TITRE : Procédé et installation de traitement de cendres volantes

Domaine technique de l'invention

L’invention concerne le domaine des traitements des cendres volantes, et plus précisément concerne un procédé de valorisation des cendres volantes afin de les rendre propres à une utilisation dans un procédé ultérieur. En particulier, les cendres volantes sont de nature minérale, et présentent un pouvoir pouzzolanique les rendant intéressantes pour la production de ciment et de béton.

Arrière-plan technique

Les cendres sont typiquement le produit des centrales thermiques utilisant un combustible fossile solide comme le charbon. Si les centrales thermiques de nouvelle génération produisent des cendres ne nécessitant pas ou peu de traitement avant de pouvoir être utilisées par exemple comme ajout dans du ciment, celles issues de centrales thermiques plus anciennes présentent une concentration en carbone trop élevée pour pouvoir être utilisées en leur état brut. En effet, le carbone est un constituant indésirable pour les ciments et les bétons, car il en dégrade la qualité et leur apporte une couleur noire.

Les cendres volantes sont principalement utilisées dans l’industrie cimentière pour diminuer la quantité de clinker en la remplaçant par des cendres volantes dans la confection de ciment, afin de réduire le coût de ce dernier et diminuer l’impact de sa production sur l’environnement. Une autre utilisation consiste à ajouter des cendres volantes dans la confection du béton, c’est-à-dire, au moment de mélanger le ciment avec l’eau, les granulats, et éventuellement d’autres adjuvants.

Il est connu d’extraire le carbone des cendres afin de les valoriser.

Le brevet européen EP0961 657 décrit un procédé d’extraction de carbone dans des cendres volantes. Cette extraction est réalisée au moyen d’un dispositif électrostatique.

Bien que ce procédé permette une extraction du carbone des cendres volantes, il demeure perfectible. En effet, ce procédé présente plusieurs inconvénients, parmi lesquels notamment le fait de décarboner des cendres volantes ayant une certaine humidité. La demanderesse a déterminé qu’une extraction du carbone des cendres volantes humides au moyen d’un dispositif électrostatique grève l’efficacité du procédé. En particulier, cette extraction s’avère être particulièrement énergivore. Un autre inconvénient de ce procédé est que l’extraction du carbone est réalisée sur l’intégralité des cendres volantes, indépendamment de la granulométrie, ceci ayant pour conséquence une perte d’efficacité de l’extraction du carbone.

A cet effet, un premier objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes peu coûteux.

Un deuxième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes facilement maitrisable.

Un troisième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes particulièrement adapté pour l’industrie du ciment et du béton. Un quatrième objet de l’invention est de proposer un nouveau procédé de valorisation des cendres volantes dont l’empreinte environnemental est maîtrisée.

Résumé de l'invention

A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de traitement de cendres contenant une concentration initiale en carbone pour obtenir des cendres contenant une concentration finale en carbone prédéterminée inférieure à la concentration initiale, le procédé comprenant :

- une étape de séparation granulométrique des cendres en au moins deux fractions, une fraction grossière et une fraction fine, la fraction grossière ayant une granulométrie supérieure à la fraction fine,

- une étape d’extraction de carbone des cendres, procédé dans lequel, l’étape d’extraction est postérieure à l’étape de séparation, ladite étape d’extraction étant effectuée uniquement sur la fraction grossière, par séparation électrostatique le procédé comprenant une étape de séchage des cendres pendant laquelle la température desdites cendres est supérieure à 60°C.

Ce procédé permet avantageusement d’améliorer l’efficacité de l’extraction du carbone.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- la séparation granulométrique est effectuée au moyen d’un dispositif de séparation ayant une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres ;

- la séparation granulométrique est effectuée au moyen d’un dispositif de séparation ayant une maille de coupure comprise entre 20 et 1 20 micromètres ; - le procédé comprend une étape de refroidissement des cendres de sorte à obtenir une température de cendres prédéterminée, l’étape de refroidissement étant postérieure à l’étape de séchage ;

- à l’issue de l’étape de refroidissement, les cendres sont à une température comprise entre 20°C et 60°C ;

- à l’issue de l’étape de refroidissement, les cendres sont à une température comprise entre 30°C et 50°C ;

- l’étape de séparation est postérieure à l’étape de refroidissement ;

- celui-ci comprend une étape de broyage de la fraction grossière ;

- la fraction grossière broyée fait à nouveau l’objet d’une séparation granulométrique au moyen d’une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres, de préférence entre 20 et 1 20 micromètres ;

- 30% en masse des cendres initiales présentent une granulométrie supérieure à 45 micromètres ;

- 1 0% en masse des cendres initiales présentent une granulométrie supérieure à 100 micromètres.

Il est proposé en deuxième lieu une installation de traitement de cendres contenant une concentration initiale en carbone pour obtenir des cendres contenant une concentration finale en carbone prédéterminée inférieure à la concentration initiale, les cendres se déplaçant selon un sens donné de déplacement dans l’installation, ladite installation comprenant :

- un séparateur granulométrique,

- un séparateur électrostatique agencé en aval du séparateur granulométrique, selon le sens de déplacement des cendres, l’installation comprend en outre :

- un refroidisseur, ledit refroidisseur étant agencé en amont du séparateur granulométrique, et

- un dispositif de séchage, l’installation étant destiné à mettre en oeuvre un procédé tel que précédemment décrit.

Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison :

- celle-ci comprend un broyeur agencé en aval du séparateur électrostatique, selon le sens de déplacement des cendres.

Brève description des figures

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel :

[Fig 1 ] la figure 1 est une représentation schématique d’une installation selon un premier mode de réalisation de l’invention.

[Fig 2] la figure 2 est une représentation schématique d’une installation selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée de l'invention

Sur les figures 1 et 2, est représentée une installation 1 de traitement de cendres.

L’installation 1 comprend :

- un réservoir 2 de stockage de cendres,

- un dispositif 3 de séchage,

- un séparateur 4 granulométrique apte à séparer par critère granulométrique,

- un refroidisseur 5,

- un séparateur 6 électrostatique de carbone,

- un broyeur 7

- un filtre 8. L’installation 1 comprend en outre un dispositif 9 de régulation du débit des cendres, un ventilateur (non représenté sur les dessins), et une cheminée 1 0.

L’installation 1 comprend plusieurs canalisations et dispositifs de manutention reliant entre eux les éléments précédemment évoqués.

Les cendres sont mises en mouvement dans l’installation 1 au moyen d’un gaz, typiquement de l’air, et/ou par gravité et/ou avec le concours de dispositifs de manutention, telles que des vis sans fin ou des élévateurs.

Dans ce qui suit, un procédé de traitement de cendres va être décrit. Ce procédé met en oeuvre l’installation 1 des figures 1 et 2.

Des cendres initiales contenant une concentration initiale en carbone sont stockées dans le réservoir 2 de stockage. Les cendres ont une concentration en carbone comprise entre 5% et 20%. Il est ici, et dans ce qui suivra, fait référence à des concentrations massiques.

Les cendres sont acheminées jusqu’au dispositif 3 de séchage. Dans le dispositif 3 de séchage, des gaz à haute température, permettent d’évaporer l’eau contenue dans les cendres. Ainsi le procédé comprend une étape de séchage des cendres. Dans l’étape de séchage, les cendres sont portées à une température supérieure à 60°C. Avantageusement, les cendres sont portées à une température avoisinant 90°C. A l’issue de l’étape de séchage, l’eau contenue dans les cendres s’est évaporée, à l’exception de résidus non significatifs, l’humidité étant inférieure à 1 %.

Avantageusement, 30% en masse des cendres initiales présentent une granulométrie supérieure à 45 micromètres. Avantageusement 10% en masse des cendres initiales présentent une granulométrie supérieure à 100 micromètres. Ces caractéristiques granulométriques permettent un fonctionnement optimal de l’installation 1 , en permettant une extraction du carbone efficace.

Le procédé comprend avantageusement, une étape de refroidissement des cendres sèches. L’étape de refroidissement est postérieure à l’étape de séchage. Le refroidissement des cendres sèches est réalisé dans le refroidisseur 5.

Avantageusement, à l’issue de l’étape de refroidissement, les cendres sont à une température comprise entre 20°C et 60°C, et de préférence entre 30°C et 50°C. Le séparateur 6 électrostatique réalise une extraction du carbone efficace dans ces plages de valeurs.

Le procédé comprend une étape de séparation granulométrique réalisée au moyen du séparateur 4 granulométrique. A l’issue de l’étape de séparation granulométrique, les cendres sont séparées en deux fractions : une fraction fine et une fraction grossière dont la granulométrie est supérieure à celle de la fraction fine. L’étape de séparation granulométrique est antérieure à l’étape d’extraction.

En séparant les cendres en deux fractions distinctes sur critère granulométrique, il devient possible d’améliorer l’efficacité de l’extraction du carbone. En effet, la fraction grossière présente une concentration en carbone plus élevée que la fraction fine. En décarbonant la fraction grossière plutôt que la fraction fine, l’efficacité du procédé est améliorée de façon significative. De plus, le séparateur électrostatique réalise une extraction du carbone plus efficace sur une fraction grossière que sur une fraction fine.

Avantageusement, le séparateur granulométrique a une maille de coupure comprise entre 10 et 200 micromètres. La maille de coupure est de préférence comprise entre 20 et 1 20 micromètres. En d’autres termes, et en prenant pour exemple la valeur de 90 micromètres, la fraction fine présente une granulométrie inférieure à cette valeur, tandis que la fraction grossière présente une granulométrie supérieure à ce chiffre.

La demanderesse a déterminé qu’une maille de coupure comprise dans ces intervalles permet d’obtenir une fraction grossière dont la granulométrie permet d’améliorer le fonctionnement du séparateur électrostatique, et ce faisant, améliorant l’efficacité de l’extraction du carbone.

Dans un mode préféré de réalisation, la maille de coupure est égale 90 micromètres.

La fraction fine, sortant du séparateur 4 granulométrique, n’est pas traitée. Elle est envoyée vers le filtre 8, où l’air est évacué par la cheminée 10 après filtration, tandis que les cendres de la fraction fine sont récupérées par une sortie 1 1 de collecte du produit fini, c’est-à- dire, des cendres traitées.

La fraction grossière, sortant du séparateur 4 granulométrique, est envoyée vers le séparateur 6 électrostatique. Entre le séparateur 4 granulométrique et le séparateur 6 électrostatique, est agencé un dispositif 9 de régulation de débit. Ce dispositif 9 de régulation permet d’éviter une surcharge d’alimentation du séparateur 6 électrostatique avec des cendres, car celui-ci ne fonctionne de façon optimale qu’en dessous d’un débit prédéterminé. Lorsque le débit acceptable par le séparateur 6 électrostatique est atteint, le surplus est envoyé vers un circuit 12 de déviation par le dispositif 9 de régulation, pour contourner le séparateur 6 électrostatique.

Le procédé comprend une étape d’extraction de carbone des cendres.

L’étape d’extraction est postérieure à l’étape de séparation granulométrique. L’extraction du carbone est effectuée par séparation électrostatique au moyen du séparateur 6 électrostatique. Le carbone extrait, est évacué du séparateur 6 électrostatique par une évacuation 13.

Un tel procédé permet d’obtenir une extraction efficace du carbone. L’énergie consommée pour l’extraction est significativement réduite.

En sortie du séparateur 6 électrostatique, est obtenue une fraction grossière décarbonée. La concentration en carbone dans la fraction grossière est fonction des besoins. Toutefois, et afin de correspondre aux exigences de l’industrie cimentière, le taux de carbone en sortie du séparateur 6 électrostatique est inférieur à 5% en masse, et de préférence inférieur à 2%.

La fraction grossière décarbonée est ensuite envoyée vers le broyeur 7.

Ces cendres décarbonées et broyées, sont ensuite envoyées vers le séparateur 4 granulométrique. Dans le séparateur 4 granulométrique, une partie des cendres décarbonées, suffisamment broyée et donc suffisamment fine, sera envoyée vers le filtre 8 et recueillie à la sortie 1 1 de collecte du filtre 8 en tant que cendres fines et décarbonées. En parallèle, une partie des cendres décarbonées, mais insuffisamment broyées, est renvoyée vers le séparateur 6 électrostatique. Les cendres fines et décarbonées contiennent une concentration finale de carbone prédéterminée inférieure à la concentration initiale des cendres.

Dans une variante de réalisation représentée sur la figure 2, les cendres décarbonées et broyées sortant du broyeur 7, sont envoyées au dispositif de refroidissement. Ce procédé présente plusieurs avantages parmi lesquels le fait qu’il soit :

- peu coûteux,

- facilement maîtrisable, - particulière adapté pour l’industrie du ciment et du béton,

- efficace, et présente une empreinte environnementale maîtrisée.