L'ammoniac (NH3) comme combustible dans l'industrie de la brique et de la tuile en terre cuit

La feuille de route pour une industrie de la brique et de la tuile neutre en gaz à effet de serre en Allemagne trace une voie de neutralité climatique qui doit conduire à une industrie de la brique et de la tuile sans CO2 d'ici 2050. Outre d'autres conditions, l'objectif clé de cette feuille de route vers la neutralité climatique est le remplacement total des combustibles fossiles par des sources d'énergie renouvelables. En particulier pour les processus à haute température, les gaz combustibles alternatifs présentent une option intéressante pour la décarbonisation. L'accent est ici mis sur l'hydrogène vert. Outre l’utilisation de l’hydrogène vert comme gaz combustible, son utilisation comme gaz d’éduit pour la production d’ammoniac vert constitue une voie technologique intéressante. L’ammoniac vert peut être produit par synthèse d’ammoniac lorsque les éduits azote et hydrogène sont récupérés à partir d’énergies renouvelables. En particulier en ce qui concerne le transport et le stockage des énergies nécessaires, l’ammoniac présente un avantage considérable par rapport à l’hydrogène. L’hydrogène ne peut être liquéfié qu’à une température de -252 °C. L’ammoniac, en revanche, peut être liquéfié dès -33 °C sous pression standard, et même à 20 °C sous une pression de 9 bars.

Dans le cadre du projet de recherche « L’ammoniac comme combustible renouvelable dans l’industrie de la brique et de la tuile en terre cuite », l’Institut für Ziegelforschung Essen e.V. (Institut de recherche sur la brique et la tuile) collabore actuellement avec l’Institut Gas- und Wärme Essen e.V. (Institut du gaz et de la chaleur) pour étudier le comportement de combustion de l’ammoniac, ainsi que ses effets sur la qualité des briques et des tuiles. Après des recherches fondamentales sur la combustion de l'ammoniac, les premiers essais de cuisson ont été réalisés à l'échelle du laboratoire. L'ammoniac a un pouvoir calorifique de Hi = 14,14 MJ/mN³, ce qui est supérieur au pouvoir calorifique de l'hydrogène, qui est de Hi = 10,80 MJ/mN³. Sa température de flamme adiabatique de Tad = 1 798 °C est cependant bien inférieure à celle de l'hydrogène (Tad = 2 106 °C). L'ammoniac a également une vitesse de flamme beaucoup plus faible et une énergie d'allumage minimale beaucoup plus élevée. On peut donc se demander si la température de processus requise peut être atteinte avec la température de flamme adiabatique beaucoup plus basse et quels défis peuvent en résulter en termes de stabilité de la flamme. En raison de l'azote lié au combustible, il faut également s'attendre à des émissions de NOX élevées.

Les premiers essais à l'échelle du laboratoire ont montré que la combustion d'ammoniac pur est possible. Pour l'allumage à froid, on a cependant utilisé du gaz naturel ou de l'hydrogène, puis on a ajouté progressivement de l'ammoniac. Les émissions de NOX dépendent fortement de la géométrie du brûleur. Grâce à des mesures de réduction couramment appliquées, ces émissions peuvent néanmoins être maintenues dans une plage modérée. L'objectif principal était de déterminer des solutions possibles pour une allumage et une combustion stables de NH3 sur la base de mélanges appropriés. Dans l'étape suivante, des cuissons à l'ammoniac ont été réalisées à l'échelle semi-industrielle à l'aide de deux brûleurs à lance utilisés dans l'industrie de la brique et de la tuile.

»La figure 1 montre les émissions de NOX, de N2O et de NH3 pour différents mélanges de gaz. Ici, l'ammoniac a été ajouté progressivement par paliers de 10 % en volume au gaz naturel et à l'hydrogène. On peut constater que les valeurs de NOX pour une teneur en ammoniac de 70 et 80 % en volume atteignent un pic à une valeur d'environ 2 250 mg/m³ (valeur de référence de l'oxygène 17 % en volume), puis diminuent. On peut également constater que l'adjonction au gaz naturel n'est possible que jusqu'à 75 %. Avec l'adjonction à l'hydrogène, une combustion à 100 % de l'ammoniac est possible. Les émissions de N2O et de NH3 qui en résultent sont particulièrement nocives pour l'environnement. Il faut donc les éliminer autant que possible.

Pour étudier les effets de l'ammoniac sur la qualité des briques, quatre configurations de gaz combustible ont d'abord été définies : 100 % de gaz naturel, qui sert de cuisson de référence, un mélange de gaz naturel et d'ammoniac dans un rapport de 50 % en volume, un mélange d'hydrogène et d'ammoniac dans un rapport de 50 % en volume, ainsi que 100 % d'ammoniac. À partir des trois pâtes d'argile disponibles, on a d'abord préparé des modèles de parement et des blocs d'argile ainsi que des tuiles. Ceux-ci ont ensuite été cuits selon les courbes de cuisson prescrites, avec les configurations de gaz de cuisson mentionnées ci-dessus dans un four d'essai. Après la cuisson, les propriétés suivantes du produit doivent être testées : la différence de couleur, la résistance à la compression des briques de parement et des blocs d'argile, la résistance à la flexion, qui est particulièrement importante pour les tuiles, le retrait, la perte au feu et la densité.

Dans la première étape des tests d'effets sur la qualité du produit, l'aspect des briques et des tuiles a été étudié. Pour cela, la différence de couleur a été déterminée à l'aide d'un spectrophotomètre. La teneur en oxygène dans le four a une influence majeure sur la couleur des briques et des tuiles. Lors des cuissons d'essai avec toutes les configurations de gaz de cuisson, celle-ci variait entre 7 et 8 vol% O2. Pour déterminer la différence de couleur ΔE, des briques et des tuiles cuites au gaz naturel pur ont été utilisées comme référence. Les valeurs indiquées dans la »Figure 2 ont été mesurées.

Comme on peut le voir dans la »Figure 2, la plupart des valeurs sont inférieures à ΔE = 1. Cette différence de couleur est imperceptible à l'œil nu. Les valeurs entre 1 et 2 sont perceptibles en regardant de près. On peut donc dire que les différents mélanges de gaz de cuisson n'ont aucune influence sur l'aspect visuel des produits. De plus, les échantillons ont été analysés au microscope. Comme le montre la »Figure 3, aucune différence de couleur n'est décelable.

Au cours de la suite du projet, des analyses techniques des matériaux seront effectuées.

Les participants à la réunion de projet ont pu se faire une idée du déroulement du test et de l'évolution de la flamme lors de la démonstration d'un brûleur à lance avec différents mélanges de NH3.

Le projet est financé par le BMWK via le programme de recherche collective industrielle (IGF), numéro de projet 22893.

Source ZiegelIndustrie International