CHAPITRE III: Synthèse et analyse des résultats
1. Les émissions gazeuses et particulaires de la cimenterie
Les principaux rejets gazeux de la fabrication du ciment sont les émissions atmosphériques des fours. Elles sont dues aux réactions physiques et chimiques des matières premières et à la combustion des combustibles utilisés pour chauffer les fours. Les principaux constituants des gaz résiduaires d’un four à ciment sont l’azote (issu de l’air comburant), le CO2 (produit par la décarbonatation du CaCO3 et par la combustion des combustibles), la vapeur d’eau (produite par la combustion et les matières premières) et l'excès d'oxygène.
Les résidus issus du procédé de combustion sont généralement classés en deux catégories:
• Les résidus imbrûlés tels que le CO, HCN, NH3, N2O, les hydrocarbures volatils,…
• Les produits issus d’une combustion complète: CO2, H2O, NOx, SO2, HCl, les métaux lourds, …
Chapitre I:
Impacts de l’utilisation des AF sur les performances de la production et sur
l’environnement
Tableau III-1.1 : Éléments composant la biomasse et leurs effets sur la combustion (Van Loo et Koppejan, 2002)
Source : [15]
1.1. Résidus de combustion complète
Le dioxyde de carbone CO2
Le CO2 est le produit de dégradation majeur issu de la combustion de la biomasse. Il est neutre vis-à-vis de l’effet de serre si la biomasse provient de systèmes de production gérés de manière durable.
Selon les estimations, la fabrication d’une tonne de clinker gris entraîne des émissions de 900 à 1000 kg de CO2, pour un besoin thermique spécifique de 3 500 à 5 000 MJ/tonne de clinker, ce qui dépend aussi du type de combustible utilisé. Environ 60 % des émissions de CO2 sont issues de la décarbonatation et les 40 % restant issus de la combustion du combustible. [20] Les émissions de CO2 produites par la combustion du carbone du combustible sont directement proportionnelles au besoin de chaleur spécifique et au rapport entre la teneur en carbone du combustible et son pouvoir calorifique.
Comme dans le cas des procédés utilisant seulement du fuel, la combustion de fuel libère des quantités appréciables de CO2. Des quantités substantielles de CO2 sont également formées durant la cuisson du calcaire. Cette dernière provoque la
décomposition thermique du CaCO3 en CaO et CO2. Pour le cas de SCB-Lafarge, 1650 kg de calcaire sont nécessaires pour fabriquer une tonne de clinker. Par conséquent, la quantité de CO2 libérée lors de la décarbonatation est de 726 kg/t de clinker fabriqué. La quantité de CO2 libérée par la combustion complète des combustibles s'élève à 311 kg/tonne de clinker fabriqué. Les émissions de CO2 totales liées à la cuisson s'élèvent à 1037 kg environ par tonne de clinker.
Les oxydes d’azote NOX
L’appellation «NOX » regroupe les mono et dioxydes d’azote (NO et NO2). Les émissions de NOX proviennent de l’oxydation de l’azote contenu dans le combustible.
Mais il est important de noter que des quantités supplémentaires de NOX peuvent se former à partir de l’azote de l’air (N2). Les oxydes d’azote que l’on retrouve dans les émissions ont trois origines :
• le combustible : l’azote de la biomasse est converti en NO (> 90%) et en NO2
(< 10%). [21] Les précurseurs de ces oxydes d’azote sont l’acide cyanhydrique (HCN) et l’ammoniac (NH3). Si l’oxygène est limitant, ces deux gaz sont convertis en NO.
Mais ce NO peut aussi réagir avec ses propres précurseurs pour former N2 si le combustible est suffisamment riche en azote. Il n’y a donc pas de relation linéaire entre les quantités d’azote contenues dans le combustible et les rejets en oxydes d’azote.
• les réactions à hautes températures : l’azote de l’air réagit avec l’oxygène pour former du NO à partir de 1300 °C. Cet effet s’amplifie avec la température, la concentration en oxygène et le temps de résidence. Ce type de réaction n’aurait qu’une influence limitée dans le cas de la biomasse.
• les réactions rapides : l’azote de l’air peut réagir avec des intermédiaires de combustion hydrocarbonés pour former HCN, puis des oxydes d’azote. Cet effet est toutefois plus important avec des combustibles fossiles qu’avec de la biomasse.
D’une manière pratique, les émissions de NOX augmentent avec l’azote contenu dans le combustible et la température de combustion (et dans une certaine mesure avec l’excès d’air, mais un excès d’air trop important diminue fortement la température de combustion).
Les oxydes de soufre (SOX)
Le dioxyde de soufre provient de l’oxydation complète du soufre contenu dans le combustible. Mais tout le soufre n’est pas converti en SOX. Une quantité non négligeable se retrouve dans les cendres, sous forme de sulfates favorisant la formation des anneaux sulfates en amont du four. La biomasse ne contenant généralement quasiment pas de soufre, on peut dire que sa combustion n’émet pas de SOX.
L’acide chlorhydrique (HCl)
Une fraction du chlore contenu dans le combustible peut se retrouver sous forme d’HCl. La plupart du chlore est converti en chlorures (Na et K), tandis qu’une fraction minime peut être transformée en dioxine ou autres organochlorées. Par exemple, le contenu en chlore du bois est très bas, mais ce problème d’émission d’HCl se pose avec des combustibles comme la paille ou l’herbe.
Les particules
Les émissions particulaires ont plusieurs origines et sont issues de mécanismes complexes. Parmi les émissions particulaires, on retrouve les cendres volantes, résultat de l’entraînement dans les gaz de fumées de cendres et de sels (KCl, NaCl, K2SO4).
Les principaux facteurs influençant la formation de particules sont le débit de combustible et sa proportion en fines particules, l’excès d’air et sa distribution (Tillman, 1987).
La pollution par les poussières représente la forme de pollution la plus importante au niveau des cimenteries. La granulométrie des poussières est un facteur important. Les poussières fines restent en suspension dans l’atmosphère alors que les plus grosses sont appelées à se déposer sur le sol à différentes distances de la source selon leur taille.
Les métaux lourds et autres éléments non-organiques
Tout type de biomasse contient des métaux lourds (tels que Cu, Pb, Hg, Zn, …) au moins à l’état de trace. Rappelons que certains d’entre eux sont des oligo-éléments indispensables à la vie de la plante. Selon leurs propriétés physico-chimiques, ces éléments se retrouveront dans les cendres, les particules, voire en phase gazeuse.
La majeure partie de ces éléments se retrouve piégée soit dans le clinker, soit dans les poussières captées par les filtres. Certains d'entre eux peuvent toutefois être, en partie plus ou moins importante, rejetés dans l'environnement soit parce qu'ils sont volatils et ne se solidifient qu'aux basses températures, soit parce qu'ils forment des composés volatiles. Les matières premières et les combustibles contiendront toujours des métaux mais leur concentration est très variable d'un endroit à un autre. L’étude du bilan matière montre que le clinker contient peu d’éléments fortement volatils, ce qui veut dire que ces substances s’accumulent dans le four.
1.2. Résidus de combustion incomplète
Les résidus de combustion incomplète ont des conséquences environnementales, techniques et économiques. Environnementales, car les composés formés ont souvent un impact négatif sur les écosystèmes. Techniques parce qu’ils peuvent abîmer l’installation ou au moins en diminuer les performances. Et enfin économiques puisque, si une combustion est incomplète, l’énergie produite est plus faible qu’attendue et le rendement de l’installation chute.
Les causes d’une combustion incomplète sont multiples et pas toujours faciles à identifier :
• Un manque d’oxygène ;
• Une température de combustion trop basse ;
• Un temps de résidence trop court ;
• Un mauvais mélange entre le combustible et l’air.
Ces facteurs sont liés entre eux et des effets synergiques peuvent être rencontrés. Une optimisation des réglages d’une installation peut limiter la production de résidus imbrûlés. Voici les principaux composés qui témoignent d’une combustion incomplète.
Le monoxyde de carbone (CO)
La production de CO2 passe par l’oxydation du CO. La concentration en CO est un bon indicateur de la qualité de la combustion. En effet, la conversion en CO2 dépend de la température et des quantités d’oxygène disponibles. Le taux de
conversion du CO en CO2 croît avec la température. Et, pour une température donnée, il existe un excès d’air optimum à déterminer qui minimise les rejets en CO. Pour les installations de SCB-Lafarge, les valeurs optima des excès d’air se situent entre 2 et 3% d’Oxygène.
Bien qu’étant un hydrocarbure volatil, le méthane est souvent classé et mesuré seul, entre autres parce qu’il a une action directe sur l’effet de serre. Dans les procédés de combustion de la biomasse, c’est un intermédiaire important dans la formation de CO2 et d’H2O. Il se forme au cours de la phase de pyrolyse du combustible. Tout comme le monoxyde de carbone, des émissions peuvent s’observer quand la température de combustion est trop basse ou quand l’oxygène est déficient ou encore quand le temps de résidence est trop court.
Dans le procédé de conversion du carbone organique en CO2, le méthane se situe plus en amont que le CO, ce qui explique les émissions plus faibles.