Essais de corrosion dynamique en four rotatif .1 Objectifs et conditions expérimentales

En conditions réelles d’utilisation, un réacteur à lit entrainé subit des dégradations complexes comme l’érosion due à l’écoulement des cendres liquides, qui ne peuvent pas être simulés lors d’un essai statique. De plus, un essai de corrosion statique est réalisé en conditions isothermes tandis que lors de la gazéification, un gradient thermique transversal aux parois existe.

Dans le but de se rapprocher de ces conditions de service, un essai sur four rotatif a été réalisé.

δ’érosion y est simulée grâce à la rotation du four, les cendres liquides s’écoulant sur les parois, qui sont soumises à un gradient thermique.

La température de l’essai est de 1500°C, identique à celle des essais statiques. La durée de palier, initialement prévue, est de 16h.

IV.5.3.2 Préparation de l’essai

Pour cet essai, réalisé au centre technique d’ICAR, les 5 qualités de bétons, sous forme de polygones (ou claveaux) de 70 mm d’épaisseur, sont montés dans une virole métallique, positionnée ensuite à l’horizontale (Figure IV-102). Le four est ouvert aux deux extrémités : l’une d’elle est utilisée pour le chauffage et l’autre pour l’addition et le prélèvement de l’agent corrosif.

Figure IV-102 Montage du four rotatif

δ’agent corrosif utilisé est un laitier proche de la composition S (donnée dans le Tableau IV-30).

Les oxydes, sous forme de poudre ont été mélangés, broyés et précuits à la température de 800°C durant 5h.

Une fois les claveaux placés dans le four, celui-ci a été mis en rotation (à une vitesse proche de deux tours par minutes) et porté en température à l’aide d’une lance oxy-propane, la flamme étant au centre du garnissage (Figure IV-103). Lorsque la température du briquetage, mesurée par un pyromètre, atteint 1500°C, 5kg de laitier sont introduits dans le four. Toutes les deux heures environ,

5 cm

trempé à l’eau en vue d’analyses chimiques (Figure IV-105), On renouvelle l’agent d’agression par des ajouts de 2kg de laitier.

L’essai a dû être arrêté après 12h30 de palier (Tableau IV-29) suite à l’endommagement important d’une des qualités de réfractaires (Figure IV-104).

Oxydes SiO₂ CaO Fe₂O₃ Al₂O₃ P₂O₅ Total (%m) 37.1 16.2 14.7 15.6 16.8 100.0 Tableau IV-30 Composition du laitier utilisé pour les essais de corrosion

Temps évènements

0h Mise en route du bruleur

2h

Introduction de 5 kg de laitier (T=1540°C)

Figure IV-103 Four rotatif durant l'essai

Figure IV-104 Four rotatif en fin d’essai

Figure IV-105 Prélèvement de laitier

IV.5.3.3 Résultats macroscopiques

Après l’essai, les claveaux sont démontés, et les profondeurs d’érosion et d’imprégnation sont mesurées. Il apparait que (Figure IV-106):

 δe béton E est très peu érodé, la profondeur d’érosion étant inférieure à 1% (ce qui correspond à une usure de 0.5 mm) de la hauteur totale du claveau ;

 Les réfractaires A, B, C ont des pourcentages d’érosion proches (entre 10 et 1η% de la hauteur totale, correspond à une usure comprise entre 7 et 10 mm), la qualité A semble cependant très peu imprégnée ;

 90% du claveau D est érodé après l’essai.

Figure IV-106 Claveaux après essai- Mesures des profondeurs érodées (au centre des claveaux)

béton A béton B béton C béton D béton E

Perte de matière (mm) 9 7 10 64 0.5

profondeur d'imprégnation (mm) 1 15 11 6 3.5

Tableau IV-32 Mesures des profondeurs d’érosion et d’imprégnation

δes profondeurs d’imprégnation ont également été mesurées sur toute la longueur des claveaux (40 cm au total) avec des points de mesures tous les centimètres (Figure IV-107). Les écarts importants entre des points de mesures proches étant dus à la présence de fissures rendant l’imprégnation plus profonde.

Il apparait clairement que le béton A à base d’andalousite chamotte est le moins imprégné (sur 1mm). Le béton E est également peu imprégné (sur une profondeur de 3.5 mm en moyenne).

Les bétons B, C et D sont imprégnés respectivement sur 15, 11 et 6 mm en moyenne.

5 cm

Figure IV-107 profondeur d’imprégnation en fonction de la longueur du claveau

δ’évolution de la minéralogie des bétons en fonction de la profondeur est synthétisée dans le Tableau IV-33.

 Pour les bétons A et B, l’andalousite est entièrement transformée en mullite à deux centimètres de l’interphase zone de corrosion/ zone d’imprégnation ;

 La gehlenite présente en face froide du béton d’alumine tabulaire (C) disparait en face chaude. Les autres phases restent stables ;

 δe béton d’alumine spinelle (D) subit le plus de changements, avec la disparition de l’hibonite dans les η premiers millimètres de la face chaude. δe spinelle (de formule MgAl2O4) diminue fortement ;

 δ’hibonite disparait pour le béton d’alumine chrome sur une profondeur de 10mm.

Ces analyses nous permettent de déterminer la valeur minimale du gradient thermique entre la face chaude et la face froide. La température de la face chaude, contrôlée par un pyromètre, était de 1η00°C durant l’essai. δes diffractogrammes des bétons à base de bauxite (B) et d’andalousite (A) réalisés sur les prélèvements en face froide mettent en évidence la présence à la fois d’andalousite et d’andalousite mullitisée. δa transformation de l’andalousite en mullite débutant à 1γ00°C, la température en face froide doit être proche de 1300°C. Le gradient de température est donc faible, un gradient thermique plus important permettrait de diminuer l’imprégnation du réfractaire.

bétons A B C D E

Tableau IV-33 Evolution des phases cristallines en fonction de la profondeur (z en mm). Avec A(Al₂O₃), A₃S₂ (mullite), A3S3 (andalousite), CAS2 (anorthite), C2AS (gehlenite), MA (alumine spinelle,) CA6 (hibonite), Solution

solide Al-Cr, (*) peu intense, (**) intense, (***) très intense.

Discussion

Cet essai avait pour objectif d’obtenir des conditions de service proches de celle d’un gazéifieur industriel. Les conclusions des analyses effectuées sont les suivantes :

 Une très bonne résistance à l’érosion de béton E à base d’alumine et d’oxyde de chrome ;

 Une bonne tenue à l’imprégnation du béton A à base d’andalousite chamotte ;

 Un très fort endommagement du béton D à base d’alumine spinelle. En effet 90% du claveau a été dissous ;

 Les résultats de corrosion « dynamique » sont comparables aux essais en auto-creuset tout en les complétant. Notamment l’imprégnation par les laitiers est plus faible grâce au gradient thermique (estimé à 150°C) entre la face chaude et la face froide. C’est principalement le cas pour les bétons B, C, et E.