Différentes mesures effectuées - Le bilan d’énergie de la ligne de cuisson

CHAPITRE II: Le bilan d’énergie de la ligne de cuisson

5. Différentes mesures effectuées

Les mesures effectuées sont essentiellement celles de la température de sortie du clinker, la température de l’air ambiant, la température des différentes zones de la paroi des refroidisseurs, le four, les cyclones, la vitesse et la température du courant d’air autour de ces mêmes éléments. Les valeurs de certains paramètres, comme le débit de farine à l’entrée du four, le débit des combustibles et le registre du ventilateur de tirage du four, sont disponibles à la salle centrale ou salle de commande du four et de suivi des équipements de production, durant la période de mesure.

 Pyromètre manuel à infrarouge

Il mesure la quantité de chaleur rayonnée par une substance solide. Le signal est alors converti en température par un microprocesseur.

Il est utilisé pour mesurer la température de paroi des refroidisseurs, du four et des cyclones. La technique utilisée consiste à viser avec le pyromètre l’élément dont on veut déterminer la température. L’appareil affiche la température maximale, moyenne et minimale. Celle prise en compte est la moyenne (annexe N°2).

 Anémomètre

La vitesse du courant d’air autour de la ligne de cuisson est prise à l’anémomètre (instrument permettant de mesurer la vitesse de l’air). La température de l’air ambiant est également donnée par l’anémomètre.

 KIMO

Les températures d’entrée et sortie de la farine et celles des fumées au niveau de chaque cyclone sont mesurées à l’aide de la sonde de température.

Les pressions statiques sont mesurées à l’aide du tube droit que nous connectons à l’écran d’un appareil appelé KIMO à l’aide des flexibles. Les pressions dynamiques sont mesurées de la même façon que celles statiques, mais avec le tube Pitot et si les gaz sont chargés de poussière, nous nous servons du tube Schlaucheib. Ces différentes pressions et températures nous permettent d’évaluer le débit de gaz qui entre ou qui sort d’une section donnée du système.

 KIGAZ

La composition des fumées est déterminée à l’aide des analyseurs de gaz. Un analyseur de gaz est un appareil programmé pour déterminer les proportions, le débit volumique exprimé en Nm³/h, la température et la chaleur spécifique des constituants (CO₂, CO, O₂…).

Remarque

Du fait de l’influence de la température et de la pression sur la densité d’un gaz, son volume correspondant ne dépend pas de la masse donnée de gaz. Ainsi pour exprimer le débit d’un gaz, on utilise plutôt le « Normal mètre cube par heure » (Nm³/h).

(36) Avec t, Patm et Ps respectivement température (°C), pression atmosphérique et pression statique au point considéré. Pour une masse mg (kg) d’un gaz parfait de masse molaire Mg (kg/kmol), le volume Vg s’exprime en

Nm³ par l’expression : (37)

 Calcul des coefficients d’échange

Connaissant la vitesse de l’air ambiant, nous pouvons évaluer le nombre de Reynolds qui nous permet, à partir du tableau ci-dessous de faire un choix convenable du coefficient d’échange par convection.

(38)

Avec D le diamètre du tube en mètre, V la vitesse de l’air ambiant en m/s et la viscosité cinématique de l’air en m²/s.

Tableau II-2.1 : Formules simplifiées du coefficient d’échange par convection.

Source : [5]

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons fait une analyse fonctionnelle et technique de la ligne de cuisson. Aussi les modèles mathématiques du bilan sont présentés. Les résultats et les analyses seront présentés dans le chapitre suivant.

Introduction

Les feuilles de calcul Excel que nous avons élaborées et appliquées à la ligne de cuisson nous a permis d’évaluer le bilan thermique. Nous avons d’abord calculé l’énergie de tous les flux entrant et sortant du système. Après tout ceci, nous avons fait un récapitulatif. Les résultats, les analyses et les interprétations sont consignés dans ce chapitre.

Il faut aussi signaler que nous avons fait le bilan thermique sous six formes dont trois pour l’utilisation du fioul + les AF’s et trois pour l’utilisation du coke de pétrole + les AF’s :

 Un premier bilan avec l’utilisation du coke de pétrole + les AF (PKS et coton).

 Un deuxième bilan avec l’utilisation du fioul + les AF (PKS et coton).

 Un troisième bilan avec l’utilisation du fioul + PKS.

 Un quatrième bilan avec l’utilisation du coke de pétrole + PKS.

 Un cinquième bilan avec l’utilisation du fioul +coton.

 Un sixième bilan avec l’utilisation du coke de pétrole + coton.

Nous allons présenter la moyenne des bilans dans ce chapitre. Les détails de chaque bilan sont présentés dans les feuilles de calcul.

1. Déroulement du bilan

Le bilan thermique est fait dans les conditions d’exploitation.

Au cours de cette opération il a été procédé à ce qui suit :

 Suivi du fonctionnement de l’atelier ;

 Mesure des températures de surface ;

 Mesure des pressions statiques et dynamiques ;

 Analyse des gaz fumées et mesure de température ;

 Prélèvement d’échantillon de farine crue alimentation;

 Mesure de température de sortie du clinker des refroidisseurs.

Chapitre III:

Synthèse et analyse des résultats

Tous les résultats sont consignés dans cette partie.

 Mesures thermiques

Les températures minimales, moyennes et maximales des surfaces du four ; des surfaces des cyclones et des surfaces des ballonnets sont mesurées par le pyromètre Infrarouge à visée Laser. (Annexes N°2).

 Calcul des chaleurs massiques moyennes

Nous avons évalué les Cp moyens en utilisant la formule (35) et les tables thermodynamiques en annexes N°1.

 Calcul des débits

Les différents débits sont calculés dans les feuilles de calcul Excel propre à l’usine.

Les détails sont en annexe N°4-7.

Remarque : Toutes les valeurs indiquées ici sont des valeurs moyennes issues des mesures effectuées lors du bilan. Nous signalons aussi que la température ambiante était de 30°C et le registre du ventilateur de tirage était à 100%.

2. Moyenne des bilans thermiques avec l’utilisation du Fuel + PKS + coton.

Tableau II-3.1 : Bilan matière

Bilan matière

Entrées (t/h) Sorties (t/h) Ratio farine/clinker

Farines 99,67

clinker 60,40 1,65 Combustibles

Fuel 4,10 PKS 4,85 Coton 2,98

Tableau II-3.2 : Résultats du bilan thermique (Répartition des chaleurs

Tableau II-3.3 : Synthèse du bilan thermique.

Apport des

AF’s (kcal/kg/Clink) (kcal/kg/Clink) (kcal/kg/Clink) %

66,11 33,89 996,00 428,35 1 026,9 41,71

Tableau II-3.4 : Composition de la farine et du clinker

 Analyse des résultats du bilan.

Le calcul détaillé du bilan énergétique a été fait à l’aide d’un fichier Excel (voir feuille de calcul). Les résultats obtenus sont regroupés dans les tableaux II-3.2 et II-3.3 qui montrent que le bilan énergétique est équilibré. Il ressort également de ce bilan que les principales pertes de chaleur sont dues aux gaz d’échappement de four (239,40 kcal/kg de clinker, soit 22,31%), aux pertes de chaleur dues au refroidisseur du clinker (46 kcal/kg de clinker, soit 4,48%) et aux pertes de chaleur par convection et rayonnement des parois (148,96 kcal/kg de clinker, dont 48,78% des pertes par parois sont dues aux ballonnets).

Nous remarquons que la chaleur de formation du clinker est élevée (428,35 kcal/kg Clink ; soit 41,71%) et la consommation de chaleur spécifique est aussi élevée (996 kcal/kg Clink 96,99% des inputs).

Cette efficacité qui ne dépasse pas 42% peut éventuellement être améliorée en réduisant la chaleur de formation du clinker et la consommation de chaleur spécifique.

Donc revoir la composition chimique de la farine et les débits d’injection des combustibles.

3. Moyenne des bilans thermiques avec l’utilisation du coke de

Tableau II-3.6 : Récapitulatif du bilan (Répartition des chaleurs d’entrée et

de sortie).

Tableau II-3.7 : Synthèse du bilan.

AF’s (kcal/kg/Clink) (kcal/kg/Clink) (kcal/kg/Clink) %

64,84

35,16 932,67 427,95 970,7 44,09

Tableau II-3.8 : Composition de la farine et du clinker

Farine (%)

 Analyse des résultats du deuxième bilan

Le calcul détaillé du bilan énergétique a été fait à l’aide d’un fichier Excel. Les résultats obtenus sont regroupés dans les tableaux II-3.6 et II-3.7 qui montrent que le bilan énergétique est équilibré. Il ressort également de ce bilan que les principales pertes de chaleur sont dues aux gaz d’échappement de four (216 kcal/kg de clinker, soit 22,25 %), aux pertes de chaleur dues au refroidisseur du clinker (46,48 kcal/kg de clinker, soit 4,79%) et aux pertes de chaleur par convection et rayonnement des parois (136,61 kcal/kg de clinker, dont 48,31% des pertes par parois sont dues aux ballonnets).

Nous remarquons que la chaleur de formation du clinker est élevée (427,95 kcal/kg Clink ; soit 44,9%) et la consommation de chaleur spécifique est aussi élevée (932,67 kcal/kg Clink ; soit 96,08% des inputs).

Ainsi, l'efficacité globale du système est évaluée par :

(40)

Soit

Cette efficacité qui ne dépasse pas 44% peut éventuellement être améliorée en réduisant la chaleur de formation du clinker et la consommation de chaleur spécifique.

Donc revoir la composition de la farine et les débits d’injection des combustibles.

Nous pouvons aussi améliorer cette efficacité en réduisant le taux des airs faux dans le système.

4. Interprétations et discussion des résultats des bilans

Figure II-3.1 : Répartition des principaux consommateurs d’énergie

D’après l’histogramme ci-dessus, qui ne comporte que les principaux éléments consommateurs d’énergie calorifique, on peut tirer les conclusions suivantes :

 La chaleur de formation de clinker est élevée (428,35 kcal/kg Clink contre 422 kcal/kg Clink en 2014) : ceci peut être attribué à une farine surdosée. Aussi la consommation calorifique spécifique qui est élevée (996 kcal/kg Clink contre 862 kcal/kg Clink en 2014).

 La chaleur sensible évacuée par les fumées à la sortie de la tour est élevée, ce qui signifie un mauvais échange thermique entre la matière et les gaz du four au

niveau du préchauffeur à cause de la vitesse trop forte de ces gaz (20 m/s). On peut aussi l’attribuer à une combustion incomplète du PKS dans les cyclones supérieurs à cause de leur granulométrie.

 La chaleur sensible du clinker est élevée. Ceci peut être expliqué par l’entrée d’une quantité d’airs faux au niveau du bazoka. Ces airs faux devraient passer par les ballonnets et ainsi diminuer la température du clinker et augmenter la température de l’air secondaire.

 D’importantes pertes par rayonnement et convection à travers les ballonnets du refroidisseur, de l’ordre de 72 kcal/Kg clinker (contre 70 kcal/Kg clinker en 2014) ont été enregistrées.

 Les pertes par convection et radiation au niveau des parois des cyclones ont connu une baisse sensible (32 kcal/Kg clinker contre 44 kcal/Kg clinker en 2014).

 Les pertes par convection et radiation au niveau de la virole du four ont connu une baisse sensible (43 kcal/Kg clinker contre 53 kcal/Kg clinker en 2014), grâce à l’air soufflé par les ventilateurs de zone.

En effet, comme les graphes des figures Figure 3.3 et Figure II-3.2 l’indiquent, une réduction des pertes par convection et radiation est enregistrée aux endroits où sont situés les ventilateurs de zone : du point 9 au 27 (croutage); 29 au 33 et du point 40 au point 53 (formation d’anneaux). On constate l’apparition d’un gradient important de température à partir du point 27 jusqu’au point 31 et du point 33 jusqu’au 40, juste devant la zone où sont concentrés les anneaux sulfates. On peut donc conclure, que c’est la rétention des gaz chauds devant les anneaux et leur séjour prolongé, qui augmente la température de la virole en ces endroits et par suite les pertes par rayonnement et convection. La chute du point 54 s’explique par le bandage du four à ce niveau. Nous n’avons pas eu accès à la température de ce point.

Figure II-3.2 : Profil de température de la virole du four (Petcoke + PKS + Coton)

Figure II-3.3 : Profil de température de la virole du four (Fuel + PKS + Coton)

Tableau II-3.9 : Les gaz de la combustion

Eléments Sortie four Sortie tour

CO (ppm) 999 48

O2 (%) 2,10 4,97 CO₂

Décarbonatation (kg/t. Clinker)

726 CO₂ Combustion

(kg/t. Clinker)

311

NO₂ (ppm) 1300 - 1500

Taux d’air faux (%) 18,30

La consommation engendrée par la présence de CO en sortie du four s’est améliorée à la sortie tour. Ceci est dû au fait que la baisse de CO doit se faire par apport d’oxygène (entrée d’airs faux au niveau du joint amont du four). Cette augmentation engendre un surplus de consommation calorifique qui doit compenser le gain découlant de la réduction du taux de CO.

Conclusion

La démarche de bilan énergétique élaborée et le fichier Excel développé peuvent être appliqués à tout système de cuisson de ciment. Cette démarche a dévoilé, grâce au modèle formulé, la répartition de l’énergie thermique consommée par chaque sous-système. Les principales sources de perte de chaleur ont été détectées. Il ressort aussi de ce bilan qu’on peut améliorer la consommation spécifique en cherchant un compromis entre les débits des combustibles principaux (fuel et petcoke) et les déchets de la biomasse (PKS, coton…) par augmentation du taux de substitution.

Troisième Partie

I- Impacts de l’utilisation des AF sur les performances de

la production et sur l’environnement

II- Etude économique et

suggestions

Introduction

L'industrie cimentière se caractérise par sa consommation intensive en énergie calorifique, c'est pourquoi les usines de production appliquent de plus en plus des mesures d'amélioration du rendement énergétique, ce qui entraîne une réduction des émissions associées aux combustibles.

Les principaux aspects environnementaux associés à la production de ciment sont les émissions gazeuses et particulaires

Les émissions gazeuses et particulaires de la cimenterie.

Les principaux rejets gazeux de la fabrication du ciment sont les émissions atmosphériques des fours. Elles sont dues aux réactions physiques et chimiques des matières premières et à la combustion des combustibles utilisés pour chauffer les fours. Les principaux constituants des gaz résiduaires d’un four à ciment sont l’azote (issu de l’air comburant), le CO2 (produit par la décarbonatation du CaCO₃ et par la combustion des combustibles), la vapeur d’eau (produite par la combustion et les matières premières) et l'excès d'oxygène.

Les résidus issus du procédé de combustion sont généralement classés en deux catégories:

• Les résidus imbrûlés tels que le CO, HCN, NH3, N₂O, les hydrocarbures volatils,…

• Les produits issus d’une combustion complète: CO₂, H₂O, NO_x, SO₂, HCl, les métaux lourds, …

Chapitre I:

Impacts de l’utilisation des AF sur les performances de la production et sur

l’environnement

Tableau III-1.1 : Éléments composant la biomasse et leurs effets sur la combustion (Van Loo et Koppejan, 2002)

Source : [15]

1.1. Résidus de combustion complète

 Le dioxyde de carbone CO₂

Le CO₂ est le produit de dégradation majeur issu de la combustion de la biomasse. Il est neutre vis-à-vis de l’effet de serre si la biomasse provient de systèmes de production gérés de manière durable.

Selon les estimations, la fabrication d’une tonne de clinker gris entraîne des émissions de 900 à 1000 kg de CO₂, pour un besoin thermique spécifique de 3 500 à 5 000 MJ/tonne de clinker, ce qui dépend aussi du type de combustible utilisé. Environ 60 % des émissions de CO₂ sont issues de la décarbonatation et les 40 % restant issus de la combustion du combustible.^[20] Les émissions de CO₂ produites par la combustion du carbone du combustible sont directement proportionnelles au besoin de chaleur spécifique et au rapport entre la teneur en carbone du combustible et son pouvoir calorifique.

Comme dans le cas des procédés utilisant seulement du fuel, la combustion de fuel libère des quantités appréciables de CO₂. Des quantités substantielles de CO₂ sont également formées durant la cuisson du calcaire. Cette dernière provoque la

décomposition thermique du CaCO₃ en CaO et CO₂. Pour le cas de SCB-Lafarge, 1650 kg de calcaire sont nécessaires pour fabriquer une tonne de clinker. Par conséquent, la quantité de CO₂ libérée lors de la décarbonatation est de 726 kg/t de clinker fabriqué. La quantité de CO₂ libérée par la combustion complète des combustibles s'élève à 311 kg/tonne de clinker fabriqué. Les émissions de CO₂ totales liées à la cuisson s'élèvent à 1037 kg environ par tonne de clinker.

 Les oxydes d’azote NO_X

L’appellation «NO_X » regroupe les mono et dioxydes d’azote (NO et NO₂). Les émissions de NO_X proviennent de l’oxydation de l’azote contenu dans le combustible.

Mais il est important de noter que des quantités supplémentaires de NO_X peuvent se former à partir de l’azote de l’air (N₂). Les oxydes d’azote que l’on retrouve dans les émissions ont trois origines :

• le combustible : l’azote de la biomasse est converti en NO (> 90%) et en NO2

(< 10%).^[21] Les précurseurs de ces oxydes d’azote sont l’acide cyanhydrique (HCN) et l’ammoniac (NH₃). Si l’oxygène est limitant, ces deux gaz sont convertis en NO.

Mais ce NO peut aussi réagir avec ses propres précurseurs pour former N₂ si le combustible est suffisamment riche en azote. Il n’y a donc pas de relation linéaire entre les quantités d’azote contenues dans le combustible et les rejets en oxydes d’azote.

• les réactions à hautes températures : l’azote de l’air réagit avec l’oxygène pour former du NO à partir de 1300 °C. Cet effet s’amplifie avec la température, la concentration en oxygène et le temps de résidence. Ce type de réaction n’aurait qu’une influence limitée dans le cas de la biomasse.

• les réactions rapides : l’azote de l’air peut réagir avec des intermédiaires de combustion hydrocarbonés pour former HCN, puis des oxydes d’azote. Cet effet est toutefois plus important avec des combustibles fossiles qu’avec de la biomasse.

D’une manière pratique, les émissions de NOX augmentent avec l’azote contenu dans le combustible et la température de combustion (et dans une certaine mesure avec l’excès d’air, mais un excès d’air trop important diminue fortement la température de combustion).

 Les oxydes de soufre (SO_X)

Le dioxyde de soufre provient de l’oxydation complète du soufre contenu dans le combustible. Mais tout le soufre n’est pas converti en SO_X. Une quantité non négligeable se retrouve dans les cendres, sous forme de sulfates favorisant la formation des anneaux sulfates en amont du four. La biomasse ne contenant généralement quasiment pas de soufre, on peut dire que sa combustion n’émet pas de SO_X.

 L’acide chlorhydrique (HCl)

Une fraction du chlore contenu dans le combustible peut se retrouver sous forme d’HCl. La plupart du chlore est converti en chlorures (Na et K), tandis qu’une fraction minime peut être transformée en dioxine ou autres organochlorées. Par exemple, le contenu en chlore du bois est très bas, mais ce problème d’émission d’HCl se pose avec des combustibles comme la paille ou l’herbe.

 Les particules

Les émissions particulaires ont plusieurs origines et sont issues de mécanismes complexes. Parmi les émissions particulaires, on retrouve les cendres volantes, résultat de l’entraînement dans les gaz de fumées de cendres et de sels (KCl, NaCl, K₂SO₄).

Les principaux facteurs influençant la formation de particules sont le débit de combustible et sa proportion en fines particules, l’excès d’air et sa distribution (Tillman, 1987).

La pollution par les poussières représente la forme de pollution la plus importante au niveau des cimenteries. La granulométrie des poussières est un facteur important. Les poussières fines restent en suspension dans l’atmosphère alors que les plus grosses sont appelées à se déposer sur le sol à différentes distances de la source selon leur taille.

 Les métaux lourds et autres éléments non-organiques

Tout type de biomasse contient des métaux lourds (tels que Cu, Pb, Hg, Zn, …) au moins à l’état de trace. Rappelons que certains d’entre eux sont des oligo-éléments indispensables à la vie de la plante. Selon leurs propriétés physico-chimiques, ces éléments se retrouveront dans les cendres, les particules, voire en phase gazeuse.

La majeure partie de ces éléments se retrouve piégée soit dans le clinker, soit dans les poussières captées par les filtres. Certains d'entre eux peuvent toutefois être, en partie plus ou moins importante, rejetés dans l'environnement soit parce qu'ils sont volatils et ne se solidifient qu'aux basses températures, soit parce qu'ils forment des composés volatiles. Les matières premières et les combustibles contiendront toujours des métaux mais leur concentration est très variable d'un endroit à un autre. L’étude du bilan matière montre que le clinker contient peu d’éléments fortement volatils, ce qui veut dire que ces substances s’accumulent dans le four.

1.2. Résidus de combustion incomplète

Les résidus de combustion incomplète ont des conséquences environnementales, techniques et économiques. Environnementales, car les composés formés ont souvent un impact négatif sur les écosystèmes. Techniques parce qu’ils peuvent abîmer l’installation ou au moins en diminuer les performances. Et enfin

Dans le document CONSOMMATION DES ALTERNATIFS FUEL SUR LA LIGNE DE CUISSON A LA CIMENTERIE D’ONIGBOLO : (Page 77-0)