Usine pilote de démonstration de carburant à faible teneur en carbone

Promoteur principal : Lafarge Canada Inc.
Lieu : Bath (Ontario)
Contribution du écoEIN : 3 423 200 $
Total du projet : 13 981 000 $

Contexte du projet (13 981 000 $)

L’industrie mondiale du ciment est une source très importante de gaz à effet de serre, responsable d’environ 5 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone (CO2), ce qui représente environ deux fois et demie les émissions totales du Canada. L’une des principales sources de CO2 dans une usine de production de ciment est le carburant utilisé pour chauffer le four. Pour produire du ciment, des matières brutes comme du calcaire et de l’argile ou du schiste sont placées dans le four et chauffées au moyen de ce carburant jusqu’à une température moyenne de 1 450°C, en vue de produire un produit intermédiaire appelé clinker. Le clinker qui est produit est ensuite moulu en une fine poudre de ciment grise. Au Canada, les principaux carburants utilisés sont le charbon ou le coke de pétrole, tous deux des combustibles fossiles à haute teneur en carbone, ainsi que le gaz naturel, à moindre échelle, qui est un autre combustible fossile.

Reconnaissant la nécessité de réduire les émissions de CO2 issues de la production de ciment ainsi que les autres avantages concurrentiels découlant de la réduction des coûts d’exploitation (carburant), Lafarge a proposé le projet « Usine pilote de démonstration de carburant à faible teneur en carbone » aux fins de financement par l’Initiative écoÉNERGIE sur l’innovation. Le projet a reçu 3 423 200 $ pour faire la démonstration de l’utilisation de carburants à faible teneur en carbone (Low Carbon Fuel - LCF) en tant que substitut partiel pour le mélange de charbon pulvérisé et de coke de pétrole actuellement utilisé dans l’usine Lafarge de Bath, en Ontario.

Résultats

L’installation de démonstration à l’échelle pilote avant le démarrage
L’installation de démonstration à l’échelle pilote avant le démarrage

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Ceci est une photo du système de la centrale pilote orienté vers le nord-ouest, y compris, à l’avant-plan, les compartiments de stockage, le compartiment de déchargement, le système de séparation magnétique et le bâtiment d’approvisionnement en électricité du nouveau système. Également sur la photo, un panneau électrique à faible émission de carbone à l’arrière du bâtiment électrique qui remercie les bailleurs de fonds et les partenaires du projet de démonstration. La photo a été prise de l’autre côté de la route menant à une cimenterie et montre le grand dôme de stockage de ciment en arrière-plan ainsi que la route et l’herbe devant le système pilote.


Installation de démonstration pilote presque terminée
Installation de démonstration pilote presque terminée

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Ceci est une photo de la centrale pilote à l’étape de construction. La photo est prise du 4e étage de la cimenterie, vers le bas et vers le sud et donne sur le système du convoyeur qui s’alimente en phase ascendante vers la cimenterie. On peut également voir les deux compartiments de stockage et l’écran ainsi que le système de déchiquetage qui se trouve entre eux. De nombreux travailleurs sont présents dans la zone de construction de la cimenterie. Plus loin au sud, la photo montre l’autoroute 33 et au-delà du lac Ontario et du quai duquel la cimenterie expédie son ciment.

La conception et la construction de la plateforme de LCF, y compris un système d’injection de LCF, ont commencé à l’été 2013 et se sont poursuivies pendant l’automne. Des changements ont également été apportés à la conception du brûleur de l’usine en vue d’optimiser son rendement avec les LCF et d’explorer le potentiel de réduction des émissions de NOx présenté par les LCF. En décembre 2013, un essai préalable à la mise en service a été réalisé et la construction de l’usine de démonstration s’est poursuivie pendant le printemps 2014.

L’une des principales difficultés rencontrées lorsqu’il s’agit de transformer des matériaux bruts destinés à la décharge en carburant est le traitement de la matière, qui comprend la réduction de taille (pour une combustion efficace), la séparation magnétique (pour enlever le métal) et le mélange (afin de garantir un mélange de carburant fluide et homogène). Ces travaux ont été exécutés par les partenaires d’approvisionnement en carburant. La mise à l’essai des carburants a ensuite été effectuée afin de déterminer la combustibilité, et les résultats de ces essais ont été utilisés afin de modifier le système de LCF. Par exemple, des panneaux de protection contre les explosions et des systèmes de dépoussiérage ont été installés.

En juillet 2014, l’usine de démonstration achevée a été mise en service. Des tests opérationnels ont été réalisés pendant tout l’été et, en conséquence, des ajustements ont été apportés au système d’alimentation. Des tests de qualité ont été réalisés sur le ciment produit et on n’a constaté aucun effet nuisible. Lafarge a obtenu l’approbation du projet pilote de la part du ministère de l’Environnement et de l’Action en matière de changement climatique de l’Ontario, et a obtenu les autres approbations nécessaires pour exécuter le projet.

Trois essais de carburant utilisant des mélanges de carburants différents ont été effectués. Le premier test de LCF a été réalisé en octobre 2014 après avoir déposé le préavis de 30 jours requis auprès du MEACCO). Plus de 500 tonnes de charge d’alimentation pré-mélangée (30 % de déchets de construction et de démolition, 30 % de bardeaux et 40 % de traverses de chemin de fer) ont été recueillies et stockées pour service de source dans les tests d’émissions. L’usine a bien fonctionné pendant la période d’essai, avec une seule interruption de l’échantillonnage pendant une période de fort vent. Des échantillons d’émissions de la cheminée d’essai 1 ont été prélevés aux fins d’analyse, et les résultats ont montré que les limites provinciales étaient respectées, par une marge importante. L’analyse statistique a révélé que seuls les hydrocarbures totaux et les matières particulaires totales présentaient une importance statistique pendant l’essai de LCF 1 – et ces deux valeurs étaient inférieures à celles des essais de référence. Une analyse approfondie a permis de conclure que ces effets, bien qu’avantageux, n’étaient pas attribuables à l’utilisation des LCF. Une analyse du cycle de vie (ACV) de la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) a montré que pour chaque gigajoule de mélange charbon-coke remplacé par un LCF, les émissions de GES diminuaient de plus de 70 %, sans augmentation de quelque autre émission.

Des mélanges différents de charge d’alimentation ont été utilisés lors des essais subséquents, y compris des emballages non recyclables issus des recycleurs de carton, des composites de biomasse et de plastique déchiquetés, des tapis, des textiles, des contenants pour breuvage et des dosettes K-Cups, avec des résultats semblables.

Avantages pour le Canada

Selon Lafarge, l’utilisation de LCF dans l’usine de démonstration a engendré une réduction de 17 226 tonnes de CO2e et le remplacement de 6 829 tonnes métriques de charbon (en 2016-17). Une reproduction dans les usines de tout le pays permettrait à l’industrie du ciment de demeurer concurrentielle à l’échelle mondiale en réduisant les coûts d’exploitation et l’intensité carbonique. Une fois pleinement déployé dans des projets dérivés, l’industrie canadienne pourra réduire ses émissions de CO2e de plus d’1 million de tonnes chaque année.

Prochaines étapes

Rénovation des 5 usines de ciment de Lafarge en vue d’utiliser des LCF, octroi de licences pour d’autres usines dotées de fours à ciment et à chaux partout au Canada, établissement d’une chaîne d’approvisionnement pour garantir une alimentation fiable et de grande qualité en carburant et amélioration des systèmes de traitement.