EP4380906A1 - Procédé de carbonatation accélérée et sa mise en oeuvre dans un procédé de valorisation de déchets de béton et de rejets gazeux industriels - Google Patents

Procédé de carbonatation accélérée et sa mise en oeuvre dans un procédé de valorisation de déchets de béton et de rejets gazeux industriels

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EP4380906A1
EP4380906A1 EP22760763.7A EP22760763A EP4380906A1 EP 4380906 A1 EP4380906 A1 EP 4380906A1 EP 22760763 A EP22760763 A EP 22760763A EP 4380906 A1 EP4380906 A1 EP 4380906A1
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EP
European Patent Office
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fraction
accelerated carbonation
sand
concrete
aggregates
Prior art date
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Pending
Application number
EP22760763.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Julien POILLOT
Yvan-Pierre Jacob
Hervé Guillemin
Sami ZELLAGUI
Alain Cordonnier
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Vicat SA
Fives FCB SA
Original Assignee
Vicat SA
Fives FCB SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B20/00—Use of materials as fillers for mortars, concrete or artificial stone according to more than one of groups C04B14/00 - C04B18/00 and characterised by shape or grain distribution; Treatment of materials according to more than one of the groups C04B14/00 - C04B18/00 specially adapted to enhance their filling properties in mortars, concrete or artificial stone; Expanding or defibrillating materials
    • C04B20/02—Treatment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B28C—PREPARING CLAY; PRODUCING MIXTURES CONTAINING CLAY OR CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28C5/00—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions
    • B28C5/38—Apparatus or methods for producing mixtures of cement with other substances, e.g. slurries, mortars, porous or fibrous compositions wherein the mixing is effected both by the action of a fluid and by directly-acting driven mechanical means, e.g. stirring means ; Producing cellular concrete
    • B28C5/381—Producing cellular concrete
    • B28C5/386—Plants; Systems; Methods
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B7/36—Manufacture of hydraulic cements in general
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    • C04B7/367—Avoiding or minimising carbon dioxide emissions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B2111/00—Mortars, concrete or artificial stone or mixtures to prepare them, characterised by specific function, property or use
    • C04B2111/00017—Aspects relating to the protection of the environment
    • C04B2111/00019—Carbon dioxide sequestration

Definitions

  • the present invention relates to a process for the accelerated carbonation of recycled concrete aggregates, as well as the implementation of this process in a process for the recovery of these aggregates and greenhouse gases emitted by an industrial installation, for example a cement plant.
  • concrete is a mixture comprising, by mass, approximately: 80% inert mineral materials, i.e. aggregates (in different forms: gravel, chippings and sand), 15 % of a binder (essentially cement) and 5% water.
  • Recycled concrete aggregates means concrete aggregates originating: from the demolition of works or buildings containing concrete elements, scrap production of concrete, as well as surplus site concrete.
  • Recycled concrete aggregates are obtained by crushing and screening existing concrete which may be in the form of blocks and/or rubble. Recycled concrete aggregates are therefore composed of the old natural aggregate which is attached to the old cementitious paste.
  • the following two types of fractions are distinguished:
  • the waste materials based on concrete constitute an important raw material that the construction industry is currently seeking to efficiently conserve in order to manufacture new materials intended for construction, and this, according to an ecological virtuous circle.
  • recycled concrete aggregates to constitute interesting substitutes for natural aggregates, it is essential that the concrete comprising recycled concrete aggregates has equivalent mechanical properties, or even better than those of the concrete obtained from aggregates. natural.
  • recycled concrete aggregates have a higher porosity at the level of their microstructure which constitutes a technological obstacle to their use as substitutes for natural aggregates. Indeed, this high porosity generates greater water absorption; which reduces the mechanical properties of the resulting concrete.
  • accelerated carbonation means a carbonation process implemented by a device (in particular a laboratory or industrial device) which therefore differs from natural carbonation as defined above. -below.
  • the recycled concrete aggregates being partly composed of cementitious paste which therefore contains these hydrates formed during the hydration of the cement, it is these hydrates which have the capacity to carbonate when said recycled concrete aggregates are subjected to accelerated carbonation.
  • application WO 2019/115722 A1 proposes a technical solution that meets this need, since it describes a method for manufacturing an additional cementitious material that can replace cement from exhaust gases.
  • This process consists of bringing said recycled concrete aggregates stored in the form of a pile or in a silo into contact with the exhaust gas so as to obtain a carbonated material which is then deagglomerated to obtain said additional cementitious material.
  • the inventors of the present invention have sought to optimize the parameters of the accelerated carbonation to make it more efficient so as to valorize recycled concrete aggregates to obtain directly, namely without an additional step such as a deagglomeration step described in patent application WO 2019/115722 A1, carbonated aggregates which are perfectly suitable as substitutes for natural aggregates.
  • the inventors of the present invention have further sought to integrate their carbonation process accelerated in a process for the recovery of recycled concrete aggregate waste and greenhouse gas emissions, in particular gaseous emissions from the cement kiln for the manufacture of clinker.
  • the first object of the invention is thus an accelerated carbonation process which is characterized in that it comprises at least the following steps: a) recycled concrete aggregates are available whose particle size is less than or equal to a value determined Vi which is between 1 mm and 6 mm, in other words a 0/Vi sand; b) a separation step is carried out on the 0/Vi sand by defining a particle size cut-off of a determined value V2 which is between 0.1 mm and 0.2 mm so as to obtain:
  • dynamic carbonator means an accelerated carbonation device which is configured so that, during step c) of said method, the 2nd fraction is in motion within said accelerated carbonation device (for example by means of a lifting and dispersing device) and/or that said accelerated carbonation device is in motion.
  • the dynamic carbonator comprises:
  • the section has a generally cylindrical shape.
  • the dynamic carbonator of step c) may consist of a rotary drum dryer (namely a device that is well known and used in many sectors of industry, including that of building materials) which has been adapted to the implementation of accelerated carbonation as described just above.
  • the present invention can be implemented with a rotary drum dryer which has been adapted so as to obtain a dynamic carbonator having the technical characteristics described just above, as well as those described below.
  • Examples of rotary drum dryers which can be used in the context of the present invention are in particular those of the TSM range marketed by the company Marini-Ermont or those with a jacket of the TTD range marketed by the company Allgaier.
  • a gyratory crusher performing a crushing of concrete materials so as to obtain a particle size less than or equal to 20 mm.
  • the recycled concrete materials thus obtained can be subjected to one or more screening steps until a 0/Vi sand is obtained. These screening steps are carried out in screening devices that are perfectly within the reach of those skilled in the art.
  • the residence time in the dynamic carbonator of the 2nd fraction can be between 15 minutes and 12 hours. In an advantageous embodiment of the invention, this residence time is one hour.
  • the relative humidity within the dynamic carbonator is advantageously between 50% and 100%.
  • recycled concrete aggregates are upgraded to carbonated recycled concrete aggregates which are, as explained above, perfectly suitable as substitutes for natural aggregates to be used in concrete formulations;
  • the 1st fraction in other words the 0/V2 sand, of particle size less than V2 (namely the fines), V2 being between 0.1 mm and 0.2 mm, is used in the manufacture of a clinker.
  • V2 the fines
  • These fines are particularly suitable, as it is a carbon-free material that avoids the decarbonation of natural limestone.
  • the process for recovering recycled concrete aggregates and industrial gaseous discharges makes it possible to recover not only the 2nd fraction of particle size between V2 and V1 to obtain recycled concrete aggregates carbonated at the resulting from accelerated carbonation which are perfectly suitable as substitutes for natural aggregates to be used in concrete formulations, but also the 1st fraction with a grain size less than V2 which is a decarbonated material very suitable in the formulation of clinker .
  • FIG. 1 Figure 1 is a schematic representation of an installation implementing the process for recovering recycled concrete aggregates and industrial gaseous discharges according to the invention.
  • Figure 2 is a histogram of the percentage of carbon dioxide capture obtained from 5 experimental samples comprising sands of different grain sizes.
  • FIG 1 is shown schematically an installation 1 which implements the process for recovering recycled concrete aggregates and industrial gaseous discharges according to the invention.
  • a truck 2 delivers to the installation 1 a sand of recycled concrete aggregates with a particle size less than or equal to 2 mm (in other words a 0/2 sand). This 0/2 sand is transported to a silo 3 thanks to a 1st transport system 4.
  • Installation 1 has an annual recovery capacity of 15,000 tonnes of 0/2 sand. To do this, it is continuously supplied with 0/2 sand, at a rate of approximately 2 tonnes/hour.
  • the silo 3 comprises at its base an extraction system 5 which is configured for:
  • the defillerization loop 6 is broken down into a dynamic separator 7 and a flash drying system 8.
  • the defillerization loop 6 is configured for:
  • the adjustment of the dynamic separator 7 makes it possible to define a particle size cut-off of a determined value V2 which is between 0.1 mm and 0.2 mm.
  • V2 value has been set at 0.15 mm.
  • the 1st fraction represents, in mass percentages, approximately 20% (i.e. 0.4 tonnes/hour) and the 2nd fraction 80% (i.e. 1.6 tonnes/ hour).
  • the 1 st fraction thus obtained and which is therefore dry is then routed using a 2 nd pneumatic conveying system 9 to a kiln 10 of a cement works for the manufacture of clinker.
  • the fines of the 0/2 sand fraction are upgraded in the kiln 10 of a cement plant as a decarbonated material very suitable in the formulation of clinkers.
  • the 2nd fraction (which is therefore also dry) is humidified so that its humidity level is 4% before its introduction at the level of the 1st open end 12 of a dynamic carbonator 11 which comprises besides a 2nd open end 13.
  • Said 1st and 2nd open ends 12, 13 are separated by a rotary section 31 which has a generally cylindrical shape with a length of 6.5 m and a diameter of 1.3 Mr.
  • the humidification of the 2nd fraction can be carried out with an injection rod not shown in FIG. 1. Thanks to the rotation of the rotary section 31 of the dynamic carbonator 11 at a speed of 1.5 revolutions/minute, 2nd fraction advances from the 1st end 12 to the 2nd end 13 of said dynamic carbonator 11. This thus allows the mixing of the bed of material consisting of the 2 nd fraction and its advancement within the rotary section 31 of the dynamic carbonator 11 .
  • the rotary section 31 also has a downward inclination of 2 which is oriented in the direction of advancement of the 2 nd fraction within said rotary section 31 .
  • the residence time of the 2nd fraction in the dynamic carbonator 11 is approximately one hour.
  • This gas stream is at a temperature of 55° C. and has a flow rate of 2000 m 3 /h.
  • the relative humidity within the dynamic carbonator 11 is 75%.
  • the 2 nd fraction is thus swept by the gaseous flow which circulates against the current of the progress of the 2 nd fraction within the rotary section 31 of the dynamic carbonator 11 .
  • the rotary section 31 is equipped at its internal surface with a device for lifting and dispersing the 2nd fraction (not shown in the figure). figure 1 ).
  • a gas stream at a flow rate of 6000 m 3 /hour is taken from the outlet 14 of a kiln 15 for producing clinker from a cement plant.
  • the composition of this gas stream in volume percentages, is as follows: 23% carbon dioxide, 5% oxygen, 65% dinitrogen and 7% water vapour.
  • the temperature of this gas stream is 350°C.
  • This gas flow is conveyed with a 3 rd conveying system 29 to a cooling device which consists of an atomization system 16 comprising nozzles for atomizing air and water so as to be cooled to a temperature of 150°C.
  • this gas stream is conveyed with a 4 th conveying system 30 to a bag filter 17 to be dedusted.
  • This gas stream is then routed with a 5th routing system 18 to an intersection point 19 from which:
  • the gases remaining at the end of the accelerated carbonation and the gases used in the defillerization loop 6 are collected at the outlet 24 of the dynamic separator 7 to be dedusted, then routed through a 9th system of routing 32 to a cement kiln 33 to be reintroduced into the gases of said kiln 33.
  • the gas flow rate supplying the dynamic carbonator 11 is in excess of the maximum potential for capturing carbon dioxide by the recycled concrete aggregates.
  • the installation 1 contributes to the recovery of part of the gaseous discharges from the cement kiln 15 . In fact, 470 kg of carbon dioxide are emitted per tonne of cement produced.
  • the accelerated carbonation installation 1 as described which is capable of carbonateting 15,000 tonnes/year of sand 0/2, contributes to a reduction of the order of 0, 08% of carbon dioxide emissions from this cement plant.
  • the major advantage of installation 1 lies in the recovery of recycled concrete aggregates into carbonated recycled concrete aggregates which are perfectly suitable as substitutes for natural aggregates to be used in concrete formulations.
  • the recycled concrete aggregates obtained at the end of the accelerated carbonation are evacuated at the 2nd end 13 of the dynamic carbonator 11 to be transported, via an endless screw 27 to an elevator at buckets 29, then introduced into a storage silo 26 via a connecting sheath 25.
  • the recycled concrete aggregates are transported via an endless screw 27 to a truck 28 to be transported outside the installation 1.
  • the mass of each of the samples was 500 g.
  • the 5 samples were subjected to accelerated carbonation for a period of one hour in a dynamic carbonator consisting of a sealed laboratory mortar mixer equipped with a gas circulation system, as well as a a heating system.
  • the conditions were as follows:
  • the gas stream was a mixture of 25% vol. carbon dioxide, 70% vol. of nitrogen, 4.7% vol. of oxygen, 0.3% vol. nitrogen dioxide and 500 ppm sulfur dioxide at a temperature of 55°C;
  • the carbon dioxide capture percentage of each of the 5 samples was determined with a carbonate bomb by carrying out an attack with hydrochloric acid on each of the samples 1 to 5 before and after the accelerated carbonation and by measuring the pressure induced by the release of carbon dioxide resulting from this acid attack. “Percentage of carbon dioxide capture of a sample” means the ratio of the mass of carbon dioxide captured by said sample to the mass of said sample.
  • Table 1 below details the carbon dioxide capture percentage for each of the 5 samples.
  • Figure 2 is a histogram of the carbon dioxide capture percentages of samples 1 to 5. In view of Table 1 and Figure 2, it is noted that with identical conditions of accelerated carbonation:
  • the gas stream was a mixture of 3% vol. of carbon dioxide and 97% vol. air at a temperature of 20°C;
  • the carbon dioxide capture percentage for sample no. 1 was 2.8% and that of sample no. 4 was 3.6%.
  • Sample n°6 contained 0/4 sand obtained after crushing concrete aggregates recycled from the demolition of a building. This 0/4 sand was subjected to a separation step consisting of sieving by air jet according to standard NF EN 993-10 with a particle size cut-off of 0.15 mm so as to obtain sample no. a mass of 500 g which contained sand 0.15/4.
  • Samples 6 and 7 were subjected to accelerated carbonation for a period of one hour in the same laboratory mortar mixer as that of the previous series of experiments, under the same accelerated carbonation conditions. than those of the 1st series of experiments.
  • the carbonated sample n°2' was obtained from a 2nd sand 0/2 different, in terms of its physico-chemical properties, from that used for the 1st series of experiments, because obtained after crushing recycled concrete aggregates from the demolition of a building of different origin.
  • This 2nd 0/2 sand was also subjected to a separation step which consisted of sieving by air jet according to standard NF EN 993-10 with the 0.1 mm particle size cut-off so as to obtain a sample no. 2' containing a 0.1/2 sand fraction.
  • Sample no. 2' was subjected to accelerated carbonation under the same conditions as those of sample no. 2 and which are described in the 1st series of experiments so as to obtain sample no. °2' carbonated.
  • Concrete no. 2 was prepared with the same composition of sands and natural aggregates as concrete no. 1, except that 30% of the mass of natural sands was replaced by sand from the sample. n°2' carbonated.
  • the compressive strength of concretes Nos. 1 to 3 was measured according to standard NF EN 12390-3 on test specimens of dimension 11 ⁇ 2.2 cm after 7 and 28 days of wet curing at 20° C.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de carbonatation accélérée comprenant les étapes suivantes : a) on dispose de granulats de béton recyclés de granulométrie inférieure ou égale à une valeur V1 comprise entre 1 mm et 6 mm, autrement dit un sable 0/V1; b) on effectue sur le sable 0/V1 une étape de séparation en définissant une coupure granulométrique d'une valeur V2 comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm de manière à obtenir : - une 1ère fraction dont la granulométrie est inférieure à V2, et - une 2ème fraction dont la granulométrie est comprise entre V2 et V1; c) on soumet la 2ème fraction à une étape de carbonatation accélérée dans un carbonateur dynamique (11) de manière obtenir des granulats de béton recyclés carbonatés. L'invention concerne aussi un procédé de valorisation des déchets de béton et des rejets gazeux industriels mettant en œuvre le procédé de carbonatation accélérée, en particulier des rejets gazeux de cimenterie.

Description

Procédé de carbonatation accélérée et sa mise en œuvre dans un procédé de valorisation de déchets de béton et de rejets gazeux industriels
[0001] La présente invention concerne un procédé de carbonatation accélérée de granulats de béton recyclés, ainsi que la mise en œuvre de ce procédé dans un procédé de valorisation de ces granulats et de gaz à effet de serre émis par une installation industrielle, par exemple une cimenterie.
[0002] En France, la démolition de bâtiments et d’ouvrages édifiés à partir des années 50 est aujourd’hui en plein essor et engendre 300 millions de tonnes de déchets par an, dont environ 36% de matériaux à base de béton. A cet égard, il convient de rappeler que le béton est un mélange comprenant, en masse, environ : 80% de matières inertes minérales, c’est-à-dire les granulats (sous différentes formes : graviers, gravillons et sable), 15% d’un liant (essentiellement du ciment) et 5% d’eau.
[0003] Or, avec environ 2 tonnes par personne et par an, le béton est le matériau manufacturé le plus consommé au monde. La fabrication du béton représente actuellement environ 40% de la consommation totale de granulats. C’est pourquoi, pour des raisons économiques et environnementales, afin d’éviter au maximum de puiser dans les ressources naturelles, il est primordial de valoriser les déchets de matériaux de démolition, et en particulier ceux à base de béton, de manière à obtenir des granulats de béton recyclés qui puissent parfaitement se substituer aux granulats « naturels ».
[0004] De plus, aux déchets de matériaux de démolition à base de béton, s’ajoutent les rebuts de la fabrication de béton, ou autrement dit le béton non conforme car présentant des défauts, ainsi que les excédents de béton non utilisés sur un chantier.
[0005] C’est pourquoi, dans le cadre de la présente invention, on entend par « granulats de béton recyclés », des granulats de béton provenant : de la démolition d’ouvrages ou de bâtiments contenant des éléments de béton, de rebuts de production de béton, ainsi que d’excédents de béton de chantier. Les granulats de béton recyclés sont obtenus par concassage et criblage de béton existant pouvant se présenter sous la forme de blocs et/ou gravats. Les granulats de béton recyclés sont donc composés de l’ancien granulat naturel qui est rattaché à l’ancienne pâte cimentaire. En outre, dans le squelette granulaire de ce béton, on distingue les deux types de fractions suivantes :
- la fraction « grossière » qui contient des granulats dont les dimensions sont supérieures à 6 mm (ou autrement dit des granulats de granulométrie supérieure à 6 mm) ;
- la fraction « sable » qui contient des granulats dont les dimensions sont inférieures ou égales à 6 mm (ou autrement dit des granulats de granulométrie inférieure ou égale à 6 mm).
[0006] Ainsi, les déchets de matériaux à base de béton constituent une matière première importante que l’industrie du bâtiment cherche actuellement à valoriser pour fabriquer de nouveaux matériaux destinés à la construction, et ce, selon un cercle vertueux écologique. [0007] Cependant, pour que des granulats de béton recyclés constituent des substituts intéressants aux granulats naturels, il est essentiel que le béton comprenant des granulats de béton recyclés présente des propriétés mécaniques équivalentes, voire même meilleures que celles du béton obtenu à partir de granulats naturels. Or, les granulats de béton recyclés présentent une plus forte porosité au niveau de leur microstructure qui constitue un frein technologique à leur utilisation comme substituts aux granulats naturels. En effet, cette forte porosité engendre une absorption d’eau plus importante ; ce qui amoindrit les propriétés mécaniques du béton résultant.
[0008] Il est certes connu de pallier ce problème de porosité en soumettant les granulats de béton recyclés à une carbonatation accélérée, à savoir en les soumettant à un flux gazeux contenant du dioxyde de carbone.
[0009] Dans le cadre de la présente invention, on entend par « carbonatation accélérée », un processus de carbonatation mis en œuvre par un dispositif (notamment un dispositif de laboratoire ou industriel) qui se distingue donc de la carbonatation naturelle telle que définie ci-dessous.
[0010] Lors de la fabrication du béton, le ciment réagit avec l’eau de telle sorte que des hydrates de silice et de calcium se forment. Ces hydrates confèrent la résistance mécanique au béton. Or, ces hydrates ne sont pas parfaitement stables au cours du temps : ils se carbonatent naturellement en absorbant lentement le dioxyde de carbone atmosphérique et se retransforment en calcaire et en gel de silice. Toutefois, ce phénomène de carbonatation naturelle se produit très lentement (sur plusieurs décennies) et essentiellement en surface du matériau de construction à base de béton. De plus, les quantités de dioxyde de carbone captées restent limitées, puisqu’elles ne dépassent pas les 15 à 20 % d’émissions de dioxyde de carbone qui se produisent lors de la réalisation du béton.
[0011] Les granulats de béton recyclés étant composés en partie de pâte cimentaire qui contient donc ces hydrates formés lors de l’hydratation du ciment, ce sont ces hydrates qui ont la capacité de se carbonater lorsqu’on soumet lesdits granulats de béton recyclés à une carbonatation accélérée.
[0012] Cependant l’efficacité et l’optimisation de la carbonatation accélérée (à savoir ses performances de captation de dioxyde de carbone ayant notamment pour effet la réduction de la porosité au niveau de la microstructure des granulats de béton recyclés, ainsi que sa rapidité de mise en œuvre) dépendent d’un nombre important de paramètres tels que notamment la granulométrie des granulats, le dispositif de mise en contact desdits granulats avec le flux gazeux, la température, l’humidité et la pression qu’il convient de sélectionner pour que cette efficacité soit la meilleure possible. Or, il n’est pas du tout aisé de choisir et de combiner les bons paramètres pour une mise en œuvre de la carbonatation accélérée de manière optimale. C’est pourquoi, cette technique connue de la carbonatation accélérée fait toujours l’objet de recherches intenses afin d’en améliorer son efficacité pour valoriser non seulement des granulats de béton recyclés mais également des rejets gazeux industriels.
[0013] En effet, de nombreuses industries, parmi lesquelles figure l’industrie cimentière, sont soumises au système d’échanges de quotas d’émissions institué par l’Union Européenne dans le cadre de la lutte contre le changement climatique. Ce système repose sur un principe de plafonnement et d’échanges de droits d’émissions. Un plafond est fixé pour limiter le niveau total de certains gaz à effet de serre émis par les industries couvertes par ce système. Ce plafond diminue progressivement au cours des années afin de faire baisser les émissions de gaz à effet de serre. Dans les limites de ce plafond, les industries reçoivent ou achètent des quotas d’émissions qu’elles peuvent échanger avec d’autres industries en fonction de leurs besoins.
[0014] Par exemple, lors de la fabrication du ciment, l’industrie cimentière émet des gaz à effet de serre (à savoir du dioxyde de carbone) en sortie de four de fabrication de clinker. C’est pourquoi, compte tenu de ce système de quotas d’émission de l’Union Européenne et de l’abaissement constant du plafond d’émission, il est essentiel pour l’industrie cimentière de valoriser ses émissions de gaz à effet de serre en mettant en œuvre des solutions techniques et écologiques qui revalorisent ces émissions de dioxyde de carbone.
[0015] Ainsi, au vu de ces problématiques écologiques exposées ci-dessus quant à la valorisation d’une part des déchets de béton et d’autre part des rejets de gaz à effet de serre, il serait intéressant de disposer d’un procédé industriel qui puisse valoriser simultanément et de manière efficace ces deux types de déchets solides et gazeux.
[0016] A cet égard, la demande WO 2019/115722 A1 propose une solution technique qui répond à ce besoin, puisqu’elle décrit un procédé de fabrication d’un matériau cimentaire supplémentaire pouvant se substituer au ciment à partir de gaz d’échappement contenant du dioxyde de carbone et de granulats de béton recyclés dont le paramètre D»c est inférieur ou égal à 1 000 pm (ou autrement dit 90% de ces granulats ont une granulométrie inférieure ou égale à 1 000 pm). Ce procédé consiste à mettre en contact lesdits granulats de béton recyclés stockés sous la forme d’une pile ou dans un silo avec le gaz d’échappement de manière à obtenir un matériau carbonaté qui est ensuite désaggloméré pour obtenir ledit matériau cimentaire supplémentaire.
[0017] Comme cela est expliqué dans la demande de brevet WO 2019/115722 A1 , il est tout à fait préférable, afin d’améliorer l’efficacité et la rapidité de la carbonatation, que le paramètre D»c des granulats de béton recyclés soit inférieur ou égal à 100 pm. En outre, le produit obtenu à l’issue du procédé décrit dans cette demande de brevet WO 2019/115722 A1 est un substitut au ciment. Or, comme cela a été expliqué ci-dessus, la fabrication du béton représentant actuellement environ 40% de la consommation totale de granulats, il serait intéressant de transformer les granulats de béton recyclés en un substitut des granulats naturels afin d’éviter de puiser dans les ressources naturelles de granulats.
[0018] Les inventeurs de la présente invention ont cherché à optimiser les paramètres de la carbonatation accélérée pour la rendre plus efficace de manière à valoriser des granulats de béton recyclés pour obtenir directement, à savoir sans étape supplémentaire telle qu’une étape de désagglomération décrite dans la demande de brevet WO 2019/115722 A1 , des granulats carbonatés qui sont parfaitement appropriés en tant que substituts aux granulats naturels. Les inventeurs de la présente invention ont en outre cherché à intégrer leur procédé de carbonatation accélérée dans un procédé de valorisation des déchets de granulats de béton recyclés et de rejets de gaz à effet de serre, notamment des émissions gazeuses de four de cimenterie pour la fabrication de clinker.
[0019] L’invention a ainsi pour premier objet un procédé de carbonatation accélérée qui se caractérise en ce qu’il comprend au moins les étapes suivantes : a) on dispose de granulats de béton recyclés dont la granulométrie est inférieure ou égale à une valeur déterminée Vi qui est comprise entre 1 mm et 6 mm, autrement dit un sable 0/Vi ; b) on effectue sur le sable 0/Vi une étape de séparation en définissant une coupure granulométrique d’une valeur V2 déterminée qui est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm de manière à obtenir :
- une 1ère fraction dont la granulométrie est inférieure à V2, autrement dit un sable 0/V2, et
- une 2ème fraction dont la granulométrie est comprise entre V2 et V1, autrement dit un sable V2/V1 ; c) on soumet la 2ème fraction à une étape de carbonatation accélérée dans un carbonateur dynamique par mise en contact de ladite 2ème fraction avec un flux gazeux contenant du dioxyde de carbone de manière à obtenir des granulats de béton recyclés carbonatés.
[0020] Dans le cadre de la présente invention, on entend par « carbonateur dynamique », un dispositif de carbonatation accélérée qui est configuré pour que, lors de l’étape c) dudit procédé, la 2ème fraction soit en mouvement au sein dudit dispositif de carbonatation accélérée (par exemple au moyen d’un dispositif de relevage et de dispersion) et/ou que ledit dispositif de carbonatation accélérée soit en mouvement.
[0021] Dans un mode de réalisation de l’invention, le carbonateur dynamique comporte :
- une 1ère extrémité ouverte par laquelle est introduite la 2ème fraction,
- une 2ème extrémité ouverte par laquelle est introduit le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone, lesdites 1ère et 2ème extrémités ouvertes sont séparées par un tronçon rotatif s’étendant selon une direction longitudinale sensiblement horizontale et au sein duquel la 2ème fraction est avancée de la 1ère extrémité ouverte à la 2ème extrémité ouverte et le flux gazeux circule à contre-courant de l’avancement de la 2ème fraction.
[0022] L’introduction de la 2ème fraction par la 1ère extrémité ouverte peut être réalisée de manière séquentielle ou de préférence en continu.
[0023] Dans un mode de réalisation préféré de l’invention, le tronçon présente une forme générale cylindrique.
[0024] Les granulats de béton recyclés de l’étape a) sont un sable 0/V1 ou autrement dit des granulats de béton recyclés dont la granulométrie est comprise entre une valeur proche de 0 et une valeur V1 qui peut être comprise entre 1 mm et 6 mm, de préférence entre 1 ,5 et 4 mm, plus préférentiellement comprise entre 2 mm et 4 mm. A titre d’exemples préférés de la présente invention, les granulats de béton recyclés de l’étape a) sont un sable 0/2 ou un sable 0/4. [0025] La 1ère fraction comprend la fraction des fines du sable 0/Vi de l’étape a). Plus précisément, lesdites fines ont une granulométrie inférieure à V2, V2 étant compris entre 0,1 mm et 0,2 mm. En d’autres termes, les fines ont une granulométrie comprise entre une valeur proche de 0 et environ V2, la valeur V2 étant exclue.
[0026] La 2ème fraction comprend la fraction grossière du sable 0/V1 de l’étape a). En d’autres termes, les granulats de béton recyclés de la 2ème fraction ont une granulométrie comprise entre V2 et V1, les valeurs V2 et V1 étant incluses. La valeur V2 est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm et la valeur V1 est comprise entre 1 mm et 6 mm, de préférence entre 1 ,5 et 4 mm, plus préférentiellement comprise entre 2 mm et 4 mm.
[0027] Les inventeurs ont en effet découvert qu’en soumettant la 2ème fraction de granulats de béton recyclés, ou autrement dit la fraction qui est exempte des fines du sable 0/V1 de l’étape a), à une étape de carbonatation accélérée dans un carbonateur dynamique, ladite carbonatation accélérée était très efficace avec un pourcentage de captation de dioxyde de carbone élevé et permettait ainsi d’obtenir des granulats de béton recyclés carbonatés parfaitement appropriés pour être utilisés en tant que substituts aux granulats naturels dans la fabrication de béton.
[0028] Le pourcentage élevé de captation du dioxyde de carbone a les effets suivants :
- une réduction de la porosité de la microstrucure des granulats de béton recyclés ainsi carbonatés ; ce qui permet de limiter l’absorption de l’eau qui est néfaste à la qualité du béton dans lequel sont incorporés ces granulats ;
- une limitation de la baisse du pH du béton dans lequel sont incorporés ces granulats (ou autrement dit une limitation de l’acidité du béton) ; ce qui permet de limiter la corrosion des aciers des structures en béton armé.
[0029] Le béton obtenu avec ces granulats présente ainsi d’excellentes propriétés mécaniques. Plus précisément, les granulats de béton recyclés carbonatés obtenus avec le procédé de carbonatation accélérée selon l’invention confèrent au béton dans lequel ils sont incorporés une bonne résistance à la compression, de bonnes propriétés de durabilité, notamment une bonne résistance vis-à-vis de la corrosion des armatures en acier qui sont contenues dans le béton, ladite corrosion étant occasionnée par les ions chlorures et le dioxyde de carbone.
[0030] Les inventeurs ont découvert de manière tout à fait surprenante que la sélection d’une coupure granulométrique à une valeur V2 déterminée comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm de manière à extraire la partie des fines du sable 0/V1, favorisait les échanges entre les granulats de béton recyclés restants (autrement dit la 2ème fraction) et le flux gazeux lors de l’étape de carbonatation accélérée au sein du carbonateur dynamique et améliorait ainsi la captation du dioxyde de carbone. Cette découverte de l’extraction de la partie des fines pour carbonater de manière accélérée des granulats de béton recyclés va à l’encontre des connaissances générales dans le domaine technique considéré, et notamment de l’enseignement de la demande de brevet précitée WO 2019/115722 A1 , qui préconisent de privilégier des fractions de granulats de béton recyclés de granulométrie les plus faibles (autrement dit les fractions fines) pour mettre en œuvre la carbonatation accélérée.
[0031] Ainsi au cours de l’étape c) de carbonatation accélérée durant laquelle les granulats de béton recyclés sélectionnés (à savoir la 2ème fraction) sont mis en contact avec le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone, la réaction de carbonatation de la pâte cimentaire résiduelle dans ces granulats se produit.
[0032] Les échanges entre les granulats de béton recyclés et le dioxyde de carbone sont favorisés lorsque le carbonateur dynamique comporte une 1ère extrémité ouverte et une 2ème extrémité ouverte qui sont séparées par un tronçon rotatif s’étendant selon une direction longitudinale sensiblement horizontale comme décrit ci-dessus. Dans ce mode de réalisation de l’invention, ledit tronçon rotatif présente de manière avantageuse une inclinaison descendante orientée dans le sens de l’avancement de la 2ème fraction qui est comprise entre 0,5° et 8°, plus préférentiellement entre 1 ° et 5°. De manière tout à fait préférée, l’inclinaison descendante est de 2°.
[0033] Le tronçon rotatif peut être un cylindre sensiblement incliné présentant une 1ère extrémité ouverte pour l’introduction, de manière séquentielle ou de préférence en continu, de la 2ème fraction de granulats de béton recyclés et une 2ème extrémité ouverte pour l’introduction d’un flux gazeux contenant du dioxyde de carbone. Le cylindre est mis en rotation pour permettre le brassage du lit de matière constituée de la 2ème fraction, ainsi que son avancement dans le cylindre. Ce lit de matière est balayé par le flux gazeux qui avance donc à contre-courant de l’avancement du lit de matière.
[0034] De manière avantageuse, afin d’augmenter la surface d’échange entre la 2ème fraction de granulats de béton recyclés et le flux gazeux, le cylindre est équipé au niveau de sa surface interne d’un dispositif de relevage et de dispersion des granulats de béton recyclés au sein dudit cylindre. Ce dispositif est parfaitement à la portée de l’homme du métier.
[0035] D’autres caractéristiques techniques du carbonateur dynamique et de l’étape de carbonatation accélérée sont décrites ci-après.
[0036] Le carbonateur dynamique de l’étape c) peut consister en un sécheur à tambour rotatif (à savoir un dispositif parfaitement connu et utilisé dans de nombreux secteurs de l’industrie, dont celui des matériaux de construction) qui a été adapté pour la mise en œuvre de la carbonatation accélérée telle que décrite juste ci-dessus. En d’autres termes, la présente invention peut être mise en œuvre avec un sécheur à tambour rotatif qui a été adapté de manière à obtenir un carbonateur dynamique présentant les caractéristiques techniques décrites juste ci-dessus, ainsi que celles décrites ci- après. Des exemples de sécheurs à tambour rotatif pouvant être utilisés dans le cadre de la présente invention sont notamment ceux de la gamme TSM commercialisés par la société Marini- Ermont ou ceux à une enveloppe de la gamme TTD commercialisés par la société Allgaier.
[0037] L’invention a ainsi pour objet l’utilisation d’un sécheur à tambour rotatif pour la mise en œuvre d’une carbonatation accélérée sur des granulats de béton recyclés avec un flux gazeux contenant du dioxyde de carbone. [0038] Les granulats de béton recyclés du sable 0/Vi de l’étape a) peuvent provenir de la démolition d’ouvrages ou de bâtiments contenant des éléments de béton, de rebuts de production de béton ou d’excédents de béton de chantier. Il peut ainsi s’agir de blocs et/ou gravats de béton, éventuellement armés avec une structure en acier, qui sont soumis à différentes étapes successives (ou le cas échéant parfois simultanées) de :
- tri pour extraire les matières en acier,
- concassage, et
- criblage, jusqu’à l’obtention du sable 0/Vi de granulats de béton recylés souhaité.
[0039] L’étape de tri peut être réalisée avec un système de déferraillage comprenant un électro-aimant conçu pour le prélèvement des éléments en acier combiné à une bande de séparation magnétique de déferraillage.
[0040] Par exemple, le concassage peut comprendre une étape de concassage primaire mise en œuvre par un dispositif de concassage qui comprend :
- une trémie de réception, par exemple d’un volume de l’ordre de 15 m3, alimentée par une chargeuse en matériaux de béton recylés et de blocométrie inférieure ou égale à 500 mm ;
- un alimentateur vibrant ;
- un concasseur primaire de type mâchoire ou percussion configuré pour produire des matériaux de béton recyclés dont la blocométrie est inférieure ou égale à une valeur comprise entre 60 mm et 200 mm,
- un convoyeur de sortie.
[0041] Ce dispositif de concassage peut éventuellement être équipé d’un système de déferraillage tel que décrit ci-dessus.
[0042] Ensuite, les matériaux de béton recyclés dont la blocométrie est inférieure ou égale à une valeur comprise entre 60 mm et 200 mm ainsi obtenus peuvent être soumis à une étape de concassage secondaire de manière à obtenir des matériaux de béton recyclés de granulométrie inférieure ou égale à 20 mm. Cette étape de concassage secondaire peut être mise en œuvre dans un deuxième dispositif de concassage qui comprend par exemple :
- un système de dessablage par criblage ;
- un concasseur giratoire effectuant un broyage des matériaux de béton de manière à obtenir la granulométrie inférieure ou égale à 20 mm.
[0043] Les matériaux de béton recyclés ainsi obtenus peuvent être soumis à une ou plusieurs étapes de criblage jusqu’à l’obtention d’un sable 0/Vi. Ces étapes de criblage sont réalisées dans des dispositifs de criblage parfaitement à la portée de l’homme du métier.
[0044] De manière plus générale, l’obtention d’un sable 0/Vi de granulats de béton recyclés à partir de blocs et/ou gravats de béton issus de démolitions et/ou démantèlements d’habitations ou d’ouvrages, de rebuts de fabrication ou d’excès de chantier, est parfaitement à la portée de l’homme du métier. [0045] L’étape b) de séparation peut par exemple être réalisée dans une boucle de défillérisation qui se compose d’un système de séchage flash associé à un séparateur dynamique. Le réglage du séparateur dynamique permet de définir la coupure granulométrique à une valeur V2 déterminée qui est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm.
[0046] Bien entendu, l’étape b) de séparation du procédé de carbonatation accélérée est parfaitement à la portée de l’homme du métier et peut aussi être réalisée dans un dispositif approprié pour la séparation différent de la boucle de défillérisation décrite ci-dessus uniquement à titre d’exemple de mode de réalisation de l’étape b).
[0047] Le temps de séjour dans le carbonateur dynamique de la 2ème fraction peut être compris entre 15 minutes et 12 heures. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, ce temps de séjour est d’une heure.
[0048] Dans le mode de réalisation de l’invention dans lequel le carbonateur dynamique comporte une 1ère et une 2ème extrémités ouvertes qui sont séparées par un tronçon rotatif s’étendant selon une direction longitudinale sensiblement horizontale tel que décrit ci-dessus, la vitesse de rotation dudit tronçon rotatif est avantageusement comprise entre 0,5 tour/minute et 10 tours/minute.
[0049] La température du flux gazeux contenant du dioxyde de carbone est de préférence comprise entre 15°C et 90°C.
[0050] Le pourcentage volumique de dioxyde de carbone dans ledit flux gazeux est compris entre 3% et 100%. Dans un mode de réalisation de l’invention, le flux gazeux contient uniquement du dioxyde de carbone.
[0051] La 2ème fraction de granulats de béton recyclés peut être avantageusement humidifiée avant l’étape c) du procédé de carbonatation selon l’invention, de préférence avec un taux d’humidité n’excédant pas 12%. En d’autres termes, si la 2ème fraction est humidifiée, son taux d’humidité est avantageusement inférieur ou égal à 12%. Dans le mode de réalisation de l’invention dans lequel le carbonateur dynamique comporte une 1ère et une 2ème extrémités ouvertes qui sont séparées par un tronçon rotatif s’étendant selon une direction longitudinale sensiblement horizontale, le carbonateur dynamique peut comprendre au niveau de la 1ère extrémité ouverte une canne d’injection d’eau configurée pour humidifier la 2ème fraction avant la mise en œuvre de l’étape c).
[0052] En outre, l’humidité relative au sein du carbonateur dynamique est avantageusement comprise entre 50% et 100%.
[0053] Le taux d’humidité de la 2ème fraction, ainsi que l’humidité relative au sein du carbonateur dynamique tels que décrits ci-dessus sont appropriés pour l’optimisation de l’étape c) de carbonatation accélérée, à savoir une amélioration de la cinétique de réaction et du pourcentage de captation de dioxyde de carbone.
[0054] Le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone peut consister en des rejets gazeux industriels, de préférence des rejets gazeux d’une industrie de cimenterie. [0055] C’est pourquoi, la présente invention a aussi pour objet un procédé de valorisation de granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels qui se caractérise en ce qu’il met en œuvre le procédé de carbonatation accélérée selon l’invention tel que décrit ci-dessus et en ce que le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone consiste en des rejets gazeux industriels, de préférence des rejets gazeux d’une industrie de cimenterie.
[0056] Ainsi, grâce au procédé de valorisation selon l’invention :
- les granulats de béton recyclés sont revalorisés en des granulats de béton recyclés carbonatés qui sont, comme cela a été expliqué ci-dessus, parfaitement appropriés en tant que substituts aux granulats naturels pour être mis en œuvre dans les formulations de béton ;
- les rejets industriels gazeux sont revalorisés car ils sont utilisés au cours de l’étape c) du procédé de carbonatation accélérée.
[0057] De manière préférée, les rejets gazeux industriels sont des gaz issus d’un four de cimenterie, plus préférentiellement d’un four pour la fabrication de clinker.
[0058] Dans un mode de réalisation de l’invention, les rejets gazeux industriels sont traités de manière à obtenir des gaz traités dont la teneur en dioxyde de carbone a été augmentée par rapport à celle des rejets gazeux industriels initiaux. Les gaz traités ainsi obtenus peuvent être stockés, par exemple en cimenterie, avant leur mise en œuvre dans le procédé de carbonatation accélérée selon l’invention.
[0059] Dans un mode de réalisation du procédé de valorisation selon l’invention, la 1ère fraction, autrement dit le sable 0/V2, de granulométrie inférieure à V2 (à savoir les fines), V2 étant compris entre 0,1 mm et 0,2 mm, est utilisée dans la fabrication d’un clinker. Ces fines sont particulièrement appropriées, car il s’agit d’un matériau décarboné qui évite la décarbonatation du calcaire naturel.
[0060] En d’autres termes, le procédé de valorisation des granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels permet de valoriser non seulement la 2ème fraction de granulométrie comprise entre V2 et V1 pour obtenir des granulats de béton recyclés carbonatés à l’issue de la carbonatation accélérée qui sont parfaitement appropriés en tant que substituts aux granulats naturels pour être mis en œuvre dans les formulations de béton, mais également la 1ère fraction de granulométrie inférieure à V2 qui est un matériau décarboné très approprié dans la formulation de clinker.
[0061] L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en référence au dessin annexé représentant, à titre d’exemple non limitatif, un schéma d’une installation mettant en œuvre le procédé de valorisation de granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels selon l’invention, ainsi que des résultats expérimentaux mettant en œuvre une carbonatation accélérée selon l’invention.
[0062] [Fig. 1] La figure 1 est une représentation schématique d’une installation mettant en œuvre le procédé de valorisation de granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels selon l’invention. [0063] [Fig. 2] La figure 2 est un histogramme du pourcentage de captation de dioxyde de carbone obtenus à partir de 5 échantillons expérimentaux comprenant des sables de granulométries différentes.
[0064] Sur la figure 1 est représentée de manière schématique une installation 1 qui met en œuvre le procédé de valorisation de granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels selon l’invention. Un camion 2 livre à l’installation 1 un sable de granulats de béton recyclés de granulométrie inférieure ou égale à 2 mm (autrement dit un sable 0/2). Ce sable 0/2 est acheminé jusqu’à un silo 3 grâce un 1er système d’acheminement 4.
[0065] L’installation 1 a une capacité annuelle de valorisation de 15 000 tonnes de sable 0/2. Pour ce faire, elle est alimentée en continu en sable 0/2, à raison d’environ 2 tonnes/heure.
[0066] Le silo 3 comprend à sa base un système d’extraction 5 qui est configuré pour :
- alimenter en sable 0/2, par l’intermédiaire d’une vis sans fin 27, une boucle de défillérisation 6,
- ainsi qu’ajuster le débit de ladite boucle de défillérisation 6 en sable 0/2.
[0067] La boucle de défillérisation 6 se décompose en un séparateur dynamique 7 et un système de séchage flash 8. La boucle de défillérisation 6 est configurée pour :
- séparer le sable 0/2 en une 1ère fraction dite sable 0/0,15 de granulométrie inférieure à 0,15 mm et une 2ème fraction, dite sable 0,15/2 de granulométrie comprise entre 0,15 mm et 2 mm, et
- sécher ces deux fractions.
[0068] Plus précisément, le réglage du séparateur dynamique 7 permet de définir une coupure granulométrique d’une valeur V2 déterminée qui est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. Dans le cas présent, la valeur V2 a été fixée à 0,15 mm.
[0069] A l’issue de l’étape de séparation, la 1ère fraction représente, en pourcentages massiques, environ 20% (soit 0,4 tonne/heure) et la 2ème fraction 80% (soit 1 ,6 tonne/heure).
[0070] La 1ère fraction ainsi obtenue et qui est donc sèche est ensuite acheminée grâce à un 2ème système d’acheminement pneumatique 9 vers un four 10 d’une cimenterie pour la fabrication de clinker. De cette manière, les fines de la fraction sable 0/2 sont revalorisées dans le four 10 d’une cimenterie en tant que matière décarbonée très appropriée dans la formulation des clinkers.
[0071] La 2ème fraction (qui est donc également sèche) est humidifiée de telle sorte que son taux d’humidité soit de 4% avant son introduction au niveau de la 1ère extrémité ouverte 12 d’un carbonateur dynamique 11 qui comporte en outre une 2ème extrémité ouverte 13. Lesdites 1ère et 2ème extrémités ouvertes 12, 13 sont séparées par un tronçon rotatif 31 qui présente une forme générale cylindrique d’une longueur de 6,5 m et d’un diamètre de 1 ,3 m. L’humidification de la 2ème fraction peut être réalisée avec une canne d’injection non représentée sur la figure 1. Grâce à la mise en rotation du tronçon rotatif 31 du carbonateur dynamique 11 à une vitesse de 1 ,5 tour/minute, la 2ème fraction avance de la 1ère extrémité 12 à la 2ème extrémité 13 dudit carbonateur dynamique 11. Cela permet ainsi le brassage du lit de matière constitué de la 2ème fraction et son avancement au sein du tronçon rotatif 31 du carbonateur dynamique 11 .
[0072] Le tronçon rotatif 31 présente en outre une inclinaison descendante de 2 qui est orientée dans le sens d’avancement de la 2ème fraction au sein dudit tronçon rotatif 31 .
[0073] Le temps de séjour de la 2ème fraction dans le carbonateur dynamique 11 est d’une heure environ.
[0074] De plus, un flux gazeux contenant un mélange qui comprend, en pourcentages volumiques : 23% de dioxyde de carbone, 5% de dioxygène, 65% de dioazote et 7% de vapeur d’eau, est injecté au niveau de la 2ème extrémité 13 du carbonateur dynamique 11. Son origine est expliquée plus en détail ci-après. Ce flux gazeux est à une température de 55°C et a un débit de 2000 m3/h. L’humidité relative au sein du carbonateur dynamique 11 est de 75%.
[0075] La 2ème fraction est ainsi balayée par le flux gazeux qui circule à contre-courant de l’avancement de la 2ème fraction au sein du tronçon rotatif 31 du carbonateur dynamique 11 . Afin d’augmenter la surface d’échange entre la 2ème fraction et le flux gazeux, le tronçon rotatif 31 est équipé au niveau de sa surface interne d’un dispositif de relevage et de dispersion de la 2ème fraction (non représenté sur la figure 1 ).
[0076] Un flux gazeux à un débit de 6000 m3/heure est prélevé à la sortie 14 d’un four 15 de fabrication de clinker d’une cimenterie. La composition de ce flux gazeux, en pourcentages volumiques, est la suivante : 23% de dioxyde de carbone, 5% de dioxygène, 65% de dioazote et 7% de vapeur d’eau. La température de ce flux gazeux est de 350°C. Ce flux gazeux est acheminé avec un 3ème système d’acheminement 29 jusqu’à un dispositif de refroidissement qui consiste en un système d’atomisation 16 comprenant des buses pour atomiser de l’air et de l’eau de manière à être refroidi à une température de 150°C. Ensuite, ce flux gazeux est acheminé avec un 4ème système d’acheminement 30 jusqu’à un filtre à manches 17 pour être dépoussiéré. Ce flux gazeux est ensuite acheminé avec un 5ème système d’acheminement 18 jusqu’à un point d’intersection 19 à partir duquel :
- une 1ère partie de ce flux gazeux présentant un débit de 4000 m3/heure est acheminée avec un 6ème système d’acheminement 20 jusqu’à la boucle de défillérisation 6 pour y être injecté et
- une 2ème partie de ce flux gazeux présentant un débit de 2000 m3/h est acheminée avec un 7ème système d’acheminement 21 dans un dispositif de refroidissement 22 consistant en un échangeur de chaleur air-air pour le refroidir à une température de 55°C. Le flux gazeux ainsi refroidi est ensuite acheminé avec un 8ème système d’acheminement 23 jusqu’à la 2ème extrémité 13 du carbonateur dynamique 11 . Il s’agit du flux gazeux qui est introduit dans le carbonateur dynamique 11 pour la mise en œuvre de la carbonatation accélérée et qui a été décrit ci-dessus.
[0077] Ensuite, les gaz restants à l’issue de la carbonatation accélérée et les gaz utilisés dans la boucle de défillérisation 6 sont collectés à la sortie 24 du séparateur dynamique 7 pour être dépoussiérés, puis acheminés grâce à un 9ème système d’acheminement 32 jusqu’à un four 33 de cimenterie pour être réintroduits dans les gaz dudit four 33. [0078] Dans cette installation 1 , le débit de flux gazeux alimentant le carbonateur dynamique 11 est en excès par rapport au potentiel maximal de captation du dioxyde de carbone par les granulats de béton recyclés. Ainsi, l’installation 1 contribue à la valorisation d’une partie des rejets gazeux du four 15 de cimenterie. En effet, il est émis 470 kg de dioxyde de carbone par tonne de ciment produite. Si la cimenterie produit un million de tonnes de ciment par an, l’installation 1 de carbonatation accélérée telle que décrite qui est capable de carbonater 15 000 tonnes/an de sable 0/2, contribue à une réduction de l’ordre de 0,08 % des émissions de dioxyde de carbone de cette cimenterie.
[0079] L’intérêt majeur de l’installation 1 réside dans la valorisation des granulats de béton recyclés en des granulats de béton recyclés carbonatés qui sont parfaitement appropriés en tant que substituts aux granulats naturels pour être mis en œuvre dans les formulations de béton.
[0080] Les granulats de béton recyclés obtenus à l’issue de la carbonatation accélérée sont évacués à la 2ème extrémité 13 du carbonateur dynamique 11 pour être acheminés, par l’intermédiaire d’une vis sans fin 27 jusqu’à un élévateur à godets 29, puis introduits dans un silo 26 de stockage par l’intermédiaire d’une gaine de liaison 25.
[0081] Les granulats de béton recyclés sont acheminés par l’intermédiaire d’une vis sans fin 27 jusqu’à un camion 28 pour être transportés en dehors de l’installation 1.
[0082] PARTIE EXPERIMENTALE :
[0083] Des expérimentations ont été réalisées afin de démontrer l’impact sur le pourcentage de captation du dioxyde de carbone d’échantillons constitués de granulats de béton recyclés dans lesquels les fines ont été extraites à l’issue d’une carbonatation accélérée, ainsi que les propriétés de bétons obtenus avec ces échantillons carbonatés.
[0084] 1ère série expérimentations
[0085] Dans une 1ère série d’expérimentations, un sable 0/2 obtenu après concassage de granulats de béton recyclés provenant d’une démolition d’un bâtiment a été soumis à des étapes de séparation consistant en 4 tamisages par jet d’air selon la norme NF EN 993-10 avec les coupures granulométriques suivantes : 0,1 mm, 0,125 mm, 0,15 mm et 0,02 mm de manière à préparer les 5 échantillons suivants :
- 1er échantillon contenant la fraction sable 0/2 initiale ;
- 2ème échantillon contenant une fraction sable 0,1/2 ;
- 3ème échantillon contenant une fraction sable 0,125/2 ;
- 4ème échantillon contenant une fraction sable 0,15/2 ;
- 5ème échantillon contenant un fraction sable 0,2/2.
[0086] La masse de chacun des échantillons était de 500 g.
[0087] Les 5 échantillons ont été soumis à une carbonatation accélérée pendant une durée d’une heure dans un carbonateur dynamique consistant en un malaxeur à mortier de laboratoire rendu étanche et équipé d’un système de circulation pour le gaz, ainsi que d’un système de chauffage. Les conditions étaient les suivantes :
- le flux gazeux était un mélange de 25 % vol. de dioxyde de carbone, 70 % vol. de diazote, 4,7 % vol. de dioxygène, 0,3 % vol. de dioxyde d’azote et 500 ppm de dioxyde de soufre à une température de 55°C ;
- un taux d’humidité des échantillons de 4,5 % ;
- une humidité relative au sein du malaxeur de 95 % ;
- une vitesse de malaxage de 10 tours/minute.
[0088] A l’issue de cette carbonatation accélérée, on a ainsi obtenu 5 échantillons carbonatés. En d’autres termes, la captation du dioxyde de carbone par les 5 échantillons au cours de cette carbonatation accélérée a permis d’obtenir 5 échantillons carbonatés.
[0089] Le pourcentage de captation de dioxyde de carbone de chacun des 5 échantillons a été déterminé avec une bombe à carbonates en effectuant une attaque avec de l’acide chlorhydrique sur chacun des échantillons 1 à 5 avant et après la carbonatation accélérée et en mesurant la pression induite par le dégagement du dioxyde de carbone résultant de cette attaque acide. Par « pourcentage de captation de dioxyde de carbone d’un échantillon », on entend le ratio de la masse de dioxyde de carbone capté par ledit échantillon sur la masse dudit échantillon.
[0090] Plus précisément, le protocole suivant a été mis en œuvre :
- 0,8 g de l’échantillon à analyser ont été transférés dans le récipient de réaction de la bombe à carbonates ;
- 5 mL d’une solution d’acétate de calcium à 5 % en volume ont été ajoutés dans le récipient ;
- 5 mL d’une solution d’acide chlorhydrique à 37% en volume ont été versés doucement dans le récipient de réaction ;
- la bombe à carbonates a été remuée lentement pendant une durée comprise entre 1 et 10 minutes.
[0091] Le dioxyde de carbone dégagé pendant l’attaque acide des carbonates a augmenté la pression au sein de la bombe à carbonates.
[0092] Le tableau 1 ci-dessous détaille le pourcentage de captation de dioxyde de carbone pour chacun des 5 échantillons.
[0093] [Tableau 1]
[0094] La figure 2 est un histogramme des pourcentages de captation du dioxyde de carbone des échantillons n°1 à 5. [0095] Au vu du tableau 1 et de la figure 2, on relève qu’avec des conditions identiques de carbonatation accélérée :
- Les échantillons n°2 à 5 ont une meilleure captation du dioxyde de carbone que l’échantillon n°1 . Cela témoigne de l’impact sur l’efficacité de la carbonatation accélérée lorsque les fines de granulométrie inférieure à une valeur V2 déterminée qui est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm ont été extraites de la fraction sable 0/2.
- La meilleure captation du dioxyde carbone (3,1 %) est obtenue avec l’échantillon n°4, à savoir avec le sable 0,15/2 ou autrement dit une fraction qui a été obtenue à partir du sable 0/2 en en retirant les fines de granulométrie inférieure à 0,15 mm. Ce pourcentage de captation du dioxyde de carbone est bien supérieur à celui du sable 0/2 qui est de 1 ,4%.
2ème série d’expérimentations
[0096] Dans une 2ème série d’expérimentations, le sable 0/2 a été soumis à une carbonatation accélérée dans les mêmes conditions que pour la 1ère série d’expérimentations à la seule exception que le malaxeur à mortier de laboratoire est demeuré statique. La carbonatation accélérée a donc été effectuée en statique sans brassage du sable 0/2.
[0097] Au bout d’une heure, le pourcentage de captation de dioxyde de carbone était de 0,8 % et au bout de deux heures, il était de 1 %.
[0098] Ainsi, cette 2ème série d’expérimentations témoigne de l’impact bénéfique sur le pourcentage de captation du dioxyde de carbone lorsque le carbonateur est dynamique ou autrement dit mis en mouvement. Cela favorise en effet les échanges entre les granulats de béton recyclés et le flux gazeux.
[0099] 3ème série d’expérimentations
[0100] Dans une 3ème série d’expérimentations, les échantillons n°1 et 4 contenant respectivement le sable 0/2 et le sable 0,15/2 ont été soumis à une carbonatation accélérée pendant une durée de 28 jours dans le même malaxeur à mortier de laboratoire que celui des 1ère et 2ème séries d’expérimentations et qui est demeuré statique. Les conditions étaient les suivantes :
- le flux gazeux était un mélange de 3% vol. de dioxyde de carbone et de 97% vol. d’air à une température de 20°C ;
- un taux d’humidité initial des échantillons de 5% ;
- une humidité relative au sein de l’enceinte de carbonatation de 65%.
[0101] Le pourcentage de captation de dioxyde de carbone pour l’échantillon n°1 était de 2,8% et celui de l’échantillon n°4 était de 3,6%.
[0102] Cette 3ème série d’expérimentations témoigne aussi de l’effet positif sur l’efficacité de la carbonatation accélérée lorsque les fines ont été extraites du sable 0/2.
[0103] 4ème série d’expérimentations
[0104] Dans une 4ème série d’expérimentations, un échantillon n°6 et un échantillon n°7 ont été préparés. L’échantillon n°6 contenait du sable 0/4 obtenu après concassage de granulats de béton recyclés provenant d’une démolition d’un bâtiment. Ce sable 0/4 a été soumis à une étape de séparation consistant en un tamisage par jet d’air selon la norme NF EN 993-10 avec une coupure granulométrique de 0,15 mm de manière à obtenir l’échantillon n°7 d’une masse de 500 g qui contenait du sable 0,15/4.
[0105] Les échantillons n°6 et 7 ont été soumis à une carbonatation accélérée pendant une durée d’une heure dans le même malaxeur à mortier de laboratoire que celui des précédentes séries d’expérimentations, et ce dans les mêmes conditions de carbonatation accélérée que celles de la 1ère série d’expérimentations.
[0106] Le pourcentage de captation de dioxyde de carbone pour :
- l’échantillon n°6 (sable 0/4) était de 2,3% ;
- l’échantillon n°7 (sable 0,15/4) était de 3,6%.
[0107] Cette 4ème série d’expérimentations témoigne encore de l’effet bénéfique sur le pourcentage de captation du dioxyde de carbone, lorsque les fines (autrement dit les granulats de béton recyclés de granulométrie inférieure à 0,15 mm) ont été extraites du sable 0/4.
[0108] 5ème série d’expérimentations
[0109] Au cours de cette 5ème série d’expérimentations, les propriétés d’un béton préparé avec l’échantillon n°2 carbonaté de la 1ère série d’expérimentations (autrement dit un sable 0,1/2 qui a été carbonaté) ont été comparées avec celles d’un béton préparé un sable naturel classiquement utilisé.
[0110] Plus précisément, pour cette 5ème série d’expérimentations, on a utilisé :
- l’échantillon n°2 carbonaté de la 1ère série d’expérimentation ;
- un échantillon n°2’ carbonaté.
[0111] L’échantillon n°2’ carbonaté a été obtenu à partir d’un 2ème sable 0/2 différent, au niveau de ses propriétés physico-chimiques, de celui utilisé pour la 1ère série d’expérimentations, car obtenu après concassage de granulats de béton recyclés provenant d’une démolition d’un bâtiment d’origine différente.
[0112] Ce 2ème sable 0/2 a aussi été soumis à une étape de séparation qui consistait en un tamisage par jet d’air selon la norme NF EN 993-10 avec la coupure granulométrique 0,1 mm de manière à obtenir un échantillon n°2’ contenant une fraction sable 0,1/2.
[0113] L’échantillon n°2’ a été soumis à une carbonatation accélérée dans les mêmes conditions que celles de l’échantillon n°2 et qui sont décrites dans la 1ère série d’expérimentations de manière à obtenir l’échantillon n°2’ carbonaté.
[0114] Préparation des bétons n°1 à 3 :
[0115] Trois bétons (béton n°1 , béton n°2 et béton n°3) ont été préparés selon un procédé classique de fabrication de béton.
[0116] Plus précisément, le béton n°1 a été préparé avec notamment des sables et granulats naturels. [0117] Le béton n°2 a été préparé avec la même composition de sables et granulats naturels que le béton n°1 , à l’exception que 30 % de la masse de sables naturels ont été remplacés par du sable de l’échantillon n°2 carbonaté.
[0118] Le béton n°2 a été préparé avec la même composition de sables et granulats naturels que le béton n°1 , à l’exception que 30 % de la masse de sables naturels ont été remplacés par du sable de l’échantillon n°2’ carbonaté.
[0119] Propriétés des bétons n°1 à 3 :
[0120] Compte tenu de la quantité de sables naturels susbtitués dans les bétons n°2 et n°3 par du sable carbonaté, à savoir du sable provenant respectivement des échantilllons n°2 et n°2’ carbonatés, ainsi que du taux de dioxyde carbone qui a été capté au cours de la carbonatation accélérée lors de la préparation de ces sables carbonatés des échantillons n°2 et n°2’ carbonatés, les bétons n°2 et n°3 présentent un bilan carbone diminué de respectivement 10,8 % et 8,5 % par rapport à celui du béton n°1.
[0121] Les bétons n°2 et n°3 ne présentent pas le même pourcentage de diminution de bilan carbone. Cela s’explique par les origines différentes précitées des sables 0/2 qui ont été utilisés pour l’obtention des échantillons n°2 et n°2’ carbonatés. L’écart de pourcentages de 2,3 % n’est pas surprenant compte tenu des origines différentes des deux sables 0/2 et donc de leurs différences de propriétés physico-chimiques. On relève ainsi que l’échantillon n°2 a plus capté de dioxyde de carbone que l’échantillon n°2’ au cours de la carbonatation accélérée.
[0122] La résistance à la compression des bétons n°1 à 3 a été mesurée selon la norme NF EN 12390-3 sur des éprouvettes de dimension 11 x2 2 cm après 7 et 28 jours de cure humide à 20°C.
[0123] Le tableau 2 ci-dessous détaille la résistance à la compression (exprimée en MPa) à 7 jours et 28 jours pour les bétons n°1 à 3.
[0124] [Tableau 2]
[0125] Au vu du tableau 2, on relève que la résistance à la compression des bétons n°2 et n°3 est équivalente à celle du béton n°1. Après 7 jours, la résistance à la compression des bétons n°2 et n°3 est très proche de celle du béton n°1 et après 28 jours, la résistance à la compression du béton n°3 est légèrement meilleure que celle du béton n°1.
[0126] Ainsi, ces expérimentations de laboratoire montrent que les bétons obtenus à partir de sables dont une partie des sables naturels ont été substitués par des sables carbonatés obtenus à l’issue d’une carbonatation accélérée effectuée sur des sables de granulométrie 0,1/2 (autrement dit des sables dans lesquels les fines de granulométrie inférieure à 0,1 ont été extraites) présentent des propriétés mécaniques équivalentes à celles des bétons obtenus à partir de sables naturels.
[0127] Ces expérimentations démontrent que le procédé de carbonatation accélérée de granulats de béton récyclés est une solution efficace pour obtenir des granulats de béton recyclés qui sont parfaitement appropriés en tant que substituts au granulats naturels pour être mis en œuvre dans les formulations de béton.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de carbonatation accélérée, caractérisée en ce qu’il comprend au moins les étapes suivantes : a) on dispose de granulats de béton recyclés dont la granulométrie est inférieure ou égale à une valeur déterminée Vi qui est comprise entre 1 mm et 6 mm, autrement dit un sable 0/Vi ; b) on effectue sur le sable 0/Vi une étape de séparation en définissant une coupure granulométrique d’une valeur V2 déterminée qui est comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm de manière à obtenir :
- une 1ère fraction dont la granulométrie est inférieure à V2, autrement dit un sable 0/V2, et
- une 2ème fraction dont la granulométrie est comprise entre V2 et V1, autrement dit un sable V2/V1 ; c) on soumet la 2ème fraction à une étape de carbonatation accélérée dans un carbonateur dynamique (11 ) par mise en contact de ladite 2ème fraction avec un flux gazeux contenant du dioxyde de carbone de manière à obtenir des granulats de béton recyclés carbonatés.
2. Procédé de carbonatation accélérée selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les granulats de béton recyclés du sable 0/V1 de l’étape a) proviennent de la démolition d’ouvrages ou de bâtiments contenant des éléments de béton, de rebuts de production de béton ou d’excédents de béton de chantier.
3. Procédé de carbonatation accélérée selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le temps de séjour dans le carbonateur dynamique (11 ) de la 2ème fraction est compris entre 15 minutes et 12 heures.
4. Procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température du flux gazeux contenant du dioxyde de carbone est comprise entre 15°C et 90°C.
5. Procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le pourcentage volumique de dioxyde de carbone dans ledit flux gazeux est compris entre 3% et 100%.
6. Procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la 2ème fraction est humidifiée avant l’étape c) avec un taux d’humidité inférieur ou égal à 12%.
7. Procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l’humidité relative au sein du carbonateur dynamique (11 ) est comprise entre 50% et 100%.
8. Procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le carbonateur dynamique (11 ) comporte :
- une 1ère extrémité ouverte (12) par laquelle est introduite la 2ème fraction,
- une 2ème extrémité ouverte (13) par laquelle est introduit le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone, lesdites 1ère et 2ème extrémités ouvertes (12,13) sont séparées par un tronçon rotatif (31 ) s’étendant selon une direction longitudinale sensiblement horizontale et au sein duquel la 2ème fraction est avancée de la 1ère extrémité (12) à la 2ème extrémité (13) et le flux gazeux circule à contre-courant de l’avancement de la 2ème fraction.
9. Procédé de carbonatation accélérée selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tronçon rotatif (31 ) présente une inclinaison descendante orientée dans le sens de l’avancement de la 2ème fraction qui est comprise entre 0,5° et 8°, plus préférentiellement entre 1 ° et 5.
10. Procédé de carbonatation accélérée selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du tronçon rotatif (31 ) du carbonateur dynamique (1 1 ) est comprise entre 0,5 tour/minute et 10 tours/minute.
11. Procédé de valorisation de granulats de béton recyclés et de rejets gazeux industriels, caractérisé en ce qu’il met en œuvre le procédé de carbonatation accélérée selon l’une quelconque des revendications 1 à 10 et en ce que le flux gazeux contenant du dioxyde de carbone consiste en des rejets gazeux industriels, de préférence des rejets gazeux d’une industrie de cimenterie.
12. Procédé de valorisation selon la revendication 1 1 , caractérisé en ce que les rejets gazeux industriels sont des gaz issus d’un four de cimenterie, de préférence d’un four pour la fabrication de clinker.
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