Cuisson [PDF]

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EXPLOITATION D’UN FOUR A CIMENT

Table des matières: I/Les étapes de la fabrication du ciment 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8)

La carrière Le concassage La pré-homogénéisation Le broyage L’homogénéisation Le préchauffage Le four Le refroidissement du clinker

II / LES MATIERES PREMIERES 1) 2) 3) 4)

Les états de la matière (brut, sec) Quantité de matières sèches Composition sur matières sèches Classification des matériaux en fonction de leur teneur en carbonate de calcium 5) Les matériaux calcaires 6) Les matériaux siliceux: 7) Les matériaux de correction III / LE CALCUL DU MELANGE CRU 1) 2) 3) 4)

Taux de saturation en chaux LSF Module silicique Module aluminoferrique Autre grandeur connue

IV/ LA CUISSON 1) Le clinker

2) Séquence des réactions chimiques dans une ligne de cuisson 3) Microstructure de clinker 4) La flamme : 4.1) La combustion 4.1.1) Les combustibles : 4.1.1.1) Les combustibles solides 1) Combustibles contemporains 2) Combustibles fossiles a) Lignites vrais (combustibles purs) b) Charbons ligniteux (combustibles purs) 4.1.1.2) Les combustibles liquides 1) Huiles combustibles 2) Caractéristiques des combustibles liquides

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EXPLOITATION D’UN FOUR A CIMENT 4.1.1.3) Les combustibles gazeux 5. Pouvoir calorifique

5.1) Définition 5.2) Calcul des pouvoirs calorifiques à partir de la composition élémentaire. 5.2.1) Combustibles solides 5.2.2) Combustibles liquides 5.3.3) Combustibles gazeux

6) La combustion 6.1) Définition 6.2) Produits de la combustion 6.3) Combustion complète 6.4) Combustion incomplète 6.5) Le diagramme de combustion 7) Le brûleur 7.1) Grandeurs géométriques de la flamme 7.2) Influence de l’excès d’air sur la température de la flamme 7.3) Vitesse des gaz l’intérieur du four

V/ CONDUITE DE PROCESSUS DE CUISSON 1) Les valeurs décrivant le processus de la cuisson 2) Influence de la qualité de matière sur le processus de cuisson a) Effet de modules sur la clinkérisation b) Effet des modules sur la température de cuisson du clinker c) Tableau récapitulatif 3) Influence de la dimension des grains 4) Influence de l’homogénéité 5) Influence des éléments mineurs 5.1) Influence sur le processus 5.2) Influence sur le clinker 5.3) Le cycle des volatils 6) Contrôle des procédés de fabrication et d’homogénéisation du clinker 6.1 Densité apparente du clinker 6.2 Analyse chimique 6.3) Chaux libre 7) Influence du régime de refroidissement sur les propriétés du clinker 1) Vitesse de refroidissement élevée 2) Vitesse de refroidissement faible 8) Les paramètres de marche d’un four 8.2) Les interventions correctives dans le processus de cuisson 8.1) Profils de la température 8.2.1) Présence du CO (oxyde de carbone) 8.2.2) Four froid 8.2.3) Four chaud

V/ LE REFROIDISSEUR : 1) Présentation 2) Refroidisseurs à grilles 2.1) Technologie 2.2) Plaques de grilles 2.3) Ventilation 2.4) Échange thermique 2.5) Température de l’air secondaire

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EXPLOITATION D’UN FOUR A CIMENT 2.6) Taux de soufflage d’air et charge spécifique 3) Refroidisseurs à ballonnets 3.1) Technologie 3.2) Mise en oeuvre du refroidisseur 4) Comparison des refroidisseurs

Bibliographie http://www.techniques-ingenieur.fr - Fours de cimenterie : Refroidisseurs à clinker : Par Robert BASTIER (Ingénieur des Arts et Manufactures, Directeur Central Technologie Adjoint) ; Alexandre BOCAN (Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucares Bernard GILBERT (Ingénieur des Arts et Métiers) et Alain REGNAULT (Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers Centre Technique Groupe Italcementi) - Etude Numérique de la Combustion des Gaz dans un Four de Cimenterie : Noui Samira (Magistère en physique energitique à l’université Haj Lakhdhar , Batna) - Cours Matériaux cimentaires : A. Pish (centre de recherche du ciment Lafarge) - Ciment : par Joseph ABDO , Docteur ingénieur de l’École des mines de Paris et ingénieur de l’École nationale des ponts et chaussées , Directeur délégué Routes, Cimbéton, Paris - Fours de cimenterie : Ateliers de cuisson du clinker Par Robert BASTIER (Ingénieur des Arts et Manufactures, Directeur Central Technologie Adjoint) ; Alexandre BOCAN (Ingénieur de l’Institut Polytechnique de Bucares Bernard GILBERT (Ingénieur des Arts et Métiers) et Alain REGNAULT (Diplômé du Conservatoire National des Arts et Métiers Centre Technique Groupe Italcementi) CHIMIE DU CIMENT - VALORISATION DES DECHETS EN CIMENTERIE : Université Libre de Bruxelles, Faculté des Sciences Appliquées ,Laboratoire de Chimie Industrielle :Professeur Camille Defossé

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Prehomo

Concasseur

Carrière d’argile

Carrière de calcaire

Autres matériels Silos de ciment

Broyage cru

Homogénéisation

Ajouts de gypse

Précalcinateur Four

Silo de Clinker Broyage ciment

Refroidisseur

PRESENTATION SCHEMATIQUE D’UNE CIMENTERIE

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I/Les étapes de la fabrication du ciment I-1) La carrière : Le calcaire cimentier est abattu à l'explosif et acheminé par dumper vers le hall de concassage. Abattage et transport du calcaire I-2) Le concassage : Les matériaux sont réduits par le concasseur à une taille maximum de 80mm. La roche est ensuite échantillonnée en continu pour déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine, silice) et arriver ainsi à la composition chimique idéale. I-3) La pré-homogénéisation Cette étape du processus de fabrication à pour but de faire un premier mélange de la matière première, pour homogénéiser cette matière. En effet, les roches composant la carrière ne sont pas homogènes, et il est nécessaire d’uniformiser la composition du mélange. Le procédé de préhomogénéisation est le suivant : on dépose les matières concassées dans la proportion recherchée par couches horizontales successives, puis on les reprend plus tard, pour approvisionner la chaîne, à angle droit et verticalement. Dès lors la matière première est prête à être moulue. On effectue une première correction du mélange pour qu’il corresponde au produit attendu. Le traitement dans la cimenterie va pouvoir commencer… Il y a une autre manière de pré-homogénéiser le mélange, cela consiste à mélanger la matière première à l’aide d’un « bras râteau », tournant autour d’un axe.

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I-4) Le broyage Le mélange est prélevé par un échantillonneur dans le hall de préhomogénéisation. Une seconde correction est prévue au niveau du broyeur de cru par ajout de fer et du sable. Ces ajouts sont stockés dans deux trémies. Une trémie tampon reçoit le mélange ; cette dernière est alimentée de façon discontinue à partir du tas de préhomogénéisation par une roue pelle ou un gratteur. Pour favoriser les réactions chimiques ultérieures, les matières premières doivent être séchées et broyées très finement (quelques microns) dans des broyeurs à boulets ou dans des broyeurs à meules verticaux. Ces derniers, plus récents, sont plus économes en énergie et permettent un séchage plus efficace. La farine ainsi obtenue est ensuite extraite par le courant d'air chaud qui la sèche puis est acheminée dans le silo d'homogénéisation.

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5) L’homogénéisation Le cru, donc la matière obtenue après broyage, est stocké dans d’immenses silos, où il est mélangé soigneusement durant plusieurs ZOGHLAMI Abdelwaheb

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heures, voir plusieurs jours, afin d’uniformiser le mélange. C’est ce que l’on appelle l’homogénéisation. I-6) Le préchauffage Lors de cette étape, le mélange est introduit dans la partie supérieure de la tour de préchauffage/pré calcination, qui est l'antichambre du four. A l'intérieur de la tour, 4 cyclones ou plus, sorte d'entonnoirs empilés les uns dans les autres, reçoivent tour à tour le cru, qui, en tombant en cascade, rencontre les gaz échappés du four. Le cru encore une fois brassé, commence donc à chauffer progressivement au fur et à mesure qu'il s'approche du four, évitant ainsi le choc thermique du passage de 20°C à 1400°C en quelques secondes ; le cru entame une procédure de décarbonatation. Pour certaines catégories de ciment, il est nécessaire de décarbonater le cru de façon plus complète. Pour cela, on ajoute un foyer supplémentaire dans le cyclone le plus inférieur, qui maintient les gaz à une température plus élevée, entre 800°C et 1000°C. Cette technique est appelée "pré calcination", car le matériau arrive à l'entrée du four avec une température proche de celle de cuisson. Entre l’échangeur et le four, est installé quelquefois un brûleur supplémentaire assurant une pré-calcination, c’est-à-dire une décarbonation partielle qui favorise les réactions ultérieures de clinkerisation et améliore la fiabilité de l’atelier de cuisson.

I-7) Le four rotatif Il s’agit de la pièce maîtresse de la cimenterie. C’est dans le four que se produisent les transformations physiques et chimiques qui vont transformer le cru en clinker. La cuisson s'effectue dans des fours cylindriques rotatifs, habillés d'une tôle d'acier avec un revêtement réfractaire à l'intérieur. Généralement longs de 60 à 90 m, ils font 4 à 5 m de diamètre et sont inclinés de quelques pour cents dans le sens entrée/sortie, pour que la matière puissent progresser, par gravité, vers le brûleur. La flamme, élément principal du four, est à environ 2000°C. Elle est issue de la combustion de charbon broyé, mêlé à de ZOGHLAMI Abdelwaheb

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l'huile lourde et des déchets combustibles tels que les carcasses d'animaux, les pneus usagés, etc.. La longueur du four, qui peut paraître exagérée, est en fait un facteur de réussite du ciment. En effet, le cru qui entre par une extrémité, continue lentement de se décarbonater puis commence sa cuisson. Plus le four est long, plus les transformations se font lentement et meilleure est la qualité du matériau en sortie. Le four est ainsi conçu qu'il permet à la flamme d'exercer l'effet calorifique le plus efficace sur la farine crue préchauffée. Celle-ci a déjà atteint au cours de son préchauffage la température de 1000°C, si bien que le calcaire qu'elle contient a déjà été partiellement calciné. Dans le four, la température de la matière s'élève jusqu'à 1450°C. Dès lors, les minéraux qu'elle contient réagissent pour donner de nouvelles combinaisons chimiques (frittage), principalement des cristaux de silicate de calcium. La qualité de la cuisson est suivie par le laboratoire, par le dosage de « CaO libre » et mesure de la densité du clinker. Le « CaO libre » est pourcentage d'oxyde de CaO non combiné avec l'un des éléments principaux. La densité du clinker est une image du degré de liaison obtenu entre les éléments, lors de la cuisson. Plus les grains de clinker seront lourds, plus ils seront liés de façon dense. Il est bon d'obtenir une certaine liaison de ces éléments sans pour autant accentuer, inutilement, le degré de cuisson : le clinker deviendrait trop dur à broyer ensuite, donc consommation d'énergie de cuisson et consommation d'énergie de broyage (KW) augmentées sans améliorer la qualité du produit obtenu.

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I-8) Le refroidissement du clinker Après un certain temps de cuisson et de progression dans le four, le cru atteint une température de 1450°C. Le cru se transforme alors en "clinker": c'est la zone La transformation du cru en clinker se caractérise par un changement de la structure moléculaire.. Afin de garder intacte la nouvelle structure chimique du matériau, on procède à une trempe (à l’air ou à l’eau), c'est-à-dire, qu'on laisse refroidir pour diminuer instantanément sa température de 1450°C à 80°C. Le clinker est alors stocké dans des silos. Pour la trempe à l’air, on fait passer de l'air frais tiré de l'atmosphère à travers la grille du refroidisseur sur laquelle a été déposé le clinker. Ainsi, cet air se réchauffe; il sera ensuite conduit dans le four pour y permettre la combustion. Ce procédé constitue une récupération optimale de l'énergie calorifique. Pour la trempe à l’eau, le clinker est immergé, et n’est que très partiellement attaqué par l’eau, la profondeur d’attaque étant de l’ordre de 5 à 10 micromètres la première année et la vitesse de propagation de cette attaque diminuant rapidement. Cela permet de stocker le clinker longtemps, même à l’air libre. Le clinker ne possède ainsi pas encore les propriétés du ciment : il n’est pas réactif avec l’eau. II / LES MATIERES PREMIERES: On trouve dans certains gisements, un produit naturel, qui après cuisson et sans addition particulière, donne un clinker Portland. C’est d’ailleurs l’île de Portland, pour les pierres trouvées dans sa région qui a donné son nom au ciment. Malheureusement, on ne rencontre qu’exceptionnellement dans la nature un matériau possédant une composition chimique adéquate pour la fabrication du ciment Portland. La plupart du temps, le cimentier doit mélanger deux ou plusieurs matières premières pour obtenir après cuisson un produit ayant les caractéristiques du clinker Portland naturel. La composition de quelques matières premières. Les composants principaux du clinker Portland (oxydes de silicium, de calcium, d’aluminium et de fer) s’extraient essentiellement de matières minérales fort communes que l’on rencontre partout autour de soi et ZOGHLAMI Abdelwaheb

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qui se classent généralement suivant leur teneur en carbonate de calcium. 1) Les états de la matière (brut, sec) La proportion d’un élément chimique d’un constituant d’un matériau quelconque varie en fonction de l’état physique ou du traitement thermique subit par le matériau pendant le processus cimentier. Ces variations sont spécifiques à chaque matériau. Elles sont dues au départ de l’humidité, du produit brut exploité en carrière après séchage et au départ de la perte au feu du produit sec après calcination à plus de 1000°c. La quantité de matière est ainsi réduite après le départ de l’humidité et de la perte au feu. Avec l’humidité, il sera possible de calculer par une simple règle de trois, à partir des caractéristiques sur matières brutes la quantité et la composition des matières sèches contenues par exemple à la marne argileuse. 2) Quantité de matières sèches : 100 parties de marne argileuse brute vont donner (100 - 20) parties de la marne argileuse sèche et 20 parties d’eau 1 partie de la marne argileuse brute donnera 100 x moins de marne argileuse sèche soit (100 - 20 ) / 100, ou d’une manière générale :

(100 - humidité) / 100 3) Composition sur matières sèches : La quantité d’un élément présente dans la marne argileuse brute sera toujours présente après le départ de l’humidité. Cette quantité, présente dans 100 parties de marne argileuse, sera toujours présente dans les (100 - 20) parties restantes de la marne argileuse sèche. Le pourcentage ne sera donc plus calculé sur 100 parties (cas des matières brutes) mais sera calculé sur les (100 - 80 ) parties restantes dans la marne argileuse sèche. ZOGHLAMI Abdelwaheb

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La composition sur matières sèches sera obtenue avec la formule :

E sec = E brut x 100 / (100 - humidité) 4) Classification des matériaux en fonction de leur teneur en carbonate de calcium

Catégories

Composition pondérale (%)

Calcaire dur, craie

Origine Dépôts lacustres

marines

ou

Argilo-calcaire (calcschiste, marne) Argile, schiste

Désagrégation des roches naturelles 0%

100%

CaCO³ CaCO³ SiO², Al²O³, Fe²O³, ...

Il arrive cependant que des compositions soient corrigées par des apports enrichissants en oxyde de fer, d’aluminium au départ de minerais ou de résidus de métallurgie . 5) Les matériaux calcaires Les matériaux calcaires doivent contenir une quantité minimale de carbonate de calcium qui est fonction du mélange cru à fabriquer. La pureté du calcaire est caractérisée par sa teneur en carbonate de calcium (CaCO³), généralement appelée « Titre en carbonate » : > 95 % CaCO³ : calcaire à haute teneur > 85 % CaCO³ : calcaire > 60 % CaCO³ : marne. ZOGHLAMI Abdelwaheb

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Le terme calcaire couvre en fait une très grande variété de roches de minéralogie et de pureté différentes : calcaire craie calcaire corallien

Composition chimique de matières carbonatées pour le cru sur matières sèches

P feu SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O H2O min H2O max

Calcaire riche

Calcaire pauvre

41.2 3.9 1.2 0.74 50.8 0.5 0.2 0.1 0.1 20 25

36.9 13.8 1.9 1.2 43 1.9 0.5 0.02 0.34 1.0 7.0

Marne calcair e 32.6 21.3 4.1 1.0 39.3 0.8 0.1 0.1 15.0 25.0

Marne argileuse 24.6 33.2 8.2 4.9 27.3 1.0 0.4 0.1 0.2 15.0 25.0

6) Les matériaux siliceux: Les composants siliceux ne se trouvent généralement pas en quantité suffisante dans les sources de calcaire. Les composants SiO², Al²O³ et Fe²O³ sont apportés principalement par les matériaux siliceux qui se combinent aux matériaux calcaires pour la préparation du mélange cru. Les argiles constituent les éléments principaux de cette famille. Les matériaux siliceux se classent de la manière suivante :  argile  pierre d’argile (tonstein)  argile schisteux  schiste argileux. Lorsque la sédimentation de l’argile s’est faite dans des dépôts calcaires, suivant la teneur en carbonate de calcium, on obtient la formation de marne : ZOGHLAMI Abdelwaheb

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 marne argileuse  marne calcaire Le quartz et ses dérivés constituent une autre source de matériaux siliceux :  quartzite  sable quartzeux  sable argileux. Composition chimique de matières siliceuses pour le cru sur matières sèches Marne calcaire

P feu SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O H2O min H2O max

Marne argileuse

32.6 21.3 4.1 1.0 39.3 0.8

Argile siliceuse

24.6 33.2 8.2 4.9 27.3 1.0 0.4 0.1 0.2 15 25

0.1 0.1 15 25

7.1 70.5 9.1 4.4 3.6 1.2 0.1 1.6 0.8 10 18.9

Sable

0.2 99.1 0.5

0.1 0.1 5 15

7) Les matériaux de correction: Minerais de fer P feu SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O H2O min ZOGHLAMI Abdelwaheb

0.9 0.5 0.1 97.3 0.4 0.4 0.1 0.19 0.17 0

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H2O max

5

On trouve l’oxyde de fer dans :  les minerais de fer  les résidus de grillage de pyrite utilisée pour la fabrication de l’acide sulfurique  les poussières récupérées dans le haut fourneau ou le convertisseur de l’industrie métallurgique. III / LE CALCUL DU MELANGE CRU: Le processus de cuisson et de broyage, la composition chimique du mélange cru et par conséquent, la constitution du clinker, permet d’obtenir un ciment Portland de qualité donnée. La composition chimique détermine de façon décisive l’aptitude à la cuisson de la farine crue. Les cimentiers ont l’habitude de les fixer grâce à 3 « modules » 1) Taux de saturation en chaux LSF :

 (Lime Saturation Factor

taux de saturation en chaux de Lea Parker)

Cette équation détermine la quantité de chaux nécessaire pour saturer les trois autres oxydes (SiO2, Al2O3, Fe2O3)

LSF =

2)

CaO 100% 2,8 SiO2 + 1,18 Al2O3 + 0,65 Fe2O3

LSF =

silicique

C 100% 2,8 S + 1,18 A + 0,65 F

= 0,92 à 0,96

Module

La deuxième équation nécessaire est celle qui détermine la relation ZOGHLAMI Abdelwaheb

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entre la quantité de SiO2 d'une part et la quantité d'Al2O3 et Fe2O3 d'autre part.

MS =

SiO2

S =

Al2O3 + Fe2O3

= 1,9 à 3,2

A+F

3) Module aluminoferrique Cette équation détermine la relation entre la quantité d'Al2O3 et de Fe2O3.

MA =

Al2O3

A =

Fe2O3

= 1,5 à 2,5

F

4) Autres grandeurs connus : - Module de chaux ( KϋHL)

CaO  100%

K=

2,8 SiO2 + 1,1 Al2O3 +0,7Fe2O3

- Indice d’hydraulicité de Vicat IH = ( [SiO²] + [Al²O³] ) / ( [CaO] + [MgO] ) Les composants sont exprimés en moles et non en pour-cent. L’indice d‘hydraulicité de Vicat est compris entre 0.4 et 0.5. IV/ LA CUISSON:

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L’objectif du processus de cuisson est de transmettre à la matière à cuire, pour une qualité donnée du cru, la quantité de chaleur qui assure la qualité désirée du produit cuit en vue de fabriquer des ciments hydrauliques. 1) Le clinker: Par le dosage précis de matières premières et le contrôle de la cuisson, le clinker Portland répond à des critères précis qui lui procurent la réactivité optimale dans un domaine choisi. Le clinker est sous forme de petits grains allant de 2 à 90 μm de diamètre. Il possède une grande surface spécifique de 30 dm 2/g. On calcule cette surface en mesurant le temps que met une certaine quantité d'air pour traverser un gramme de clinker : C'est la méthode Blaine. Le clinker a la composition chimique suivante : Alite

Belite

Celite

C3 S

C2 S

C3A

C4AF

50-75

7-30

0-16

4-20

Constituants du clinker

Teneur (en %)

Domaine

Moyenn 55 23 8 12 e Le calcul de la composition du clinker selon Bogue (ou formule de Bogue) est :

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ou

Ce calcul est basé sur les hypothèses suivantes :  le clinker est constitué uniquement de C3S, C2S, C3A, C4AF  les réactions de formation sont complètes et non affectées par le refroidissement  la séquence de réaction est :  le C4AF se forme en premier  vient ensuite le C3A  CaO et SiO2 restant se combinent pour former C 2S et C3S (calcul en retour) 2) Séquence des réactions chimiques dans une ligne de cuisson :  Déshydratation 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: 5501250 °C  Formation de la phase liquide C3A-C4AF: 1250-1350 °C  Formation du C3S: 1350-1450 °C

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Donc sous l'effet de la chaleur, les constituants de l'argile (silicates d'alumine et d'oxyde de fer), se combinent avec la chaux provenant du calcaire pour donner des silicates et aluminates de chaux : 1220 °c 2 CaO + SiO2

→ 2 CaO,SiO

2

C2S : Bélite

2

C3S : Alite

1220 °c 3 CaO + SiO2

→ 3 CaO,SiO 1450 °c

3 CaO + Al2O3

→ 3 CaO,Al O 2

C3A : Célite

3

1450 °c 4 CaO + Al2O3 + Fe2O3

→ 4 CaO,Al O3,Fe O 2

2

3

C4AF : Célite

3) Calcul du taux de décarbonatation: Décarbonatation : CaCO3  CaO + CO2 Le pourcentage de décarbonatation apparente se calcule à partir de la formule suivante:

Da=100x(PaF0-PaF1)/(PaF0x(1 –PaF1/100))

Avec: PaF0 Perte au feu de la farine crue, en % PaF1 Perte au feu de la farine chaude sortie Cyclone inférieur (entrée four), en % Da = Taux de décarbonatation apparente, en %. ZOGHLAMI Abdelwaheb

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3) Microstructure de clinker

Alite C3S

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Bélite C2S

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C2S Gros cristaux d’alite C3S fissurés Cristal de bélite

Phase liquide C3A

C4AF

Cristaux de bélite

C2S en nid

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Le C3S agit principalement sur les résistances aux jeunes âges : plus le taux sera élevé, plus les résistances aux jeunes âges seront importantes. Le C2S agit principalement sur les résistances à long terme. 4) La flamme : Rayonnement de la flamme

Matière

Four vu de côté

4.1) La combustion :

Déroulement de la combustion dans le Four

4.1.1) Les combustibles : 4.1.1.1) Les combustibles solides Ils sont d'origine végétale et peuvent être classés en :  combustibles contemporains comme le bois et la tourbe  combustibles fossiles comme les lignites, les houilles  combustibles artificiels qui résultent du traitement de la houille tels les cokes et les semi-cokes. ZOGHLAMI Abdelwaheb

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1) Combustibles contemporains Leur importance énergétique est faible - Bois: Il est composé essentiellement de cellule (C 6H1005)n. Il contient, en outre des matières minérales (0,5 à 2%) et de l’eau (15 à 20%) pour les bois secs à l'air. La composition élémentaire sur combustible pur (supposé sans eau ni matières minérales) est la suivante: Carbone C% = 49 à 51% Hydrogène H% = 6 à 6,5% Oxygène 0% = 42 à 43% Azote N% = 1% Le pouvoir calorifique supérieur, exprimé sur combustible pur, est d'environ 4.500 kcal/kg ou 18.830 kJ/kg Le pouvoir calorifique inférieur, dans les mêmes conditions, est d'environ 4.170 kcal / kg ou 4.70 kcal/kg ou 17.450 kJ. - Tourbes : elles résultent de la décomposition, sous l'action des bactéries, de débris végétaux immergés en milieu aqueux. Après séchage à l'air, elles contiennent encore 20 à 30% d'eau. Les matières minérales proviennent du tissu végétal et des sédiments déposés avec les dépôts organiques ce qui conduit à des teneurs en cendres plus élevées que celles du bois (6 à 20%). La composition élémentaire sur pur est la suivante: Carbone C% = 56 à 60% Hydrogène H% = 5,5 à 6% Oxygène 0% = 32 à 36% Azote N% = 1% Le pouvoir calorifique supérieur sur pur est de 5.000 à 5.700 kcal / kg ou 20.925 à 23.854 kJ/kg. Le pouvoir calorifique inférieur sur pur est de 4.680 à 5.380 kcal/kg ou 19.585 à 22.5I5 kJ/kg. 2) Combustibles fossiles Ils résultent de la lente transformation de dépôts analogues aux tourbes qui se sont trouvés enfouis sous des épaisseurs plus ou moins importants de sédiments. Leurs propriétés dépendent de la nature des dépôts organiques (spores, cuticules, tissus ligneux) et de leur évolution géologique (pression, température). ZOGHLAMI Abdelwaheb

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Lignites : Ce sont des combustibles de transition entre les tourbes et les charbons. Ils résultent de l'évolution de matières organiques déposées à l'époque tertiaire. On distingue les lignites vrais et les charbons ligniteux. La composition moyenne est la suivante : a) Lignites vrais (combustibles purs) Carbone + soufre Hydrogène Oxygène Azote

C% + S% H% 5,5% 0% 23% N% 1,5%

environ 70%

Pouvoir calorifique supérieur Pcs de l’ordre de 6.750 kcal/kg ou 28.250kJ/kg Pouvoir calorifique inférieur Pci de l’ordre de 6.455 kcal /kg ou 27.015 kJ/kg b) Charbons ligniteux (combustibles purs) Carbone + soufre C% + S% Hydrogène H% Oxygène 0% Azote N%

environ 5,5% 17% 1,5%

76%

Le Pcs de l'ordre de 7.450 kcal/kg ou 31.180 kJ/kg Le Pci de l'ordre de 7.155 kcal/kg ou 29.945 kJ/kg 4.1.1.2) Les combustibles liquides Les combustibles liquides proviennent essentiellement du traitement des pétroles bruts. Comme la houille, les pétroles sont d’origine organique. Ils résultent de la transformation de matières organiques déposées avec les sédiments au fond des mers. En vue de leur utilisation industrielle, les pétroles bruts sont soumis à divers traitements. La distillation fractionnée permet de séparer les hydrocarbures légers des éléments lourds. A température croissance, on obtient les fractions suivantes : Gaz incondensables comme les méthanes CH 4 et l’éthylène C2H4 Gaz liquéfiables sous pression comme le propane C 3H8 et le butane C4H10. Essence (40-195°) ZOGHLAMI Abdelwaheb

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White spirit (190-205°) Pétrole lampant (200-230°) Gas-oil (230-350°) Résidus lourds non distillables à la pression atmosphérique 1) Huiles combustibles Les huiles combustibles sont désignées commercialement sous les dénominations suivantes : Fuel-oil domestique Fuel-oil lourd N°1 Fuel-oil lourd N°2 Fuel domestique : Il est le plus fluide des fuels et constitue le combustible idéal pour le chauffage des installations domestiques. Sa composition moyenne est la suivante : Teneur en eau ; Traces Carbone C% = 84,3% Hydrogène H% = 12,4% Oxygène = 2% Soufre = 0,5% Azote N% = 0,8% Cendres et sédiments : Traces Pcs = 10.700 kcal/kg ou 44.780 kcal/kg Pci = 10.034 kcal/kg ou 41.992 kJ/kg Fuel lourd N°1 et Fuel lourd N° 2 Ils sont constitués par les résidus des opérations de distillation et de cracking. Ces produits sont très visqueux à la température ambiante et pour leur utilisation, il est nécessaire de les préchauffer. Pour cette raison, ils ne sont pratiquement utilisés que dans les installations industrielles. Composition moyenne des flues N°1 Carbone C% = 85% Hydrogène H% = 11,5% Oxygène = 0,7% Soufre = S% = 2% Azote N% = 0,8% ZOGHLAMI Abdelwaheb

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Cendres et sédiments : 0,25% Viscosité à 50°c ≤ 14 Engler Pcs = 10.350 kcal/kg ou 43.315 kcal/kg Pci = 9.730 kcal/kg ou 40.728 kJ/kg Composition moyenne des flues N°2 Carbone C% = 85% Hydrogène H% = 11,5% Oxygène = 0,7% Soufre = S% = 2,5% Azote N% = 0,8% Cendres et sédiments : 0,25% Viscosité à 50°c 14 à 50 Engler Pcs = 10.250 kcal/kg ou 42.896 kcal/kg Pci = 9.660 kcal/kg ou 40.427 kJ/kg 2) Caractéristiques des combustibles liquides Les produits de la distillation des pétroles bruts présentent des variations de propriétés. Il est donc nécessaire de les contrôler aussi bien au niveau de la fabrication qu’à celui du stockage ou de l’utilisation. Certaines mesures de laboratoire portent sur des caractéristiques physiques ou chimiques bien définies comme la densité, la teneur en eau, la teneur en soufre etc. D’autres font appel à des caractéristiques conventionnelles comme le point d’éclair, le point de combustion. Teneur en eau : Les fuels sont anhydres à la sortie des colonnes de distillation. L’eau qu’ils peuvent contenir en émulsion a été introduite accidentellement lors des différentes manipulations. Cette présence d’eau, disséminée sous forme de fines gouttelettes au sein du liquide peut produire des extinctions intermittentes des brûleurs et un colmatage des filtres. Il existe des additifs « ant-émulsion » qui permettent à l’eau de se décanter. Teneur en sédiments : Les sédiments sont constitués par des particules minérales ou organiques (insolubles dans le benzène) en suspension dans le fuel. Ils ZOGHLAMI Abdelwaheb

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proviennent du pétrole brut ou ont été introduits accidentellement (terre, sable, rouille, poussières). Pour éviter leur entraînement vers les brûleurs on utilise les filtres dont la surface doit être suffisante pour permettre une longue période de fonctionnement sans nettoyage. La détermination de la teneur en sédiments s’effectue par lavage prolongé de l’échantillon avec du benzène. On pèse le résidu insoluble et on exprime le résultat en « pour cent » du poids initial de l’échantillon. La teneur en sédiments ne doit pas dépasser 0,1% pour les fuels domestiques et 0,25% pour les fuels lourds. Teneur en cendres : Les cendres sont constituées par les matières minérales qui restent après combustion du fuel. On détermine leur teneur au laboratoire, en effectuant une combustion lente de l’échantillon suivie d’une calcination à 800°c. La teneur en cendres ne doit pas dépasser 0,1% pour un fuel lourd. Résidu Conradson : Dans cet essai, l’huile combustible est portée à haute température dans un creuset à l’abri de l’air. L’huile distille et se décompose en donnant un résidu de carbone plus ou moins important. L’indice de Conradson est défini par le rapport du poids de résidu au poids initial de l’échantillon. Cet indice donne une estimation de la quantité de produits difficilement combustibles. Point d’éclair : Le point d’éclair correspond à la température maximale à laquelle on peut chauffer une huile combustible sans risque d’incendie. En effet, bien avant leur température d’ébullition, les produits pétroliers dégagent à leur surface de petites quantités de vapeur. Celles ci sont susceptibles de s’enflammer au voisinage d’une flamme. Le point d’éclair peut se déterminer en vase ouvert (méthode Cléveland) ou en vase clos (méthode Pensky - Martens. Les résultats obtenus expérimentalement ne sont qu’approximatifs et ils peuvent varier suivant le type d’appareil utilisé (vase ouvert, vase clos). Pour les fuels domestiques, le point d’éclair ne peut être inférieur à 55° (vase clos). Pour les fuels lourds, il ne peut être inférieur à 70° (vase clos) ZOGHLAMI Abdelwaheb

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Point de combustion de feu Le point de combustion exprime la température à laquelle le fuel doit être porté pour que, après l’inflammation, la combustion se poursuive sur toute la surface du liquide pendant au moins cinq secondes. Il se détermine toujours en vase ouvert et il se situe toujours au dessus du point d’éclair (différence de l’ordre de + 10°c) Teneur en soufre : Même principe que pour les combustibles solides Densité : La densité relative d’un fuel est le rapport de la masse d’un volume de ce fuel à la température de 15°c à la masse du même volume d’eau pris à 4°c (égal à 1) Elle est comprise entre 0,85 (fuel domestique) et 0,99 (fuel lourd N° 2). Lorsque la température T est différente de 15°c, on applique la relation : d= d15 –k(T-15) k est le coefficient de dilatation cubique qui prend les valeurs suivantes : Densité

k

0,80 - 0,84 0,84 - 0,88 0,88- 0,92 0,92- 1,00

0,00075 0,00070 0,00065 0,00060

Viscosité : La viscosité est une propriété des fluides qui peut se définir par la résistance qu’opposent les molécules de ces fluides aux forces qui tendent à la déplacer. Cette résistance décroît avec la température et croît avec la pression. Composition moyenne des fuels (combustibles purs) Catégorie

C%

S

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H%

0%

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N%

Pcs

Pci

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EXPLOITATION D’UN FOUR A CIMENT s Fuels 84,3% domestiqu es Fuels 85% lourds N°1 Fuels 85% lourds N°2

0,5%

12,4%

2%

0,8%

10700kcal/kg 10034 44780kJ/kg 41992

2%

11,5%

0,7%

0,8%

2,5%

11%

0,7%

0,8%

10350 kcal/kg 43315 kJ/kg 10250 kcal/kg 42896 kJ/kg

9730 40728 9660 40427

Tableau des spécifications des fuels Caractéristiques Couleur Viscosité maximale à 20°c Viscosité maximale à 50°c Sédiments Teneur en eau maximale Cendres Indice de conradson max. Point d’éclair (vase clos) Chaleur massique kcal/kg°c à 50° Densité à 15° min.

Domestiques Rouge Engler 2

Fuel N°1 Noire

Fuel N°2 Noire

0,10% 0,10% Traces 0,35% < 55 0,43

Engler 14 0,25% 0,75% Traces 2%