High temperature reactivity of calcium hexa-aluminate in contact with biomass ash

Réactivité à haute température de l’hexa-aluminate de calcium au contact des cendres de biomasse

Mouna Sassi (1)

1 CEMHTI - Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation

High-temperature corrosion by alkali (salts or oxides of sodium and/or potassium in solid, liquid, and vapor state) and slag is a serious problem that affects the service life of refractories used in incineration plants. In order to contribute to a better knowledge of this attack, a laboratory study was carried out during this research to study alkali corrosion of different raw materials: fireclay, andalusite, mullitized andalusite, mullite, fused zirconia mullite, bauxite, white corundum, β-alumina and compared to calcium hexa-aluminate.Moreover, the reactivity of calcium hexa-aluminate and alumina with CaO-SiO2 and CaO-Al2O3 slags is studied to evaluate their resistance. The reaction kinetics is determined from ex-situ corrosion tests by XRD after cooling, on CA6/Al2O3 grains mixed with slag synthesized and milled in varying proportions. For both alumina and calcium hexa-aluminate grains, the dissolution is fast, followed by a slow precipitation of an intermediate compound. This is in agreement with thermodynamic predictions.As a result, calcium hexa-aluminate shows both high thermochemical stability in contact with alkali and high dissolution resistance to liquid oxides. Industrial trials are underway in an American hazardous waste incinerator located in Houston. The results after a trial period of 7.5 months show that calcium hexaluminate castable is resistant.

La corrosion à haute température par les alcalins (sels ou oxydes de sodium et/ou de potassium à l'état solide, liquide et en état vapeur) et les oxydes liquides (laitiers) est un problème sérieux qui affecte la vie des matériaux réfractaires utilisés dans les installations d'incinération de déchets. Afin de contribuer à une meilleure connaissance de cette attaque, une étude en laboratoire a été réalisée pour étudier la corrosion alcaline de différentes matières premières : chamotte d’argile, andalousite, andalousite mullitisée, mullite, zircone mullite, bauxite, corindon blanc, alumine-β et comparé à l'hexa-aluminate de chaux. La réactivité de l'hexa-aluminate de chaux et de l'alumine avec les laitiers CaO-SiO2 et CaO-Al2O3 est étudiée pour évaluer leur résistance. La cinétique de réaction est déterminée à partir d'essais de corrosion ex situ par DRX après refroidissement, sur des grains de CA6/Al2O3 mélangés à des laitiers synthétisées et broyées dans des proportions variables. Pour les grains d'alumine et d'hexa-aluminate de chaux, la dissolution est rapide, suivie d'une lente précipitation d'un composé intermédiaire. Ceci est en accord avec les prévisions thermodynamiques. Par conséquent, l'hexa-aluminate de chaux présente à la fois une stabilité thermochimique élevée au contact des alcalins et une résistance élevée à la dissolution des oxydes liquides. Des essais industriels ont été réalisés dans un incinérateur de déchets dangereux situé à Houston, USA. Les résultats après une période d’essai de 7.5 mois montrent que le béton d’hexa-aluminate de chaux résiste bien.

Mots clés: Refractories; Kinetics; X-Ray diffraction; Biomass; High temperature; Ash; Calcium hexa-aluminate; Alumina; Alkali; Rietveld quantification

Mots clés: Réfractaires; Cinétique; Diffraction des rayons X; Biomasse; Hautes températures; Cendres; Hexa-aluminate de chaux; Alumine; Alcalin; Quantification Rietveld

Domaines: Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]

Mouna Sassi. Réactivité à haute température de l’hexa-aluminate de calcium au contact des cendres de biomasse. Science des matériaux [cond-mat.mtrl-sci]. Université d'Orléans, 2019. Français. ⟨NNT : 2019ORLE3101⟩. ⟨tel-03219294⟩