Flash Calciner: un ciment à faible consommation d'energie issu de flux residuels
Sur son site de Mol, l’Institut flamand de recherche technologique VITO a officiellement inauguré son Flash Calciner. Cette installation pilote permet de développer de nouveaux ciments à partir de flux résiduels riches en argile. Leur production génère nettement moins de CO2 que celle du ciment Portland traditionnel.
La production de ciment Portland nécessite des températures élevées, jusqu’à environ 1.200 °C. Le procédé libère également une grande quantité de CO2 chimiquement lié contenu dans le calcaire. Combinés aux volumes considérables produits à l’échelle mondiale, ces facteurs confèrent aux ouvrages en béton une empreinte climatique importante. Avec l’industrie sidérurgique et le secteur chimique, l’industrie cimentière figure parmi les principales sources d’émissions industrielles de CO2.
La production de ciment traditionnel représente entre 5 et 8 % des émissions mondiales de CO2. Celle d’une tonne de ciment Portland classique génère près de 800 kg de CO2. Le procédé affiche donc une empreinte environnementale élevée. Le secteur cimentier s’est toutefois doté d’une feuille de route visant la neutralité climatique à l’horizon 2050.
Flux résiduels riches en argile
L’un des axes de cette feuille de route consiste à remplacer progressivement le ciment traditionnel par de nouveaux ciments intégrant des substituts à plus faible impact carbone. Avec son Flash Calciner, VITO entend contribuer à cette transition.
L’installation pilote peut chauffer brièvement des flux résiduels riches en argile à une température comprise entre 600 et 900 °C. Ce procédé, appelé calcination, consiste à chauffer un matériau, tel qu’un minerai ou une autre matière solide, afin de transformer certains composés liés et d’éliminer notamment l’eau qu’il contient.
Le procédé mis en œuvre par VITO produit de l’argile calcinée. Celle-ci peut remplacer jusqu’à 30 % du ciment Portland, voire davantage à terme, tout en maintenant les performances mécaniques du matériau.
Cette approche présente plusieurs avantages. La calcination réduit fortement les émissions de CO2 liées à la production et crée en même temps une nouvelle voie de valorisation pour des flux résiduels riches en argile jusqu’ici peu exploités. Les travaux de dragage, les excédents de terres et les opérations d’assainissement génèrent régulièrement de grandes quantités de matériaux très argileux. Jusqu’à présent, ces matières trouvaient peu de débouchés.
Éliminer la contamination aux PFAS
Le procédé de calcination peut également servir à traiter des matériaux de sol contaminés par des PFAS.
« Les matériaux provenant du port d’Anvers présentent une pollution historique aux PFAS. En plus des points de mesure destinés aux émissions classiques, nous avons équipé notre installation de dispositifs de mesure spécifiques aux PFAS. Lors de nos essais sur des boues de dragage contenant des PFAS, ceux-ci avaient disparu du matériau après calcination », explique Liesbet Van den Abeele, coordinatrice du projet.
« Le chauffage détruit la majeure partie de ces substances. La fraction restante se retrouve dans les fumées, que nous traitons au moyen de filtres à charbon actif. Ces filtres sont ensuite pris en charge dans une installation spécialisée afin d’assurer la destruction complète des PFAS. Nous ne réalisons pas cette étape nous-mêmes, car elle nécessite une température de 1.200 à 1.300 °C, nettement supérieure à celle requise pour produire de l’argile calcinée. »
Une infrastructure dédiée à la recherche collaborative
Les cendres volantes et les laitiers de haut-fourneau sont utilisés depuis longtemps comme substituts au ciment. Mais les ambitions climatiques de l’industrie sidérurgique et du secteur énergétique réduisent progressivement la disponibilité de ces matériaux.
L’industrie sidérurgique investit dans de nouveaux types de fours et dans des technologies telles que les fours à arc électrique et la réduction directe du minerai de fer. Ces procédés génèrent des laitiers dont la composition diffère de celle des laitiers issus des hauts-fourneaux traditionnels.
« La suppression progressive des centrales électriques au charbon en Europe entraînera par ailleurs la disparition des approvisionnements en cendres volantes, encore largement utilisées aujourd’hui comme substitut au ciment », précise Liesbet Van den Abeele.
« La calcination de flux résiduels riches en argile constitue donc une alternative particulièrement intéressante. Jusqu’à présent, le secteur disposait toutefois de peu de possibilités pour étudier ces flux ou tester leur comportement lors de la calcination. Notre Flash Calciner permet désormais de le faire. »
Cette nouvelle infrastructure peut servir aussi bien à des projets de recherche collaborative qu’à des études menées pour le compte d’une entreprise spécifique. « Les acteurs du secteur cimentier peuvent y réaliser des essais de calcination, analyser les propriétés des différents matériaux et même tester des ciments alternatifs à l’échelle du mortier et du béton. »
Développer de nouveaux produits
« Avec cette installation pilote Flash Calciner, les entreprises peuvent développer de nouveaux ciments bas carbone à partir de flux résiduels riches en argile. Elles disposent ainsi d’un levier supplémentaire pour réduire l’impact environnemental de l’environnement bâti. »
L’installation de VITO peut traiter environ 25 kg de matériau par heure.
« Elle ne doit pas nécessairement fonctionner en continu. Notre objectif consiste à réaliser des essais, pas à produire des volumes commerciaux de ciment. Nous visons des lots d’environ 250 kg par jour. En répétant l’opération plusieurs jours de suite, nous pouvons atteindre une tonne. Cette quantité suffit pour déterminer la température idéale et les autres paramètres adaptés aux différentes fractions que nous recevons. »
AMORAS
« Jusqu’à présent, nous avons travaillé uniquement avec des matériaux de dragage provenant du site AMORAS. La division Accès maritime du service public flamand Mobilité et Travaux publics y déshydrate les matériaux dragués dans le port d’Anvers et dans ses voies d’accès maritimes. »
Le sable est déjà séparé des boues et valorisé dans le secteur de la construction. La fraction restante, riche en argile, est comprimée sous forme de gâteaux de filtration secs et stockée sur place. La capacité de stockage disponible reste toutefois limitée.
« Environ 300.000 tonnes supplémentaires de matériaux riches en argile s’y ajoutent chaque année. À ce rythme, la capacité totale correspond à environ quinze années de stockage, dont une partie est déjà utilisée. Les gâteaux présentent une composition relativement constante, ce qui les rend particulièrement adaptés à une transformation thermique en substitut du ciment. »
Investisseurs recherchés
La division Accès maritime et le Port d’Anvers-Bruges recherchent dès lors un investisseur prêt à construire une installation commerciale à grande échelle, dans ou à proximité de la zone portuaire anversoise.
Afin de soutenir le développement de ce type d’installations, le projet De-Risk BE SCM a été lancé avec le soutien financier de la Helios Foundation. Il vise à réduire les risques et les obstacles liés à la construction de nouvelles unités industrielles. L’entreprise de recyclage Hublet, établie à Floreffe, le centre de recherche Buildwise et le Port d’Anvers-Bruges participent également au projet.
D’autres fractions également bienvenues
Depuis peu, VITO accepte également des matériaux argileux présentant d’autres compositions.
« Il peut s’agir de terres légèrement polluées, de boues issues d’avaloirs ou de matériaux de dragage. Nous pensons également aux couches superficielles des carrières d’argile. Elles sont aujourd’hui systématiquement décapées, car leur mélange avec d’autres matériaux du sol les rend impropres à une utilisation directe dans la production de briques. »
L’installation dispose d’un système de préchauffage et d’un circuit de calcination de plus de 20 mètres.
« Un four rotatif traditionnel est conçu pour traiter de l’argile humide présentant une certaine cohésion. Avec notre type d’argile, le risque de surcalcination serait important. Dans le Flash Calciner, le tube forme un double coude. Il est également constitué d’un matériau réfractaire, ce qui nous permet d’atteindre sans difficulté une température élevée tout en limitant le temps de séjour du matériau à deux secondes. »
Grâce au système intégré de contrôle de la couleur, la température du four peut être ajustée pendant la phase de refroidissement. Cette technologie permet de maîtriser la teinte du matériau calciné et de produire un matériau gris. Sans ce contrôle, le produit final présenterait plutôt une couleur rouge.
« L’installation pilote comprend tous les composants également nécessaires dans une installation commerciale à pleine échelle. »
Mesurer pour optimiser
Dans cette installation d’essai, les producteurs de ciment et les autres entreprises intéressées peuvent déterminer les réglages idéaux pour chaque fraction de matériau, sans devoir immobiliser temporairement leurs propres installations ni modifier leurs paramètres de production.
« Pour chaque fraction, nous recherchons la température de calcination optimale, comprise entre 650 et 900 °C. »
Le Flash Calciner est équipé de nombreux appareils de mesure et capteurs capables de surveiller les paramètres du procédé et les émissions à différents endroits de l’installation. Ces données permettent d’optimiser la production, mais peuvent également alimenter les dossiers nécessaires à une demande de permis d’environnement.
VITO a investi environ 900.000 euros dans l’installation. Sur ce montant, 238.200 euros proviennent du fonds européen de développement EPRO. Les constructeurs de l’installation ont été sélectionnés dans le cadre d’un marché public.
« Deux consortiums avaient introduit une offre. Les entreprises disposant d’une expertise dans ce type d’installations restent rares. Le marché a finalement été attribué au consortium formé par Equans et FCT International, qui possédait déjà une expérience avec des installations comparables en Australie et au Brésil. »
« À court terme, nous voulons parvenir à produire un ciment adapté aux applications routières », conclut Liesbet Van den Abeele.
« Notre four transforme l’argile ordinaire contenue dans les boues de dragage séchées en une poudre cimentaire activée », explique Liesbet Van den Abeele.
« De l’argile non traitée fragiliserait un mélange de béton. Après notre traitement, elle contribue au contraire aux performances du matériau et peut remplacer une part importante du ciment traditionnel. La calcination est déjà pratiquée en France et au Danemark, où de petits volumes sont commercialisés. Ces acteurs utilisent toutefois comme matière première une argile naturelle humide et cohésive. »
Des essais réalisés chez ResourceFull, à Nazareth-De Pinte, indiquent que le produit développé par VITO affiche de meilleures performances en matière de durcissement, de résistance au gel-dégel et de retrait.
« Nous cherchons encore à comprendre précisément les mécanismes qui expliquent ces résultats. »
La calcination de l’argile est également pratiquée depuis longtemps dans des pays comme Cuba et le Brésil.
« Le calcaire nécessaire à la production de ciment est peu disponible dans certaines régions tropicales. Des alternatives ont donc été développées. Ces régions disposent en revanche de types d’argile pouvant être calcinés au moyen de procédés relativement simples. Ils sont utilisés depuis longtemps comme substituts au ciment. »
« Dans nos régions, le calcaire est largement disponible, tandis que les argiles faciles à calciner sont plus rares. La production de ciment par calcination suscitait donc peu d’intérêt auparavant. La nécessité de réduire l’empreinte carbone du ciment, combinée à la disponibilité de la technologie de calcination flash, change aujourd’hui la donne. »