Bilan énergétique de la cuisson des mélanges argileux CSR

 Introduction

 Le procédé de fabrication des produits de terre cuite est très énergivore en énergie thermique, principalement par la combustion du gaz naturel . Cette combustion produit des rejets atmosphériques de CO2, qui est le gaz à effet de serre principal du réchauffement climatique dont les émissions font l’objet d’une surveillance et de restrictions internationales (chapitre 1). Dans l’objectif de produire un matériau argileux qui répond aux caractéristiques techniques souhaitées, l’étape de cuisson doit fournir suffisamment de chaleur pour donner lieu aux différentes transformations physico-chimiques nécessaires au développement du matériau (chapitre 3). Cela rend l’étape de la cuisson la plus consommatrice du point de vue énergétique. A des températures élevées, le matériau subit des transformations physicochimiques qui peuvent être à la fois exothermiques et endothermiques. La composition des matières premières joue un rôle très important, non seulement dans les émissions de gaz durant la combustion (chapitre 6), mais aussi dans la consommation d’énergie dans cette étape. Les quantités des carbonates, de la matière organique et d’autres matières premières des mélanges argileux influencent la quantité d’énergie nécessaire pour mettre en œuvre ces transformations physico-chimiques . De nombreux travaux dans la littérature ont porté sur les évolutions des propriétés techniques, les comportements environnementaux et énergétiques lors de la cuisson des produits de terre cuite traditionnels . Mais peu d’études ont été consacrées à l’énergétique des transformations physico-chimiques des matières premières des mélanges argileux. L’objectif de cette étude est de déterminer la quantité d’énergie consommée par les transformations physico-chimiques qui se développent pendant la cuisson des mélanges argileux, c’est-à-dire la chaleur de réaction. Cette chaleur de réaction constitue une fraction relativement faible (5-20%) de l’énergie globale requise pour la cuisson des produits de terre cuite [200]. Actuellement dans l’industrie céramique, cette chaleur de réaction est la seule qui ne peut pas être récupérée, contrairement par exemple à la chaleur des fumées qui est récupérable à l’aide d’échangeurs thermiques [122, 200, 279]. Dans ce chapitre nous focalisons notre étude sur la quantification des chaleurs des réactions mises en œuvres lors de la cuisson du mélange standard de fabrication MEL FAB ML B40 et la comparer à celles des matrices argileuses ML incorporées de 4%.m 8%.m de CSR28 et 4%.m-8%.m de CSR15. Une étude sur les émissions de CO2 provenant de la décomposition de la matière première de ces mélanges argileux sera ainsi réalisée. L’objectif est de comprendre l’impact de l’ajout du CSR28 et CSR15 dans la matrice argileuse ML sur le bilan énergétique. La méthodologie de cette étude est basée sur notre travail récent [269] sur la quantification des émissions de CO2 et de l’énergie thermique économisée lors de la cuisson des mélanges argileux incorporant des déchets agricoles.

Matériels et méthodes

Matériaux 

Les matériaux choisis pour cette étude sont : MEL FAB ML B40, ML8CSR28-1 B20, ML4CSR28-1 B30, ML8CSR15-1 B20 et ML4CSR15-1 B30, leurs compositions élémentaires et celles du CSR15 et du CSR28 ont été présentées dans le chapitre 2. 

Analyse calorimétrique différentielle (DSC) 

Les chaleurs des réactions des mélanges argileux MEL FAB ML B40 et ML/CSR ont été déterminées au laboratoire en utilisant un appareil NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus®. L’appareil permet de quantifier le flux de chaleur échangé par l’échantillon en (mW) en fonction de la température tout au long un cycle thermique avec une erreur de 5-10% [146]. La calibration de l’appareil est réalisée à l’aide d’un disque de saphir d’une épaisseur et d’une capacité calorifique (Cp) connues, qui n’a subi aucune transformation physicochimique significative d’un point de vue énergétique dans la plage de température d’essai. L’échantillon à analyser doit se présenter sous la forme d’une poudre fine homogène et de granulométrie inférieure à 100µm et de masse d’environ 80 mg. L’échantillon du mélange MEL FAB ML B40 ou des mélanges argileux/CSR à analyser et l’échantillon standard ont été placés dans des creusets en platine et soumis à une montée en température de 30°C à 1100°C, à une vitesse de chauffe de 5°C/min. Les traitements thermiques ont été réalisés dans une atmosphère d’air et d’argon protecteur avec un débit de 35 mL/min. 

Émissions de CO2 

Dans le chapitre 3, les analyses ATG-ATD des mélanges ML/CSR (chapitre 3, 3.3.1) ont montré que la décomposition thermique du CSR a eu lieu entre 200°C et 500°C et la décarbonatation de la matrice argileuse associée à la décomposition d’éléments inorganiques du CSR ont été enregistrées entre 700°C et 800°C. Ces réactions sont les principales réactions chimiques responsables des émissions de CO2. Dans cette étude, nous utilisons ainsi le même réacteur et les mêmes conditions opératoires présentés auparavant dans le chapitre 6, section 6.3.2. Chaque échantillon des mélanges MEL FAB ML B40 et ML/CSR d’une masse de 5g a été chauffé à 5°C/min de la température ambiante jusqu’à 1000°C avec un débit d’air de 42 mL/min. Cependant pour cette étude, la collection des sacs des gaz permanents produits lors de l’oxydation des mélanges MLE FAB ML B40 et des mélanges ML/CSR a été divisée en deux étapes : de la température ambiante jusqu’à 500°C (sac 1) et de 500°C jusqu’à 1000°C (sac 2). Ensuite,les deux sacs de gaz ont été analysés à l’aide de l’analyseur par micro-chromatographie à gaz (MyGC SRA-instruments). Pour ces analyses, nous considérons les émissions de CO2 suivantes : — les émissions de CO2 récupérées dans le sac 1 proviennent de la décomposition de la matière organique du CSR (200°C-500°C), — et les émissions de CO2 récupérées dans le sac 2 sont liées à la décarbonatation de la matrice argileuse ML et les différentes interactions entre les éléments inorganiques du CSR et la matrice argileuse ML (500°C-1000°C).