Matériaux issus des coproduits ou de déchets industriels

1.4.1. Les résidus des centrales électriques à charbon : cendres de foyer de SONICHAR

1.4.1.1. Définition et formation des cendres de foyer des centrales à charbon

Les principaux déchets issus des centrales thermiques à charbon classés comme produits de combustion comprennent les cendres volantes, les cendres de foyer et les scories de chaudière. Le schéma de la Figure II-7 présente les différents flux de matière d’une centrale thermique à charbon.

Figure II-7 : Schéma du circuit des cendres et des points de récupération, adapté de [203].

Les cendres sont produites à l’issue de la combustion du charbon. Les cendres de foyer sont déposées dans le cendrier et les cendres volantes sont récupérées par filtration des fumées qui sont expulsées par la cheminée. En général, le type de cendres volantes résultant de la combustion du charbon dans les centrales est fonction de la nature du combustible utilisé. Les cendres volantes de type sulfocalciques proviennent de la combustion de la lignite et sont principalement composées de CaO et de Al₂O₃. Les cendres volantes de type silico-alumineuses proviennent de la combustion de la houille. Elles contiennent principalement les composés SiO₂, Al2O3 et CaO. Ce dernier type est le plus répandu. La composition chimique de ce dernier peut varier en fonction du charbon utilisé comme combustible, mais en général, les cendres de foyer sont caractérisées par une fraction élevée (≥ 80%) d'oxyde de silicium (SiO2), d'oxyde d'aluminium (Al₂O₃) et de l'oxyde de fer (Fe₂O₃). Toutefois, un des gros problèmes de la gestion des déchets des centrales à charbon est celui des rejets de la mine. Une des solutions consiste à les utiliser pour remblayer les mines. Cependant, cette solution engendre un coût de transport additionnel et des contraintes environnementales liées à la production du NOx, du SO2. Ces effluents sont très polluants et nécessitent un certain nombre de traitements comme la réduction ou le filtrage. Le Tableau II-4 présente le taux de déchet formé lors de la production d’électricité dans une centrale à charbon.

Tableau II-4 Déchets du charbon lors de la combustion pour la production d’électricité [204]

Charbon Convoyeur Pulvérisateur Collecte des cendres Condenseur Electricité Cendres volantes Cendres Cendres Cendres Turbine à vapeur

Débits des déchets (g·kWh^-1)

NO_x 0,25

SO₂ 0,32

Cendres volantes dans l'air 0,07

Cendres volantes recueillies 3,02

On remarque dans le Tableau II-4 que les cendres de foyer (environ 2,1 g·kWh^-1) représentent une part importante des déchets solides produits par la centrale. En effet, une centrale à charbon de 100 MW produirait ainsi 5 tonnes de cendres de foyer par jour.

Selon l'Association mondiale du charbon [205], le charbon fournit 29% des besoins mondiaux en énergie primaire et est utilisé pour produire 41% de l'électricité du monde. La part du charbon pour la production d’électricité en Afrique, en particulier en Afrique de l’Ouest, n’est pas négligeable. En effet dans cette région, les réserves de charbon sont estimées à 580 millions de tonnes [3]. Le Nigeria possède plus de 95% des réserves de la sous-région, mais, il en existe aussi de moindre importance au Sénégal, au Benin et au Niger. Ce potentiel important montre combien le stockage des déchets devient jour après jour une véritable problématique environnementale et économique. Les éléments en trace dans les cendres de foyers, tels que le zinc, le cadmium, le cuivre et le plomb, sont une préoccupation importante pour des terres en raison de leur impact environnemental. En effet, la principale menace que peuvent représenter les cendres de foyer pour la santé humaine provient des métaux lourds dont le Plomb, Cadmium ou le mercure. Ces métaux ont été largement étudiés et leurs effets sur la santé humaine régulièrement examinés par des institutions internationales telles que l'OMS [206]. Ainsi, les cendres de foyer occupent non seulement de grands espaces, mais constituent aussi un facteur de pollution des nappes phréatiques, de l’air et des cours d’eau si elles sont mal stockées. Par ailleurs, plusieurs pays en Afrique de l’Ouest comme le Nigeria, la Côte d’Ivoire et le Sénégal pour ne citer que ceux-là ont déjà lancé des grands projets d’installation de centrale thermique à charbon. À titre d’exemple, les centrales de 350 MW et 250 MW sont prévues au Sénégal respectivement dans la ville de Kayar et Mboro. La banque africaine de développement accompagne actuellement le Nigéria pour l’exploitation de la mine de charbon d’Okobo pour fournir du charbon à la centrale à charbon de Zuma à Itobe, destinée à produire 1200 MW.

1.4.1.2. Les déchets SONICHAR au Niger.

La Société nigérienne d’électricité (NIGELEC) s’occupe de l’importation, du transport, de la distribution et de la commercialisation de l’énergie électrique au Niger. La majorité de l’énergie électrique produite est d’origine fossile, et dont certaines centrales utilisent le charbon fourni par la société nigérienne de production de charbon (SONICHAR). Le charbon est extrait de la mine à ciel ouvert et pratiquement consommé sur place dans une centrale thermique. La centrale est équipée de deux générateurs de 18,8 MW et produit en moyenne 150.000 tonnes de cendre de foyer par an. Le charbon utilisé provient du site d’exploitation de Tefereyre, près de la ville de Tchirozérine à 75 km au nord-ouest d’Agadez. La combustion du charbon est obtenue avec un four de type Ignifluid, composé d’un four à lit fluidisé, comportant une grille mobile qui décharge directement les résidus de la combustion dans une zone de stockage temporaire (Figure II-8).

Figure II-8 : Localisation de la zone de décharge des mâchefers de la Société SONICHAR au Niger

Des caractérisations effectuées par Vinai et al. [207] sur les cendres de foyer ont montré qu’elles sont composées principalement de : SiO₂ (62,32% en poids), Al₂O₃ (27,21% en poids), de FeO (3,57% en poids), CaO (0,5% en poids). La composition minéralogique a été réalisée par la diffraction des rayons X. Elle a montré que la partie amorphe constitue environ 61% de l'échantillon tandis que la mullite (21,6% en poids) et la silice (11% poids) sont les principales structures cristallines observées. Jusqu'à présent, ces matériaux ne sont pas suffisamment valorisés. Elles sont actuellement envisagées en remplacement du sable dans la formulation du mortier pour la confection de briques [207]. Toutefois, ces déchets présentent un fort potentiel, car ils sont particulièrement adaptés à la production de céramique de type mullite.

Les travaux antérieurs réalisés au PROMES [13,144,208] sur les cendres volantes d’EDF ont montré ont permis d’élaborer des céramiques réfractaires comme la mullite. Malgré une différence en ce qui concerne la taille des particules, les cendres de foyer présentent, à quelques différences près, la même composition minéralogique que les cendres volantes, offrant un potentiel similaire pour la production de mullite. La valorisation des déchets pourrait contribuer à réduire les impacts environnementaux de CSP liés à la technologie actuelle de stockage thermique et préserver les ressources naturelles par le recyclage d'une partie importante des déchets résultants.

1.4.2. Les résidus de la production d’acétylène à charbon : La Chaux de BIG

1.4.2.1. La chaux

La chaux est un matériau inorganique provenant généralement de la roche calcaire. Elle contient du calcium sous forme d’oxyde ou hydroxyde comme matière prédominante. Le calcaire est une roche abondante sur la planète et représente environ 20% des roches sédimentaires disponibles. L'extraction de cette roche représente la deuxième industrie minière mondiale. A l'échelle mondiale, la consommation est estimée à 300 millions de tonnes par an. Par ailleurs, la quantité annuelle de chaux disponible sur le marché est d’environ 120 millions de tonnes [209]. En pratique, les deux produits issus du carbonate de calcium sont : l'oxyde de calcium et l'hydroxyde de calcium, respectivement appelés chaux vive et chaux éteinte. L'oxyde et

l'hydroxyde de calcium sont disponibles en grande quantité à travers le monde. Le coût de la chaux industriel varie de 15 à 150 euros la tonne dépendamment de sa pureté, sa granulométrie et son origine.

La chaux est un matériau largement utilisé dans la construction (routes et habitats), l’industrie de l’acier et de la céramique. La chaux est aussi utilisée pour des applications de stockage de chaleur dans les centrales solaires à concentration, le couple (Ca(OH)2/CaO) permet de stocker l’énergie à des températures inférieures à 600 °C. Elle peut également être utilisée pour l’élaboration des céramiques réfractaires qui sont très prisées pour les applications de stockage de la chaleur haute température.

1.4.2.2. Le déchet de BIG au Burkina Faso

La société Burkina Industrial Gas (BIG) est une entreprise industrielle spécialiste des gaz industriels. Au Burkina Faso, elle produit de l'acétylène sur la base de la réaction décrite par l’Equation (II-5).

CaC₂ + 2H₂O → C₂H₂ + Ca(OH)₂ (II-5)

Habituellement à cause de la présence d'air dans le procédé, la chaux éteinte (Ca(OH)2) commence à réagir avec du dioxyde de carbone pour former du carbonate de calcium (CaCO3) selon la réaction de l’Equation (II-6).

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O (II-6)

Les deux coproduits Ca(OH)₂ et CaCO₃ sont considérés comme des déchets industriels pour lesquelles on envisage une valorisation. En 2012, la société BIG a produit près de 3 tonnes de ces déchets. Une partie des déchets est utilisée dans la sous-région pour la production de briques compressées de latérite pour la construction [210]. Cependant, seulement 20% des déchets sont actuellement valorisés. Toutefois, l’utilisation de procédés de traitement thermique approprié devrait permettre de faire réagir favorablement le Ca(OH)₂ et le CaCO₃ afin de produire de l’oxyde de calcium. Entre 300 et 500 °C l’hydroxyde de calcium se transforme en oxyde de calcium et entre 600 et 900 °C le carbonate de calcium se transforme également en oxyde de calcium. Les équations correspondantes sont données ci-dessous :

CaCO3 + → CaO + CO2 (II-7)

Ca(OH)₂ + → CaO + H₂O (II-8)

L'oxyde de calcium (CaO) est un composé très alcalin, qui peut réagir avec le quartz (SiO2) et l'alumine (Al2O3). Ce matériau est très souvent utilisé pour réduire la température de fusion et la viscosité des mélanges de matières minérales primaires [211]. Dans la présente étude, le terme chaux fait référence au mélange de la chaux éteinte et vive, tous deux étant présents dans le déchet.