Nature et composition chimique

Les combustibles fossiles, comme le charbon, sont utilisés dans les centrales thermiques du monde entier pour produire l’énergie électrique. La combustion du charbon, broyé ou pulvérisé, génère plusieurs sous-produits quand il est utilisé pour la production de vapeur dans les centrales. Les petites particules qui sont transportées par le gaz de combustion sont recueillies par précipitation électrostatique et sont connues comme les cendres volantes de charbon. Certaines des particules de cendre forment des scories qui tombent au fond du four – scories de charbon ou cendres de foyer. Dans les fourneaux à

température élevée, de 1200oC, des résidus fondus connus comme laitier de charbon sont

également produits.

La nature des cendres dépend en fait, d’après Adriano et al., (1980) des différents paramètres de production tels que:

− La composition du charbon, le type de combustion, les systèmes de filtrage et de dépollution des fumées, les points de prélèvement.

− La nature des combustibles consommés- les houilles donnent des cendres

silicoalumineuses, les lignites donnent des cendres sulfocalciques.

− Le type de chaudière – classique à flamme ou lit fluidisé circulant.

− La mise en œuvre ou non d’une désulfuration primaire en foyer classique.

− Le lieu où sont récupérées les cendres (cendres volantes, cendres de foyer, cendres de

lit).

A l’île Maurice 45% de l’électricité produit au niveau national proviennent des centrales thermiques utilisant la bagasse comme combustible durant la période de récolte de la canne à sucre, c'est-à-dire de juillet à décembre, ou le charbon importé de l’Afrique du Sud de janvier à juin. D’une manière générale, les cendres volantes issues de la combustion de charbon dans une centrale thermique présentent des propriétés spécifiques de finesse, de forme, d’activité pouzzolanique et hydraulique qui leur permettent d’être valorisées dans un grand nombre d’utilisations, par exemples :

− Les travaux de génie civil où les cendres volantes sont mélangés aux ciments.

− Dans les travaux de remblayage ou la cendre est utilisée pour le remplissage des vides.

− La réhabilitation, la dépollution et le traitement de déchets toxiques.

Quand les cendres ne sont pas déposées au centre de stockage pour les déchets ménagers, elles sont utilisées en agriculture en tant que matières fertilisantes (engrais ou amendements). Ainsi les analyses de cendres sont orientées par rapport à cette voie de valorisation et sont centrés sur les paramètres définissant leur valeur agronomique (N, P2O5, K2O, C, pH, conductivité électrique, MgO, CaO, etc.), et sur les composés indésirables pour la valorisation agricole (Yasuhara et Katami, 2007). Le Tableau 2.5 présente quelques récapitulatifs de la composition chimique des cendres volantes de charbon (bitumineuse) et bagasse rencontrés dans la littérature.

La composition chimique des cendres volantes de charbon est très variable et dépend principalement du combustible utilisé et des conditions de combustion dont la température et degré de combustion qui sont eux reliés à la puissance de la chaudière. La température de combustion affecte également le taux de cendre (diminution de 45 % lorsque la température est portée de 538 à 1093 °C), et sa composition chimique. D’une manière générale, lorsque la température augmente, les concentrations en sodium, potassium et zinc diminuent alors que les teneurs des autres métaux restent constantes ou augmentent (Sear et al., 2003).

Dans les centrales thermiques à charbon, les caractéristiques des cendres volantes et des cendres de foyer sont similaires puisqu’elles émanent toutes les deux des mélanges de minéraux organiques du charbon brûlé et de la matière organique partiellement brûlée. Les recherches effectuées à ce jour sur la caractérisation des cendres volantes du point de vue physique, morphologique, chimique et minéralogique conduisent à dire qu’elles sont des matériaux d’une relative simplicité (Adamiec et al., 2005).

Tableau 2. 5 Les caractéristiques chimiques des cendres volantes de charbon et de bagasse rapportées dans la littérature. Les concentrations sont exprimées en mg/kg

Etats-Unis (Adriano et al., 1980) Etats-Unis (Schumann et Sumner, 2000) Croatie (Oresscanin et al., 2006) Thailande (Rachakornkij M et al., 2004) Ile de la Réunion (CIRAD 2005) Paramètre

Cendres de charbon Cendres de bagasse

pH 8.2 12.2 - - 9.5 CE - 4.07 - - - Al 127 400 - - 3562 - As 82 - 21.4 - - B 36 639 - - - Ca 14 820 166 320 97 700 51 800 35 000 Cd 0.3 - - - Cr 172 - 136 - 152 Cu 132 344 40 80 66.3 Fe 86 600 149 700 37 750 5740 64 400 Hg 0.1 - - - K 22 400 34 920 - 10 950 19 900 Mg 17 700 29 380 - 10 440 17 400 Mn 145 528 307 770 1.7 Mo 33 83 - - N - 2790 - - 2250 Na 2160 - - 6600 3710 Ni 11 - 149 - 84.4 P 400-8000 4790 - 4850 720 Pb 15 - 42.8 - S 1000 4180 - 440 2150 Se 5.7 - - - Zn 20 514 151 - 229

Les particules de cendres sont généralement présentées comme étant constituées en majorité de particules sphériques avec une composition chimique qui peut être réduite à trois constituants majeurs (silice, alumine, oxyde ferrique) dans trois phases cristallisées (mullite, quartz et magnétite) et une phase amorphe.

Chang et al., 1977 avaient déjà procédé à un fractionnement granulométrique des cendres

volantes comme suit : sables très grossiers (2.00-1.00mm), sables grossiers (1.00-0.50mm), sables fins (0.50-0.10mm), sables très fins (0.10-0.05mm), limons (0.05-0.002mm) et argiles( < 0.002mm) tandis que l’analyse chimique conduite par Fisher et al., (1976) avait

déjà révélé que les cendres volantes peuvent être représentées par la formule empirique suivante :

Si 1.00 Al 0.45 Ca 0.051 Na 0.047 Fe 0.039 Mg 0.020 K 0.017 Ti 0.011

L’azote et le carbone initialement présents ont été oxydés sous forme gazeuse durant la combustion du charbon, ce qui les rend presque négligeable dans les cendres volantes. Cependant Adriano et al., (1980) ont rapporté des valeurs de carbone de l’ordre de 30% dans certaines cendres volantes dues à une combustion incomplète du charbon. Ils ont aussi remarqué une diminution de la teneur des éléments avec une augmentation de la taille des particules.

L’enlèvement des cendres peut se faire par voie sèche ou par voie humide. De ce fait, en plus d’une teneur en eau plus élevée dans le cas de l’extraction humide, l’hydratation peut conduire à la lixiviation de certains éléments solubles et à une modification minéralogique des cendres.

La cendre de bagasse quant à elle, est produite pendant la période de récolte de la canne à sucre et provient donc directement de l’incinération de cette matière végétale. Une idée de sa composition chimique a aussi été présentée dans le Tableau 2.5. Sa texture est semblable à un terreau aéré de couleur gris brun. La valorisation de la cendre de bagasse dans l’agriculture mauricienne peut représenter un atout économique et agronomique non-négligeable. En effet étant un produit minéral (et non pas organique), les cendres de bagasse peuvent être utiles en tant qu’amendement calcique ou comme engrais phosphorique (Chabalier, 1999 et Pan et al., 1979). Outre ces avantages comme engrais phosphorique ou amendement calcique, les cendres conduisent à un ameublissement du sol et à une amélioration de sa rétention d’eau, (Caro Canne 2, 2003).