Provenance des cendres volantes

Les cendres volantes sont les particules non combustibles entraînées par les fumées lors de la combustion du charbon pulvérisé dans les chaudières des centrales thermiques.

Pour réduire la pollution atmosphérique, les cheminées de ces centrales sont équipées de dépoussiéreurs qui captent les cendres pour éviter leur dispersion dans l’atmosphère.

Sur la question de la production des cendres volantes, voir aussi notre entretien avec Jean-Paul Jacquot.

 

Ces cendres volantes sont classées en trois catégories selon le combustible dont elles proviennent :

Charbon de houille	cendres silico-alumineuses
Lignite	cendres calciques

Dans les années 1990, en France, le stock de cendres volantes accumulées en terril s’élevait environ à 20 M de tonnes. On en produit environ 400 M de tonnes par an dans le monde.

 

Production des cendres volantes Pour brûler dans une chaudière, le charbon est traité : mélange, pulvérisation, et lavage pour éliminer autant de matière minérale incombustible que possible. Tout en accroissant le pouvoir calorifique du charbon, cela réduit la quantité de cendres produites  lors de la combustion. Les fumées de combustion du charbon pulvérisé passent par des dépoussiéreurs électrostatiques qui, complétés par des filtres à manche, parviennent à un rendement de 80 à 90 % de dépoussiérage. Le temps nécessaire au processus de combustion du charbon, à la fusion, au transport des gaz vers les filtres et à la resolidification des particules est de l’ordre de quelques secondes.

 

Le stockage des cendres volantes Les cendres peuvent être stockées de trois façons : Cendres sèches Captées à la base des cheminées, les cendres sont totalement exemptes d’eau. Ces cendres sèches demandent un mode de transport spécifique aux produits pulvérulents secs et elle sont stockées à l’abri de l’eau. Cendres humidifiées Une fois humidifiées, le transport des cendres par camion ou wagon devient possible. Ces cendres peuvent être stockées en plein air. Cendres liquéfiées Ces cendres sont acheminées par voie hydraulique dans des bassins de décantation. Certaines  se drainent peu et peuvent présenter après décantation, des teneurs en eau supérieures à 50 %. Les deux derniers modes de stockage ne sont pas adaptés aux cendres calciques qui présentent un pouvoir hydraulique. Pour les cendres siliceuses stockées en plein air, il existe des installations spécifiques de séchage, qui permettent de  fournir des cendres sèches à la demande.

 

Les cendres volantes sont un déchet Dans la liste des déchets de la communauté européenne (Décret no 2002-540 du 18 avril 2002 relatif à la classification des déchets), les cendres volantes sont un Résidu de Procédé Thermique (RPT) qui porte le numéro de code 10 01 02 (lorsqu’il provient d’une centrale thermique à charbon pulvérisé) et 10 01 19 (lorsqu’il provient de centrales à Lit Fluidisé Circulant). Elles ne sont pas classées déchet industriel spécial, et ne sont pas non plus considérées comme un  déchet dangereux (Décret n0 2002-540 du 18 avril 2002 du 15 mai 1997 relatif à la classification des déchets du ministère de l’environnement).

 

Les cendres volantes, en tant que matériau de construction, sont un produit normalisé Voir notre article sur ce sujet…

 

Caractéristiques des cendres volantes

Les cendres volantes de houille se présentent sous la forme d’une poudre fine et douce au toucher. Au microscope électronique, elles apparaissent sous la forme de sphères isolées ou accolées.

La dimension des grains de cette poudre va de 0,1 à 200 microns.

 

Cendres silico-alumineuse au MEB (LERM)

 

La finesse d’une cendre influe directement sur la vitesse de développement des résistances mécaniques. Il s’agit donc de l’un des paramètres principaux pour la définition de l’aptitude d’une cendre à être additionnée au ciment. La finesse d’une cendre est comprise entre 2200 et 4000 cm²/g.

 

Minéralogie

Minéralogiquement parlant, les cendres volantes sont constituées d’alumino-silicates vitrifiés incluant des proportions moindre de calcium, fer, magnésium, potassium, sodium et titanium, associées à des phases de quartz, mullite (silicate d’aluminium) et magnétite.

 

La composition chimique des cendres volantes silico alumineuses

Cette composition est proche de celle des pouzzolanes naturelles ; elle varie en fonction de l’origine des charbons et se situe dans la fourchette indiquée dans le tableau ci-dessous :

	% Minimum	% Maximum
SiO2	43	54
AL2O3	22	32
Fe2O3+TiO2	4	15
CaO	1	8
MgO	1	3
K2O	2	5
Na2O	0,5	2
SO3	0,5	2

 

Les cendres volantes siliceuses sont essentiellement constituées de dioxyde de silice et d’oxyde d’aluminium.  Elles présentent des propriétés pouzzolaniques.

Les cendres volantes calciques sont essentiellement constituées d’oxyde de calcium de dioxyde de silice et d’oxyde d’aluminium. Elles présentent des propriétés pouzzolaniques et/ou hydrauliques.

Les cendres volantes contiennent en outre des imbrûlés, provenant de l’incomplète combustion du charbon dont la proportion n’excède pas 5%.

Compositions chimiques comparées des pouzzolanes in Les Cendres volantes, 1975

 

Pouzzolanicité des cendres volantes

La phase réactive des cendres volantes est leur enveloppe vitreuse riche en silice. La vitrification de cette enveloppe est due à leur refroidissement rapide au contact de l’air à la sortie des chaudières. Le cœur des cendres est le plus souvent cristallisé.

Afin d’augmenter la surface vitreuse de l’enveloppe et donc la pouzzolanicité des cendres, des recherches ont été menée sur un traitement thermique des cendres constitué d’un cycle de fusion/trempe violente.