La cendre volante, parfois dénommée PFA (pour « pulverised fuel ash » en anglais ; ce qui pourrait être traduit par « cendre de combustible pulvérisée »), est l’un des trois déchets issus de la combustion du charbon dans les grandes chaudières industrielles et dans les chaudières de centrales électriques au charbon (les deux autres grands types de déchets étant les gaz émis dans l'air, et les mâchefers). Ensemble avec les cendres enlevées du fond de la chaudière (bottom ash en anglais) elles constituent ce qu’on appelle la cendre de charbon.
À l'échelle microscopique, ces cendres se présentent comme un agglomérat de particules fines, expulsées de la chambre de combustion avec les gaz de combustion. Elles sont dites volantes par opposition aux mâchefers et « cendres sous-foyers ». Dans le passé, une grande partie des cendres volantes étaient relâchées dans l'atmosphère, puis la législation environnementale a imposé que ces cendres polluantes soient extraites des gaz rejetés dans l’air. Dans les centrales au charbon modernes, elles sont capturées par des précipitateurs électrostatiques ou d'autres équipements de filtration des gaz avant que ces derniers n'atteignent les cheminées.
On en produit de grandes quantités ( second déchet en volume aux États-Unis, derrière les ordures ménagères), stockées dans les usines ou à proximité, puis mises en décharge ou offertes ou vendues pour divers usages (vendue à l'industrie du ciment qui la substitue aux pouzzolanes, souvent).
Formation des cendres volantes Les cendres volantes se solidifient rapidement à partir de gaz et particules en suspension dans les gaz de combustion et d'échappement (ce qui leur confère une forme de micro-bille sphérique de 0,5 μm à 300 μm) .
Elles sont alors collectées par des précipitateurs électrostatiques et/ou des sacs filtrants.
Composition Selon le type et la provenance du charbon brûlé, les composants de la cendre volante varient considérablement. Mais toutes les cendres volantes contiennent des quantités substantielles de silice (dioxyde de silicium, SiO) et des formes amorphes et cristallines d’oxyde d'aluminium (AlO) ainsi que de l'oxyde de calcium (CaO). Ces oxydes proviennent de la fraction minérale incombustible des sédiments des couches de terrain carbonifère.
+Composition exprimée en oxydes selon la classe de charbon considérée(hors anthracite, produisant moins de cendre)Composant/qualité - Houille - - intermédiaire - - Lignite - SiO 20 - 60 % 40 - 60 % 15 - 45 %AlO 5 - 35 % 20 - 30 % 20 - 25 %FeO 10 - 40 % 4 - 10 % 4 - 15 %CaO 1 - 12 % 5 - 30 % 15 - 40 %MVS 0 - 15 % 0 - 3 % 0 - 5 %
Constituants secondaires :
Ils dépendent fortement de la composition du lit de charbon mais incluent généralement, tout ou partie, des éléments suivants parfois trouvés à l'état de traces (quelques centaines de ppm) : arsenic, béryllium, bore, cadmium, chrome, chrome hexavalent, cobalt, plomb, manganèse, mercure, molybdène, sélénium, strontium, thallium et vanadium, avec de très faibles concentrations de dioxines et d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP)Managing Coal Combustion Residues in Mines (Gestion des résidus de combustion du charbon dans les mines), Committee on Mine Placement of Coal Combustion Wastes, National Research Council of the National Academies, 2006Human and Ecological Risk Assessment of Coal Combustion Wastes (Évaluation des risques humains et écologiques des déchets de combustion du charbon), RTI, Research Triangle Park, August 6, 2007, prepared for the U.S. Environmental Protection Agency.
Le refroidissement rapide des cendres fait qu'une grande partie des minéraux qu'elles contiennent n'ont pas eu le temps de bien cristalliser. Elles comprennent des minéraux en phase amorphe et d’autres cristallisés (provenant des phases réfractaires du charbon pulvérisé qui ne se vaporisent pas ni ne fondent (ou ne fondent pas entièrement) et restent cristallines. Ces cendres sont donc un matériau complexe et variable.
Du point de vue minéralogique :
Les phases minéralogiques principalement rencontrées sont vitrifiées ou siliceuses (quartz, mullite) avec des oxydes de fer (hématite, magnétite et / ou maghémite).
D’autres phases fréquemment présentes sont : cristobalite, anhydrite, chaux libre, périclase, calcite, sylvite, halite (sel) , portlandite, rutile et anatase.
Les minéraux contenant du calcium (anorthite, gehlénite, akermanite et divers silicates de calcium et aluminates de calcium) sont identiques à ceux trouvés dans le ciment Portland quand les cendres sont riches en calcium .
'Concernant les métaux et métalloïdes toxiques : Le mercure est l'un des composants problématique des cendres volantes, car hautement toxique. Liquide à température ambiante il devient très volatil lors de la combustion dans la chaudière et s'évapore. Une petite quantité peut être condensée puis adsorbée dans la cendre en formation. Il est généralement présent à raison de 0,1 à 1 ppm, selon la qualité du charbon , p 20. Ce chiffre peut paraître bas, mais il doit être rapporté aux millions de tonnes de cendres de charbon produites chaque année et accumulées dans le monde. Les teneurs en autres éléments traces métalliques et donc les propriétés chimiques et toxicologiques des cendres volantes varient également considérablement selon l’origine du charbon (anthracite, charbon bitumineux et lignite). Les charbons bitumineux (hors l’exception notable du bore) contiennent des éléments trace incombustibles piégés dans la matrice charbonneuse à des concentrations proches de celles des sols superficiels normaux (non pollués)EPRI (Project Manager K. Ladwig) 2010, Comparison of coal combustion products to other common materials - Chemical Characteristics, Electric Power Research Institute, Palo Alto, CA qui seront concentrés dans les cendres de ces charbons. Un autre polluant émergeant et problématique, retrouvé en quantité croissante dans la biosphère est le thallium. Présent parfois à des doses importantes dans les cendres, fumées et poussières de cimenteries, il est hautement toxique à faible dose (plus que le plomb, le cadmium et le mercure)
Classifications réglementaires En raison d'une réactivité chimique différente, deux classes de cendres volantes (« C » et « F ») ont été définies au niveau international (par l’ASTM (norme ASTM C618). Elles sont principalement différentiées par leur teneur en calcium, silice, alumine et fer .
Les cendres utilisées comme « matériau cimentaire » de remplacement du ciment doivent respecter des normes techniquement strictes (qui n'ont pas de liens avec l'environnement ; aucune réglementation environnementale standard ne les concerne d'ailleurs aux États-Unis). Leur diamètre (pour 75 % des cendres) doit être inférieur ou égal à 45μm, leur teneur en carbone (mesurée par la perte au feu) ne doit pas dépasser 4 % (bien qu’aux États-Unis une perte au feu plus élevée soit autorisée : jusqu’à 6 %).
La distribution granulométrique des cendres volantes a tendance à fluctuer constamment en raison de variations dans le broyage du charbon, puis des performances de la chaudière, ou en raison de conditions différentes de température et refroidissement selon l’emplacement dans la chaudière. Pour être utilisées de manière optimale, afin de remplacer le ciment dans le béton, elles devraient être pré-traitées, par exemple par des méthodes de classification mécanique par l'air. Si elles visent à remplacer non pas le ciment, mais le sable d’un béton, des cendres volantes contenant un peu plus d’imbrulés sont tolérées. Dans tous les cas, un contrôle continu de leur qualité est nécessaire, faisant l’objet de sceaux et marques de contrôle de qualité (ex : marque Bureau of Indian Standards en Inde ou la marque DCL à Dubaï).
Une des cendres volantes ne sont pas conformes à ces exigences (norme ASTM C618). Elles peuvent néanmoins être utilisée pour d'autres applications.
Cendres volantes de classe F La combustion d'anthracite de mauvaise qualité ou de charbon bitumineux produit généralement des cendres volantes de classe F, qui peuvent remplacer les pouzzolanes naturelles si elles contiennent moins de 7 % de chaux (CaO). Possédant des propriétés pouzzolaniques, de la silice vitreuse et de l'alumine, elles ne nécessitent qu’un agent de cimentation (ex : ciment Portland, de la chaux vive ou de la chaux hydratée mélangée à de l'eau) pour réagir et produire des composés cimentaires.
Par ajout d’un activateur chimique tel que du silicate de soude (dit « verre liquide »), une cendre de classe F peut aussi former un « géopolymère ».
Cendres volantes de classe C Issues de charbon de meilleure qualité (lignite jeune ou charbon sub-bitumineux) ces cendres ont non seulement des propriétés pouzzolaniques, mais aussi des propriétés intrinsèques d'auto-cimentation. En présence d'eau, elles durcissent et forment un substrat qui se renforce avec le temps par cristallisation. C'est pourquoi elles sont souvent utilisées en comblement de tranchées (avec certains risques de pollution pour la nappe en cas de fluctuation de cette dernière).
Elles contiennent généralement plus de 20 % de chaux (CaO) et généralement plus d’alcalis et de sulfate () que les cendres volantes de classe F. Contrairement à celles classées F, les cendres volantes de classe C ne nécessitent aucun activateur (hormis l'eau) pour que la prise commence. Leur pH naturellement basique limite les risques de lixiviation spontanée des métaux qu’elles contiennent, mais ces cendres peuvent perdre cette propriété en présence d’eaux naturellement acides ou d’eau chaude sous pression.
Au moins un fabricant américain a annoncé une brique de cendres volantes faite d'un béton de cendre contenant jusqu'à 50 % de cendres volantes de « classe C » et, selon ce fabricant, les essais ont montré que ces briques respectent ou dépassent les normes américaines de performance de l’ASTM C 216 pour la brique d'argile conventionnelle. Ce matériau se situe encore dans les limites de rétraction admissibles pour la brique de béton selon a norme ASTM C 55 (Spécification américaine standard pour la brique de bâtiment en béton). Le charbon pourrait être remplacé par des énergies bien moins polluantes, mais en admettant que produire des briques de cendres est aussi une manière de valoriser une énergie fatale et un déchet fatal, il a été avancé que cette production réduirait jusqu'à 90 % l’empreinte énergétique de la construction en maçonnerie "The Building Brick of Sustainability". Chusid, Michael; Miller, Steve; & Rapoport, Julie. The Construction Specifier May 2009.. Des briques et pavés de béton à 50 % de cendre étaient annoncées en quantités commerciales avant la fin de 2009"Coal by-product to be used to make bricks in Caledonia". Burke, Michael. The Journal Times April 1, 2009..
Production de cendres volantes et leur devenir Autrefois une grande partie de ces cendres étaient perdues par envol dans l'atmosphère (qu’elles contribuaient à polluer, tout en étant sources de dépenses et de préoccupations environnementales et sanitaires qui ont finalement généré des lois réduisant les émissions de cendres volantes ; à moins de 1 % des cendres produites en général).
À la fin du dans le monde, plus de 65 % des cendres volantes de charbon étaient réputées éliminées en décharges ou en crassiers (dont certains perdaient beaucoup de matière par envol et à l’occasion des pluies).
Le recyclage des cendres volantes est pour les industriels l’opportunité de répondre à la fois à l'augmentation des coûts financiers et sociaux de mise en décharge, à l'intérêt actuel pour la transition vers une économie circulaire plus soutenable tout en apportant des substituts bon marché à une partie des matériaux nécessaires à la production de béton. Ce recyclage permet à l’industrie du ciment et à celle du charbon de mieux se perpétuer, tout en se parant d’une image plus « verte ».