Propriétés mécaniques et physiques de cendres volantes

J. Chim. Phys. (1999J96, 386-394
© EDP Sciences, Les Ults
Propriétés mécaniques et physiques
de cendres volantes
1
2
1
1
T. Fayet *, C. Pellissier , M. Hjiaj , N.-E. Abriak et C. Klein
2
2
' École des Mines de Douai, 941 rue C. Bourseul,
BP. 838,59508 Douai, France
EDF, Centre National d'Équipement Thermique, ImmeubleConcorde,
92057 Paris La Défense cedex 24. France
' Correspondance et tirés-à-part.
RÉSUMÉ
L'étude présentée concerne la caractérisation de cinq cendres volantes différentes,
issues de la combustion de charbon en centrale thermique, du point de vue : de la
granulométrie, de la masse volumique apparente et de la compressibilité, et enfin du
frottement interne ou contre paroi. Ces caractéristiques peuvent être notablement
diffkrentes suivant le type de charbon, de combustion,et le procédé de désulfuration
des fumkes. On constate que les forces intergranulaires Blectrostatiques conduisent,
lorsque les grains sont particulièrement fins, à une très.forte diminution de la densité
du matériau en vrac.
Mots-clés : cendres volantes, granulométrie, masse volumique, compressibilitk,
frottement.
ABSTRACT
This study concerns the characterization of five different fly ashes, resulting from
coal combustion in thermic power plants. Granulometry, apparent density,
compressibility, internal friction and friction against wall, have been quantified.
Those characteristics can noticeably b e modified in accordance with the coal type,
the combustion type, and the flue gas desulfuration process. It appears that
intergranular electrostatic forces lead, when the grains are very small, to an important
decrease of apparent density.
Keywords : fly ashes, granulometry, apparent density, compressibility, friction.
Proprietbs des cendres volantes
387
I PRESENTATION
Les Directives EuropCemes du 24111/88, ont ttabli un programme de rCduction
globale des Bmissions de polluants (SO,, NO, et poussibres) issus des installations de
combustion existantes (de 60 % en 1998 et'70% en 2003, par rapport aux Cmissions
de 1980). Quant aux installations nouvelles, elles doivent respecter les lirnites
suivantes (exprimtes sur gaz sec A 6% d ' 0 3 : oxydes de soufre 400 mg/Nm3, d'azote
650 mg/Nm3, poussibres 50 mg/Nm3.
La montCe en puissance du parc de centrales nuclMres et l'utilisation de
combustibles 3. plus basse teneur en soufre suffisaient B la France pour lagement
respecter le planning de rauction globale des Cmissions des centrales existantes.
Toutefois, la pollution doit aussi s'apprCcier au niveau local. EDF s'est engage
auprbs de I'Ctat franqais
Zt
rtduire les rejets de ses centrales en service en
cornmenpnt par les plus sollicitCes. Les 3 tranches 3. charbon de 600 MWe les plus
rkentes ont t t t Quiptes d'un systkrne de dCsulfuration aval (rendement de
d6sulfuration suptrieur A 92 %) et une tranche de 250 M W devrait
~
Etre Cquipte d'un
systbme de dtsulfuration primaire qui consiste A injecter du calcaire broyt ou de la
chaux hydratk dans le haut du foyer (rendement vist 50 %). Pour les kentrales du
futur, EDF dtveloppe activement la filibre des chaudibres A lit fluidis6 circulant
(LFC), pennettant, par combustion A 850" (au lieu de 1300 A 140O0pour les
chaudibres B charbon pulvtris6), avec ajout tventuel de calcaire dans le foyer, de
respecter les critbres de SO, et NOx actuels voire prCvisibles B moyen tenne. Aprbs la
mise en service de la chaudibre 250 MWe de Gardanne IV (EDF+CdF+ENDESA),
EDF Ctudie un avant-projet de centrale LFC de 650 Mwe.
Ces diffCrents proctdts conduisent 3. modifier la composition chimique ainsi
que les caractCristiques physiques et mtcaniques des cendres volantes. Ces dernikres
ont 6 3 ttudiks pour les cinq cendres suivantes :
T. Fayet et a/.
388
1. une cendre silico-alumineuse, produite par combustion de charbon pulvtrist
(lorrain) sans dtsulfuration (La Maxe, 250 MWe) ;
2. une cendre calcique, produite par combustion de lignite concass6 trks soufr6 (4 B 5
k de S) avec ajout de calcaire dans Ia chaudikre LFC de Gardanne IV ;
3. une cendre dite sulfo-calcique produite A partir du mEme lignite que la pr6c6dente
mais en foyer L charbon et calcaire pulvtrists et injection de chaux 6teinte dans le
haut du foyer (CCLP) ;
4. une cendre silico-alumineuse (comme la premikre), produite A partir de charbon
pulv6ris6 (amkricain), sans dtsulfuration (Loire-sur-Rhane sil.) ;
5. une cendre silico-calcique, produite Zi partir du mEme charbon que la pr6ckdente
mais avec dksulfuration primaire par injection de chaux tteinte dans le haut du
foyer (Loire-sur-RhBne cal.).
Les caract6ristiques de granulomktrie, de masse volumique (moyenne des grains
d'une part et apparente pour le mattriau en vrac d'autre part), de compressibilitk et
enfin de frottement (interne et contre parois b6ton ou acier) ont kt6 dktenninkes.
I1 GRANULOMETRIE ET FINESSE
L'analyse granulomttrique est fondamentale pour caractkriser chacune de ces
cendres : en effet Ia taille et la rkpartition des grains suivant leur dimension
interviennent de manikre essentielle en ce qui conceme d'une part I'arrangement
granulaire et en constquence la compacitk du matkriau en vrac, et d'autre part la
surface sptcifique, grandeur fondamentale vis B vis de4a rtactivitk chimique. Chaque
cendre a kt6 ttudite au granulomktre laser (CoulterB LS230). Un modkle d'analyse
permettant de prendre en compte la rtfraction a 6t6 employ6 pour ne pas sous-estirner
la proportion des particules les plus fines.
Une prksentation synthitique des r6sultats est donnQ dans le tableau no 1, 21
partir : des valeurs de diamktre dlo, dZ5, d50, ..., telles que l'on observe
PropriQBs des cendres volantes
389
respectivement 10,25,50,75 et 90 % de grains de taille infkrieure, des vrileurs du
diamttre maximal des grains pour chaque cendre et du rapport d,jOI dlo permettant
d'estimer l'6talement de la granulomttrie.
Ces valeurs montrent tout d'abord que les cendres silico-alumineuses contiennent
plus de grosses particules (dm , dm,)
que les calciques tout en prksentant une
proportion relativement proche de particules fines (dl0 it d50) ; leur granulom6trie est
donc plus ttalte (d60/ dlO). Ces remarques s'appliquent tgalement B la cendre
calcique de Loire / RhGne, qui montre ntanmoins des valeurs d75 et d50 nettement
plus faibles que toutes les autres, c'est it dire une finesse beaucoup plus grande :
50 % des particules ont une taille inf6rieure 26 pm.
Enfin une mesure globale de la finesse est obtenue par le calcul de la surface
sptcifique thtorique (SJ, obtenue en considtrant les grains parfaitement sph6riques
et lisses; Cette dernitre grandeur, variant de 7800 it 21600 cmzlg, se r6vtle tr6s
sensible 2 la proportion des grains les plus fins : on constate que le classement des
cendres, de la plus fine it la plus grossikre, correspond quasiment 2 celui tir6 des
valeurs d10 (de 0,3822,2 pm).
La finesse a par ailleurs t t t quantifibe 2 partir de l'essai Blaine, fond6 sur une
mesure de pemtabilit6 it l'air, dont on d6duit une valeur de surface sptcifique, dite
surface Blaine (Sb)Les valeurs correspondantes sont plus faibles (de 2800 B 9300
cmzlg), et apparaissent nettement corr6ltes aux d75 (de 19,6it62,8 pm), donc 2 une
proportion significative de la globalitt des grains. La cendre calcique de Loire-surRhGne se distingue trks nettement, ce qui correspond au choix d'une chaux trks fine
(HX80 de surface BET 15.7 m21g) cornme agent d6sulfurant. La dksulfuration
primaire. par injection de calcaire broyt aurait donne des caracttristiques plus
proches de celles des autres cendres.
T. Fayet et al.
390
Tableau I : synthèse de l'analyse granulométrique
La Maxe
Gardanne IV
CCLP
0.651
2.177
1.530
0.675
0.382
d 5 [|im]
3.842
5.127.
4.575
4.522
3.300
d50 O m ]
15.68
13.84
14.57
20.48
6.112
d
[|im]
62.79
30.75
34.26
57.23
19.59
dço [p-m]
141.2
48.77
56.73
103.3
52.23
dmax [Mm]
309.6
146.8
121.8
234.1
176.8
^60 / 1 0
44
8
14
47
20
S, [cnfl/g]
16412
7806
9604
17177
21590
S [ c m 2 lg]
b
2840
4990
4040
3660
9310
m
MASSES VOLUMIQUES
.
dio [nm]
2
7 5
d
L. / R. sili. L. / R. cale.
La masse volumique des grains est essentiellement fixée par leur composition
minéralogique. Les constituants principaux étant la silice et l'alumine, la masse
3
volumique moyenne est proche de 2,6 g/cm (tableau no 2).
Tableau II : nasses volumiques moyennes des grains
3
Pg [g / c m ]
La Maxe
Gardanne IV
CCLP
L. I R. sili.
L. I R. cale.
2.29
2.92
2.89
2.14
2.28
L'état de compacité d'une cendre volante en vrac est très variable suivant la
manière dont est constitué le tas. Les valeurs obtenues dans le cas du foisonnement
maximal sont données dans le tableau no 3.
PropriQBs des cendres volantes
391
Ces valeurs ne sont pas du tout correltes aux masses volumiques des grains :
l'arrangement granulaire en est largement independant. De plus les indices des vides
mesures sont .trks Clev6s, comparativement B ceux observes pour les matkriaux
panulaires de'plus forte taille (sables) pour lesquels cette grandeur est toujours
inftrieure g 1,5 [I] : seule la cendre de La Maxe, pour laquelle em = 1,14 , peut s'y
apparenter ; i~ l'autre extreme, la cendre calcique de Loire-sur-RhBne, avec une valeur
em,, = 4,34 , ne se comporte assurement plus de la meme m'ani8re. En particulier, la
corr6lation entre compacitd et Ctalement granulaire ne se retrouve que pour les quatre
premieres cendres et tombe en dtfaut pour la dernikre, d'indice des vides de deux ii
quatre fois plus grand mais d'etalement pourtant intermdiaire.
Une telle diffbrence s'explique par un changement de nature des forces
intergranulaires mises en jeu : pour un matkriau constitue de grains relativement
gros, seules les actions de contact respectant la loi du frottement solide coulombien
( T 5 N.tan c p ) sont susceptibles d'tquilibrer le poids des particules ; par contre
lorsque leur taille, et donc leur poids, diminue, alors des forces Blectrostatiques
peuvent .atteindre
une intensit6 suffisante pour stabiliser un arrangement granulaire
.
particulikrement lgche. Les cendres Ctudites ici permettent d'envisager une transition
entre ces deux modes &interactions pour une valeur d75 de I'ordre de 60 h 80 pm
(limite des particules dites fines en mCcanique des sols).
Tableau 111: 6tat de foisonnement maximal
[ La Maxe / Gardanne IV
I
CCLP
1 L. I R. sili. I L. I R. calc.
T. Fayet et a/.
392
IV COMPRESSIBILITES STATIQUE ET DYNAMIQUE
La connaissance de 1'6tat de foisonnement maximal n'est Cvidemment pas
suffisante pour optimiser les installations de transport et de stockage. I1 est donc
ntcessaire d'etudier les variations possibles de masse volumique apparente, d'une
part sous l'effet d'un compactage statique et d'autre part sous I'action d'une vibration.
Le comportement sous chargement statique a BtC ttudie B partir de l'essai
oedomttrique. Ces essais mettent en evidence une relation de comportement non
linCaire [1,2] de la forme :
. pa = pao+C';log(o,
1 oV0
),
o t ~ o, dtsigne
la
contrainte axiale (verticale), o,,,ttant fixte conventionnellement h 1 kPa. Le tableau
no 4 recapitule les valeurs pao et C',, coefficient de compressibilitk statique.
I1 apparait que les cendres silico-alurnineuses de La Maxe et Loire-sur-Rh6ne,
d'indices des vides plus faibles, sont nettement moins compressibles que les autres.
Tableau N : compressibilit6 statique
L. I R. sili. L. 1 R. calc.
La Maxe
Gardanne IV
CCLP
pa, [g lcm3 I
1.037
0.755
0.882
0.766
0.394
C', [mg/cm3]
90
125
130
95
150
La sensibilitt au compactage dynamique a BtE estimBe en remplissant un moule
Proctor (diarnktre 4 inches, volume 0,947 litre) maintenu sur une table vibrante (50
Hz). La masse volumique aprks: vibration pa,viba ete ainsi mesuree, et la valeur
.
o,,,~, correspondant h l'intensit6 de la contrainte statique 2 appliquer pour obtenir
un mCme ttat de densite, en a kt6 dCduite (tableau no 5).
On constate une importante difference de comportement entre les deux cendres
silico-alumineuses et les trois cendres calciques : I'effet de la vibration, pour les
premitres, correspond 5 des contraintes statiques de 14 h 19 bar, au lieu de 2 5 6 pour
PropriWs d e s cendres volantes
393
les deuxismes. Ces valeurs ne sont gtntralement jarnais atteintes en phase de
stockage ou de transport et la vibration peut Stre envisagte comme le moyen le plus
efficace pour ininimiser les volumes occup6s.
Tableau V : compressibi1itC dynarnique
PaVvib[g /cm3 I
CJV,vib
[ma]
La Maxe
Gardanne IV
CCLP
L. 1 R. sili. L. 1 R. calc.
1.325
1.082
1.244
1.072
0.596
1445
429
632
1866
22.4
V CARACTERISTIQUES DE FROTTEMENT
Au niveau macroscopique le comportement de ces cendres vis B vis du
cisaillement respecte, comrne tout matCriau granulaire, la loi ,de Mohr-Coulomb :
o=o.tan(cp), oc cp dtsigne I'angle de frottement interne. Les mesures ont 6tC
realistes B la boite de Casagrande (cisaillement rectiligne). On constate (tableau
no 6) queles valeurs obtenues sont assez proches (de 26 B 30").
Tableau VI : angle de frottement interne
La Maxe
Gardanne IV
CCLP
cP ["I
27
30
30
27
26
6, ["I
18
28
27
20
26
L. I R. sili. L. I R. calc.
Le glissement de chaque cendre contre deux types de parois a Cgalement Ctt
ttudit. Les essais contre une paroi de type btton ont conduit 5 des valeurs d'angle de
frottement toujours ldgkrement suptrieures au frottement interne (de 1 B 3").
Par contre les valeurs mesurCes pour le frottement contre acier (6,) sont nettement
inf6rieures-au frottement interne pour les cendres silico-alumineuses (de 7 B 9O), et
ltghement plus faibles pour les calciques (de 0 B 3").
T. Fayet eta/.
394
VII CONCLUSIONS
Les caractkristiques des cendres volantes calciques sont souvent diffkrentes de
celles des silico-alumineuses. Ceci est B attribuer ii la prdsence des rdsidus du
calcaire ajoutk au combustible ou de la chaux injectde au foyer.
Les valeurs des carattristiques mkaniques de compressibilitt et de frottement
prksenteks dans cette Ctude permettent de determiner 1'6tat de containte dans un silo
[2,3]. Par ailleurs l'dtude comparCe de la granulometrie et de la compacitt montre que
l'arrangement granulaire dun matdriau pulvtrulent est qualitativement et
quantitativement modifid par la proportion des grains les plus fins, B Ctalement
,pnulomdtrique
identique : quand cette proportion est importante, les forces
Clectrostatiques deviennent prtpondbrantes devant le poids propre ;de chaque
particule, ce qui peut conduire B une densit6 apparente tres faible du matiriau en
vrac, sans grand rapport avec la maske volurnique des grains. La vibration devient
alors un moyen efficace de compactage.
1 Biarez J. et Hicher P.-Y. (1995) Elementary mechanics of soil behaviour.
Balkema, Rotterdam.
2 Fayet T. (1998) Contribution ii la modtlisation du comportement des matdriaux
granulaires ; application aux sols. These de doctorat, Ecole Centrale de Paris,
Chatenay-Malabry.
3 Abriak N.-E. (1991) Ecoulement d'un matbriau granulaire B travers un orifice ;
effet de paroi. These de doctorat, Universitt de Lille.