Brevet FR3133852A1 — publié le 20230929

Procédé de production d’argile calcinée ayant des caractéristiques de couleur désirées dans lequel le procédé comprend : - une étape de calcination d’une argile dans un calcinateur (6), ladite étape de calcination étant réalisée dans des conditions stœchiométriques ou oxydantes, - une étape de réduction d’oxydes de fer III présents dans l’argile calcinée dans un système (7) de réduction distinct du calcinateur (6), cette étape de réduction étant réalisée par injection d’un gaz (15) de réduction, contenant des atomes d’hydrogène et mis en contact direct avec l’argile calcinée. Figure pour l'abrégé : Figure 1 Procédé de production d’argile calcinée L'invention concerne un procédé de production d’argile calcinée. En particulier l’invention concerne un procédé de production d’argile calcinée destinée à être utilisée en tant que composant d’un ciment Arrière-plan technique La fabrication de ciment utilise pour sa plus grande part une matière cuite, le clinker, qui est produite à partir de minéraux dont le constituant essentiel est le carbonate de calcium. Le clinker est obtenu à partir d’une matière première composée d’un mélange de minéraux, parmi lesquels notamment l’argile, source d’aluminosilicates, et le calcaire, source de carbonate de calcium. Ces minéraux sont successivement mélangés, séchés, broyés, préchauffés, décarbonatés puis cuits et partiellement fondus dans un four rotatif jusqu’à une température d’environ 1500°C, puis le clinker ainsi formé est refroidi. Le ciment est obtenu en broyant finement un mélangé composé majoritairement de clinker. Dans le procédé de fabrication du clinker, en plus des émissions de CO2 provenant de la combustion des combustibles utilisés, le carbonate de calcium provenant majoritairement du calcaire est décarbonaté pour obtenir de la chaux apte à se recombiner avec les oxydes de silicium, d’aluminium et de fer dans le four rotatif afin de former le clinker. Cette étape de décarbonatation libère une importante quantité de dioxyde de carbone rejetée dans l’atmosphère. Les législations nationales en matière d’émission de dioxyde de carbone se durcissent et obligent les acteurs à diminuer les quantités rejetées. Outre le clinker, le ciment contient du gypse permettant de réguler le temps de prise des mortiers et bétons. Le ciment contient aussi de plus en plus souvent, et en proportion de plus en plus grande, des matériaux appelés communément « ajouts ciment » qui viennent en substitution du clinker afin de diminuer l’impact environnemental et le coût de la fabrication du ciment. A titre d’exemple, les matériaux de substitution au clinker les plus utilisés actuellement sont le calcaire, les laitiers de haut-fourneau, les cendres volantes des centrales à charbon et la pouzzolane naturelle. Hormis le calcaire qui a un simple rôle de « filler », anglicisme communément utilisé pour désigner des remplisseurs, ces matériaux de substitution au clinker ont une réactivité pouzzolanique leur permettant de participer à la réaction de prise hydraulique. Cette réactivité pouzzolanique contribue au maintien des propriétés mécaniques désirées des mortiers et bétons lorsque la part de clinker diminue. Les argiles contenant de la kaolinite acquièrent lorsqu’elles sont calcinées, une réactivité pouzzolanique et deviennent alors d’excellents matériaux de substitution au clinker dans la fabrication de ciment. Elles sont aussi appelées « pouzzolanes artificielles ». A la différence de la production du clinker, la production d’argile calcinée émet peu de CO2. En diminuant judicieusement la proportion de clinker tout en augmentant la proportion d’argile calcinée, il devient possible de produire un ciment avec des propriétés désirées. En raison des oxydes de fer III, Fe2O3, qu’elle contient, l’argile a une teinte rougeâtre. En l’absence de traitement, l’ajout d’argile calcinée dans un ciment conduira à la production d’un ciment ayant une teinte rosée. Les producteurs de ciments, et les utilisateurs finaux, souhaitent avoir un ciment de couleur grise. Plusieurs procédés ont été mis en œuvre pour modifier la teinte naturelle de l’argile calcinée et la rendre grisâtre. Parmi ces techniques, on peut citer un procédé qui consiste à faire réagir chimiquement des molécules d’oxydes de fer III Fe2O3 pour obtenir des tétroxydes de trifer Fe3O4. Il s’agit d’une réaction d’oxydo-réduction. Après une première étape de calcination de l’argile, ce dernier est envoyé vers une zone de réduction où un agent réducteur liquide est injecté directement sur l’argile, notamment du gasoil. Le gasoil provoque les conditions qui permettent une réduction des oxydes de fer III afin d’obtenir des tétroxydes de trifer et des oxydes de fer FeO. Bien que ce procédé permette d’obtenir une argile de couleur grise, il présente deux inconvénients majeurs : - une importante quantité de gasoil pour la réduction des oxydes de fer III est injectée, impactant le coût de l’argile d’une part et l’environnement d’autre part, - la réaction de réduction doit être réalisée à haute température impactant l’efficacité énergétique de ce procédé. L’invention vise à remédier à cet inconvénient. A cet effet, il est proposé en premier lieu un procédé de production d’argile calcinée ayant des caractéristiques de couleur désirées dans lequel celui-ci comprend : - une étape de calcination d’une argile dans un calcinateur, ladite étape de calcination étant réalisée dans des conditions stœchiométriques ou oxydantes, - une étape de réduction d’oxydes de fer III présents dans l’argile calcinée dans un système de réduction distinct du calcinateur, cette étape de réduction étant réalisée par injection d’un gaz de réduction, contenant des atomes d’hydrogène et mis en contact direct avec l’argile calcinée. Ce procédé permet avantageusement d’obtenir une argile de couleur grise en utilisant une faible quantité de réactif, significativement inférieure à la quantité utilisée avec des réactifs liquides. De plus, ce procédé permet d’augmenter l’efficacité énergétique car l’étape de réduction est effectuée à des températures inférieures par rapport à un procédé utilisant des réactifs liquides. Diverses caractéristiques supplémentaires peuvent être prévues seules ou en combinaison : - procédé dans lequel ; - le gaz de réduction contient des réactifs de type hydrocarbures gazeux, ou - le gaz de réduction contient des réactifs de type dihydrogène et monoxyde de carbone, ou - le gaz de réduction contient un réactif de type dihydrogène, ou - le gaz de réduction contient des réactifs de type hydrocarbures gazeux, dihydrogène et monoxyde de carbone ; - l’étape de réduction comporte une opération de refroidissement de l’argile calcinée se déroulant de manière simultanée à la réduction des oxydes de fer III ; - au cours de l’opération de refroidissement dans la chambre de réduction, la température de l’argile calcinée est abaissée en dessous d’une température seuil permettant d’éviter la réoxydation des oxydes de fer II et/ou des tétroxydes de trifer contenus dans l’argile calcinée, ladite température seuil étant sensiblement comprise entre 300°C et 600 °C ; - la quantité de gaz de réduction injectée dans l’étape de réduction correspond à une quantité sensiblement comprise entre 0,01 et 2 moles de réactifs par mole d’oxyde de fer III présent dans l’argile calcinée ; - le procédé comporte une étape intermédiaire de refroidissement entre l’étape de calcination et l’étape de réduction, cette étape intermédiaire de refroidissement permettant de refroidir l’argile calcinée jusqu’à une température de réduction comprise entre 300°C et 800°C ; - l’étape de réduction est réalisée à une température de réduction comprise entre 300°C et 800°C ; - le gaz de réduction contient des réactifs du type hydrocarbures gazeux C n H m constitués de n atomes de carbone et de m atomes d’hydrogène ; - la quantité de gaz de réduction injectée dans l’étape de réduction correspond à une quantité sensiblement comprise entre 0,01 et 1 mole de réactifs par mole d’oxyde de fer III présente dans l’argile calcinée ; - le gaz de réduction est un réactif du type dihydrogène ; - la quantité de gaz de réduction injectée dans l’étape de réduction correspond à une quantité sensiblement comprise entre 0,2 et 2 moles de réactif par mole d’oxydes de fer III présente dans l’argile calcinée ; - le gaz de réduction contient un mélange de réactifs du type dihydrogène et monoxyde de carbone ; - la quantité de gaz de réduction injectée dans l’étape de réduction correspond à une quantité sensiblement comprise entre 0,2 et 2 moles de réactifs par mole d’oxyde de fer III présente dans l’argile calcinée ; - le gaz de réduction contient un mélange de réactifs du type hydrocarbures gazeux C n H m , dihydrogène et monoxyde de carbone ; - la quantité de gaz de réduction injectée dans l’étape de réduction correspond à une quantité sensiblement comprise entre 0,05 mole et 2 moles de réactifs par mole d’oxydes de fer III présente dans l’argile calcinée ; - l’argile contient de la kaolinite ; - la température de calcination dans l’étape de calcination est inférieure à 950°C ; - l’argile calcinée est apte à être mélangée à du clinker destiné à la production de ciment. Il est proposé en deuxième lieu une utilisation d’un procédé tel que précédemment décrit pour produire de l’argile calcinée destinée à la production de ciment. D’autres caractéristiques, détails et avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels : Fig. 1 la est une représentation schématique d’une installation selon l’invention. Fig. 2 la est une représentation schématique d’un procédé selon l’invention. Procédé (14) de production d’argile calcinée ayant des caractéristiques de couleur désirées caractérisé en ce que le procédé (14) comprend : - une étape (E3) de calcination d’une argile dans un calcinateur (6), ladite étape (E3) de calcination étant réalisée dans des conditions stœchiométriques ou oxydantes, - une étape (E4) de réduction d’oxydes de fer III présents dans l’argile calcinée dans un système (7) de réduction distinct du calcinateur (6), cette étape (E4) de réduction étant réalisée par injection d’un gaz (15) de réduction, contenant des atomes d’hydrogène et mis en contact direct avec l’argile calcinée. Procédé (14) selon la revendication 1 dans lequel : - le gaz (15) de réduction contient des hydrocarbures gazeux, ou - le gaz (15) de réduction contient du dihydrogène et du monoxyde de carbone, ou - le gaz (15) de réduction contient du dihydrogène, ou - le gaz (15) de réduction contient des hydrocarbures gazeux, du dihydrogène et du monoxyde de carbone. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l’étape (E4) de réduction comporte une opération (O1) de refroidissement de l’argile calcinée se déroulant de manière simultanée à la réduction des oxydes de fer III. Procédé (14) selon la revendication 3 dans lequel, au cours de l’opération (O1) de refroidissement dans la chambre (7) de réduction, la température de l’argile calcinée est abaissée en dessous d’une température seuil permettant d’éviter la réoxydation des oxydes de fer II et/ou des tétroxydes de trifer contenus dans l’argile calcinée, ladite température seuil étant comprise entre 300°C et 600 °C. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4 dans lequel, la quantité de gaz (15) de réduction injectée dans l’étape (E4) de réduction correspond à une quantité comprise entre 0,01 et 2 moles de réactifs par mole d’oxyde de fer III présent dans l’argile calcinée. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, celui-ci comporte une étape intermédiaire (Ei) de refroidissement entre l’étape (E3) de calcination et l’étape (E4) de réduction, cette étape (Ei) intermédiaire de refroidissement permettant de refroidir l’argile calcinée jusqu’à une température de réduction comprise entre 300°C et 800°C. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l’étape de réduction est réalisée à une température de réduction comprise entre 300°C et 800°C. Procédé (14) selon la revendication 2 ou l’une quelconque des revendications 3 à 7 dépendantes de la revendication 2 dans lequel, le gaz de réduction contient des hydrocarbures gazeux C n H m constitués de n atomes de carbone et de m atomes d’hydrogène. Procédé (14) selon la revendication 8 dans lequel, la quantité de gaz (15) de réduction injectée dans l’étape (E4) de réduction correspond à une quantité comprise entre 0,01 et 1 mole de réactifs par mole d’oxyde de fer III présente dans l’argile calcinée. Procédé (14) selon la revendication 2 ou l’une quelconque des revendications 3 à 7 dépendantes de la revendication 2 dans lequel, le gaz de réduction est du dihydrogène. Procédé (14) selon la revendication 10 dans lequel, la quantité de gaz (15) de réduction injectée dans l’étape (E4) de réduction correspond à une quantité comprise entre 0,2 et 2 moles de réactif par mole d’oxydes de fer III présente dans l’argile calcinée. Procédé (14) selon la revendication 2 ou l’une quelconque des revendications 3 à 7 dépendantes de la revendication 2 dans lequel, le gaz (15) de réduction contient un mélange de dihydrogène et de monoxyde de carbone. Procédé (14) selon la revendication 12 dans lequel, la quantité de gaz (15) de réduction injectée dans l’étape (E4) de réduction correspond à une quantité comprise entre 0,2 et 2 moles de réactifs par mole d’oxyde de fer III présente dans l’argile calcinée. Procédé (14) selon la revendication 2 ou l’une quelconque des revendications 3 à 7 dépendantes de la revendication 2 dans lequel, le gaz (15) de réduction contient un mélange d’hydrocarbures gazeux C n H m , de dihydrogène et de monoxyde de carbone. Procédé (14) selon la revendication 14 dans lequel, la quantité de gaz (15) de réduction injectée dans l’étape (E4) de réduction correspond à une quantité comprise entre 0,05 mole et 2 moles de réactifs par mole d’oxydes de fer III présente dans l’argile calcinée. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, l’argile contient de la kaolinite. Procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel, la température de calcination dans l’étape (E3) de calcination est inférieure à 950°C. Utilisation d’un procédé (14) selon l’une quelconque des revendications précédentes pour produire de l’argile calcinée destinée à la production de ciment. .