
apport thermique en pied de tour (tuyre de prcalcination)
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIES
PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DES DIFFERENTES
VOIES
SEMI
V. SECHE
PROCEDE
HUMIDE
HUMIDE
SEC
PRECHAUFFAGE
PRECALCINATEUR
Longueur du four
40 - 232
40 - 90
24 - 75
40 - 95
54 - 110
Diamtre du four
2.4 - 6.6
3.6 - 6.6
2.3 - 6.0
2.8 - 6.0
3.5 - 5.9
100 - 3 350
400 - 3 000
100 - 2 400
24 - 48
17 - 22
10 - 15a
8b
8b
1 000 - 2 200
900 - 1 200
800 - 950
800 - 950
800 - 950
Dbit sortie
Humidit de
l'alimentation
Consommation
Fuel (Kcal/kg
clinker)
200 - 3 500
1 500 - 8 500
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
PROFILS DE TEMPERATURE ET TEMPS DE SEJOUR
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Voie sche: la tour changeuse
La farine provenant des silos
dhomognisation subit un
rchauffement progressif (de 100
~900 C) au cours par change
de chaleur entre le matriau
entrant et les gaz chauds sortant
du four.
Une tour dchangeurs est
compose de 4 5 tages de
cyclones.
Dans les cyclones, le matriau suit
un parcours hlicodal contrecourant des gaz chauds.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
Voie sche
Schma de tour
changeuse
cyclones
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES DIFFERENTS TYPES DE VOIE
La pr-calcination
Dans une installation moderne,
avant son passage dans le dernier
cyclone, la farine passe par un
stade de pr-calcination qui sert
optimiser lchange de chaleur
entre le matriau et les gaz chauds,
et achever la dcarbonatation du
calcaire qui survient vers 900 C.
Environ 60% du combustible peut
tre consomm ce stade dans la
mesure o la dcarbonatation est
un procd extrmement
endothermique.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Squence des ractions chimiques dans une ligne de cuisson
Dshydratation et dshydroxylation des argiles:
Dcarbonatation:
Transformation des argiles (alumino-silicates):
Ractions en phase solide de combinaison Ca-Al-Fe-Si:
Formation de la phase liquide C3A-C4AF:
Formation du C3S:
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20- 600 C
550- 950 C
600- 950 C
550-1250 C
1250-1350 C
1350-1450 C
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Analyses compares des matriaux primaires,
cru, clinker et ciment
CLINKER
CIMENT
CALCAIRE
Ciments Calcia
ARGILE
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CRU
(comb. charbon)
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Ciments Calcia
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Vue schmatique dun
clinker en phase terminale
de cuisson aprs apparition
de la phase liquide.
Aprs la formation de la
phase liquide et de
quantits transitoires
importantes de blite, le
dernier compos se
former est lalite.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Formation de lalite
Dissolution de la chaux et
des cristaux de quartz et de
blite dans la phase liquide
Reprcipitation de lalite.
Facteurs critiques
Importance de la phase
liquide (25% idal)
Finesse de la farine
(cintique de dissolution)
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3CaO SiO2
ULB CHIM 315
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
CONSOMMATION ENERGETIQUE: VALEURS
TYPIQUES
Consommation nergtique (Kcal/Kg)
Valeurs typiques des
Enthalpie de formation du clinker 410
cots nergtiques
Chaleur sensible
304
ncessaires la cuisson
Clinker aprs refroidissement
26
du clinker.
Air chaud moulin cru
52
Enthalpie de
clinkerisation = 1/2 du
cot nergtique global.
Depuis 1960,
consommation
nergtique globale
rduite de moiti.
Ciments Calcia
C. Defoss
71
150
5
16
100
75
5
20
829
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Industrie cimentire franaise: volution de la consommation spcifique 1973 - 2003
Consommation de combustibles
4900
4750
4499
4365
4400
4269
4198
4139
4056
4081
3997
3993
3900
3934
3884
3830
3914
3845
3796
3788
3755
3755
3755
3751
3734
3691
3748
3789
3778
3766
3710
3726
3741
3748
3770
2487
2488
3744
3712
3604
3400
3566
3528
3453
3361
3248
3271
3288
3124
2900
3018
2763
2840
annes
Combustiblesfossiles+dchets
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Combustiblesfossilesseuls
02-2004
42
2561
2003
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1982
1981
1980
1979
1978
1977
1976
1975
1974
2400
2002
2741
1973
4734
Ciments Calcia
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ULB CHIM 315
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43
Egypte
Colombia
USA
Venezuela
Iran
Taiwan
Zuid Afrika
Thailand
Argentini
Marokko
Saudi Arabi
India
Rusland
Oekrane
Canada
Indonesi
China
[BM, B]
Itali
Mexico
Turkije
Australi
Brazili
Verenigd Koninkrijk
Zuid Korea
Spanje
Japan
Belgi
Duitsland
Frankrijk
Oostenrijk
Zwitserland
1.5
ENCI-Rotterdam
ENCI-IJmuiden
ENCI-Maastricht
2. LA FABRICATION DU CIMENT
LE PROCESSUS DE CLINKERISATION
Elektriciteitsverbruik
6
Brandgetal
2.8
1.7
1.3
2. LA FABRICATION DU CIMENT
CUISSON
REFROIDISSEMENT DU CLINKER
La vitesse de refroidissement du clinker est un aspect
technologique trs important.
La situation idale est celle dune trempe rapide.
Le refroidissement lent du clinker entrane :
Conversion du C3S en C2S + phase liquide (rtrogradation)
Formation de gros cristaux (C3S, C2S, priclase, CaOl) ce qui
influence la ractivit du clinker.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LAPTITUDE A LA CUISSON
Facteurs principaux influenant laptitude la
cuisson.
1.Finesse de la farine
2.Composition:
-
3. Fluxants et minralisateurs
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS
Quelques lments chimiques forment des composs qui, la temprature
de cuisson dans le four de cimenterie, sont plus ou moins volatiliss ou
dcomposs avec dgagement de produits gazeux.
Ces phases gazeuses sont entranes avec les gaz de combustion,
remontent le four contre-courant de la matire solide et vont se
condenser dans des znes du four ou du bas de la tour, puis retourner en
zone de cuisson.
Il sagit donc dun cycle qui peut donner lieu ltablissement dun
quilibre ou, pour diffrentes raisons, entraner des accumulations de
matire en amont (concrtions, anneaux) qui peuvent boucher la ligne de
cuisson.
Chlore et soufre sont les principaux lments chimiques qui peuvent
donner lieu des cycles importants.
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS: LE CHORE
Volatilit des chlorures
et sulfates alcalins:
tensions de vapeur aux
tempratures du four
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS:LE CHLORE
H Cl
C l
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS: LE SOUFRE
Dans le four il est vhicul sous forme de sulfates, dont les plus stables sont par
ordre dcroissant K2SO4, Na2SO4, CaSO4.
SO2 (ex S des combustibles) remonte dans le four avec la phase gazeuse, puis va
se combiner CaO de la matire cimentire avec de loxygne, suivant la raction:
CaSO4 CaO + SO2 + 1/2 O2
CaSO4 saccumulera, quant lapport stoechiomtrique de soufre (surtout des
combustibles) sera plus lev que lapport de K 2O et Na2O (surtout de la farine).
Si le four est conduit en atmosphre oxydante (~3% O2 en sortie four), lmission
de SO2 diminue sera limite.
Si pas d quilibre, formation danneaux de sulfates dans le four et bouchage
ventuel
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS
Actions prventives ou remdes
Limitation de lapport en soufre et surtout en chlore
Dcrochage des concrtions par des coups de canon air
comprim ou dexplosifs
Soutirage de poussires en amont four
Systmatique en VH (poussires de four) et VSS (poussires de
cyclones)
Possible en VSI par installation dun bypass
avec comme consquences
une dperdition dnergie (extraction de gaz chauds)
le problme du traitement des poussires extraites riches en
chlorures et sulfates (recyclage au broyage dans certaines qualits
de ciment)
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2. LA FABRICATION DU CIMENT
LES CYCLES DE VOLATILS
Cycles dlments mtalliques
Volatils systmatiques: Hg > Tl > Cd
Volatils suivant conditions du four: Pb
Tous les autres: trs peu volatils et mme rfractaires
Tous, sauf Hg, cyclent lintrieur de la ligne et mme la
majorit
lintrieur du four
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