Four à chaux - Lime kiln

Four à chaux rotatif (tube horizontal de couleur rouille à droite) avec préchauffeur, Wyoming, 2010
Four à chaux traditionnel au Sri Lanka

Un four à chaux est un four utilisé pour la calcination du calcaire ( carbonate de calcium ) pour produire la forme de chaux appelée chaux vive ( oxyde de calcium ). L' équation chimique de cette réaction est

CaCO 3 + chaleur → CaO + CO 2

Cette réaction peut avoir lieu n'importe où au-dessus de 840 °C (1544 °F), mais est généralement considérée comme se produisant à 900 °C (1655 °F) (à laquelle température la pression partielle de CO 2 est de 1 atmosphère ), mais une température environ 1000 °C (1832 °F) à laquelle température la pression partielle de CO 2 est de 3,8 atmosphères) est généralement utilisée pour que la réaction se déroule rapidement. Une température excessive est évitée car elle produit de la chaux non réactive, "brûlée à mort".

La chaux éteinte ( hydroxyde de calcium ) peut être formée en mélangeant de la chaux vive avec de l'eau.

Utilisation précoce de la chaux

Fours à chaux à Porth Clais, Pays de Galles ; 2021

Parce qu'elle est si facilement fabriquée en chauffant du calcaire, la chaux doit être connue depuis les temps les plus reculés, et toutes les premières civilisations l'utilisaient dans les mortiers de construction et comme stabilisant dans les enduits de boue et les sols. La connaissance de sa valeur en agriculture est également ancienne, mais l'utilisation agricole n'est devenue largement possible que lorsque l'utilisation du charbon l'a rendu bon marché dans les bassins houillers à la fin du 13ème siècle, et un compte rendu de l'utilisation agricole a été donné en 1523. Les premières descriptions de la chaux les fours diffèrent peu de ceux utilisés pour la fabrication à petite échelle il y a un siècle. Parce que le transport terrestre de minéraux comme le calcaire et le charbon était difficile à l'ère préindustrielle, ils étaient distribués par mer et la chaux était le plus souvent fabriquée dans de petits ports côtiers. De nombreux fours conservés sont encore visibles sur les quais autour des côtes britanniques.

Types de four

Vidéo de drone des ruines du four à anneaux de calcaire à Tamsalu, Estonie 2021

Les fours à chaux permanents se répartissent en deux grandes catégories : les « fours à torche » également appelés fours « intermittents » ou « périodiques » ; et les « fours à tirage » également appelés fours « perpétuels » ou « en marche ». Dans un four à torche, une couche inférieure de charbon a été constituée et le four au-dessus rempli uniquement de craie. Le feu a été allumé pendant plusieurs jours, puis tout le four a été vidé de la chaux.

Dans un four à tirage, généralement une structure en pierre, la craie ou le calcaire étaient recouverts de bois, de charbon ou de coke et allumés. Au fur et à mesure de sa combustion, la chaux était extraite du fond du four, par le trou de soutirage. D'autres couches de pierre et de combustible ont été ajoutées au sommet.

Les premiers fours

Coupe transversale du premier four typique

La caractéristique commune des premiers fours était une chambre de combustion en forme de coquetier, avec une entrée d'air à la base (l'"œil"), construite en brique. Le calcaire a été broyé (souvent à la main) à 20–60 mm assez uniforme (1– 2+12  in) grumeaux – la pierre fine a été rejetée. Des couches successives en forme de dôme de calcaire et de bois ou de charbon ont été accumulées dans le four sur des barres de grille à travers l'œil. Une fois le chargement terminé, le four a été allumé par le bas et le feu s'est progressivement propagé vers le haut à travers la charge. Une fois brûlée, la chaux était refroidie et raclée à travers la base. Les cendres fines sont tombées et ont été rejetées avec les "criblages".

Seule la pierre forfaitaire pouvait être utilisée, car la charge avait besoin de "respirer" pendant le tir. Cela a également limité la taille des fours et explique pourquoi les fours étaient tous sensiblement de la même taille. Au-delà d'un certain diamètre, la charge à moitié brûlée serait susceptible de s'effondrer sous son propre poids, éteignant l'incendie. Ainsi, les fours produisaient toujours 25 à 30 tonnes de chaux par lot. En règle générale, le four prenait un jour pour se charger, trois jours pour chauffer, deux jours pour refroidir et un jour pour décharger, donc un délai d'une semaine était normal. Le degré de combustion a été contrôlé par essais et erreurs d'un lot à l'autre en faisant varier la quantité de combustible utilisée. Parce qu'il y avait de grandes différences de température entre le centre de la charge et le matériau près de la paroi, un mélange de chaux sous-brûlée (c'est-à-dire à forte perte au feu ), bien brûlée et calcinée à mort était normalement produit. Le rendement énergétique typique était faible, avec 0,5 tonne ou plus de charbon utilisé par tonne de chaux finie (15 MJ/kg).

La production de chaux était parfois réalisée à l'échelle industrielle. Un exemple à Annery dans le nord du Devon , Angleterre , près de Great Torrington , était composé de trois fours regroupés en forme de « L » et était situé à côté du canal de Torrington et de la rivière Torridge pour amener le calcaire et le charbon, et pour transporter loin de la chaux calcinée avant l' existence de routes correctement métallisées .

Les ensembles de sept fours étaient courants. Une équipe de chargement et une équipe de déchargement feraient tourner les fours tout au long de la semaine.

Un four rarement utilisé était connu sous le nom de « four paresseux ».

Grande Bretagne

Le grand four de Crindledykes près de Haydon Bridge , Northumbria, était l'un des plus de 300 du comté. Il était unique dans la région d'avoir quatre arches de tirage dans un seul pot. Comme la production a été réduite, les deux arches latérales ont été bloquées, mais ont été restaurées en 1989 par English Heritage .

Le développement du réseau ferré national a rendu les fours artisanaux locaux de moins en moins rentables et ils se sont progressivement éteints au cours du XIXe siècle. Ils ont été remplacés par de plus grandes usines industrielles. Dans le même temps, de nouvelles utilisations de la chaux dans les industries chimiques , sidérurgiques et sucrières ont conduit à des usines à grande échelle. Ceux-ci ont également vu le développement de fours plus efficaces.

Un four à chaux érigé à Dudley , West Midlands (anciennement Worcestershire ) en 1842 survit dans le cadre du Black Country Living Museum qui a ouvert ses portes en 1976, bien que les fours aient été utilisés pour la dernière fois dans les années 1920. Il est aujourd'hui l'un des derniers d'une région dominée par les mines de charbon et de calcaire pendant des générations jusqu'aux années 1960.

Australie

À la fin du XIXe et au début du XXe siècle, la ville de Waratah dans le Gippsland , dans le Victoria , en Australie, produisait la majorité de la chaux vive utilisée dans la ville de Melbourne ainsi que dans d'autres parties du Gippsland. La ville, maintenant appelée Walkerville , était située sur une partie isolée de la côte victorienne et exportait la chaux par bateau. Lorsque cela est devenu non rentable en 1926, les fours ont été fermés. La zone actuelle, bien qu'elle n'ait pas de commodités urbaines en tant que telles, se présente comme une destination touristique. Les ruines des fours à chaux sont encore visibles aujourd'hui.

Un four à chaux existait également à Wool Bay , en Australie-Méridionale .

Ukraine

Autres pays

Fours modernes

Coupe transversale du four à cuve simple

Fours à cuve

La chaleur théorique (l' enthalpie standard ) de réaction requise pour fabriquer de la chaux à haute teneur en calcium est d'environ 3,15 MJ par kg de chaux, de sorte que les fours discontinus n'étaient efficaces qu'à environ 20 %. La clé du développement de l'efficacité a été l'invention des fours continus, évitant les cycles de chauffage et de refroidissement inutiles des fours discontinus. Les premiers étaient de simples fours à cuve, de construction similaire aux hauts fourneaux . Ce sont des fours verticaux à contre-courant. Les variantes modernes comprennent les fours régénératifs et annulaires. La production est généralement de l'ordre de 100 à 500 tonnes par jour.

Fours verticaux à contre-courant

Le carburant est injecté à mi-hauteur de l'arbre, produisant une température maximale à ce stade. La charge fraîche introduite par le haut est d'abord séchée puis chauffée à 800 °C, où la décarbonatation commence, et se déroule progressivement plus rapidement à mesure que la température augmente. Sous le brûleur, la chaux chaude transfère de la chaleur à l'air de combustion et est refroidie par celui-ci. Une grille mécanique retire la chaux au fond. Un ventilateur aspire les gaz à travers le four, et le niveau dans le four est maintenu constant en ajoutant de l'alimentation à travers un sas. Comme pour les fours discontinus, seule une grosse pierre calibrée peut être utilisée, afin d'assurer des flux de gaz uniformes à travers la charge. Le degré de combustion peut être ajusté en changeant le taux de retrait de la chaux. Une consommation de chaleur aussi faible que 4 MJ/kg est possible, mais de 4,5 à 5 MJ/kg est plus typique. En raison du pic de température au niveau des brûleurs jusqu'à 1200 °C dans un four à cuve, les conditions sont idéales pour produire de la chaux moyennement et fortement brûlée.

Flux de gaz dans deux cycles de fonctionnement des fours verticaux à régénération

Fours régénératifs

Ceux-ci se composent généralement d'une paire d'arbres, actionnés alternativement. Premièrement, lorsque l'arbre A est l'arbre "primaire" et B l'arbre "secondaire", l'air de combustion est ajouté par le haut de l'arbre A, tandis que le combustible est un peu plus bas via les lances du brûleur. La flamme est de haut en bas. Les gaz chauds descendent, traversent le puits B via le "canal" et remontent jusqu'à l'échappement du puits B. En même temps, dans les deux puits, de l'air de refroidissement est ajouté par le bas pour refroidir la chaux et faire évacuer les gaz. par le bas du four impossible en maintenant toujours une pression positive. L'air de combustion et l'air de refroidissement quittent le four conjointement via l'échappement sur le dessus de l'arbre B, préchauffage de la pierre. Le sens d'écoulement est inversé périodiquement (généralement 5 à 10 fois par heure) les arbres A et B changent le rôle d'arbre "primaire" et "secondaire". Le four comporte trois zones : une zone de préchauffage en haut, une zone de combustion au milieu et une zone de refroidissement près du bas. Le cycle produit une longue zone de combustion à température constante et relativement basse (environ 950 °C) idéale pour la production de chaux réactive à combustion douce de haute qualité. Avec des températures de gaz d'échappement aussi basses que 120 °C et une température de chaux à la sortie du four dans une plage de 80 °C, la perte de chaleur du four régénératif est minime, la consommation de carburant est aussi faible que 3,6 MJ/kg. En raison de ces caractéristiques, les fours régénératifs sont aujourd'hui une technologie courante dans des conditions de coûts de combustible substantiels. Les fours régénératifs sont construits avec une production de 150 à 800 t/jour, 300 à 450 étant typiques.

Le gaz s'écoule dans un four à cuve annulaire

Fours annulaires

Ceux-ci contiennent un cylindre interne concentrique. Celui-ci recueille l'air préchauffé de la zone de refroidissement, qui est ensuite utilisé pour pressuriser la zone annulaire médiane du four. L'air se propageant vers l'extérieur de la zone sous pression provoque un écoulement à contre-courant vers le haut et un écoulement à co-courant vers le bas. Cela produit à nouveau une longue zone de calcination relativement froide. La consommation de carburant est comprise entre 4 et 4,5 MJ/kg et la chaux est généralement moyennement brûlée.

Four rotatif avec préchauffeur : flux de gaz chauds

Fours rotatifs

Les fours rotatifs ont commencé à être utilisés pour la fabrication de la chaux au début du 20e siècle et représentent aujourd'hui une grande partie des nouvelles installations si les coûts énergétiques sont moins importants. L'utilisation précoce de fours rotatifs simples présentait l'avantage qu'une gamme beaucoup plus large de tailles de calcaire pouvait être utilisée, à partir des fines, et que les éléments indésirables tels que le soufre pouvaient être éliminés. D'autre part, la consommation de carburant était relativement élevée en raison d'un mauvais échange thermique par rapport aux fours verticaux, entraînant une perte de chaleur excessive dans les gaz d'échappement. Les fours rotatifs "longs" à l'ancienne fonctionnent à 7 à 10 MJ/kg. Les installations modernes surmontent partiellement cet inconvénient en ajoutant un préchauffeur, qui a le même bon contact solides/gaz qu'un four vertical, mais la consommation de combustible est encore un peu plus élevée, généralement dans la plage de 4,5 à 6 MJ/kg. Dans la conception illustrée, un cercle de puits (généralement 8 à 15) est disposé autour du conduit de la colonne montante du four. Le calcaire chaud est évacué des puits en séquence, par l'action d'une "plaque poussoir" hydraulique. Des fours d'une production de 1 000 tonnes par jour sont typiques. Le four rotatif est le plus flexible de tous les fours à chaux capables de produire de la chaux douce, moyenne ou dure ainsi que de la chaux ou dolime calcinée.

Nettoyage de gaz

Toutes les conceptions de four ci-dessus produisent des gaz d'échappement qui transportent une quantité appréciable de poussière. La poussière de chaux est particulièrement corrosive. Des équipements sont installés pour piéger ces poussières, généralement sous la forme d' électrofiltres ou de filtres à manches. La poussière contient généralement une forte concentration d'éléments tels que les métaux alcalins , les halogènes et le soufre.

Émissions de dioxyde de carbone

L'industrie de la chaux est un émetteur important de dioxyde de carbone . La fabrication d'une tonne d'oxyde de calcium implique la décomposition du carbonate de calcium, avec formation de 785 kg de CO 2 dans certaines applications, comme lorsqu'il est utilisé comme mortier ; ce CO 2 est ensuite réabsorbé au fur et à mesure que le mortier décolle.

Si la chaleur fournie pour former la chaux (3,75 MJ/kg dans un four efficace) est obtenue en brûlant des combustibles fossiles, elle dégagera du CO 2 : dans le cas du charbon 295 kg/t ; dans le cas du gaz naturel, 206 kg/t. La consommation électrique d'une centrale efficace est d'environ 20 kWh par tonne de chaux. Cet intrant supplémentaire équivaut à environ 20 kg de CO 2 par tonne si l'électricité est produite au charbon. Ainsi, l'émission totale peut être d'environ 1 tonne de CO 2 pour chaque tonne de chaux, même dans les installations industrielles efficaces, mais elle est généralement de 1,3 t/t. Cependant, si la source d'énergie thermique utilisée dans sa fabrication est une source d'énergie entièrement renouvelable, comme le solaire, l'éolien, l'hydraulique ou encore le nucléaire ; il peut n'y avoir aucune émission nette de CO 2 provenant du processus de calcination. Moins d'énergie est requise dans la production par poids que le ciment Portland , principalement parce qu'une température plus basse est requise.

Autres émissions

Voir également

Les références

Liens externes

Four à chaux à double arche Wainmans – Bâtiment classé Grade II – 1er février 2005

Détails et image : https://web.archive.org/web/20140522012536/http://cowlingweb.co.uk/local_history/history/wainmanslimekiln.asp