Etudes scientifiques et techniques de production de la chaux 

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ETUDE CINETIQUE DE LA DECOMPOSITION DE LA PIERRE A CHAUX

Essais cinétiques 

But

L’étude cinétique de la décomposition de la pierre à chaux est une étude de cas réel qui consiste à effectuer des essais expérimentaux, et de développer un modèle mathématique de la cinétique intrinsèque de la réaction de décomposition de la pierre à chaux qui est susceptible d’être utilisé pour une conduite optimisée du four à chaux ; et à déterminer les paramètres intrinsèques de cette réaction.

Montage expérimental

L’étude expérimentale de la cinétique de décomposition de la pierre à chaux a été réalisée à l’aide de l’ensemble thermogravimétrique Setaram TGA 92
1 : bouteille de gaz carbonique ;
2 : manomètre indiquant la pression d’entrée du gaz carbonique ;
3 : microbalance ;
4 : creuset ;
5 : four ;
6 : manomètre indiquant la pression d’entrée d’air ;
7 : bouteille d’air ;
8 : contrôleur CS 92 ;
9 : imprimante ;
10 : micro-ordinateur PC
Cet appareillage se compose de la thermobalance proprement dite, du contrôleur CS 92, d’un micro-ordinateur et d’une imprimante.
La thermobalance se compose d’une microbalance électronique, d’un four à résistance en graphite et d’un circuit gazeux pour l’utilisation de gaz inerte et de gaz réactif.

La température du four peut varier de la température ambiante jusqu’à 1750 °C. Le contrôleur CS 92 a pour fonction de gérer la programmation et la régulation de la température du four, les circuits de gaz et de vide, l’imprimante, l’acquisition et la numérisation des différents signaux (T, TG, ATD) et le calcul de la dérivée DTG, du signal thermogravimétrique.

Mode opératoire

L’étude expérimentale de la cinétique de décomposition de la pierre à chaux a été réalisée à l’aide de la technique d’analyse thermogravimétrique (ATG) isotherme.
Les expériences ont été menées à température et pression constantes, en présence d’un courant gazeux d’air et de gaz carbonique.

Chaque essai expérimental est programmé sur un tableau de séquences permettant de fournir les paramètres nécessaires à la programmation du tarage de la balance, de la température du four, de la vitesse de chauffe et de l’ouverture–fermeture des électrovannes relatives aux circuits de gaz.
Pour mener à bien les essais expérimentaux, le mode opératoire composé des étapes suivantes a étéadopté :
 chauffage du four à la vitesse de chauffe 10 °C min–1, de sa température initiale à la température prévue pour le déroulement de l’essai expérimental ;
 ouverture des électrovannes correspondant à l’air et au gaz carbonique la pression partielle de CO2 = PCO2 dans ce courant gazeux est maintenue supérieure à celle d’équilibre PeCO2 pour éviter la décomposition d’échantillons à une température autre que celle désignée pour la réalisation de l’essai expérimental;
 changement de la pression partielle de CO2 = PCO2 dans le courant gazeux PCO2 < PeCO2 et tarage de la balance, le débit gazeux étant maintenu constant ;
 refroidissement du four de la température de réaction à la température ambiante et fermeture des électrovannes d’air et de gaz carbonique.

Présentation des essais cinétiques 

Des essais préliminaires ont permis de choisir les conditions opératoires susceptibles de réduire les effets de transfert.
Ainsi, un débit gazeux de 2 litre. h–1 et des échantillons de masse 5mg et de granulométrie comprise entre 50 et 125 µm ont étéadoptés.
Deux séries d’essais ont été réalisées pour étudier la cinétique de décomposition de la pierre à chaux.
 La première série examine l’influence de la température,
 tandis que la deuxième traite l’effet de la pression partielle de gaz carbonique.
Dans la première série, les essais ont été réalisés aux températures suivantes :
820, 850, 860, 890 et 900 °C, dans un courant d’air et de gaz carbonique de pression partielle en CO2 égale à 16,71 kPa.

Dégagement et transfert de chaleur

Le dégagement et le transfert de chaleur sont étroitement liés, car le transfert de chaleur au cru commence pendant la réaction de combustion et le niveau de température dans l’installation de cuisson est déterminé.
Le dégagement et le transfert de chaleur sont importants pour :
Le régime de température t m et par conséquent par la qualité du produit de la cuisson ;
Les caractéristiques techniques et économiques des installations de cuisson telles que :
Le débit (en fonction de l’intensité du transfert de chaleur),
La consommation spécifique de chaleur (qui dépend entre autres des pertes dues aux imbrûlés, à la chaleur du gaz de sortie et aux pertes par les parois),

La consommation spécifique du revêtement (qui est en fonction du domaine de température et aussi de la stabilité des collages dans la zone de cuisson) ,
La conduite du processus de cuisson qui est fonction de la quantité de combustibles, du rapport combustible/air et des paramètres de préparation du combustible.
Pour que la consommation spécifique de combustible soit la plus faible possible, la conduite des processus de dégagement et le transfert de chaleur doivent être étroitement adaptés aux exigences du processus.

Dégagement de chaleur

Le dégagement de chaleur et la combustion sont des synonymes désignant le même processus : l’un est utilisé du point de vue énergétique, l’autre du point de vue de la matière.
Les deux possibilités fondamentales de réalisation technique de processus de combustion sont le chauffage par couche et le chauffage par brûleur.
• Principe de la combustion
Le chauffage par brûleur est utilisé dans des fours rotatifs, tandis que celui par couche est utilisé dans des fours verticaux. Le chauffage par couche ne s’emploie que pour les combustibles solides.

Deux aspects de la combustion doivent être distingués : 1-L’aspect statique : c’est l’étude des matières de départ (combustible, air) et de leurs résultats (gaz de fumée, quantité de chaleur) dont l’objet est la détermination des quantités d’air et de gaz de fumée, leur composition et la température théorique de combustion.

L’aspect dynamique :

C’est l’étude du système en fonction de la durée du processus. Pour des températures proches du point d’ignition, la durée du processus est déterminée par le transfert de chaleur et la réaction, tandis que pour des températures supérieures à la température d’ignition, le transfert de matière acquiert une importance croissante, de sorte que pour des processus à température élevée, la durée de cuisson est presque exclusivement déterminée par l’intensité du mélange.

Transfert de chaleur

Dans le chauffage direct et indirect des installations de cuisson, le transfert de chaleur de la flamme ou des gaz de combustion à la matière détermine de façon décisive le résultat de l’opération .Il fixe pour une série d’installation les limites de débit.
Le transfert de chaleur de la flamme ou des gaz de combustion àla matière peut se faire selon les trois processus suivants :
Le transfert de chaleur par convection : il dépend essentiellement des caractéristiques d’écoulement du fluide (vitesse, degré de turbulence), de la différence réelle des températures et de la surface de transfert.
Il apparaît principalement dans l’écoulement de la couche de matières dans les fours verticaux, les refroidissements et les préchauffages à grille, dans la couche fluidisée ainsi que dans le nuage de poussières en suspension ;
Le transfert de chaleur par rayonnement : il est particulièrement actif quand la température des gaz dépasse 1 100°C notamment dans la zone de calcination des fours rotatifs, ainsi que dans la zone de cuisson des fours verticaux. Ce qui l’influence, c’est le niveau de température, la géométrie de l’espace de cuisson et les émissions.

Le transfert de chaleur au cru s’effectue par : Rayonnement des gaz (CO2, H2O, SO2),
Rayonnement des matières solides (cendres, poussières) àpartir du fluide. Rayonnement de la paroi (transfert indirect de chaleur)
La Conduction de chaleur : elle joue un rôle uniquement dans le transfert de chaleur qui s’effectue entre la paroi et la matière, et à l’intérieur d’un grain de matière (dp>1mm) et dans le passage de la chaleur àtravers la paroi du four.

Durée de désoxydation

D’après EIGEN le calcul de la durée de décomposition par la quantité d e chaleur transmise à la surface des particules à la désoxydation est donné par la relation suivante : h . CaCO 3 . / 6.d.dp(T  T ).dp2 .dT avec dp 0 T env M hT .CaCO 3.1/ 6.d.dp(Tenv TM )..dT.

CARACTERISTIQUE ET PROPRIETE DE LA CHAUX

Caractérisation 

La matière première pour la production de chaux vive est le calcaire qui se décompose principalement en carbonate de calcium CaCO 3 (56,03%CaO ; 43,97%CO 2 ). Les caractéristiques et propriétés chimiques de la chaux sont les suivants :
La chaux est un matériau alcalin qui réagit avec les acides pour former des sels de calcium ;
Elle absorbe les gaz acides, comme le dioxyde de soufre et le gaz carbonique ; Elle réagit sous certaines conditions avec la silice ou les silicates naturels. Ainsi, la réaction avec la silice sous pression permet de fabriquer des briques de silicate de calcium ; la réaction avec les matériaux argileux est utilisée pour la stabilisation des sols ;
La chaux réagit chimiquement sous haute température avec les impuretés des métaux et sert au raffinage de ces métaux ;
Grâce à la finesse et à la forme des particules de la chaux hydratée, la pâte de chaux est plastique et constitue avec du sable des mortiers et enduits très plastiques dont la solidité augmente avec le temps par récarbonatation;
Grâce à son alcalinité et à ses réactions avec les sols, la chaux permet de corriger l’acidité des sols et constitue un fertilisant important ;
La chaux permet de précipiter en carbonate de calcium dissous dans l’eau calcaire.

UTILISATION DE LA CHAUX

Utilisation de la chaux vive

La chaux vive est un produit naturellement hydrophile et c’est cette propriété qui la rend si utile. Elle a longtemps servi à détruire les corps organiques riches en eau, pour lesquels elle est particulièrement corrosive. Les cadavres animaux sont encore souvent recouverts de chaux vive avant d’être enterrés.

La chaux vive agricole

L’utilisation de la chaux est très répandue dans l’agriculture. La chaux agricole remplit plusieurs fonctions:
Comme il s’agit d’un produit caustique elle permet de réguler le pH des terres trop acides ;
Dans les terres argileuses, elle réagit avec l’argile (« floculation ») et permet aux plantes d’avoir un accès plus simple aux engrais et nutriments, permettant une meilleure croissance des plantes ;
Elle peut servir de désherbant, notamment contre la mousse qui prolifère sur les terrains acides.

Utilisation dans l’industrie, dans le traitement des eaux, dans le traitement des fumées

La chaux aérienne est largement utilisée dans l’industrie, le plus souvent sous forme de chaux vive, on utilise sa capacité d’agglomération de certains matériaux on parle de « floculation ».
En sidérurgie, l’ajout de chaux dans le métal en fusion permet l’extraction de certaines impuretés.
Dans le traitement des eaux usées, on stabilise les boues. Dans les incinérateurs elle est utilisée pour neutraliser les fumées acides chargées en soufre et/ou en chlore.
Produit de base de l’industrie chimique, la chaux provoque la désulfuration des fumées, par absorption des gaz acides, comme le dioxyde de soufre, le gaz carbonique…
Elle a été largement utilisée dans le processus de traitement des eaux, pour la neutralisation des eaux acides provenant de forêts et de tourbières.
L’opération consistait à leur faire traverser un bassin contenant de la chaux.
Actuellement, celle-ci joue un rôle important et intervient à plusieurs niveaux :
pour corriger l’acidité des eaux ;
pour coaguler et floculer les matières en suspension ; pour précipiter certains éléments toxiques et nuisibles ; pour stériliser (destruction des germes pathogènes) ;
pour décarbonater les eaux, en précipitant le carbonate de calcium des eaux calcaires.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I. GENERALITES SUR LA PRODUCTION DE LA CHAUX
1.1 Historique de la chaux
1.2 Définition de la chaux
1.3 Etudes scientifiques et techniques de production de la chaux
1.3.1 Processus de production
1.3.2 Recherche de la matière première
1.3.3 Principes des procédés de cuisson
CHAPITRE II: ETUDE CINETIQUE DE LA DECOMPOSITION DE LA PIERRE A CHAUX
2.1Essais cinétiques
2.1.1But
2.1.2 Montage expérimental
2.1.3 Mode opératoire
2.2 Présentation des essais cinétiques
2.2.1Modélisation de la cinétique de décomposition de la pierre à chaux
2.3Dégagement et transfert de chaleur
2.3.1Dégagement de chaleur
2.3.2Transfert de chaleur
CHAPITRE III : PRINCIPE D’OBTENTION DE LA CHAUX
3.1 Réaction chimique
3.2 Cycle de la chaux
CHAPITRE IV : CARACTERISTIQUE ET PROPRIETE DE LA CHAUX
4.1 Caractérisation
4.2 Les caractéristiques physiques de la chaux
4.3 Classification de la chaux
4.3.1 Les chaux aériennes
4.3.2 Les chaux hydrauliques
CHAPITRE V: UTILISATION DE LA CHAUX
5.1Utilisation de la chaux vive
5.1.1 La chaux vive agricole
5.1.2 Utilisation dans l’industrie, dans le traitement des eaux, dans le traitement des fumées
5.1.3 Utilisation dans la sidérurgie et le traitement des métaux non ferreux
5.2. Utilisation de la chaux éteint
5.2.1 Utilisation dans l’agriculture
5.2.2 Utilisation comme absorbeur de dioxyde de carbone
5.2.3 Utilisation dans la décoration d’intérieur et d’extérieur
5.2.4 Utilisation dans les travaux publics
5.2.5 Stabilisation de la terre
CHAPITRE VI:FOUR CONTINU D’AMBATOSOKAY (AMBATONDRAZAKA)
6.1 Monographie de la commune d’Ambatondrazaka
6.1.1 Historique du site
6.1.2 Localisation du gisement
6.1.3 Climatologie
6.1.4 Activités de la population
6.1.5 Forme juridique :
6.2 Fabrication de la chaux à Ambatosokay(Ambatondrazaka)
6.2.1 Production de la chaux à Ambatosokay
6.3 Four à cuisson continue
6.3.1Transfert de chaleur dans le four continu
Surface latérale
6.3.2 Calcination
6.3.3 Quantité de matière première dans un four continu
6.4 Conduite de cuisson
6.4.1 Enfournement
6.4.2 Cuisson
6.4.3 Déchargement
6.5 Préparation du produit fini
6.5.1Extinction
6.5.2Carbonatation
6.5.3 Tamisage
6.5.4 Broyage
6.5.5 Ensachage
CHAPITRE VII: FOUR INTERMITTENT DE BELOBAKA
7.1 Monographie de la commune rurale de Belobaka
7.1.1 Historique du site
7.1.2 Localisation du gisement
7.1.3 Climatologie
7.1.4Activités de la population
7.1.5 Forme juridique
7.2 Production de la chaux à Belobaka
7.2.1Fabrication de la chaux à Belobaka
7.3 Four intermittent à Belobaka
7.3.1Transfert de chaleur dans un four intermittent
Surface latérale
7.3.2Quantité de matière première dans un four intermittent
7.3.3Conduite de cuisson de four intermittent
CHAPITRE VIII : ETUDE COMPARATIVE DE PRODUCTION DE LA CHAUX
8.1Tableau comparatif des fours à cuisson continu et intermittent
8.2 Notion sur la norme NF EN 459-1
La norme NF EN 459 révisée : chaux de construction
8.3.1. Caractéristique physique de la chaux
8.3.1.1 Chaux éteint
8.3.2 Caractéristique chimique de la chaux
8.3.3Interprétations des résultats
CHAPITRE IX : OPTIMISATION DE PRODUCTION DE CHAUX DE LA SOCIETE MALAGASY GYPSUM
9.1 Proposition d’amélioration
9.1.1Construction de nouveau four continu à Belobaka
9.2 Améliorations des infrastructures à Ambatosokay
9.3. Autres propositions d’amélioration dans le lieu de travail et mesures à prendre en cas de dispersion accidentelle
CHAPITRE X. ETUDE D’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
10.1 Déchets et résidus solides
10.2 Mesures de protection individuelle telles que les équipements de protection individuelle
10.2.1 Protection des yeux/du visage
10.2.2 Protection de la peau
10.2.3 Protection respiratoire
10.2.4 Risques thermiques
10.2.5 Précautions pour la protection de l’environnement
10.2.6 Principaux symptômes et effets aigus et différés
10.3 Développement Durable
CHAPITRE XI : ETUDE DU MARCHE
11.1Description du marché
11.2 L’analyse de l’offre et de la demande
11.2.1 La situation de l’offre
11.2.3 L’analyse de la demande
11.3Stratégies marketing
11.3.1 La politique de prix
11.3.2 La politique de distribution
CONCLUSION
ANNEXES
ESSAI AU LABORATOIRE
ANNEXE I : METHODE DE CARACTERISATION DE LA CHAUX
I. EAU DE GACHAGE
II. ESSAI DE PRISE
III. DETERMINATION DE L’HUMIDITE
ANNEXE 2 .ANALYSE CHIMIQUE
REFERENCES
BIBLIOGRAPHIE

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