CHAPITRE III: Les combustibles alternatifs utilisés à SCB-LAFARGE
5. Transmission de chaleur au niveau de la ligne de cuisson
Figure II-1.4 : Echangeur de chaleur contre-courant
à courants croisés : les sens de circulation des deux fluides sont positionnés perpendiculairement. Cette évolution a les avantages des deux types précédents.
Par contre, les débits d’air à conditionner seront plus importants.
Figure II-1.5 : Echangeur de chaleur courant croisés
5. Transmission de chaleur au niveau de la ligne de cuisson
La transmission de chaleur se fait ici en prépondérance à contre-courant entre les gaz chauds et la farine crue. La farine entre dans la ligne par la conduite du cyclone C2 (A52) et est ramenée dans les cyclones jumeaux A51 et A61 par les gaz : c’est le 1er étage de la tour de préchauffage. A ce niveau la température de la farine oscille entre 330 et 350°C. La farine chute à présent sous l’effet du cyclonage dans la conduite du cyclone A53, rencontre les gaz qui ramènent dans A52 (2ème étage) où sa température
remonte pour passer à 530 - 550°C. Le cru chute de nouveau toujours sous l’effet du cyclonage, rencontre les gaz dans la conduite de A54 et à co-courant avec ces derniers il prend encore des thermies en allant vers A53 (3ème étage) pour voir sa température osciller entre 690 et 720°C. La farine continue ensuite son chemin pour passer dans A54 (4ème étage). A ce niveau, sa température varie entre 840 et 850°C. Après A54, la farine continue sa transformation dans le four rotatif où elle subit d’autres étapes à savoir la décarbonatation proprement dite et la clinkérisation. Enfin, la trempe (refroidissement rapide) du clinker est assurée par les refroidisseurs à ballonnet pour permettre une manutention facile du clinker.
En résumé nous pouvons dire que dans la tour à cyclones, la transmission de chaleur s’effectue au cours des quatre (04) processus de courants parallèles successifs qui constituent un processus en contre-courant. Les études de performance thermo-techniques ont prouvé que près de 80% des échanges dans la tour ont lieu dans les conduites alors que seulement 20% se déroulent dans les cyclones. La farine est chauffée jusqu’à 850°C tandis que les gaz chauds sont refroidis de 1050°C à environ 350°C à 330°C.
Le processus de clinkérisation qui se déroule dans le four est provoqué par la chaleur. Une bonne clinkérisation ne peut être obtenue que par une optimisation des échanges thermiques s’opérant dans le four. Les échanges thermique se déroulent, aussi bien dans le four, dans les refroidisseurs que dans la tour de cyclones.
Les échanges thermiques dans le four peuvent-être séparés en deux zones à savoir :
Zone de cuisson : ici près de 75% de la chaleur est transmise par le rayonnement de la flamme. Ce rayonnement ne couvre pas tout le spectre thermique. Seuls les gaz polyatomiques comme H2O, CO2, SO2… développent un rayonnement de flamme en raison de la présence de leur bande d’absorption dans l’infrarouge.
La quantité de chaleur reçue par un point dépend :
de la quantité du combustible et du réglage de la flamme ;
de la position de ce point par rapport à la flamme ;
de la température de l’air de combustion et par contrecoup de la température de la flamme.
Le reste de la chaleur est transmis par conduction de la paroi à la matière et dans la matière et aussi par convection.
En amont de la zone de cuisson, le transfert de chaleur s’effectue essentiellement par convection des gaz chauds vers la matière. Ce phénomène est accru par le dégagement de CO2 de la décarbonatation.
Dans le refroidisseur, les échanges thermiques sont dominés par la convection.
La chaleur est transmise du clinker à l’air par brassage des deux corps. Ce brassage est favorisé par la vitesse de l’air et les pelles élévatrices du refroidisseur. Ce qui donne naissance aux phénomènes d’échanges physiques que l’on peut décrire ainsi qu’ils suivent :
Convection forcée : L’air de refroidissement, aspiré par le ventilateur, circule autour des grains de clinker, assurant ainsi leur refroidissement.
Convection forcée entre l’air de refroidissement et la paroi interne des refroidisseurs.
Conduction entre la paroi interne du refroidisseur et les grains de clinker.
Rayonnement entre la paroi interne du refroidisseur et les grains de clinker.
Le Processus élémentaire de refroidissement d’un grain de clinker peut alors se résumer comme suit :
l’air circule autour de chaque grain de clinker ;
au contact du grain, l’air s’échauffe par convection et par rayonnement ;
la surface du clinker ainsi refroidie appelle des calories de l’intérieur du grain ;
la chaleur migre donc par conduction vers l’extérieur du grain (sa surface).
Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté les notions de bilan thermique et de transfert de chaleur. Toutes ces notions accompagnées des processus de transmission de chaleur dans la ligne de cuisson nous permettrons d’évaluer le bilan énergétique.
Introduction
Dans le but de maîtriser le cheminement des flux d’énergie au niveau du système de cuisson du clinker, un bilan énergétique est nécessaire sur la ligne de cuisson de l’usine d’Onigbolo. Les principaux objectifs de ce bilan énergétique sont de deux ordres :
fournir un compte rendu exact des énergies fournies, utilisées et perdues ;
évaluer le taux de substitution du fuel par les déchets de la biomasse.
La ligne de cuisson qui représente notre système d’étude est constituée de la tour de préchauffage, du four et du refroidisseur de clinker.
1. Analyse du système et structuration du problème
Le bilan s’établit sur un système et il est important de définir clairement celui-ci avant de commencer toute étude.
Un système thermodynamique est une portion d’espace limitée par une surface fermée, appelée volume de contrôle qui contient une certaine quantité de matière. Le contour du volume de contrôle est appelé frontière du système. Tout ce qui est au-delà de la frontière est appelé milieu extérieur ou environnement au système. Lorsque la frontière du système est imperméable à la matière (donc étanche), le système est dit fermé. Un système qui non seulement est imperméable à la matière, et qui en outre n’échange ni chaleur ni travail avec le milieu extérieur est dit isolé. Lorsque la frontière d’un système (ou certaines portions de celle-ci) sont traversées par un débit de masse, le système est dit ouvert. On donne aux portions de la frontière traversées par un débit le nom de sections d’entrée et de sortie, selon le sens du débit.
1.1.
Le système d’étude
Le système d’étude est un système ouvert que nous schématisons comme suit :
Chapitre II:
Bilan d’énergie de la ligne de cuisson
Figure II-2.1 : Système d’étude
1.2. L’analyse fonctionnelle et l’organigramme technique du système
L’analyse fonctionnelle et l’organigramme technique du système ont permis d’identifier les relations qui existent entre le système de cuisson, le flux de matière ainsi que le cheminement d’énergie. Les fonctions structurantes prises effectivement en compte dans cette communication sont : FS : Transformation de la farine crue en clinker.
FC1 : L’énergie calorifique dégagée par le combustible lors de la combustion.
FC2 : La composition chimique et l’humidité de la farine crue.
FC3 : La formation du Clinker.
FC4 : Respecter les critères environnementaux.
FC5 : Chaleur dégagée par les gaz d’exhaure.
Figure II-2.2 : Analyse fonctionnelle du système.
Combustible
Figure II-2.3 : Organigramme technique du système 2. Transmissions d’énergie thermique
Figure II-2.4 : Transmissions d'énergie thermique sur la ligne de cuisson.
NOX; SO2 ; CO2…
2.1. Au niveau de la tour échangeur
La farine crue entre par la tour échangeur à contre- courant avec le gaz chauds.
Avant l'entrée de la farine dans le four où il s'effectue l'amorçage de la cuisson, l'utilisation de combustibles au niveau du préchauffeur s’avère nécessaire. Des réactions chimiques et particulièrement celle de la décarbonatation des produits carbonatés (CaC03) s'y effectuent. Le sous-système tour échangeur peut être modélisé comme suit:
Entrées: farine crue, combustible et airs faux.
Sorties: gaz chauds, pertes par rayonnement et convection.
2.2. Au niveau du four
Le four permet de réaliser la clinkérisation. La fabrication du clinker nécessite l'utilisation de combustibles. Durant la combustion au niveau du four, des pertes par rayonnement et par convection s'y effectuent au niveau de la virole. Ainsi, nous pouvons modéliser le four comme suit:
Entrées : combustibles, l’air primaire et airs faux.
Sorties : rayonnement et convection de la virole du four, clinker, poussières.
2.3. Au niveau du refroidisseur de clinker
Le refroidisseur permet de refroidir le clinker sorti du four. Cet air de refroidissement obtenu à l'aide du ventilateur de tirage, peut être décomposé en air chaud, utilisé par la tour échangeur et en excès d'air utilisé par le broyeur à cru. Le refroidisseur peut être modélisé comme suit:
Entrées : air de refroidissement, airs faux.
Sorties : excès d'air et clinker refroidis.
Input Output
Farine crue Gaz chauds sortie four Combustibles à la tuyère Pertes par rayonnement des parois Combustibles à la BAF Pertes par convection des parois Air primaire Pertes dues au refroidisseur du clinker Air de refroidissement Poussière sortie tour Air de transport Chaleur théorique de formation Airs faux Chaleur de vaporisation
Figure II-2.5 : Équilibre thermique général du bilan.
3. Formulation du modèle pour le bilan
Les relations présentées ci-dessous permettent la détermination des différentes chaleurs d’entrée et de sortie du système considéré. Les énergies sont évaluées en kcal/kg de clinker et la température ambiante prise est égale à 30°C.
3.1. Les apports: Sources de chaleur 3.1.1. Chaleurs d’entrée
A l’entrée, les chaleurs mises en jeu sont définies comme suit :
3.1.1.1. Chaleurs de combustion des combustibles
(18) ;
: Pouvoir calorifique inférieur du combustible en kcal/kg ; Débit massique du combustible en kg/h ;
: Débit massique de c1inker en kg/h ; calculer avec la quantité de farine consommée et le coefficient de clinkérisation durant la période des mesures.
La chaleur de combustion est constituée de :
La chaleur apportée par la combustion du fuel ;
La chaleur apportée par la combustion du coke de pétrole :
La chaleur apportée par la combustion des coques de palmiste :
La chaleur apportée par la combustion du coton : Par exemple, la chaleur apportée par la combustion du fuel est :
(19)
La chaleur calorifique spécifique
Si nous sommes au fuel + AF’s : transition de phase physique, entre deux corps formant un système isolé.
La relation qui permet de calculer la chaleur sensible d’un combustible est :
(22) Avec : Energie du combustible en kcal/kg de clinker ; : Variation de la température du combustible en K ;
: Variation de la température de la farine en K
: Chaleur massique de la farine de l'alimentation en calculée en fonction de la température.
: Énergie de la farine crue en kcal/kg de clinker.
3.1.1.3. Chaleur apportée par l’air de combustion
A l'aide d'un Tube de Pitot et l’appareil KIMO, nous mesurons la vitesse de l'air du ventilateur. Connaissant la masse volumique et le débit volumique nous en déduisons le débit massique qui est donné par relation (24).
L’air de combustion est constitué de :
Air primaire) ;
Air de refroidissement ;
Air de transport des combustibles
Les relations qui permettent de calculer la chaleur apportée par l’air de
: Variation de la température de l'air en K ; T : la température de l'air en K ;
: Chaleur massique de l'air en calculée en fonction de la température. L’air primaire est composé de l’air axial et de l’air rotationnel.
3.1.2. Chaleurs de sortie
3.1.2.1. Les pertes au niveau de la virole du four, de la surface du préchauffeur et des ballonnets.
Le four utilisé au niveau de la ligne de cuisson est un four à haute température.
Une partie importante de la chaleur est fournie directement par le rayonnement de la flamme dans une zone de radiation. Le transfert de chaleur s'y fait essentiellement par rayonnement de la flamme et des gaz issus de la combustion.
Les formules proposées pour les calculs du rayonnement et de la convection sont les suivantes :
3.1.2.2.
Les pertes par rayonnement
La radiation au niveau de la surface du four, de la tour de préchauffage et du refroidisseur en kcal/kg de clinker est déterminée à partir de la relation suivante:
; Avec k l’élément concerné (27)
adiation de l’élément en kcal/kg de clinker ; : Température de la surface de l’élément en K ;
: Température du milieu environnant la surface de l’élément en K ; Surface d'échange de l’élément en m2 ;
Émissivité de la surface de l’élément ;
Constante de Stefan Boltzmann (4,882×10-8 W.m-2. K-4)
3.1.2.3. Les pertes par convection
La convection au niveau de la surface du four, de la tour de préchauffage et du refroidisseur en kcal/kg de clinker est déterminée à partir de la relation:
(28) Avec k l’élément concerné ;
Pertes par convection au niveau de l’élément k en kcal/kg de clinker.
Coefficient de convection de l’élément k.
3.1.2.4. La chaleur du gaz d’exhaure sortie tour
: Taux d’humidité dans la farine crue ;
: Débit massique de la farine crue en kg/h ;
: Variation de la température de la poussière en K.
3.1.2.7. Pertes au niveau du refroidisseur Clinker
(32)
: Perte de chaleur au niveau du refroidisseur de clinker en kcal/kg de clinker ;
: Chaleur massique de clinker au niveau du refroidisseur calculée en fonction de la température;
: Variation de la température de clinker au niveau du refroidisseur en K.
Excès d'air Ex ’ i
(33) O2: pourcentage d'oxygène par volume dans gaz de combustion
CO2 : pourcentage de dioxyde de carbone par volume dans gaz de combustion
3.1.2.8. Chaleur de formation
La chaleur de formation est constituée de la chaleur requise pour décomposer les carbonates, les silicates avec les alcalis et de l'eau chimiquement liée, de la chaleur libérée par la formation de silicates de calcium, les sulfates alcalins et éventuellement de la combustion composés de pyrites et organiques.
(34)
Or à la température de clinkerisation, on suppose que l'eau chimiquement liée est .
Donc
[5].
Avec : l'énergie de formation en kcal/kg de clinker Toutes les valeurs en prises en % massique dans le clinker.
4.
Calcul du Cp moyen
Le Cp moyen a été évalué par la formule :
(35)
Où et sont respectivement la chaleur spécifique et la proportion du constituant i.
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%.
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%.