Master génie des matériaux et procédés

Procédé de fabrication du ciment

Processus de fabrication du ciment

Introduction

La fabrication du ciment est un processus très complexe dans lequel les matières premières subissent des transformations physico-chimiques successives jusqu’à l’obtention du produit fini. Ce procédé comprend deux phases essentielles :
• La première phase du procédé comprend la fabrication du clinker suite à la cuisson d’un mélange cru (ou farine). Cette farine est composée en grande proportion de calcaire, sable, de schiste et de minerai de fer. Le clinker constitue en quelque sorte le ciment dans son état pur.
• La deuxième phase est le broyage du clinker mélangé avec des matières de corrections (ajouts) constitués, dans le cas de l’unité de Ras El Ma, de gypse et calcaire. Suivant les qualités du ciment souhaité, le clinker est plus ou moins dilué.

Généralités sur le ciment

Définition

Poudre minérale, le ciment est un liant hydraulique utilisé dans différents domaines, principalement comme matériel de construction. Il est fabriqué à partir de la cuisson, le mélange et le broyage de différentes matières premières. Tout d’abord, il y a le mélange du calcaire et des additifs tels que le minerai de fer, le schiste, le sable et la fluorine. Ce mélange est broyé et porté à haute température (~1450°C) dans un four cylindrique. Les transformations physico-chimiques provoquent la création d’un produit appelé clinker. Suite à l’ajout de différents éléments additifs tels que le gypse et le calcaire, le ciment est obtenu.

Procédé de fabrication du ciment

Le processus de fabrication du ciment est un processus complexe et graduel par voie sèche, dans lequel la matière subit à partir de la carrière des transformations successives jusqu’au pro-duit fini.
La fabrication du ciment est un procédé qui exige un savoir-faire, une maîtrise des outils et des techniques de production, des contrôles rigoureux et continus de la qualité.
La production du ciment s’opère selon un processus en 8 étapes :

Extraction des matières premières

Les matières premières sont extraites des parois rocheuses d’une carrière à ciel ouvert par abattage à l’explosif. La roche est reprise par des dumpers vers un atelier de concassage.
Pour produire des ciments de qualités constantes, les matières premières doivent être très soigneusement échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition parfaitement régulière dans le temps. Même si elle peut varier d’une cimenterie à l’autre en fonction de la qualité du gisement exploité, la composition du cru reste dans des proportions bien défi-nies :
• Carbonate de calcium (CaCO3) : de 77 à 83 %
• Silice (SiO2) : de 13 à 14 %
• Alumine (Al2O3) : de 2 à 4 %
• Oxyde ferrique (Fe2O3) : de 1,5 à 3 %

Concassage

L’atelier de concassage est situé à 50 m de la carrière calcaire. Il comprend un concasseur à marteau à double rotor, qui convient pour le concassage de toutes matières friables ou semi– dures.
La marche du concasseur est entièrement automatisée. Lui conférant un fonctionnement optimum et très sécurisé.
Le concasseur de débit 1500 t/h peut concasser des blocs de dimensions maximales 1,3m. La granulométrie des produits à la sortie du concasseur est à 99% inférieure à 100mm. Le concassage se déroule par poste de 8h par jour du lundi au samedi.
Les matières premières extraites sous forme de blocs de grosses dimensions, sont concassées afin de faciliter leur manutention pour les étapes postérieures. Les concasseurs utilisés dans les usines de La farge Holcim (Maroc) sont à impact à battoirs ou marteaux.
Figure 4: Processus de concassage

Séchage et broyage

Pour favoriser les réactions chimiques ultérieures, les matières premières doivent être séchées et broyées très finement (quelques μm) dans des broyeurs à galets. Ces derniers, plus récents, sont plus économes en énergie et permettent un séchage plus efficace.
Ensuite 3 voies sont possibles : la voie humide, la voie sèche et semi-sèche. La première est plus ancienne et implique une grande consommation d’énergie pour évaporer l’eau excédentaire.
Aujourd’hui, La farge Holcim-Ras El Ma n’utilise que la voie sèche. Dans ce procédé, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées lors de l’opération du broyage afin d’obtenir la farine. Celle-ci est introduite directement dans le four sous forme pulvérulente.

Dépoussiérage

Le dépoussiérage de l’atelier de concassage, par un filtre à manches, permet la récupération des matières très fines pour les remettre dans le circuit.
Le transport de la farine du cru par des aéroglisseurs risque de générer des poussières. Le système de dépoussiérage consiste à éliminer les émissions des poussières par l’utilisation d’un filtre à manches ou d’électro filtre pour une meilleure protection de l’environnement.

 Homogénéisation

A la sortie du broyeur cru, le mélange des matières broyées, appelé farine crue est stocké dans un ou plusieurs silos de stockage et d’homogénéisation.
Dans ces silos, la farine crue est homogénéisée par soufflage d’air sur-pressé. Cette opération permet d’améliorer la régularité des caractéristiques de la farine crue afin d’obtenir ensuite un clinker de qualité régulière.
Figure 5: Procédé de préparation du cru

Cuisson

La cuisson se fait à une température voisine de 1450 °C dans un four rotatif, long, cylindrique, tournant à 5,2 tours/minute et incliné de 3 %.
La matière chemine lentement et se combine en venant à la rencontre de la source de chaleur, une longue flamme alimentée au charbon pulvérisé, au fuel lourd, au gaz, ou encore partielle-ment avec des combustibles de substitution (valorisation de résidus d’autres industries).
L’énergie calorifique consommée est considérable : 3 200 à 4 200 MJoule par tonne de clinker produit, qui équivaut à 766 à 1005 Mcalorie/t ck.
Pour améliorer le bilan thermique, on utilise en amont du four un échangeur thermique qui préchauffe le cru à environ 900 °C. Puisque LafargeHolcim utilise la voie sèche comme processus de fabrication, alors elle est dotée d’un échangeur à cyclone.
Entre l’échangeur et le four, est installé un brûleur supplémentaire assurant une « précalcination », c’est à dire une décarbonatation partielle qui favorise les réactions ultérieures de clinkérisation et améliore la fiabilité de l’atelier de cuisson.
A la sortie du four, un refroidisseur à grille permet d’assurer la trempe des nodules incandescents et de les ramener à une température d’environ 100 °C.
Tout au long de la cuisson, un ensemble de réactions physico-chimiques conduit à l’obtention du clinker, notamment :
– La décarbonatation du carbonate de calcium (calcaire) donne de la chaux vive,
– Le sable et le schiste se scindent en ces constituants en silice et en alumine qui se combinent à la chaux pour former des silicates et aluminates de chaux. Ce phénomène progressif constitue la clinkérisation.
Figure 6: Procédé de cuisson de la farine

Du clinker aux ciments

Pour obtenir un ciment aux propriétés hydrauliques actives, le clinker doit être à son tour broyé très finement.
Ce broyage s’effectue dans des broyeurs à boulets. Les corps broyeurs sont constitués de boulets d’acier qui, par choc, font éclater les grains de clinker et amènent progressivement le ciment à l’état de fine farine, ne comportant que très peu de grains de taille supérieure à 90 μm. A la sortie du broyeur, un cyclone sépare les éléments suffisamment fins des autres qui sont renvoyés à l’entrée du broyeur.
C’est également lors du broyage que l’on ajoute au clinker le gypse (3 à 5 %) indispensable à la régulation de prise du ciment. On obtient alors le ciment « Portland ».
Les ciments « à ajouts » sont obtenus par l’addition au clinker, lors de son broyage, d’éléments minéraux supplémentaires contenus par exemple les cendres de centrales thermiques, les fillers calcaires, les pouzzolanes naturelles ou artificielles.
Différentes catégories de ciments sont ainsi obtenues permettant la réalisation d’ouvrages allant du plus courant au plus exigeant.
Figure 7:Procédé du broyage du clinker

Expéditions

Acheminés vers les silos de stockage par transport pneumatique ou mécanique, les ciments quittent l’usine en sacs ou en vrac. Les sacs contiennent 50 kg de ciment. Les sacs sont ache-minés vers des palettiseurs qui constituent des palettes de 1500 kg transportées par camion.
Le ciment livré en vrac constitue 70 % de la production, il est transporté par camion-citerne.

Salle de contrôle

Les cimenteries modernes sont aujourd’hui fortement automatisées.
Les ordinateurs analysent en permanence les données transmises par les capteurs disposés en différents points de l’unité de production. De la salle de contrôle, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, les techniciens supervisent l’ensemble des phases de production (de la carrière jusqu’à l’ensachage)

Contrôle de qualité

De la qualité du ciment dépendent la résistance et la pérennité des ouvrages.
Le ciment répond à des normes françaises et européennes très sévères sur lesquelles les cimenteries s’engagent. C’est pourquoi LafargeHolcim a depuis longtemps mis en place des procédures de contrôle rigoureuses qui lui permettent de garantir un produit de qualité.
Figure 9: Schéma des différentes étapes de fabrication du ciment

Présentation de la ligne de cuisson

La cuisson recouvre toutes les étapes de transformation chimique de la farine crue, jusqu’à la formation du clinker.
A la cuisson, les composants du mélange cru se décomposent et se recombinent entre eux pour former de nouvelles liaisons minérales : ce sont les minéraux du clinker. L’écriture chimique de ces liaisons est simplifiée en utilisant le lettres C pour CaO (chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine) et F pour Fe2O3 (oxyde de fer).
L’atelier de cuisson est constitué de quatre éléments principaux :

Tour de préchauffage

La tour est constituée de deux tours dont chacune est munis de 5 cyclones disposés verticale-ment sur plusieurs étages. D’étage en étage, la farine est partiellement décarbonatée jusqu’à l’étage inférieur. Dans la tour, les gaz chauds sortant du four préparent la matière thermique-ment et chimiquement afin de diminuer l’humidité de cette dernière.Elle est aussi munie d’un point de combustion, le précalcinateur, permettant de générer des gaz chauds directement dans le bas et diminuant par la même occasion la charge thermique du four.Grâce à ce procédé, la farine arrive à 93 % décarbonatée à l’entrée du four à une température avoisinante 900 °C, ainsi la longueur du four peut être réduite.

Four rotatif

C’est un four rotatif cylindrique d’une longueur de 62 m, Il est incliné par rapport à l’horizontal de 3% permettant l’écoulement de la farine et tournant de 5,2 tours/min.A la sortie de la tour de préchauffage, la farine arrive dans le four où s’effectue l’étape la plus importante de sa transformation : la clinkérisation qui commence à une température de 1200 °C jusqu’à 1450 °C, l’alimentation en farine est située à l’extrémité opposée du brûleur.En théorie, cette réaction s’arrête lorsqu’il n’y a plus de chaux disponible. Mais en réalité il reste toujours de la chaux non combinée (chaux libre).La matière sortante du four est le clinker, elle se présente sous forme des grains frits foncés, arrondis à surface irrégulière et dont le diamètre peut aller jusqu’à 3cm.
Caractéristiques du four
– La longueur du four : L1= 62 m
– Vitesse de rotation : 5,2 tours/minute
– Inclinaison : 3 %
– Le rayon intérieur du four : r1= 1.7 m
– Le rayon extérieur du four : r2= 1.94 m
– Epaisseur d’acier : e2 = 40 mm
– Epaisseur du brique : e1 = 200 mm
Le four est revêtu de l’intérieur par des briques réfractaires. Ces derniers assurent une résistance au four aux températures élevées qu’il subit.
Les briques sont obtenues essentiellement par utilisation de silice SiO2 et d’alumine Al2O3 en plus ou moins grandes quantités selon l’effet recherché. On distingue :
• Produits à base de silice (teneur en silice supérieur à 91 %, en alumine, inférieur à 3%) ;
• Produits siliceux (teneur en silice entre 85 à 91 %, en alumine, supérieur à 5 %) ;
• Produits à base d’argile (silico-alumineux) (teneur en alumine entre 15 et 40 %) ;
• Produits spéciaux à base de bauxite, magnésie et dolomie, corindon, graphite, carbure de silicium, etc. ;
• Produits naturels utilisables sans cuisson préalable.

Tuyère

La tuyère est un tube cylindrique conçue pour la production d’une flamme indispensable pour la formation du clinker. Une bonne optimisation de cette flamme assure une bonne combustion au sein du four. Il faut manipuler les paramètres de la tuyère de façon à ce que la flamme ne soit ni trop longue ni trop large.La tuyère au sein de LafargeHolcim est de type Multi-channels à flamme rotationnelle. Elle est d’une longueur de 10,37 m, d’une épaisseur de 100 mm et d’un poids de 8000 Kg. Caractéristiques de la tuyère
• Puissance calorifique à la tuyère : 57 MW
• Longueur partie avant : 5,5 m
• Longueur totale approximative à 11m
• Poids unitaire approximatif avec béton réfractaire : 8000 Kg
• Revêtement réfractaire, épaisseur conseillée : 80mm
• Débit d’air de combustion : 60500 Nm3/h
• Débit d’air primaire : 7200 Nm3/h
• Débit maximum charbon : 9000 kg/h
• Débit d’air de transport : 2000 Nm3/h
• Débit diesel : 1000 Kg/h
La Rotaflam permet une grande flexibilité avec ses deux circuits d’air primaire indépendants, dont les sections de passage aux embouts sont ajustables en fonctionnement.
Le circuit d’air primaire axial propulse de l’air à grande vitesse sans aucune divergence alors que celui d’air primaire radial propulse de l’air à grande vitesse avec rotation.
Le réglage de la répartition des débits d’air entre les deux circuits induit une modification de la forme de la flamme permettant l’optimisation des conditions de fonctionnement du four. Le principe de fonctionnement de ces deux circuits est :
▪ Forte impulsion axiale : Qui permet de faire pénétrer et mélanger progressivement l’air secondaire dans la flamme et de contrôler le diamètre de la flamme.
▪ Air radial : Permet la mise en rotation de la flamme améliorant ainsi le mélange du combustible et de l’air primaire. Il modifie la forme de la flamme en jouant principale-ment sur le diamètre de la flamme.Types de combustibles qui peuvent passer par la tuyère :Le brûleur peut fonctionner avec les combustibles suivants :
– Combustibles solides pulvérisés, comme le charbon, le petcoke ;
– Gaz naturel ;
– Produits pétroliers liquide (fioul, gasoil …) ;
– Combustibles alternatifs liquides ou solides ;
– Mélange de combustibles dans toutes les proportions

Refroidisseur

Le clinker produit est trempé par refroidisseur à grille qui abaisse la température de 1450 °C à 100 °C par soufflage d’air frais.La procédure de refroidissement après cuisson joue un rôle très important sur la forme et la réactivité des constituants du clinker, elle évite la décomposition de C3S en C2S, la précipitation de gros cristaux et le changement de la forme cristalline de C2S qui provoque la modification des propriétés hydrauliques du ciment ce qui facilitera son broyage et son stockage. Le refroidisseur accomplie une autre fonction très importante qui consiste à récupérer l’énergie thermique à partir du clinker chaud et l’utiliser afin de préchauffer la matière crue.Le clinker sortant du refroidisseur est transporté par un élévateur vers un silo de stockage d’une capacité de 40 000 tonnes.

Processus de cuisson

Dans une voie sèche, le four est relativement court (de l’ordre de 60 mètres). La farine est introduite dans les cyclones en haut de la tour, elle se réchauffe au contact des gaz de combustion.Au fur et à mesure de son cheminement dans les cyclones, en descendant dans la tour, la farine rencontre des gaz de plus en plus chauds et sa température est de l’ordre de 900°C en pied de tour.L’effet cyclonique permet un bon échange thermique entre les gaz et la farine, tout en évitant un entrainement de la farine hors de la tour.

1ère étape : La décarbonatation
Elle s’effectue en bas de la tour, exactement dans le précalcinateur. Le calcaire CaCO3 est décomposé en oxyde de calcium (CaO) + le gaz carbonique (CO2). Ce dernier est évacué par la cheminée.CaCO3 CaO CO2 À une température comprise entre 900 et 1000°C (Réaction fortement exothermique).Pour 1 tonne de CaCO3, on évacue à la cheminée 440 kg de CO2, du simple fait de la décarbonatation.

2ème étape : Phase de transition
Combinaison de CaO avec :
▪ SiO2, pour former du C2S (silicate bicalcique)
2CaO SiO2 Ca2 SiO4 (C2S ou bélite) à 1220 °C
▪ Al2O3, pour former C3A, une solution solide d’aluminate tricalcique
3CaO Al2 O3 Ca3 Al2 O6 (célite) à 1300 °C
▪ Fe2O3 et Al2O3 pour former C4AF (Aluminoferrite tricalcique)
4CaO Fe2O3 Al2O3 Ca4 Al2 Fe2O10 (C4AF) à 1300 °C
Les réactions ont eu lieu à l’état solide.
La réaction de formation du C2S est endothermique.

3ème étape : Phase de cuisson
La température du cru monte progressivement jusqu’à 1450 °C. Une partie du cru fond pour donner naissance à la phase liquide (constituée de phase aluminate et ferrite), cette étape de-mande beaucoup d’énergie et elle est endothermique.
En parallèle, il y la formation de C3S (silicate tricalcique) : à partir de 1300°C, le C2S se trans-forme en C3S en réagissant avec une partie de CaO non combinée. La réaction est exothermique.
C2 S SiO2 Ca3 SiO5 (C3S ou alite) à 1400 °C

4ème étape : Trempe
Le cru est refroidi brusquement de 1450 °C environ à 100 °C en quelques minutes. On obtient le clinker.La trempe a pour but de figer les espèces minérales qui seraient instables à la température ambiantes (le C3S se décomposerait en C2S + CaO).
Les aluminates, phase liquide dans le four (phase interstitielle), vont être « figés » en entourant les phases cristallines du clinker.Le bilan énergétique théorique (en comptabilisant les réactions endothermiques et exothermiques) permet d’estimer la chaleur de formation du clinker à 422 Kcal/Kg. En réalité les besoins énergétiques sont de l’ordre de 814 Kcal/Kg dans le cas d’une voie sèche.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Présentation de l’organisme d’accueil
I.Présentation de LafargeHolcim MAROC
I.1. Historique de LafargeHolcim Maroc
I.2. Localisation
I.3. Cadre juridique
I.4. Présentation de LafargeHolcim Ras El MA
I.5. Situation géographique et accessibilité
I.6. Activité
I.7. Organigramme
Chapitre II : Processus de fabrication du ciment
Introduction
I. Généralités sur le ciment
I.1. Définition
I.2. Procédé de fabrication du ciment
I.3. Extraction des matières premières
I.4. Concassage
I.5. Séchage et broyage
I.6. Dépoussiérage
I.7. Homogénéisation
I.8. Cuisson
I.9. Du clinker aux ciments
I.10. Expéditions
I.11. Salle de contrôle
I.12. Contrôle de qualité
II.Présentation de la ligne de cuisson
II.1. Tour de préchauffage
II.2. Four rotatif
II.3. Tuyère
II.4. Refroidisseur
1. Processus de cuisson
Chapitre III : Etude de l’installation actuelle de dosage
I. Combustibles
I.1. Petcoke
I.2. Présentation des AFR
• I.2.1. Types d’AFR
I.2.1.1. Pneus usagés
I.2.1.2. Grignons d’olives
I.2.1.3. Fluffs
I.2.2 Effet des AFR sur la qualité du clinker
I.2.4. Effet de la composition chimique des AFR sur le procédé
I.3. Broyeur combustible
II. Etude de l’installation actuelle
II.1. Extracteur
II.2. Doseur à bande
II.3. Trémie SINEX
II.4. Bande transporteuse
II.5. Double clapet et shut off gate
II.6. Précalcinateur
III. Problématique
III.1. Etat des lieux (petcoke seul), établissement des scénarios et comparaison avec l’approche
actuelle
III.2. Utilisation FMO
III.3. Comparaison de la consommation spécifique d’énergie thermique (STEC) des 4 scénarios
III.4. Comparaison de l’impact des 3 scénarios sur la consommation calorifique
III.5. Evaluation financière des configurations proposées : estimation du coût en MAD/GJ et MAD/t ck
III.6. Comparaison des émission en gaz
IV. Paramètres à améliorer
IV.1. Modules du cru
IV.2. Finesse du cru
IV.3. Phase liquide
IV.4. Fluorine
IV.5. Airs faux
IV.6. Précalcinateur
IV.7. Refroidisseur
IV.8. Amélioration du circuit des AFR
CONCLUSION GÉNÉRALE

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