FR3105975A1 - Élaboration de matériaux céramique fabriqués à partir de déchets réfractaires pour applications de stockage d’énergie thermique à température élevée - Google Patents

Élaboration de matériaux céramique fabriqués à partir de déchets réfractaires pour applications de stockage d’énergie thermique à température élevée Download PDF

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Mike James TINER
Nicolas LOPEZ FERBER
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Seramic Materials Ltd
Seramics Mat Ltd
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Seramics Material Ltd
Seramic Materials Ltd
Seramics Mat Ltd
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    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
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Abstract

Céramique façonnée pour le stockage d’énergie thermique et son procédé de préparation incluant le fraisage d’un déchet réfractaire présentant un diamètre de 1 mm ou moins pour former de la poudre, le tamisage de la poudre pour retenir la poudre ayant une taille de particule inférieure à 250 µm, la combinaison avec un liant comme argile ou polymère, et de l’eau pour former au moins l’un parmi (1) une pâte extrudable et (2) un mélange granulé, la formation d’un corps cru à partir d’au moins un parmi (1) une pâte extrudable et (2) un mélange granulé, le séchage du corps cru, la cuisson du corps cru pour former le produit céramique à une température dans la plage de 1000 °C à 1400 °C pendant une période de temps dans la plage de 0,5 heure à 12 heures, et le refroidissement du produit céramique. Les matériaux céramique de stockage d’énergie thermique employés se rapportent au stockage d’énergie thermique jusqu’à 1400 °C. Le produit céramique peut être employé comme matériaux de remplissage dans un système de stockage d’énergie thermique à lit tassé (PBTES) ou comme support structuré dans un système de stockage d’énergie thermique (TES). Figure pour l’abrégé : 4B

Description

ÉLABORATION DE MATÉRIAUX CÉRAMIQUE FABRIQUÉS À PARTIR DE DÉCHETS RÉFRACTAIRES POUR APPLICATIONS DE STOCKAGE D’ÉNERGIE THERMIQUE À TEMPÉRATURE ÉLEVÉE
DOMAINE
La présente invention concerne un matériau céramique de stockage d’énergie thermique à température élevée fabriqué à partir de déchets réfractaires recyclés et un procédé de préparation consistant à fabriquer une telle céramique.
CONTEXTE DE L’INVENTION
Selon le département de l’Énergie américain, le secteur industriel représente environ un tiers de l’énergie totale mondiale consommée et est par conséquent responsable d’environ un tiers des émissions de gaz à effet de serre liés aux combustibles fossiles. On estime que quelque part entre 20% et 50% de l’entrée d’énergie industrielle est perdue en tant que chaleur perdue sous la forme de gaz d’échappement chauds. Comme le secteur industriel poursuit ses efforts pour améliorer son rendement énergétique, la récupération des pertes de chaleur fournit une opportunité attractive pour une ressource d’énergie moins chère et sans émission. Les procédés de récupération de chaleur perdue (WHR) incluent la collecte et le transport de chaleur à l’aide de fluides de transfert de chaleur (gaz et/ou liquides), et la production de chaleur pour la chaleur industrielle, la génération de puissance, ou le refroidissement.
Pour transférer de la chaleur depuis des gaz d’échappement continus à température élevée (> 1000°C), certaines solutions techniques d’échangeurs de chaleur et de régénérateurs (fonctionnant comme stockage tampon) ont été développées. Le régénérateur est constitué de deux chambres thermiques dans lesquelles des gaz chauds et froids s’écoulent en alternance. Les deux chambres sont utilisées d’une manière telle que l’une stocke la chaleur provenant des gaz d’échappement et la seconde transfère la chaleur vers l’air de combustion (le rendement d’un brûleur augmente avec la température de l’air de combustion). Pour les gaz d’échappement intermittents, comme les traitements par lot, l’unique solution est d’utiliser un système de stockage d’énergie thermique (TES) pour faciliter la génération de puissance continue ou la réutilisation de chaleur industrielle. Les principaux inconvénients des régénérateurs et des systèmes TES utilisés dans l’industrie lourde sont la grande taille et les coûts en capital élevés. Les précédentes technologies utilisent des gaz d’échappement ou de l’air parce que l’huile thermique classique ou le sel fondu ont une plage de températures limitée (< 400°C pour l’huile synthétique et < 600°C pour le sel fondu) et présentent des inconvénients considérables (classification des dangers, inflammabilité), qui limitent leur applicabilité dans l’industrie lourde.
L’apport d’énergie a toujours été une question majeure, et ce d’autant plus que maintenant les combustibles fossiles deviennent de plus en plus rares, et avec les problèmes croissants concernant le réchauffement climatique. Une solution qui est apparue est le développement de technologies d’énergie renouvelable. Les sources d’énergie renouvelable sont théoriquement inépuisables, si bien qu’elles peuvent alimenter la population mondiale pendant, au moins, un très long moment. L’énergie solaire concentrée (CSP) est l’une des technologies d’énergie renouvelable les plus prometteuses, étant donné que le rayonnement solaire est disponible dans le monde entier, et grâce au stockage d’énergie thermique, peut produire en continu. Contrairement à la technologie photovoltaïque, qui produit de l’électricité directement à partir de la lumière du soleil, la CSP produit d’abord de la chaleur qui peut être directement utilisée ou transformée en électricité grâce à un cycle de Rankine. Étant donné que l’énergie thermique est plus facile à stocker que l’électricité, il est théoriquement possible de surmonter les problèmes d’intermittence de sources d’énergie, de générer de l’électricité à une puissance constante et d’augmenter le facteur de capacité d’installation.
Normalement, les installations CSP commerciales utilisent un système de sel fondu à deux réservoirs pour stocker l’énergie thermique. Lorsque la ressource solaire dépasse les besoins du bloc d’alimentation, une partie du fluide de transfert de chaleur, généralement de l’huile synthétique, est déviée dans un échangeur de chaleur pour transférer la chaleur vers un fluide plus approprié pour le stockage d’énergie, généralement des sels fondus. Ce dernier est ensuite stocké dans un réservoir appelé le réservoir chaud. Lorsqu’on a besoin de plus d’énergie que le rayonnement solaire ne peut en fournir, à cause des nuages ou de la faible élévation du soleil, le fluide de stockage d’énergie thermique rejette l’énergie stockée. Pour cela, il s’écoule à travers le même échangeur de chaleur puis est stocké dans un autre réservoir appelé le réservoir froid. Cette solution est presque toujours choisie en raison de son efficacité et de sa facilité de manipulation. Bien que deux réservoirs soient utilisés, Le volume de fluide de transfert de chaleur est à peu près égal au volume d’un réservoir seulement, ce qui signifie qu’un réservoir peut être retiré pour réduire le coût de l’unité de TES. En effet, cette technologie TES représente un investissement initial élevé, entre 15 et 20% du coût total de l’installation CSP, elle est classée comme dangereuse (SEVESO) en Europe et a une plage de températures de fonctionnement limitée inférieure à 600°C.
Une solution pour les secteurs de l’industrie lourde et de l’énergie renouvelable est d’utiliser un système TES thermocline avec un agent de remplissage solide ou un support structuré et un gaz comme fluide de transfert de chaleur. Le système thermocline est constitué d’un unique réservoir, avec une séparation thermique dissociant les régions chaudes et froides. Le réservoir possède deux entrées différentes selon le mode de fonctionnement. Le fluide chaud, provenant de la source de chaleur entre dans la partie chaude du réservoir durant le mode charge et déplace progressivement la zone de séparation thermique en même temps que le fluide froid est extrait de la partie froide du réservoir. Un gradient thermique appelé thermocline est ainsi créé dans le système TES, permettant une séparation thermique mais une dilatation dans le réservoir au fil du temps. Le terme thermocline provient du vocabulaire océanographique. Il représente la zone de transition thermique entre les eaux supérieures et les eaux profondes. De chaque côté de la zone thermocline, les températures sont presque identiques alors que la plage de températures dans la thermocline elle-même est large. Avec des fluides de transfert de chaleur à faible capacité de stockage thermique, tels que l’air, une matrice de stockage solide est installée dans l’unique réservoir. Ce type de système de stockage est appelé stockage d’énergie thermique thermocline avec matériaux solides. Ce système offre des possibilités considérables de réduire le coût de l’installation par rapport à la technologie de sel fondu à deux réservoirs et c’est la solution pour un stockage à température élevée.
Malgré une diminution du coût en passant d’un système à deux réservoirs à un système TES à un seul réservoir, le système TES thermocline n’est pourtant pas assez compétitif pour être déployé dans le secteur industriel. Les matériaux solides, céramiques à haute température, sont coûteux car ils doivent résister à la température et atteindre des propriétés thermiques et mécaniques. Des matériaux destinés à cet usage doivent nécessairement présenter les propriétés suivantes: (i) densités élevées et chaleur spécifique, (ii) résistance à la chaleur et durabilité élevées, (iii) disponibilité élevée pour maintenir la croissance du marché potentielle en matière de matériaux de stockage d’énergie thermique.
Les céramiques en général, et en particulier les céramiques réfractaires, peuvent répondre à ces exigences, car leur durabilité à température élevée dépasse grandement celles d’autres familles de matériaux. Cependant, les céramiques réfractaires spécialisées peuvent être trop onéreuses pour cet usage. De plus, une disponibilité limitée de certaines céramiques (réfractaires à base de zircone ou à haute teneur en alumine) pourrait entraver le déploiement de systèmes de stockage d’énergie thermique. Donc, la communauté R&D a postulé que le développement de céramiques produites à partir de déchets industriels et de sous-produits pourrait présenter des avantages pour la réduction des impacts environnementaux associés à la production de tels matériaux, détourner les déchets industriels des décharges et réduire les coûts de ces matériaux recyclés jusqu’au point où ils peuvent réussir à faire l’objet d’une production de masse pour répondre aux besoins de matériaux de stockage d’énergie thermique.
DESCRIPTION DE L’INVENTION
La présente invention se rapporte en particulier à l’utilisation de déchets réfractaires comme charge pour produire des matériaux de stockage d’énergie thermique de conception intentionnelle, destinés à être utilisés comme matériau de remplissage dans des systèmes à lit tassé, ou comme élément céramique pour des systèmes à lit structuré.
La présente invention se rapporte à un procédé de production d’un produit céramique comprenant:
- collecter et trier une charge contenant des déchets réfractaires, incluant optionnellement un prétraitement de la charge parmi au moins (1) la récupération de fer/acier, (2) la récupération de matériau non ferreux, (3) le lavage, (4) la décontamination (par exemple, soufre, laitier, écume, verre, poussières, coke), (5) le tamisage, (6) le broyage, (7) le fraisage et (8) le traitement thermique, de manière à récupérer un ou des matériau(x) réfractaire(s);
- recevoir en tant que premier matériau constitutif un premier matériau réfractaire récupéré;
- recevoir en tant que deuxième matériau constitutif un liant;
- combiner les premier et deuxième matériaux constitutifs avec de l’eau pour former au moins un parmi (1) une pâte extrudable et (2) un mélange granulé;
- former un corps cru à partir de l’au moins un parmi (1) la pâte extrudable après extrusion et (2) le mélange granulé;
- sécher le corps cru;
- cuire le corps cru pour former le produit céramique à une température dans la plage de 1100°C à 1400°C pendant une période de temps dans la plage de 0,5heure à 12heures; et
- refroidir le produit céramique.
Avantageusement, le produit céramique est un produit céramique de stockage d’énergie thermique.
Avantageusement, le premier matériau constitutif est au moins un déchet réfractaire sélectionné à partir du groupe constitué de:
(1) un déchet réfractaire de silice, composé du composant suivant: au moins 93% en poids de dioxyde de silicium (SiO2), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% de la composition;
(2) un déchet réfractaire à haute teneur en alumine, composé du composant suivant: au moins 45% en poids d’oxyde d’aluminium (Al2O3), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition. Cette famille inclut des céramiques telles que la sillimanite, la mullite, la bauxite, le corindon;
(3) un déchet réfractaire de magnésite, composé du composant suivant: au moins 85% en poids d’oxyde de magnésium (MgO), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5 % en poids de la composition;
(4) un déchet réfractaire de forstérite, composé des composants suivants: au moins 60% en poids de MgO, de 15% en poids à 20% en poids de SiO2, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(5) un déchet réfractaire de dolomite, composé des composants suivants: de 25% en poids à 45% en poids de MgO, de 35% en poids à 65% en poids d’oxyde de calcium (CaO), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(6) un déchet réfractaire de chrome-magnésie, composé des composants suivants: de 44% en poids à 68% en poids de MgO, de 16% en poids à 25% en poids d’oxyde de chrome (Cr2O3), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(7) un déchet réfractaire de carbone-magnésie, composé des composants suivants: de 80% en poids à 93% en poids de MgO, de 7% en poids à 10% en poids de graphite, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(8) un déchet réfractaire de zircone, composé du composant suivant: au moins 65% en poids d’oxyde de zirconium (ZrO2), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(9) un déchet réfractaire d’AZS, composé des composants suivants: de 45% en poids à 50% en poids d’Al2O3, de 30% en poids à 35% en poids de ZrO2, de 14% en poids à 16% en poids de SiO2, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(10) un déchet réfractaire d’isolation ou d’argile, composé des composants suivants: de 45% en poids à 70% en poids de SiO2, de 25 % en poids à 45% en poids d’Al2O3, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
(11) un déchet réfractaire de carbure de silicium, composé des composants suivants: au moins 82% en poids de carbure de silicium (SiC), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition; et
(12) un déchet réfractaire de nitrure de bore, composé des composants suivants: au moins 40% en poids de nitrure de bore (BN), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition.
Avantageusement, le deuxième matériau constitutif est un liant sélectionné à partir du groupe constitué de: argile naturel et matériaux de type argile.
De préférence, les matériaux de type argile comprennent, à partir d’au moins une parmi des industries de céramique, d’exploitation minière et d’exploitation de carrière, au moins une parmi des poussières, des saletés et des boues.
Selon un mode de réalisation avantageux, le premier matériau constitutif représente au moins 30% en poids des premier et deuxième matériaux constitutifs.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le deuxième matériau constitutif représente au moins 20% en poids des premier et deuxième matériaux constitutifs
Selon une première variante de réalisation, le premier matériau constitutif est un déchet réfractaire d’AZS, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est de l’argile, et dans lequel les premier et deuxième matériaux constitutifs présentent un poids relatif de 70% et de 30% respectivement.
Selon une seconde variante de réalisation, le premier matériau constitutif est une combinaison d’un déchet réfractaire d’AZS et d’un déchet réfractaire à haute teneur en alumine, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est un matériau de type argile, et dans lequel le déchet réfractaire d’AZS, le déchet réfractaire à haute teneur en alumine et le matériau de type argile présentent des poids relatifs de 30%, de 30% et 40% respectivement.
Selon une troisième variante de réalisation, le premier matériau constitutif est une combinaison d’un déchet réfractaire d’AZS et d’un déchet réfractaire de magnésite, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est un matériau de type argile, et dans lequel le déchet réfractaire d’AZS, le déchet réfractaire de magnésite et le matériau de type argile présentent des poids relatifs de 35%, de 35% et de 30% respectivement.
L’invention concerne également un produit céramique formé selon le procédé décrit précédemment.
Avantageusement, le produit céramique peut être un matériau céramique de remplissage selon au moins l’une des géométries suivantes: sphères, cylindres, anneaux de Raschig, anneaux de selle, anneaux de diaphragme croisé, anneaux de Pall, multilobe creux ou plein.
Avantageusement, le produit céramique peut être un support céramique structuré selon au moins l’une des géométries suivantes: structures alvéolées, plaques ondulées et briques canalisées.
L’invention concerne également l’utilisation d’un produit céramique en tant que céramique de stockage d’énergie thermique pour stocker la chaleur jusqu’à 1400°C, l’utilisation d’un produit céramique en tant que matériau céramique de remplissage dans un système de stockage d’énergie à lit tassé, ou l’utilisation d’un produit céramique en tant que support céramique structuré dans un système de stockage d’énergie thermique.
L’invention concerne également un système de stockage d’énergie thermique comprenant un tel produit céramique.
est un schéma illustrant un certain nombre d’étapes de prétraitement répétables qui peuvent être appliquées à des charges avant un certain nombre des étapes de traitement décrites ici.
] est un schéma illustrant une technique d’extrusion pour créer un produit céramique.
est un schéma illustrant une technique de compactage pour créer un produit céramique.
sont des images de la céramique de stockage d’énergie thermique finale pour l’exemple expérimental 1.
est une image de la céramique de stockage d’énergie thermique finale pour l’exemple expérimental 2.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
Comme indiqué dans le domaine, la présente invention concerne des céramiques de stockage d’énergie thermique et un procédé de formation de telles céramiques à partir de mélanges de déchets réfractaires et de matières premières de céramique non cuites (argile et matériaux de type argile). La présente invention se rapporte en outre à deux procédés différents de formation des produits finis: (i) extrusion, et (ii) processus de compactage de poudre sèche. Les produits finis peuvent être utilisés dans les domaines du stockage d’énergie thermique, soit comme support tassé de stockage d’énergie thermique soit comme éléments de céramique pour lit structuré, en fonction de leurs formes. Ils sont caractérisés par des propriétés spécifiques telles que la résistance thermique, la stabilité mécanique, la densité, la chaleur spécifique et la stabilité dimensionnelle. Ces céramiques sont destinées à être utilisées comme céramiques réfractaires, en particulier pour des applications de stockage d’énergie thermique.
Tous les matériaux qui ne seront pas détruits durant la cuisson et seront par conséquent les constituants du produit céramique final seront ci-après désignés par charges, qui excluent les additifs organiques et à base d’eau. De préférence, les charges sont des déchets réfractaires, ou des mélanges de déchets réfractaires. Il est également possible de remplacer un déchet réfractaire des mélanges par un matériau commercial lorsque le déchet industriel est localement indisponible.
Les céramiques de stockage d’énergie thermique décrites sont produites sur la base de: (1) au moins un déchet réfractaire comprend d’environ 30% à environ 80% du poids du mélange, et (2) l’argile et le matériau de type argile comprend d’environ 20% à environ 70% du poids du mélange.
De préférence, la charge céramique contiendra un certain pourcentage en poids d’argile ou de matériau de type argile. L’argile est un matériau de sol/roche naturelle finement grainé combinant un ou plusieurs minerais d’argile (phyllosilicates d’aluminium hydratés), souvent en combinaison avec du quartz et des oxydes de métal, selon des proportions variables d’un dépôt à l’autre (incluant en particulier des minéraux de type argile comme la bauxite). Ils sont normalement plastiques lorsqu’ils sont hydratés, et deviennent durs, friables et non plastiques lorsqu’ils sont séchés ou cuits. En fonction du domaine d’ingénierie, les matériaux contenant de l’argile peuvent également être appelés limons ou boues en fonction de la taille de particule. L’argile est l’une des charges favorites de l’industrie de la céramique, en raison de sa bonne aptitude au façonnage lorsqu’elle est humide. Le matériau de type argile utilisé sera de préférence issu d’un matériau mis au rebut dans l’industrie de la céramique (poussières, boues de lavage, surplus d’argile) ou dans les industries d’exploitation minière et d’exploitation de carrière (poussières et boues de lavage). L’argile et les matériaux de type argile sont désignés par matériau brut de céramique non cuit (URCM ou «Unfired Raw Ceramic Material»). L’URCM comprend, et est de préférence constitué essentiellement de:
[Table 1]
oxyde d’aluminium (Al2O3) de 12 à 71% en poids,
oxyde de calcium (CaO) de 0 à 10% en poids,
oxyde de fer (Fe2O3) de 1 à 15% en poids,
oxyde de magnésium (MgO) de 0,01 à 10% en poids,
dioxyde de silicium (SiO2) de 6 à 71% en poids,
oxyde de sodium (Na2O) de 0,01 à 3% en poids,
oxyde de potassium (K2O) de 0,01 à 10% en poids,
Optionnellement un ou plusieurs parmi les éléments suivants: MnO, P2O5, SOx et TiO2 de 0,01 à 20% en poids.
et d’impuretés inévitables, dans lequel le % en poids est le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition minérale d’URCM pour fournir, en incluant les impuretés inévitables, 100% en poids. Les impuretés inévitables sont, généralement, inévitables et sont souvent un résultat de l’environnement de procédé, des charges ou des propriétés de dépôt naturel.
De préférence, la formation de céramique contiendra toujours un certain pourcentage en poids de déchets réfractaires. Les déchets réfractaires sont produits comme sous-produits de processus industriels (par exemple, acier, ciment, verre, industries de la céramique) ou comme sous-produits des industries de réfractaires. Dans le premier cas, cela se rapporte aux matériaux réfractaires qui ont été utilisés, et sont mis au rebut après leur durée de vie (réfractaires épuisés). Le dernier cas se rapporte aux déchets réfractaires produits durant la fabrication de produits réfractaires (par exemple, pièces hors-normes, poussières et pièces défectueuses, résidus de coupe). De nombreuses familles différentes de céramiques réfractaires existent, et peuvent être utilisées pour produire les matériaux de stockage d’énergie thermique. Ces familles sont décrites ci-après.
Déchet réfractaire de silice, composé du composant suivant: au moins 93% en poids de dioxyde de silicium (SiO2), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire à haute teneur en alumine, composé du composant suivant: au moins 45% en poids d’oxyde d’aluminium (Al2O3), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition. Cette famille inclut des céramiques telles que la sillimanite, la mullite, la bauxite, le corindon;
Déchet réfractaire de magnésite, composé du composant suivant: au moins 85% en poids d’oxyde de magnésium (MgO), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de forstérite, composé des composants suivants: au moins 60% en poids de MgO, de 15% en poids à 20 % en poids de SiO2, et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de dolomite, composé des composants suivants: de 25% en poids à 45% en poids de MgO, de 35% en poids à 65% en poids d’oxyde de calcium (CaO), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de chrome-magnésie, composé des composants suivants: de 44% en poids à 68% en poids de MgO, de 16% en poids à 25% en poids d’oxyde de chrome (Cr2O3), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de carbone-magnésie, composé des composants suivants: de 80% en poids à 93% en poids de MgO, de 7% en poids à 10% en poids de graphite, et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de zircone, composé du composant suivant: au moins 65% en poids d’oxyde de zirconium (ZrO2), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire d’AZS, composé des composants suivants: de 45% en poids à 50% d’Al2O3, de 30% en poids à 35% en poids de ZrO2, de 14% en poids à 16% en poids de SiO2, et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire d’isolation ou d’argile réfractaire, composé des composants suivants: de 45% en poids à 70% en poids de SiO2, de 25% en poids à 45% en poids d’Al2O3, et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01% à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de carbure de silicium, composé des composants suivants: au moins 82% en poids de carbure de silicium (SiC), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Déchet réfractaire de nitrure de bore, composé des composants suivants: au moins 40% en poids de nitrure de bore (BN), et impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids, le % en poids étant le pourcentage en poids par rapport au poids total de la composition.
Les prétraitements, illustrés sur le schéma de la , est un terme général regroupant les étapes de processus qui sont effectuées avant d’utiliser le matériau tel que reçu pour rendre le matériau plus compatible avec les exigences du processus de transformation (c’est-à-dire: mélange, façonnage, cuisson d’une céramique), ou pour rendre le matériau plus facile à manipuler, stocker et transporter.
La présence de métaux dans un matériau brut de céramique peut être préjudiciable, car les métaux peuvent être réactifs à températures élevées (oxydation ou réduction, par exemple). De plus, leur coefficient de dilatation thermique étant généralement plus élevé que les autres constituants d’une matrice de céramique les entourant (par exemple, alumino-silicates), ils ont tendance à fracturer la matrice ou produire des cavités dans la masse d’un corps cru durant la cuisson. Donc, la récupération de fer et d’acier issus de la charge pourrait être conseillée. Les processus de récupération de fer et d’acier sont répandus et reposent sur la génération d’un fort courant magnétique sur un transporteur. Les particules riches en fer seront attirées par l’aimant, et retirées de la charge. Ce traitement pourrait être particulièrement pertinent pour traiter des réfractaires épuisés issus des industries de métallurgie, qui ont un risque plus élevé d’être contaminés par des métaux ou scories riches en métaux.
La récupération de métaux non ferreux repose aussi généralement sur la génération d’un fort champ magnétique variable, appelé courant d’Eddy ou courant de Foucault. Les métaux réagissent différemment à ce champ magnétique: les métaux ferreux sont attirés par lui, alors que les métaux non ferreux (aluminium et cuivre) sont repoussés. En exposant la charge (sur un transporteur, par exemple) non seulement les métaux peuvent en être extraits, mais également triés. Ce processus est largement utilisé dans les usines de tri de déchets, typiquement pour récupérer les canettes en aluminium et fils de cuivre des déchets ménagers. Pour cette application particulière, il pourrait être utilisé pour récupérer des scories riches en métaux, des poussières et de petites particules de la charge.
Les processus de décontamination se réfèrent à des processus conçus pour récupérer des composants indésirables de la charge, qui pourraient être préjudiciables pour leur utilisation en tant que matière première pour la production de céramique (par exemple, soufre, laitier, écume, verre, poussières, coke), et reposent souvent sur le lavage, la vibration ou le chauffage. Les processus de décontamination seront choisis en fonction de la nature et de la gravité de la contamination.
Les charges telles que reçues, qui peuvent présenter des tailles de particule largement différentes (des réfractaires cassés à un morceau de profilé réfractaire entier), sont soumises à un processus de fraisage ou de broyage. Le broyage consiste à détruire un matériau par une force de compression écrasante ou un choc mécanique, permettant de transformer un matériau granulaire en un plus fin. Cependant, le matériau broyé aura le plus souvent lui-même une forme fortement hétérogène. L’un des dispositifs d’écrasement les plus courants est appelé broyeur à mâchoires. Il est couramment utilisé par les industries minérales (industries de la céramique, d’exploitation minière, d’exploitation de carrière …) pour transformer des roches en gravier usinable qui peut soit être utilisé en tant que tel (ballast, agent de remplissage, agglomérat de roche béton) ou subir d’autres traitements tels que le fraisage. Les charges à particules sont de préférence réduites à une taille de poudre de 1mm ou moins, la taille étant la dimension linéaire la plus longue des poudres. Lors de l’utilisation d’un broyeur à mâchoires commercial, les particules sont de préférence broyées pendant une période de temps dans la plage de 0,2heure à 4heures incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Après cela, des processus de fraisage sont utilisés pour produire des particules ayant une forme et un arrondi plus homogènes. Le fraisage, également appelé meulage, repose plus sur l’attrition que sur le choc ou la compression pour réduire la taille de particule. Les fraises sont également plus répandues pour réduire les particules à une taille plus petite que les broyeurs. En fonction des supports de broyage et des paramètres fonctionnels, ils peuvent produire des poudres millimétriques, micrométriques et sous-microniques. Les broyeurs à boulets sont couramment utilisés pour broyer le mâchefer dans les industries de ciment, le minerai dans les industries d’exploitation minière, ou pour produire des poudres ou bouillies homogènes pour les industries de la céramique (dans le dernier cas, il est courant de fraiser les matériaux dilués dans de l’eau, quelquefois avec des additifs dispersants), mais d’autres technologies sont disponibles également (broyeur à marteaux, broyeur Raymond…). Les particules sont de préférence réduites à une taille de poudre de 300µm ou moins, la taille étant la dimension linéaire la plus longue des poudres. Lors de l’utilisation d’un broyeur à boulets commercial, les particules sont de préférence fraisées pendant une période de temps dans la plage de 0,2heure à 4heures incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci.
Le tamisage consiste à faire passer un matériau granulaire à travers un tamis ayant un maillage fixe. Les particules plus petites que l’espace du tamis passeront à travers, tandis que les plus grosses seront retenues à la surface du maillage. Il est courant d’utiliser des tamis en série, pour retenir certaines fractions d’un matériau granulaire. La poudre broyée ou fraisée est ensuite tamisée pour obtenir un mélange homogène ayant des tailles de particule entre 10µm à 2mm, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. De préférence, pour le mélange de charges de la céramique, les poudres sont criblées à une taille dans la plage de 20 à 400µm.
Les céramiques décrites sont produites sur la base de plusieurs matériaux et formulations de charge qui ont besoin d’être mélangés ensemble avant façonnage. Les charges se présentent sous forme d’agglomérats ou poudres sèches en vrac, de pâte ou de bouillie. En fonction de leurs propriétés, elles seront mélangées à l’aide de tambours rotatifs, de plaques rotatives, de malaxeurs à hélice, ou tout type de mélangeur approprié à leurs propriétés, en fonction des rapports de mélange choisis pour une application particulière de la céramique finale. De préférence, les poudres les plus fines seront ajoutées d’abord dans le mélange. De l’eau ajoutée, le cas échant, peut être ajoutée progressivement dans le mélange, de préférence par pulvérisation durant le mélange. L’objectif de cette étape de processus est de produire un mélange homogène qui peut ensuite être utilisé comme matériau de céramique brut lors de l’étape de façonnage.
Le procédé de façonnage consiste à former les matériaux de céramique bruts pour obtenir un produit fini. Les matériaux de céramique décrits peuvent être formés en utilisant deux procédés différents, en fonction du type d’application pour la céramique souhaité, ainsi que de la nature du matériau de céramique brut. À ce stade, le terme «matériau de céramique brut» désigne un mélange homogène de poudres ou une pâte formée des différentes charges choisies. La présente invention concerne en outre deux procédés différents de formation des produits finis: (i) extrusion et (ii) processus de compactage de poudre sèche.
De préférence, un procédé à étapes multiples pour le procédé d’extrusion, illustré sur le schéma de la , est utilisé pour former une céramique de stockage d’énergie thermique décrite ici, le procédé comportant: (1) préparation du matériau brut de céramique pour obtenir une pâte plastique, puis (2) façonnage par extrusion pour obtenir un solide appelé corps cru, puis (3) séchage pour retirer la teneur en humidité, et enfin (4) cuisson à température élevée pour obtenir un produit céramique. Ce procédé de formation est couramment utilisé pour traiter des matériaux de céramique bruts contenant de l’argile afin de produire des briques de construction, des tuiles de toit et de sol, des revêtements de décoration et de protection ainsi que diverses céramiques spéciales, notamment les céramiques réfractaires.
Les matériaux bruts de céramique précités se présentent sous la forme d’un mélange de poudres ou d’une pâte. Le procédé de façonnage par extrusion nécessitant un certain niveau de plasticité, un ajustement de la teneur en eau des matériaux bruts peut être nécessaire (cela est particulièrement approprié pour les formulations riches en argile, comme l’humidité impacte considérablement le comportement de l’argile). À ce stade du processus, des additifs peuvent également être ajoutés au mélange. La fonction des additifs pourrait être d’augmenter la plasticité (c’est-à-dire, plastifiants), réduire le frottement à l’intérieur de l’extrudeuse (c’est-à-dire, lubrifiants et agents de démoulage) ou modifier le comportement du corps cru durant la cuisson (c’est-à-dire, agents fondants). Les différents matériaux bruts, l’eau et les additifs peuvent être mélangés ensemble en utilisant divers systèmes, notamment des tambours rotatifs et des malaxeurs à hélice (avec ou sans pompe à vide), de préférence en ajoutant d’abord les matériaux bruts à grains les plus fins, et en ajourant l’eau et les additifs progressivement pour éviter la formation d’agrégats. Normalement, les pâtes plastiques contiennent dans la plage de 10% en poids à 30% en poids d’eau du poids total de la formulation, et les additifs combinés (plastifiants, liants temporaires et lubrifiants, dispersants, floculants, agents anti-moussage, etc…) sont présents en une quantité dans une plage de 0% en poids à 10% en poids du poids total de la formulation. Le mélange peut se dérouler jusqu’à ce qu’une pâte homogène présentant une plasticité satisfaisante soit obtenue, ce qui peut aller de 0,25heure à 4heures.
À ce moment, la pâte plastique est prête pour l’extrusion. La pâte plastique préparée est introduite dans la trémie de l’extrudeuse, et poussée à travers le cylindre de l’extrudeuse avec un vérin, une vis sans fin ou deux vis parallèles. De préférence, l’extrudeuse sera équipée d’une pompe à vide, car l’air piégé dans la pâte pourrait avoir un effet négatif sur les propriétés du corps cru extrudé. La vitesse de rotation de la vis ou la vitesse du vérin doit être ajustée en fonction des propriétés de la pâte et du débit souhaité de sortie et est de 10 à 100min-1, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Les extrudeuses peuvent être équipées de divers systèmes auxiliaires, incluant mais sans s’y limiter des sorties de pulvérisation à l’intérieur du cylindre pour distribuer des lubrifiants et agents de démoulage, des systèmes de chauffage, des systèmes de refroidissement, des capteurs de pression, des capteurs de température. Le corps cru extrudé sortant de la filière est ensuite découpé à la longueur appropriée.
Après l’extrusion, une opération de séchage est effectuée sur le corps cru à l’aide de séchoirs spécialement conçus, à humidité contrôlée. Durant l’étape de séchage, dans laquelle la température passe de la température ambiante (20 à 30°C) à la température de séchage dans la plage de 100°C à 150°C, une vitesse de chauffage relativement lente est utilisée, la vitesse de chauffage étant dans la plage de 0,5K/min à 5K/min, et de préférence à 2K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Le temps de l’étape de séchage est de préférence entre 12 et 72heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci, en fonction de la taille du corps cru et de sa teneur en humidité. Les séchoirs spécialement conçus pourraient être des fours fermés ou à tunnel.
Après le séchage, une opération de cuisson est effectuée pour permettre un frittage et obtenir un produit céramique. Un programme de température incluant une étape de préchauffage et une étape de cuisson est de préférence utilisé. Durant l’étape de préchauffage, dans laquelle la température passe de la température ambiante (20 à 25°C) ou de la température de séchage à la température de préchauffage, une vitesse de chauffage est utilisée, la vitesse de chauffage étant dans la plage de 0,5K/min à 20K/min, et de préférence à 2K/min, comprenant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Le temps de l’étape de préchauffage est de préférence entre 0,25 et 4heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Comme la température de préchauffage est comprise dans la plage d’environ 100°C à 900°C, les additifs brûlent s’ils sont inclus dans la préparation. La température de cuisson est sélectionnée en fonction de la forme et de la formulation, elle sera comprise entre 1000 et 1500°C. Plus préférablement, la température de cuisson sera comprise entre 1100 et 1400°C. La vitesse de chauffage de la température de préchauffage à l’étape de cuisson est de préférence dans la plage de 0,5K/min à 20K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci, et plus préférablement à 2K/min. Le temps de cuisson ou temps de maintien est dans la plage de 0,5heure à 8heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Après cuisson, le produit céramique est refroidi à température ambiante ou température de maintien. La vitesse de refroidissement est de préférence dans la plage de 1K/min à40K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci.
Divers paramètres de traitement dans le procédé d’extrusion peuvent affecter les propriétés de la céramique finale, de tels paramètres pourraient inclure la formulation, la vitesse de vis, le désaérage, la température et la durée de préchauffage, la vitesse de chauffage, la température et la durée de cuisson, et la forme du produit.
De préférence, un procédé à étapes multiples pour le procédé de compactage de poudre sèche, illustré sur le schéma de la , est utilisé pour former une céramique de stockage d’énergie thermique décrite ici, le procédé comportant: (1) préparation du matériau brut de céramique appelée granulation, puis (2) pressage pour obtenir un solide appelé compact cru, puis (3) séchage pour retirer la teneur en humidité, et enfin (4) cuisson à température élevée pour obtenir un produit céramique. Ce procédé de formation est utilisé pour traiter des matériaux de céramique bruts afin de produire des briques de construction, des tuiles de toit et de sol, des revêtements de décoration et de protection ainsi que diverses céramiques techniques, notamment les céramiques réfractaires. Contrairement au procédé de façonnage par extrusion, le procédé de pressage dépend moins de la plasticité, faisant de lui un choix préférable pour façonner des matériaux de céramique bruts ayant une faible teneur en argile.
Les matériaux bruts de céramique précités se présentent sous forme d’un mélange de poudres, d’une pâte ou d’une bouillie. Bien que les procédés de pressage puissent être moins exigeants que l’extrusion en ce qui concerne la plasticité et la cohésion, l’ajustement de la teneur en eau des matériaux bruts peut être nécessaire. À ce stade du processus, des additifs peuvent également être ajoutés additives au mélange. La fonction des additifs pourrait être d’augmenter la plasticité (c’est-à-dire, plastifiants) ou la cohésion entre les particules (liants temporaires), de réduire le frottement à l’intérieur du moule de pressage (c’est-à-dire, lubrifiants et agents de démoulage) ou de modifier le comportement du corps cru durant la cuisson (c’est-à-dire, agents fondants). De préférence, le mélange obtenu présentera moins d’humidité que ceux préparés pour l’extrusion. Bien qu’il puisse être possible de presser les matériaux de céramique bruts directement comme poudre ou poudre légèrement humide, il peut être utile de granuler le matériau, en particulier s’il se présente comme un mélange sec de poudres en vrac. La granulation peut être effectuée en utilisant différents procédés comme le séchage par pulvérisation, ou l’humidification par tambour ou plaque rotatif (selon que les matériaux bruts se présentent sous forme d’une bouillie ou d’une poudre sèche, respectivement). Le déplacement, ainsi que le changement d’humidité, entraînent l’agglomération des particules pour former de petites granules (ou granulés). Ces granules sont plus faciles à manipuler que les poudres sèches en vrac, et réagissent souvent également mieux lorsqu’elles sont pressées pour former des corps crus cohésifs. La taille des granules souhaitées, la durée du processus et la teneur en eau nécessaire dépendent grandement de la nature du matériau brut, de la taille du corps cru souhaité et des propriétés souhaitées pour la céramique finale. Normalement, les granules contiennent dans la plage de 0% en poids à 10% en poids d’eau du poids total de la formulation, et les additifs combinés (plastifiants, liants temporaires et lubrifiants, dispersants, floculants, agents anti-moussage…) sont présents en une quantité dans une plage de 0% en poids à 10% en poids du poids total de la formulation. Le mélange peut se dérouler jusqu’à ce que des granules homogènes soient obtenues, ce qui peut aller de 0,25heure à 4heures.
L’étape de pressage consiste à appliquer une pression élevée sur les granules placées dans un moule, qui est quant à lui placé dans une presse. Deux variantes de processus de compactage de poudre sèche peuvent être effectuées pour obtenir un produit céramique: (i) pressage à froid en trois étapes successives, c’est-à-dire compactage à température ambiante pour obtenir des corps crus, puis processus de séchage et de cuisson, et (ii) pressage à chaud en une seule étape dans lequel le traitement thermique est combiné à l’étape de pressage. L’action de pressage peut également être soit uniaxiale (c’est-à-dire, la force est appliquée sur une direction donnée) soit isostatique (c’est-à-dire, la force est appliquée depuis toutes les directions). De préférence, la pression de compression pour le compactage de poudre sèche à froid tombe dans une plage de 10MPa à 300MPa, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci, et de préférence de 50MPa à 200MPa. La pression peut de préférence être appliquée à une vitesse régulière, bien qu’il puisse être possible de maintenir la pression à une pression de compactage faible pour permettre à l’air piégé éventuel de s’échapper du moule et permettre à la poudre de se réorganiser. Concernant le compactage de poudre sèche à chaud, la pression de compression pressure est dans la plage de 10MPa à 300MPa, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. La température de frittage est dans la plage de 600°C à 1300°C avec un temps de frittage dans la plage de 0,5heure à 5heures, et une vitesse de chauffage entre 1K/min et 15K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci.
Après le compactage de poudre sèche à froid, une opération de séchage est effectuée sur le corps cru en utilisant des séchoirs spécialement conçus, à humidité contrôlée. Durant l’étape de séchage, dans laquelle la température passe de la température ambiante (20 à 30°C) à la température de séchage dans la plage de 100°C à 150°C, une vitesse de chauffage relativement lente est utilisée, la vitesse de chauffage étant dans la plage de 0,5K/min à 5K/min, et de préférence à 2K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Le temps de l’étape de séchage est de préférence entre 12 à 72heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci, en fonction de la taille du corps cru et de sa teneur en humidité. Les séchoirs spécialement conçus pourraient être des fours fermés ou à tunnel.
Après le séchage, une opération de cuisson est effectuée pour permettre une température de frittage et obtenir un produit céramique. Un programme de température incluant une étape de préchauffage et une étape de cuisson est de préférence utilisé. Durant l’étape de préchauffage, dans laquelle la température passe de la température ambiante (20 à 25°C) ou la température de séchage à la température de préchauffage, une vitesse de chauffage est utilisée, la vitesse de chauffage étant dans la plage de 0,5K/min à 60K/min, et de préférence à 2K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Le temps de l’étape de préchauffage est de préférence entre 0,25 à 4heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Comme la température de préchauffage va d’environ 100°C à 900°C, les additifs brûlent s’ils sont inclus dans la préparation. La température de cuisson est sélectionnée en fonction de la forme et de la formulation, elle sera comprise entre 1000 et 1500°C. Plus préférablement, la température de cuisson sera comprise entre 1100 et 1400°C. La vitesse de chauffage de la température de préchauffage à l’étape de cuisson est de préférence dans la plage de 0,5K/min à 60K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci, et plus préférablement à 2K/min. Le temps de cuisson ou temps de maintien est dans la plage de 0,5heure à 8heures, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci. Après cuisson, le produit céramique est refroidi à température ambiante ou à la température de manipulation. La vitesse de refroidissement est de préférence dans la plage de 1K/min à 40K/min, incluant toutes les valeurs et plages dans celles-ci.
Divers paramètres de traitement dans le procédé de compactage de poudre sèche peuvent affecter les propriétés de la céramique finale, de tels paramètres pourraient inclure la formulation, la pression de compactage, la température et la durée de préchauffage, la vitesse de chauffage, la température et la durée de cuisson et la forme du produit.
Le produit céramique décrit peut être employé comme application de stockage d’énergie thermique comme les céramiques peuvent stocker la chaleur dans les matériaux solides jusqu’à 1400°C. Bien qu’il y ait une grande variété de formes qui peuvent être obtenues, soit par des procédés d’extrusion soit par des procédés de compactage de poudre sèche, les céramiques de stockage d’énergie thermique peuvent être façonnées afin d’augmenter l’efficacité du système d’énergie thermique. Ainsi, certaines formes seront favorisées par rapport à d’autres. La céramique peut être employée comme matériaux de remplissage dans un système de stockage d’énergie thermique à lit tassé ou un support structuré (autoportant) dans un système de stockage d’énergie thermique.
De préférence dans les matériaux de remplissage, la céramique adopte l’une des géométries suivantes: sphères, cylindres, anneaux de Raschig, anneaux de selle, anneaux de diaphragme croisé, anneaux de Pall, multilobe creux ou plein.
De préférence dans les supports structurés ou autoportants, la céramique adopte l’une des géométries suivantes: structures alvéolées, plaques ondulées et briques canalisées.
EXEMPLE EXPÉRIMENTAL #1:
Extrusion: déchet réfractaire d’AZS (70% en poids), et argile naturelle (30% en poids)
Le déchet réfractaire d’AZS a été collecté comme déchets de production d’une usine de recyclage de réfractaire. La poudre se présentait sous la forme d’une poudre blanche homogène très fine, ayant une taille de particule inférieure à 63µm.
L’argile naturelle a été collectée dans une carrière située en France. Elle se présentait sous la forme d’une poudre jaune homogène fine sans agrégat, avec une faible teneur en eau résiduelle inférieure à 3% en poids, avec un d50d’environ 15µm. Cette poudre telle que reçue a été séchée 12heures à 120°C.
Les poudres sèches ont été mélangées ensemble selon cette composition spécifique: 70% en poids de déchets réfractaires d’AZS, et 30% en poids d’argile naturelle. De l’eau a été ajoutée pour former une pâte plastique, en pulvérisant uniformément le mélange rotatif. Pour obtenir une pâte plastique satisfaisante, 0,25% en poids sec de plastifiant organique a été ajouté dans la préparation. La pâte plastique a été mélangée durant 0,5heure à l’aide d’un mélangeur à tambour rotatif. La teneur en humidité obtenue était de 20% en poids +/- 3% en poids.
Les pâtes plastiques ont été désaérées, à l’aide d’une pompe à vide activée, dans une extrudeuse à vis unique à deux étages équipée d’une ouverture quadrilobe de 20mm. Les pâtes plastiques ont ensuite été extrudées pour former un quadrilobe creux ayant un diamètre classique de 20mm, et découpées à une longueur de 10mm.
Les corps crus ont été séchés dans un four à ventilation forcée (four Nabertherm) à 120°C avec un temps de maintien de 12heures. Les corps crus séchés ont été frittés dans un four à moufle électriquement chauffé à la température de cuisson (four à moufle Nabertherm).Durant l’étape de cuisson, la température passe de la température ambiante (25°C) à la température de cuisson à 1260°C. La vitesse de chauffage était de 2K/min et le temps de cuisson était de 3heures. Après cuisson, le produit céramique est refroidi à température ambiante à une vitesse de refroidissement de 2K/min (Figures 4A et 4B).
Les densités relatives et la force de compression maximale jusqu’à défaillance ont été mesurées à l’aide du procédé d’Archimède et d’une presse uniaxiale contrôlée. Le produit fini contenant 70% en poids de déchet réfractaire d’AZS, 30% en poids d’argile naturelle, et extrudé avec 0,25% en poids sec de plastifiant organique, présentait une densité relative moyenne de 2600kg/m3, et une force de compression moyenne de 110MPa. La capacité thermique massique spécifique est de 0,72kJ/kg.K à 100°C et de 1,06kJ/kg.K à 600°C. Les propriétés ont été mesurées à l’aide d’un calorimètre à balayage différentiel (DSC).
EXEMPLE EXPÉRIMENTAL #2:
Compactage de poudre sèche: déchet réfractaire d’AZS (30% en poids), déchet réfractaire à haute teneur en alumine (30% en poids) et matériau de type argile (40% en poids)
Le déchet réfractaire d’AZS a été collecté comme déchets de production d’une usine de recyclage de réfractaire. La poudre se présentait sous la forme d’une poudre blanche homogène très fine, ayant une taille de particule inférieure à 63µm.
Le déchet réfractaire à haute teneur en alumine (type mullite) a été collecté comme déchets de production d’une industrie de verre. Le matériau a été broyé à l’aide d’un broyeur à mâchoires, et fraisé à l’aide d’une fraise à billes durant 0,5heure, et tamisé à l’aide de tamis et d’une machine à secouer les tamis. La poudre finale se présentait sous la forme d’une poudre blanche, ayant une taille de particule inférieure à 45µm.
Un matériau de type argile (déchet d’argile), produit comme boue de lavage dans une usine de céramique, a été collecté dans une usine de traitement d’effluent (ETP) de céramique. Il se présentait sous la forme d’une boue blanche épaisse constituée de fines particules, ayant une teneur en eau résiduelle entre 15 et 30% en poids, avec un d50d’environ 10µm. Un autre fraisage a été considéré inutile. Cette poudre telle que reçue a également été séchée 24heures à 120°C, puis désagglomérée par frottement.
Les poudres sèches ont été mélangées ensemble en fonction de cette composition spécifique: 30% en poids de déchet réfractaire d’AZS, 30% en poids de déchet réfractaire à haute teneur en alumine, et 40% en poids de matériau de type argile. Les poudres ont été mélangées ensemble durant 1heure à l’aide d’un mélangeur de poudre Eirich.
Les mélanges secs ont ensuite été granulés à l’aide d’une plaque rotative, sous pulvérisation d’eau. Les granules produites avaient une longueur caractéristique dans la plage de 0,5mm à 1mm, et présentaient une teneur en humidité d’environ 5% en poids.
Les granules ont été utilisées pour alimenter un moule cylindrique (diamètre: 25mm), qui a ensuite été pressé pour former les corps crus. La pression appliquée était de 50MPa à l’aide d’une presse hydraulique uniaxiale (Carver). Des échantillons ont été éjectés à l’aide d’un piston mécanique provenant du fond du moule. Les échantillons pressés présentaient un comportement satisfaisant durant le pressage, avec des défauts limités (stratification, gonflement, rupture transversale, etc.) et ne nécessitaient pas l’ajout de lubrifiants pour être extraits correctement.
Les corps crus ont été séchés dans un four à ventilation forcée (four Nabertherm) à 120°C avec un temps de maintien de 12heures. Les corps crus séchés ont été frittés dans un four à moufle électriquement chauffé à la température de cuisson (four à moufle Nabertherm). Durant l’étape de cuisson, la température passe de la température ambiante (25°C) à la température de cuisson de 1350°C. La vitesse de chauffage était de 2K/min et le temps de cuisson était de 2heures. Après cuisson, le produit céramique est refroidi à température ambiante à une vitesse de refroidissement de 2K/min ( ).
Les densités relatives et la force de compression maximale jusqu’à défaillance ont été mesurées l’aide du procédé d’Archimède et d’une presse uniaxiale contrôlée. Le produit fini contenant 30% en poids de déchet réfractaire d’AZS, 30% en poids de déchet réfractaire à haute teneur en alumine et 40% en poids de matériau de type argile présentait une densité relative moyenne de 2750kg/m3, et une force de compression moyenne de 120MPa. La capacité thermique massique spécifique est de 0,74kJ/kg.K à 100°C et de 1,09kJ/kg.K à 600°C. Les propriétés ont été mesurées à l’aide d’un calorimètre à balayage différentiel (DSC).
EXEMPLE EXPÉRIMENTAL #3:
Compactage de poudre sèche: déchet réfractaire d’AZS (35% en poids), déchet réfractaire de magnésite (35% en poids) et matériau de type argile (30% en poids)
Le déchet réfractaire d’AZS a été collecté comme déchets de production d’une usine de recyclage de réfractaire. La poudre se présentait sous la forme d’une poudre blanche homogène très fine, ayant une taille de particule inférieure à 63µm.
Le déchet réfractaire de magnésite a été collecté comme déchets de production d’une industrie de métallurgie. Le matériau a été broyé à l’aide d’un broyeur à mâchoires, et fraisé à l’aide d’une fraise à billes durant 0,5heure, et tamisé à l’aide de tamis et d’une machine à secouer les tamis. La poudre finale se présentait sous la forme d’une poudre grise, avec une taille de particule inférieure à 180µm.
Un matériau de type argile (déchet d’argile), produit comme boue de lavage dans une usine de céramique, a été collecté dans une usine de traitement d’effluent (ETP) de céramique. Il se présentait sous la forme d’une boue blanche épaisse constituée de fines particules, ayant une teneur en eau résiduelle entre 15 et 30% en poids, avec un d50d’environ 10µm. Un autre fraisage a été considéré inutile. Cette poudre telle que reçue a également été séchée 24heures à 120°C, puis désagglomérée par frottement.
Les poudres sèches ont été mélangées ensemble en fonction de cette composition spécifique: 35% en poids de déchet réfractaire d’AZS, 35% en poids de déchet réfractaire de magnésite, et 40% en poids de matériau de type argile. Les poudres ont été mélangées ensemble durant 1heure à l’aide d’un mélangeur de poudre Eirich.
Les mélanges secs ont ensuite été granulés à l’aide d’une plaque rotative, sous pulvérisation d’eau. Les granules produites avaient une longueur caractéristique dans la plage de 0,5mm à 1mm, et présentaient une teneur en humidité d’environ 5% en poids.
Les granules ont été utilisées pour alimenter un moule cylindrique (diamètre: 25mm), qui a ensuite été pressé pour former les corps crus. La pression appliquée était de 200MPa à l’aide d’une presse hydraulique uniaxiale (Carver). Des échantillons ont été éjectés à l’aide d’un piston mécanique provenant du fond du moule. Les échantillons pressés présentaient un comportement satisfaisant durant le pressage, avec des défauts limités (stratification, gonflement, rupture transversale, etc.) et ne nécessitaient pas l’ajout de lubrifiants pour être extraits correctement.
Les corps crus ont été séchés dans un four à ventilation forcée (four Nabertherm) à 120°C avec un temps de maintien de 12heures. Les corps crus séchés ont été frittés dans un four à moufle électriquement chauffé à la température de cuisson (four à moufle Nabertherm). Durant l’étape de cuisson, la température passe de la température ambiante (25°C) à la température de cuisson de 1260°C. La vitesse de chauffage était de 2K/min et le temps de cuisson était de 2heures. Après cuisson, le produit céramique est refroidi à température ambiante à une vitesse de refroidissement de 2K/min.
Les densités relatives et la force de compression maximale jusqu’à défaillance ont été mesurées l’aide du procédé d’Archimède et d’une presse uniaxiale contrôlée. Le produit fini contenant 35% en poids de déchet réfractaire d’AZS, 35% en poids de déchet réfractaire de magnésite et 40% en poids de matériau de type argile présentait une densité relative moyenne de 2550kg/m3, et une force de compression moyenne de 70MPa. La capacité thermique massique spécifique est de 0,85kJ/kg.K à 100°C et de 1,16kJ/kg.K à 600°C. Les propriétés ont été mesurées à l’aide d’un calorimètre à balayage différentiel (DSC).

Claims (14)

  1. Procédé de production d’un produit céramique, tel qu’un produit céramique de stockage d’énergie thermique, consistant à:
    - collecter et trier une charge contenant des déchets réfractaires, incluant optionnellement un prétraitement de la charge parmi au moins (1) la récupération de fer/acier, (2) la récupération de matériau non ferreux, (3) le lavage, (4) la décontamination (par exemple, soufre, laitier, écume, verre, poussières, coke), (5) le tamisage, (6) le broyage, (7) le fraisage et (8) le traitement thermique;
    - recevoir en tant que premier matériau constitutif un premier matériau réfractaire récupéré;
    - recevoir en tant que deuxième matériau constitutif un liant;
    - combiner les premier et deuxième matériaux constitutifs avec de l’eau pour former au moins un parmi (1) une pâte extrudable et (2) un mélange granulé;
    - former un corps cru à partir de l’au moins un parmi (1) la pâte extrudable après extrusion et (2) le mélange granulé;
    - sécher le corps cru;
    - cuire le corps cru pour former le produit céramique à une température dans la plage de 1100°C à 1400°C pendant une période de temps dans la plage de 0,5heure à 12heures; et
    - refroidir le produit céramique.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau constitutif est au moins un déchet réfractaire sélectionné à partir du groupe constitué de:
    (1) un déchet réfractaire de silice, composé du composant suivant: au moins 93% en poids de dioxyde de silicium (SiO2), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% de la composition;
    (2) un déchet réfractaire à haute teneur en alumine, composé du composant suivant: au moins 45% en poids d’oxyde d’aluminium (Al2O3), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition. Cette famille inclut des céramiques telles que la sillimanite, la mullite, la bauxite, le corindon;
    (3) un déchet réfractaire de magnésite, composé du composant suivant: au moins 85% en poids d’oxyde de magnésium (MgO), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5 % en poids de la composition;
    (4) un déchet réfractaire de forstérite, composé des composants suivants: au moins 60% en poids de MgO, de 15% en poids à 20% en poids de SiO2, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (5) un déchet réfractaire de dolomite, composé des composants suivants: de 25% en poids à 45% en poids de MgO, de 35% en poids à 65% en poids d’oxyde de calcium (CaO), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (6) un déchet réfractaire de chrome-magnésie, composé des composants suivants: de 44% en poids à 68% en poids de MgO, de 16% en poids à 25% en poids d’oxyde de chrome (Cr2O3), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (7) un déchet réfractaire de carbone-magnésie, composé des composants suivants: de 80% en poids à 93% en poids de MgO, de 7% en poids à 10% en poids de graphite, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (8) un déchet réfractaire de zircone, composé du composant suivant: au moins 65% en poids d’oxyde de zirconium (ZrO2), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (9) un déchet réfractaire d’AZS, composé des composants suivants: de 45% en poids à 50% en poids d’Al2O3, de 30% en poids à 35% en poids de ZrO2, de 14% en poids à 16% en poids de SiO2, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (10) un déchet réfractaire d’isolation ou d’argile, composé des composants suivants: de 45% en poids à 70% en poids de SiO2, de 25 % en poids à 45% en poids d’Al2O3, et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition;
    (11) un déchet réfractaire de carbure de silicium, composé des composants suivants: au moins 82% en poids de carbure de silicium (SiC), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition; et
    (12) un déchet réfractaire de nitrure de bore, composé des composants suivants: au moins 40% en poids de nitrure de bore (BN), et d’impuretés inévitables dues à la nature du déchet de 0,01 à 5% en poids de la composition.
  3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel le deuxième matériau constitutif est un liant sélectionné à partir du groupe constitué de: argile naturel ou matériaux de type argile.
  4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel les matériaux de type argile comprennent, à partir d’au moins une parmi des industries de céramique, d’exploitation minière et d’exploitation de carrière, au moins une parmi des poussières, des saletés et des boues.
  5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1-4, dans lequel le premier matériau constitutif représente au moins 30% en poids des premier et deuxième matériaux constitutifs.
  6. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1-4, dans lequel le deuxième matériau constitutif représente au moins 20% en poids des premier et deuxième matériaux constitutifs.
  7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau constitutif est un déchet réfractaire d’AZS, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est de l’argile, et dans lequel les premier et deuxième matériaux constitutifs présentent un poids relatif de 70% et de 30% respectivement.
  8. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau constitutif est une combinaison d’un déchet réfractaire d’AZS et d’un déchet réfractaire à haute teneur en alumine, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est un matériau de type argile, et dans lequel le déchet réfractaire d’AZS, le déchet réfractaire à haute teneur en alumine et le matériau de type argile présentent des poids relatifs de 30%, de 30% et 40% respectivement.
  9. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le premier matériau constitutif est une combinaison d’un déchet réfractaire d’AZS et d’un déchet réfractaire de magnésite, et dans lequel le deuxième matériau constitutif est un matériau de type argile, et dans lequel le déchet réfractaire d’AZS, le déchet réfractaire de magnésite et le matériau de type argile présentent des poids relatifs de 35%, de 35% et de 30% respectivement.
  10. Produit céramique formé selon le procédé selon l’une quelconque des revendications 1-9.
  11. Produit céramique selon la revendication 10, dans lequel le produit céramique est un matériau céramique de remplissage elon au moins l’une des géométries suivantes: sphères, cylindres, anneaux de Raschig, anneaux de selle, anneaux de diaphragme croisé, anneaux de Pall, multilobe creux ou plein.
  12. Produit céramique selon la revendication 10, dans lequel le produit céramique est un support céramique structuré selon au moins l’une des géométries suivantes: structures alvéolées, plaques ondulées et briques canalisées.
  13. Utilisation d’un produit céramique selon la revendication 10 en tant que céramique de stockage d’énergie thermique pour stocker la chaleur jusqu’à 1400°C, ou utilisation d’un produit céramique selon la revendication 11 en tant que matériau céramique de remplissage dans un système de stockage d’énergie à lit tassé, ou utilisation d’un produit céramique selon la revendication 12 en tant que support céramique structuré dans un système de stockage d’énergie thermique.
  14. Système de stockage d’énergie thermique comprenant un produit céramique selon l’une quelconque des revendications 10-12.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115073136A (zh) * 2022-06-10 2022-09-20 武汉理工大学 一种高钢渣掺量的吸储热一体陶瓷及其制备方法
CN115286417A (zh) * 2022-08-11 2022-11-04 云南菲尔特环保科技股份有限公司 一种蜂窝陶瓷废料的回收利用方法

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