UNIVERSITÉ D’ABOMEY – CALAVI
ÉCOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY – CALAVI
DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ET ÉNERGÉTIQUE FILIERE : GÉNIE MÉCANIQUE ET ÉNERGÉTIQUE
OPTION : ÉNERGÉTIQUE
THEME:
Rédigé et Soutenu par :
Lundi 21 Décembre 2015 Membres du jury :
Président : Professeur AHOUANNOU Clément, Enseignant à EPAC Examinateur : Docteur FAGBEMI Latif, Enseignant à EPAC
Superviseur : Professeur ANJORIN Malahimi, Enseignant à EPAC
Tuteur : Ingénieur Philibert SOSSOU, Responsable Cru-Cuisson et Environnement à SCB-LAFARGE
MINISTÈRE DE L’ENSEIGNEMENT SUPÉRIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
RÉPUBLIQUE DU BÉNIN
CONSOMMATION DES ALTERNATIFS FUEL SUR LA LIGNE DE CUISSON A LA CIMENTERIE D’ONIGBOLO :
BILAN ENERGETIQUE, GAINS ET IMPACTS SUR LE PLAN ENVIRONNEMENTAL
Magloire SACLA AÏDE
MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
8
èmePromotion
Lieu de stage :
Dédicace
Je dédie ce modeste travail :
A DIEU tout puissant pour Sa main puissante qui n’a jamais cessé de m’accompagner dans ma vie.
A mes très chers parents VETOUNTO B. Lèkossi et SACLA A. Clément. Rien ne sera exprimé l’amour, le respect et l’estime que je porte pour vous. Ma reconnaissance pour vos sacrifices et vos dévouements qui ont été pour moi des encouragements constants ; que DIEU vous comble de santé, prospérité et vous garde longtemps pour que je puisse vous combler à mon tour.
A mes chers frères et sœurs Edmond, Aimée, Nadège et Elodie, pour leurs affections et leur encouragements qui ont toujours été pour moi les plus précieux.
A mon frère défunt Voltaire, Sache que ton souvenir restera à jamais gravé dans nos cœurs. Petit frère, que la terre te soit légère.
A VITOEKPON M. Damienne pour tous ces soutiens et à ceux de sa famille.
A ma grand-mère BOSSIKPONNON B. Elisabeth pour ses soutiens, à mes tantes et Oncles·
A l’ensemble des professeurs du département de Génie Mécanique et Energétique de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi, en particulier, le Docteur FAGBEMI Latif et le Professeur ANJORIN Malahimi.
A Messieurs EGBOHO Franck et WANVO Marcelin pour leurs soutiens techniques.
A tous mes amis et à tous mes camarades de promotion.
Tous ceux qui ont contribué de prêt ou de loin à réaliser ce modeste travail.
Remerciements
Je tiens à exprimer ma gratitude et mes remerciements au membre du jury.
Veuillez accepter dans ce travail mon sincère respect et ma profonde reconnaissance.
Je présente tout particulièrement mes remerciements à :
M. ELEGBEDE Marius, Directeur Général de SCB-LAFARGE pour m’avoir accordé ce stage.
M. TOGBE Valentin, Directeur de l’Usine.
M. ADJIBADE Saad, l’Ingénieur de production.
Mon tuteur de stage M. SOSSOU Philibert, responsable cru-cuisson et
environnement pour ses conseils, son encadrement et sa disponibilité durant toute la période du stage.
Mes remerciements s’adressent également à tous les cadres du service de procédés M. GNONLONFIN François, le responsable procédés ; M.
HOUNGBEDJI Martin, l’Ingénieur procédé ; M. SOVI-GUIDI Wilfried, le technicien procédés pour tous les efforts qu’ils ont fournis afin de me permettre les meilleures conditions de compréhension.
Je tiens également à remercier infiniment mon maître de mémoire, M.
ANJORIN Malahimi, Professeur à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi pour m’avoir guidé dans l’élaboration de ce travail et contribué largement à sa réalisation avec la patience et le dynamisme qui le caractérisent.
Que le corps professoral, le professeur AVLESSI Félicien, Directeur de l’EPAC et le Docteur CHAFFA Gédéon, chef du département de Génie Mécanique et Energétique trouvent ici mes vifs remerciements, pour tout le travail effectué durant ma formation à l’école.
Enfin, je remercie infiniment M. ADJOVI Edmond, Directeur de l’Ecole des Sciences et Techniques du Bâtiment et de la Route (ESTBR) d’Abomey.
LISTE DES ABREVIATIONS ET SIGLES Tp : Température de la paroi
T∞ : Température du fluide Patm : Pression atmosphérique Ps : Pression statique
Re : Nombre de Reynold Tmax : Température maximale Tmin : Température minimale Tmoy : Température moyenne
Cp : Chaleur massique à pression constante HR : Humidité Relative
PCS : Pouvoir Calorifique Supérieur PCI : Pouvoir calorifique inférieur BAF : Boite à fumées
VTF : Ventilateur de tirage four CPJ : Ciment portland avec ajouts
CEMI : Ciment type I (c’est un ciment sans ajouts) LSF: Lime saturation factor
A51 et A61 : Item des deux cyclones du premier étage du préchauffeur A52 : Item du cyclone du deuxième étage du préchauffeur
A53 : Item du cyclone du troisième étage du préchauffeur A54 : Item du cyclone du quatrième étage du préchauffeur ADF : Arrêt du four
SCB : Société des ciments du Bénin SCO : Société des Ciments d’Onigbolo.
EPI : Equipement de Protection Individuel FOL : Fioul lourd
PKS : Palm Kenell Shell
IRHO : L’Institut de Recherche pour les Huiles et Oléagineux
SHB : Société des Huileries du Bénin
IBCG : l’Industrie Béninoise des Corps Gras
SONICOG : Société Nationale pour l’Industrie du Corps Gras
DGAER : Direction Générale de l’Aménagement et de l’Equipement Rural COV : Composés Organiques Volatils
ACV : Analyse du Cycle de Vie
FLSmidth: Société danoise, premier fabricant mondial de cimenterie.
UNITES ET CONVERSION 1[Wh] = 3600[J] = 0,86[kcal]
1[kcal] = 4185[J] = 1,1625[Wh]
1 Thermie = 1000 kcal
Kcal/h (chaleur par unité de temps)
Kcal/kg Clink (chaleur par unité de clinker)
KWh/t (consommation d’électricité par tonne de clinker) t/j (production de clinker en tonne par jour)
kg/h (débit ou production par heure)
SYMBOLES CHIMIQUES
N: Azote O: Oxygène
CO: Monoxyde de carbone CO2: Dioxyde de Carbone H2O: Vapeur d’eau
K2O: Oxyde de potassium MgO: Oxyde de magnésium Na2O: Oxyde de sodium SiO2: Oxyde de silicium SO3: Trioxyde de souffre CaCO3: Carbonate de calcium CaO: Oxyde de calcium Fe2O3 : Oxyde de fer (ferrite)
Al2O3: Oxyde d’aluminium (alumine)
Ca4Al2Fe2O10 (C4AF): Alumine ferrite tétracalcique Ca3Al2O6 (C3A): Aluminate tricalcique
Ca2SiO4 (C2S): Silicate bicalcique Ca3SiO5 (C3S): Silicate tricalcique HCl : Acide Chlorhydrique
HCN : Acide cyanhydrique NH3 : Ammoniac
Cu : Cuivre Pb : Plomb Zn : Zinc.
LISTE DES FIGURES
Figure I-1.1 : Organigramme de l'usine d’Onigbol
... 8
Figure I-1.2 : Vue d'un bulldozer de décapage à la carrière
... 10
Figure I-1.3 : Schéma synoptique du fonctionnement du concassage.
... 10
Figure I-1.4 : Vue du jeteur
... 11
Figure I-1.5 : Vue du pont gratteur……….………...29
Figure I-1.6 : Vue du broyeur à cru
... 12
Figure I-1.7 : Intérieur d’un broyeur à boulets.
... 12
Figure I-1.8 : Schéma synoptique du fonctionnement du circuit d’homogénéisation.
13
Figure I-1.9 : Vue du four rotatif... 14
Figure I-1.10 : Vue de la tour de préchauffage
... 14
Figure I-1.11 : Vue du refroidisseur à ballonnets.
... 16
Figure I-1.12 : Vue du Clinker.
... 16
Figure I-1.13 : Vue du broyeur à ciment
... 18
Figure I-1.14 : Vue d'une ensacheuse
... 18
Figure I-2.1 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du fuel.
... 20
Figure I-2.2 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du coke de pétrole.
... 22
Figure I-3.1 : Relation entre l’humidité exprimée en fonction de la masse humide et de la masse sèche (CARRE et al. 1991)
... 25
Figure I-3.2 : Relation entre le pouvoir calorifique et la teneur en carbone (d’après TILLMAN, 1978)
... 26
Figure I-3.3 : Coques de palmistes
... 29
Figure I-3.4 : Schéma simplifié des processus d’extraction d’huile à partir du palmier
... 30
Figure I-3.5 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du PKS
... 31
Figure I-3.6: Schéma simplifié d’extraction d’huile à partir de la graine coton.
... 34
Figure I-3.7 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation de coques de coton
... 36
Figure II-1.1 : Bois de feu pour Préallumage de la combustion
... 41
Figure II-1.2 : Schéma synoptique de l’atelier de cuisson.
... 42
Figure II-1.3 : Vue du nez du brûleur
... 42
Figure II-1.3 : Echangeur de chaleur co-courant
... 46
Figure II-1.4 : Echangeur de chaleur contre-courant
... 46
Figure II-1.5 : Echangeur de chaleur courant croisés
... 46
Figure II-2.1 : Système d’étude
... 50
Figure II-2.2 : Analyse fonctionnelle du système.
... 50
Figure II-2.3 : Organigramme technique du système
... 51
Figure II-2.4 : Transmissions d'énergie thermique sur la ligne de cuisson.
... 51
Figure II-2.5 : Équilibre thermique général du bilan.
... 53
Figure II-3.1 : Répartition des principaux consommateurs d’énergie
... 68
Figure II-3.2 : Profil de température de la virole du four (Petcoke + PKS + Coton)
... 70
Figure III-1.1 : Cycle du carbone et de l’énergie lors de la production des biomasses. Source : [15]
... 84
Figure III-1.2 : Flux de gaz lors de la combustion de combustibles fossiles.
... 84
Figure I-3.16 : Diagramme du processus de fabrication de l’huile de palme.
... xlvi
Figure III-1.2 : Chaine de vie de la biomasse et risques d'impacts sur l'environnement.... xlvii LISTE DES TABLEAUX
Tableau I-2.1 : Composition élémentaire du coke de pétrole... 21
Tableau I-3.1: Répartition du potentiel de bas-fonds au Bénin
... 37
Tableau II-2.1 : Formules simplifiées du coefficient d’échange par convection.
... 61
Tableau II-3.1 : Bilan matière
... 63
Tableau II-3.2 : Résultats du bilan thermique (Répartition des chaleurs d’entrée et de sortie).
... 64
Tableau II-3.3 : Synthèse du bilan thermique.
... 64
Tableau II-3.4 : Composition de la farine et du clinker
... 65
Tableau II-3.5 : Bilan matière
... 66
Tableau II-3.6 : Récapitulatif du bilan (Répartition des chaleurs d’entrée et de sortie).
... 66
Tableau II-3.7 : Synthèse du bilan.
... 67
Tableau II-3.8 : Composition de la farine et du clinker
... 67
Tableau II-3.9 : Les gaz de la combustion
... 71
Tableau III-1.1 : Éléments composant la biomasse et leurs effets sur la combustion (Van Loo et Koppejan, 2002)
... 74
Tableau III-1.2 : Effets des polluants sur l’environnement
... 79
Tableau III-1.3 : Composition chimique des cendres des résidus agricoles
... 81
Tableau III-2.1 : Données sur les combustibles pour l’évaluation financière
... 89
Tableau III-2.2 : Estimation des économies sur le coke de pétrole
... 90
Tableau III-2.3 : Déchets de la biomasse à valoriser.
... 101
LISTE DES ANNEXES
Annexe 2 : Calcule de pertes de chaleur par paroi... xxviii
Annexe 2-1 : Pertes de chaleur par paroi de la virole du four ... xxviii
Annexe 1 : Tables des Cp moyens en fonction de la température
... xvii
Annexe 2-2 : Pertes de chaleur par paroi du refroidisseur ... xxxiv
Annexe 2-3 : Pertes de chaleur par paroi des cyclones... xxxvi Annexe 3 : Détail des mesures pour le calcul du débit gaz sortie tour
... xl
Annexe 4 : Calcul du débit d’air primaire (air radial)... xli
Annexe 5 : Calcul du débit d’air primaire (air axial)... xlii
Annexe 6 : Calcul du débit d’air petcoke... xliii
Annexe 7 : Calcul du débit d’air coton... xliv
Annexe 8 : Caractéristiques et consommation d’énergie par type de procédé.... xlv
Annexe 9 : Diagramme du processus de fabrication de l’huile de palme... xlvi
Annexe 10 : Chaine de vie de la biomasse et risques d'impacts sur l'environnemenxlvii
Annexe 11 : Compositions et caractéristiques des combustibles fossiles et alternatifs Annexe 12 : Photo des appareils de mesures
... liii
Résumé
Ce travail de fin d’études s’inscrit dans le cadre de la consommation des Alternatifs Fuel dans le four de SCB-Lafarge, l’usine d’Onigbolo. Le travail consiste à effectuer le bilan énergétique complet de la ligne de cuisson, à voir les impacts environnementaux liés à la consommation de la biomasse comme combustible de substitution au fuel dans le four et à évaluer les gains qui en découleraient.
D’abord, le bilan énergétique du système de cuisson de la cimenterie nous a permis de dresser l’inventaire des énergies fournies, utilisées et perdues. Les résultats obtenus montrent qu’une grande partie de l’énergie fournie est perdue au travers : des gaz d’échappement du four (239,4 kcal/kg de clinker soit 23,31%), les gaz à la sortie du refroidisseur (46 kcal/kg de clinker soit 4,48%) et au niveau de la surface extérieure du refroidisseur par convection et radiation (72,67 kcal/kg de clinker soit 7,08%).
Ensuite, l’étude montre que la biomasse utilisée dans le four (résidus agricoles et agro- alimentaires) est une réalité quantitative au Bénin. La biomasse constitue une alternative crédible aux combustibles fossiles courants dont l’utilisation participe significativement à l’augmentation de l’effet de serre. La substitution de la biomasse aux combustibles pour la combustion dans le four présente un double avantage économique et environnemental. Sur le plan économique, sa combustion permet une valorisation de la biomasse dont le coût reste compétitif par rapport aux combustibles fossiles. Sur le plan environnemental, le bilan de l’émission de CO2 dans l’atmosphère est pratiquement neutre, voire positif.
Enfin, l’ambition d’atteindre 35% de substitution est déjà un acquis pour l’usine. Ainsi, avec l’installation du torréfacteur de PKS, l’usine peut faire la co-combustion du coke de pétrole et du PKS torréfié-broyé à la tuyère et peut fixer comme objectif, l’ambition d’atteindre 50% de substitution en 2016. Si elle adopte aussi la solution d’installation de refroidisseur à grille, elle va améliorer son rendement énergétique tout en gardant sa production actuelle et récupérer son investissement au bout de neuf (09) mois de fonctionnement.
En raison du caractère privé de l'étude, certains chiffres notamment les prix des combustibles de substitution ne sont pas présentés dans ce document. Les résultats de ce travail sont à la disposition de l'entreprise.
Mots clés : Alternatifs, Fuel, bilan, énergétique, cuisson, impacts, biomasse, four, substitution,
Summary
This work graduation is part of the Alternative Fuel consumption in SCB- Lafarge kiln, the plant Onigbolo. The job is to make the full energy balance of the firing line, see the environmental impacts associated with the use of biomass as fuel to alternative fuel in the kiln and assess the gains that would follow.
First, the energy balance of the cooking system of the cement plant has enabled us to take stock of the energy supplied, used and lost. The results show that much of the energy supplied is lost through: the kiln exhaust gas (239.4 kcal / kg clinker is 23.31%), the gas leaving the cooler (46 kcal / kg clinker is 4.48%) and at the outer surface of the radiation and convection cooler (72.67 kcal / kg clinker is 7.08%).
Then, the study shows that the biomass used in the kiln (agricultural and food- processing residues) is a quantitative reality in Benin. Biomass is a credible alternative to the current fossil fuel whose use significantly contributes to the increase in the greenhouse effect. Substituting biomass fuels for combustion in the kiln has a double economic and environmental benefit. Economically, its combustion allows use of biomass; the cost remains competitive with fossil fuels. In environmental terms, the balance of CO2 in the atmosphere is almost neutral or even positive.
Finally, the ambition to achieve 35% substitution is already an achievement for the plant. Thus, with the installation of PKS roaster, the plant can make the Co- combustion of the petroleum coke and roasted ground-PKS to the nozzle and can set a goal, ambition to achieve 50% substitution in 2016. If it also adopts the installation of grate cooler solution, it will improve its energy efficiency while maintaining its current production and recovers its investment after nine (09) months of operation.
Because of the private nature of the study, some figures in particular the prices of alternative fuels are not presented in this document. The results of this work are available to the company.
Key words : Alternative, Fuel, energy, balance, firing, biomass, environmental, impacts, substitution, kiln, profits.
Table des matières
Dédicace
... i
Remerciements
... ii
Liste des abreviations et sigles
... iii
Unites et conversion
... iv
Symboles chimiques
... v
Résumé
... vi
Summary
... x
Cahier des charges
...
1Introduction générale
... 3
PREMIERE PARTIE CHAPITRE I: Présentation de la SCB-LAFARGE et généralités sur le procédé de fabrication du ciment Introduction
... 6
1.Présentation de la SCB-Lafarge
... 6
1.1. Historique et situation géographique
... 6
1.2. Services de l’usine
... 7
1.3. Organigramme de la SCB-LAFARGE
... 7
2.Processus de fabrication du ciment de l’usine
... 9
2.1.Matières premières et préparation du cru
... 9
2.2.Séchage et cuisson
... 11
2.3.Broyage, ensachage et expédition
... 17
Conclusion
... 18
CHAPITRE II: Les combustibles fossiles utilisés à SCB-LAFARGE Introduction
... 19
1. Le fuel
... 19
1.1. Utilisation des fiouls lourds ... 19
1.2. Composition élémentaire et caractéristiques du fuel ... 19
1.3. Approvisionnement du fuel ... 20
1.4. Conditionnement et utilisation du fuel ... 20
2. Le coke de pétrole
... 20
2.1. Composition élémentaire et Caractéristiques du coke de pétrole. ... 21
2.2. Approvisionnement du coke de pétrole ... 21
2.3. Conditionnement et utilisation du coke de pétrole ... 21
2.4. Présentation de l’atelier du coke de pétrole ... 22
Conclusion
... 22
CHAPITRE III: Les combustibles alternatifs utilisés à SCB-LAFARGE Introduction
... 23
1. Les catégories des combustibles alternatifs
... 23
2.La combustion de la biomasse
... 24
3.Les caractéristiques physico-chimiques de la biomasse
... 24
3.1. Humidité ... 24
3.2. Pouvoir calorifique ... 25
3.3. Masse volumique ... 26
4.Facteurs affectant la combustion
... 27
4.1. L'humidité de la biomasse ... 27
4.2. La granulométrie ... 27
5.Les principales biomasses utilisées dans le four de l’usine.
... 27
5.1. Les coques du palmiste (PKS) ... 28
5.1.1. La production du palmier à huile au Bénin ... 28
5.1.2. Processus de production de l’huile jusqu’aux déchets (coques de palmiste) 28 5.1.3. Disponibilité et Approvisionnement des coques du palmiste ... 30
5.1.4. Conditionnement et utilisation PKS à l’usine. ... 31
5.1.5. Composition élémentaire et Caractéristiques du PKS ... 32
5.2. Les coques de coton ... 32
5.2.1. La production du coton au Bénin ... 32
5.2.2. Production de l’huile jusqu’aux déchets de coton ... 32
5.2.3. Disponibilité et approvisionnement de la coque de coton ... 34
5.2.4. Conditionnement et utilisation de la coque de coton à l’usine d’Onigbolo. 35 5.2.5. Composition élémentaire et Caractéristiques du coton ... 36
5.3. Les balles de riz ... 36
5.3.1. La production du riz au Bénin ... 36
5.3.2. Disponibilité et approvisionnement des balles de riz ... 37
5.3.3. Conditionnement et utilisation des balles à l’usine d’Onigbolo. ... 37
5.3.4. Composition élémentaire et Caractéristiques des balles de riz ... 37
6.Les principales caractéristiques des combustibles alternatifs
... 38
Conclusion
... 38
DEUXIEME PARTIE CHAPITRE I: Notion de base pour le bilan énergétique Introduction
... 40
1. Théories de la combustion
... 40
1.1. Combustibles et comburant ... 40
1.2. Distribution des airs... 41
1.3. Les brûleurs ... 42
1.4. Energie calorifique et pouvoir calorique ... 43
1.5. Rendement énergétique ... 43
2.Pertes au feu
... 43
3.Les différents modes de transmission de chaleur.
... 43
3.1. La conduction ... 44
3.2. La convection ... 44
3.2.1. La convection forcée ... 44
3.2.2. La convection naturelle ... 44
3.3. Le rayonnement ... 45
4.Processus de transmission de chaleur
... 45
5.Transmission de chaleur au niveau de la ligne de cuisson
... 46
Conclusion
... 48
CHAPITRE II: Le bilan d’énergie de la ligne de cuisson Introduction
... 49
1. Analyse du système et structuration du problème
... 49
1.1. Le système d’étude ... 49
1.2. L’analyse fonctionnelle et l’organigramme technique du système ... 50
2.Transmissions d’énergie thermique
... 51
2.1. Au niveau de la tour échangeur ... 52
2.2. Au niveau du four ... 52
2.3. Au niveau du refroidisseur de clinker ... 52
3.Formulation du modèle pour le bilan
... 53
3.1. Les apports: Sources de chaleur ... 53
3.1.1. Chaleurs d’entrée ... 53
3.1.2. Chaleurs de sortie ... 56
4.Calcul du Cp moyen
... 58
5.Différentes mesures effectuées
... 59
Conclusion
... 61
CHAPITRE III: Synthèse et analyse des résultats Introduction
... 62
1. Déroulement du bilan
... 62
2.Moyenne des bilans thermiques avec l’utilisation du Fuel + PKS + coton.
... 63
3. . Moyenne des bilans thermiques avec l’utilisation du coke de pétrole + PKS + coton.
... 66
4.Interprétations et discussion des résultats des bilans
... 68
Conclusion
... 71
TROISIEME PARTIE CHAPITRE I : Impacts de l’utilisation des AF sur les performances de la production et sur l’environnement Introduction
... 73
1. Les émissions gazeuses et particulaires de la cimenterie.
... 73
1.1. Résidus de combustion complète ... 74
1.2. Résidus de combustion incomplète ... 77
2.Les effets des polluants sur l’environnement
... 78
3.L’effet de serre et le changement climatique
... 79
4.Impacts des AF sur les performances de la production
... 80
4.1. Une qualité de clinker inchangée ... 80
4.2. Composition chimique des cendres des résidus agricoles ... 80
5.Limite des AF pour garder les performances
... 81
5.1. Des objectifs atteints ... 81
5.2. Limites pour une utilisation accrue des AF ... 81
6.Impacts positifs sur l’environnement liés à l’utilisation des AF
... 82
6.1. Avantages environnementaux ... 82
6.2. Avantages socio-économiques ... 84
7.Impacts négatifs sur l’environnement liés à l’utilisation des AF
... 85
8.Equilibre entre les impacts positifs et négatifs
... 85
9.Valorisation et amplification des impacts positifs
... 86
Conclusion
... 86
CHAPITRE II : Etude économique et suggestions
Introduction
... 87
1. Les gains réalisés avec utilisation des AF.
... 87
1.1. Les gains non quantifiables ... 87
1.2. Les gains quantifiables ... 87
1.2.1. Evaluation financière ... 88
1.2.2.Temps de retour sur investissement pour le torréfacteur
... 91
2.Etude économique pour l’installation du refroidisseur à grille.
... 93
3.Etude économique pour le remplacement des ballonnets FLS par les ballonnets ESTANDA.
... 95
4.Propositions et recommandations
... 96
4.1. A propos du bilan énergétique ... 96
4.1.1. Les pertes de chaleur par paroi ... 96
4.1.2. Les pertes de chaleur liées au refroidissement du clinker ... 97
4.1.3. Les pertes de chaleur liées aux gaz sortis ... 97
4.1.4. Les pertes d’énergie calorifique spécifique ... 97
4.1.5. Autres alternatives pour la réduction de la consommation énergétique ... 98
4.2. A propos des Alternatifs Fuel (AF) ... 99
4.2.1. Stockage des combustibles alternatifs ... 99
4.2.2. Préparation des combustibles alternatifs ... 99
4.2.3. Utilisation des combustibles alternatifs (AF) ... 99
4.2.4. Proposition par rapport au projet de torréfaction du PKS. ... 100
5. Autres déchets de la biomasse à valoriser
... 101
Conclusion
... 101
Conclusion générale
... 102
Bibliographie
... 104
ANNEXES
... 106
Cahier des charges 1. Problématique
L’usine d’Onigbolo de la SCB-LAFARGE, est un complexe cimentier qui utilise des combustibles fossiles tels que le fuel et le coke de pétrole mais aussi les combustibles de substitution (AF) tels que les déchets de toute nature et de la biomasse pour la cuisson du clinker.
Consciente des enjeux économiques et environnementaux qui découlent de l’utilisation du fuel pour la cuisson du clinker, l’usine est entrée depuis 2005 dans une dynamique d’amélioration continue de sa consommation calorifique. Notons par ailleurs que l’énergie représente 30 à 40% du prix de revient de la production du ciment.
Afin de contenir la concurrence qui s’annonce très rude dans le domaine cimentier au Bénin, SCB-LAFARGE doit produire un ciment de très bonne qualité et à coût suffisamment réduit.
Cela ne peut être possible qu’en réduisant le coût de l’énergie, donc couvrir un taux important de l’énergie calorifique par l’utilisation des combustibles de substitution au fuel et identifier sur la ligne de cuisson, les endroits possibles sur lesquels on peut faire réduire la consommation d’énergie.
C’est dans ce contexte qu’a été proposé le sujet intitulé : « CONSOMMATION DES ALTERNATIFS FUEL SUR LA LIGNE DE CUISSION A LA CIMENTERIE D’ONIGBOLO : BILAN ENERGETIQUE, GAINS ET IMPACTS SUR LE PLAN ENVIRONNEMENTAL ».
2. Etat actuel de l’utilisation des Alternatifs Fuel
L’usine a commencé l’utilisation des déchets depuis Avril 2005. Le premier bilan thermique de la ligne de cuisson réalisé en 2011 avait révélé une substitution de 17.45% de l’énergie calorifique totale par les coques de palmiste (PKS). [13]
Aujourd’hui ce taux a évolué et dépasse les 30% avec l’utilisation massive des coques et graines de coton, les balles de riz, tourteaux de karité, sciure de bois…).
3. Résultats attendus
L’un des objectifs de l’usine est d’atteindre 35% de substitution à la fin de l’année 2015.
Le travail vise :
à réaliser le bilan énergétique de la ligne de cuisson et à identifier sur la ligne de cuisson les points possibles d’économie d’énergie ;
à proposer des solutions pour réduire la consommation calorifique spécifique (consommation d’énergie par kg de clinker produit) ;
à assurer la disponibilité des combustibles de substitution (déchets et la biomasse) et à proposer des moyens pour l’utilisation accrue des déchets dans le four ;
à faire ressortir les impacts environnementaux liés à utilisation des AF ;
à évaluer les gains potentiels réalisés.
NB : L’étudiant, étant donné que c’est sa première visite dans l’entreprise, devra subir une induction sécurité par rapport aux comportements à tenir au sein de l’usine. A priori, il doit s’équiper en EPI obligatoire à savoir : tenue de travail, chaussure de sécurité, casque et lunette de sécurité. Il pourra demander toute la documentation liée à son travail. Il pourra aussi faire usage de son ordinateur portable en vue de la rédaction de son mémoire.
Responsable fabrication cru-cuisson et environnement
Ir. SOSSOU Philibert
Introduction générale
La production de ciment dans les pays en développement s’est accrue, et continue à progresser en fonction de leur évolution économique.
L’industrie cimentière dans le monde entier est fortement consommatrice d’énergie. Cette dernière représente 30 à 40% du prix de revient du ciment. [1] Dès lors, la maîtrise de la consommation d’énergie se révèle être un élément déterminant dans la rentabilité et la performance des cimenteries. C’est pourquoi, la réalisation des bilans énergétiques dans les industries cimentières devient l’une des priorités pour identifier les possibilités d’économie d’énergie.
L’industrie cimentière est aussi fortement émettrice de gaz à effet de serre (notamment le dioxyde de carbone) et de poussières, provenant des combustibles fossiles mais aussi de la décarbonatation des matières premières (principalement le calcaire qui représente 75 à 80% en masse). La problématique du changement climatique incite donc à rechercher tous les moyens de réduction des émissions de CO2.
Le coût de plus en plus élevé des combustibles fossiles traditionnels (fioul lourd, gaz naturel, charbon,..) ne facilite pas aussi la vie des cimenteries. On comprend alors pourquoi chacune des industries cimentières a recours aux alternatifs au fioul en particulier la biomasse.
SCB-LAFARGE, ne fait pas exception, commencée timidement en 2005, la substitution des biomasses a atteint depuis 2014 les 25% de l’énergie totale consommée pour la production de son clinker avec une ambition d’atteindre 35% à la fin de l’année 2015.
C’est dans ce contexte technico-économique et environnemental que nous avons conduit notre stage au sein de SCB-LAFARGE sur le thème très révélateur :
« CONSOMMATION DES ALTERNATIFS FUEL SUR LA LIGNE DE CUISSION A LA CIMENTERIE D’ONIGBOLO : BILAN ENERGETIQUE, GAINS ET IMPACTS SUR LE PLAN ENVIRONNEMENTAL ».
Pour mener à bien ce travail, nous avons subdivisé ce document en quatre grandes parties
La première partie porte sur la présentation de SCB-LAFARGE et les généralités sur la fabrication du ciment. Cette partie est aussi consacrée à la présentation des combustibles fossiles et alternatifs utilisés dans le four de l’usine.
La deuxième partie se rapportant à l'étude de bilan énergétique de la ligne de cuisson et les équations relatives au calcul du bilan y sont établies. Aussi une mise en œuvre de ces différentes équations sur Excel suivie d'une collecte de données pour un affinement de ces équations de bilans énergétiques y sont réalisées. Nous terminerons cette partie par une analyse des résultats obtenus.
Enfin, la troisième partie, porte sur les impacts de l’utilisation des Alternatifs Fuel sur les performances de la production et sur l’environnement. Une étude économique et des suggestions sont faites dans cette dernière partie.
Première Partie
I- Présentation de la SCB-LAFARGE et Généralités sur le procédé de fabrication de ciment
II- Les combustibles fossiles utilisés à SCB-LAFARGE
III- Les combustibles alternatifs utilisés à
SCB-LAFARGE
Introduction
Notre stage de fin de formation a été effectué à SCB-LAFARGE, usine d’Onigbolo dans le service procédé du 12 Mai 2015 au 11 Novembre 2015.
Dans ce chapitre, nous présentons la société SCB-LAFARGE en tant que structure d’accueil à travers son historique et sa situation géographique puis sa structure organisationnelle. Il y sera également décrit le processus de fabrication du ciment de l’usine.
1. Présentation de la SCB-Lafarge
1.1. Historique et situation géographique
La cimenterie d’Onigbolo a été créée suite à des études géologiques réalisées en 1974. En effet, après ces études, il s’est révélé un important gisement de calcaire et d’argile à Onigbolo, une région dans le Sud-Est du Bénin. Il s’agit d’une localité située sur le tronçon Pobè - Kétou à environ 20 kilomètres de chaque commune. Dans l’optique d’exploiter cette ressource, les états Béninois, Nigérian, et un partenaire technique Danois F.L. SMIDTH ont donné naissance en 1979 à une société anonyme au capital de dix (10) milliards de francs CFA, dénommée la Société des Ciments d’Onigbolo (SCO). L’usine est devenue officiellement fonctionnelle dès Août 1982 avec comme principal actionnaire le Bénin (51% des actions) et a démarré avec une capacité de production annuelle de 500 000 tonnes sous la marque « DIAMANT ».
En Mars 1988, l’usine a connu un arrêt suite à des dysfonctionnements tels que la non fiabilité du réseau électrique, l’impraticabilité saisonnière de la carrière, la baisse de la qualité de production et autres raisons valables. Afin de dénouer cette crise, les deux états (Nigeria et Bénin) ont décidé de la mise en location gérance du
Chapitre I :
Présentation de la SCB-LAFARGE ET Généralités
sur le Procédé de fabrication du ciment
complexe. Ainsi, un appel d’offres international est lancé et remporté par le groupe SCB-Lafarge constitué de SCB qui est une société béninoise et de Lafarge, multinationale française et premier cimentier mondial. Ce groupe prend donc l’entreprise d’où son nom SCB-Lafarge depuis le 10 Juin 1999.
En Août 2001, plus précisément le 02 Août 2001, la production a repris après d’importants travaux de réhabilitation. L’objectif de départ de l’usine est de produire annuellement plus de 500 000 tonnes de ciment.
Aujourd’hui, la société est constituée de trois actionnaires principaux :
SCB-Lafarge 51% ;
DANGOTE 43% ;
Etat Béninois 6%.
1.2. Services de l’usine
En partant de l’extraction des matières premières jusqu’à l’obtention du ciment, ce processus de fabrication nécessite l’existence de plusieurs services s’occupant chacun d’une ou plusieurs tâches à savoir :
o
Service sécurité et environnement ;
oService carrière
o
Service fabrication
o
Service électrique et instrumentation
oMagasin général
o
Direction administrative
oService contrôle de qualité
oService procédé
1.3. Organigramme de la SCB-LAFARGE
L’usine d’Onigbolo de la SCB-LAFARGE, s’appuie sur les structures de l’organigramme ci-dessous.
Figure I-1.1 : Organigramme de l'usine d’Onigbolo
CHEF COMPTABLE
AGENTS COMPTABLES
CONTROLE DE GESTION RESPONSABLE
ACHATS STOCKS
CHEF MAGASINIER SUPERVISEUR
IT RESPONSABLE
COMMERCIAL
CHARGE DE LA CLIENTELE
RESPONSABLE EXPEDITIONS &
LOGISTIQUES RESPONSABLE FACTURATION RESP. DU
PERSONNEL
MEDECIN D’ENTREPRISE
CHARGE DE LA FORMATION
RESP. DES CAMPS
TRANSPORT &
GARDIENNAGE CONTROLE
QUALITE
ING. SECURITE
CONTROLEUR USINE INGENIEUR
MAINTENANCE
RESP.
MECANIQUE
RESP. ELEC &
INSTRUMENTA TION
RESP.
METHODES &
GARAGE
RESP.
ENTRETIEN BATIMENT
INGENIEUR DE PRODUCTION
RESP. PROCEDE RESP. CARRIERE
RESP.
CRU & CUISSON
DIRECTEUR D’USINE DIRECTEUR DES DIRECTEUR FINANCIER
RESSOURCES HUMAINES
CONTROLEUR INTERNE ASSISTANTE DE DIRECTION
DIRECTEUR GENERAL
2. Processus de fabrication du ciment de l’usine 2.1. Matières premières et préparation du cru
Le ciment est une poudre minérale qui a la propriété de former, en présence de l’eau, une pâte capable de faire prise et de durcir progressivement, même à l’abri de l’air et notamment sous l’eau, c’est un liant hydraulique.
Il est réalisé à partir du clinker, du calcaire et du gypse dosés et broyés finement. La cuisson se caractérise principalement par deux grandes étapes que sont la décarbonatation du calcaire et la clinkerisation du produit.
La fabrication du ciment peut se décomposer en plusieurs étapes :
la préparation du cru par broyage des matières premières (calcaire et argile) ;
l’obtention du clinker par cuisson dans le four ;
le broyage du clinker avec des ajouts (gypse, calcaire) et le transport du ciment.
o Extraction des matières premières
La fabrication du ciment à SCB-LAFARGE se fait par la méthode de la voie sèche. Les principales matières premières nécessaires à la fabrication du ciment sont extraites de l’argile et du calcaire. En effet, le calcaire fournit le carbonate de calcium CaCO3 et l’argile les oxydes SiO2, Al2O3 et Fe2O3. D’autres éléments sont parfois présents dans les carrières (la magnésie MgO, les sulfates et chlorures alcalins, les alcalins K2O et Na2O et les traces de soufre qui se combinent à l’oxygène pour former SO3).
La carrière de l’usine d’Onigbolo couvre une superficie de 1924 hectares.
On distingue quatre types de calcaire sur cette carrière :
Calcaire pur (calcaire bien sec sans argile et sans eau) ;
l’ajout pollué (calcaire contenant peu d’eau) ;
l’inférieur (calcaire ne contenant pas d’argile mais humide) et ;
le supérieur marneux (calcaire humide contenant des poches d’argile).
L’extraction de ces matières premières est très demandeuse d’énergie (fonctionnement des machines, explosifs et transports), c’est pourquoi les cimenteries sont toujours placées à côté des carrières pour minimiser les charges dues aux transports.
Les réserves actuelles des matières premières à la carrière de SCB-Lafarge sont estimées pour une exploitation d’environ 50 ans. L’usine utilise environ un million de tonnes de calcaire par an.
Figure I-1.2 : Vue d'un bulldozer de décapage à la carrière
o ConcassageL’extraction est souvent suivie d’un concassage afin d’obtenir une granulométrie moins grossière. L’usine dispose de deux concasseurs :
le concasseur de calcaire à marteaux d’une capacité de 565 tonnes/heure ;
le concasseur d’argile à cylindres d’une capacité de 90 tonnes/heure.
Après concassage, le calcaire et l’argile sont mélangés dans une proportion qui varie entre 85% / 15% ou 90% / 10%. Le mélange (calcaire + argile) est convoyé par une bande transporteuse (A1J03) vers le hall de pré-homogénéisation.
Figure I-1.3 : Schéma synoptique du fonctionnement du concassage.
o Préparation du cru
La préparation du cru consiste à mélanger les matières premières dans les bonnes proportions. Le but est d’obtenir un mélange homogène de calcaire, et d’argile.
2.2. Séchage et cuisson
o Pré-homogénéisationDans le hall de pré-homogénéisation, le mélange argile + calcaire est stocké en deux tas par un jeteur. La matière ainsi répartie est reprise transversalement par un pont gratteur. Chaque tas peut alimenter le broyeur à cru pendant environ soixante- douze (72) heures. Deux convoyeurs partent du hall : l’un transporte le mélange reçu du pont gratteur et l’autre, l’argile ou le calcaire reçu de la trémie de correction pour ajuster la composition chimique recherchée. Dans ce même hall, il est confectionné un troisième tas de calcaire riche exclusivement en chaux qui est utilisé comme ajout au niveau du broyeur ciment ou pour la correction du cru.
Figure I-1.4 : Vue du jeteur Figure I-1.5 : Vue du pont gratteur
o Séchage des matières premières et broyage du cruLa deuxième étape beaucoup plus importante est l’étape de broyage-séchage.
Lors de cette étape, les matières premières sont tout d’abord finement broyées dans un broyeur à boulets. Le broyeur à boulets est formé d’un cylindre métallique à l’intérieur duquel se trouvent des boulets en acier et est constitué de deux chambres.
Dans la première chambre, le mélange (argile et calcaire) est séché car le broyage ne peut être réalisé efficacement que si le taux d’humidité de la matière est
quasi nul. Celui-ci est réalisé grâce à un transfert de chaleur entre une source chaude et la matière humide. Cette étape est peu demandeuse d’énergie car ce sont les gaz chauds provenant du four et du foyer auxiliaire qui constituent la source de chaleur nécessaire pour le séchage.
Dans la chambre de broyage, le mélange séché est broyé à travers le mouvement des boulets pour obtenir le cru ou la farine. Des blindages permettent non seulement de protéger la virole mais aussi d’assurer un bon broyage. Notons que le débit moyen actuel du broyeur à cru est de 140 t/h pour un débit nominal de 150 t/h.
Figure I-1.6 : Vue du broyeur à cru
Figure I-1.7 : Intérieur d’un broyeur à boulets.
o Homogénéisation et Stockage de la farine
La troisième étape de la préparation du cru est la séparation qui est de deux types :
la séparation matière-matière qui permet de différencier les particules broyées de celles non broyées qui doivent alors retourner dans le broyeur.
la séparation gaz-matière qui permet de récupérer le maximum de particules de matières contenues dans les gaz avant leur passage dans des filtres et leur rejet dans l’atmosphère.
Ainsi cette étape ne doit pas être négligée afin de réduire au maximum les nuisances sur l’environnement. Les gaz sont également filtrés afin d’ôter toutes les poussières résiduelles contenues dans ceux-ci.
La dernière étape est une nouvelle homogénéisation qui se réalise cette fois dans des silos. Le cru provenant des broyeurs est ensuite acheminé par des aéroglisseurs pour être stocké dans les silos d’homogénéisation. Ce type de silo assure à la fois l’homogénéisation et le stockage de la farine.
Figure I-1.8 : Schéma synoptique du fonctionnement du circuit d’homogénéisation.
Obtention du clinker o Cuisson du cru
Pour obtenir le clinker, il faut chauffer à très haute température le cru (jusqu’à 1450°C). La cuisson de clinker à l’usine cimentière d’Onigbolo est assurée par un four rotatif moderne de longueur utile 65 m pour un diamètre intérieur de 4,55 m. Il est mis en rotation par un moteur de puissance nominale de 450 kW à vitesse variable contrôlé par un variateur de vitesse de fréquence maximale 108 Hz et dispose d’un moteur auxiliaire de virage.
Figure I-1.9 : Vue du four rotatif
Après les silos de stockage, la farine est entrainée par une vis sans fin et est transportée dans une trémie tampon par une succession d’aéroglisseurs et élévateur.
Un doseur se trouvant à la sortie de cette trémie permet de réguler le débit de la farine à sa sortie qui alimentera les pompes Peters. Ces pompes envoient donc de la farine pesée et sous pression dans la tour de préchauffage. Cette tour est constituée d’une série de cinq(5) cyclones répartis sur quatre (4) étages. La farine est alors préchauffée dans les cyclones par les gaz chauds venant du four. Afin de mieux utiliser la chaleur dégagée par le combustible du four, les gaz, qui en sortent à environ 1000°C, sont utilisés dans le préchauffage du cru à l’entrée du four. La farine injectée dans la tour par le carneau de gaz sortie C2 à 80°C environ sort de la tour à 850°C environ pour continuer sa transformation dans le four rotatif.
Figure I-1.10 : Vue de la tour de préchauffage
Lors de la cuisson, trois étapes ont lieu à différentes températures :
La déshydratation
La première étape est la déshydratation. L’eau non combinée est éliminée à partir de 100°C et entre 250 et 450°C, l’argile se déshydrate sous la forme d’ions hydroxydes.
La décarbonatation
La deuxième étape est la décarbonatation. Les carbonates de calcium (presque 80% du cru) sont décomposés par l’action de la chaleur avec élimination du dioxyde de carbone. Cette réaction se produit théoriquement à 900°C. Elle aboutit à la formation d’oxyde de calcium :
CaCO3 → CaO + CO2 (1)
Dans la pratique, du fait de la présence des oxydes SiO2, Al2O3 et Fe2O3, cette réaction a lieu vers 850°C. Cette étape est la plus polluante du fait du dégagement important de dioxyde de carbone.
La phase de transition
La troisième étape est la formation de produits intermédiaires entre 1250°C et 1300°C. Ce sont des réactions solide-solide entre le CaO et les oxydes qui conduisent à la formation de CS et de C2S.
La clinkerisation
A partir de 1320°C, une phase liquide apparaît, constituée d’un mélange C3A et C4AF fondus. Enfin, entre 1250 et 1450°C, l’alite ou C3S se forme. La chaux CaO et le C2S baignant dans la phase liquide se combinent pour donner l’alite :
C+C2S → C3S (2)
Cette réaction se fait à très haute température donc demande beaucoup d’énergie. Elle est essentiellement une réaction de cristallisation.
Refroidissement du clinker
A la sortie du four, le clinker sort à une température comprise entre 1200 et
seulement à refroidir le clinker de 1450°C à 160°C (théoriquement) mais permet aussi de récupérer un maximum de chaleur, ce qui permet de réduire la consommation du four en combustible et d’en apporter une partie à l’air utilisé dans le procédé de broyage-séchage. Le procédé de refroidissement est important pour la réactivité du clinker. Un refroidissement rapide (trempe) permet de figer le clinker dans l’état où il se trouve à hautes températures alors qu’un refroidissement lent conduirait à la transformation du C3S en C2S.
Les refroidisseurs installés à SCB-Lafarge sont des refroidisseurs satellites planétaires à ballonnets appelés" UNAX". Ils sont constitués de dix (10) cylindres de 1,8 m de diamètre et de 16,5 m de longueur chacun. Parmi les dix ballonnets, nous avons cinq de marque ESTANDA et cinq de marque FLS.
Figure I-1.11 : Vue du refroidisseur à ballonnets.
Composition du clinker
Le clinker est la roche artificielle obtenue par cuisson des matières premières.
C’est le constituant principal du ciment. Il est constitué de quatre phases cristallines principales : les silicates bis et tricalciques, l’aluminate, le tricalcique et l’alumino- ferrite de calcium. Afin de simplifier l’écriture, on écrit en chimie cimentière : C pour CaO, S pour SiO2, A pour Al2O3 et F pour Fe2O3. Les principales phases du clinker, dans l’ordre de formation s’écrivent alors : C4AF, C3A, C2S, C3S.
Figure I-1.12 : Vue du Clinker.
Stockage du clinker
A la sortie du refroidisseur, les plus gros morceaux de clinker tombent par gravité dans un concasseur à clinker pour être émiettés. Les plus fins vont sur des traînasses qui les convoient vers la goulotte qui dispose de deux clapets. Le premier clapet envoie le clinker dans l’élévateur pour le stockage extérieur. Le second envoie le clinker sur la chaîne à augets qui le convoi vers le silo de stockage du clinker d’une capacité d’au moins 20000 tonnes.
2.3. Broyage, ensachage et expédition
Broyage du ciment
Après refroidissement du clinker, le ciment est obtenu en broyant celui-ci et en y additionnant le gypse et/ou le calcaire. Le broyage du ciment a pour but d’augmenter sa réactivité en augmentant la surface de contact avec l’eau.
Le broyage s’effectue par les mêmes procédés que lors de la préparation du cru. On effectue ensuite une séparation de type matière-matière pour trier les grains suffisamment broyés des autres.
Le clinker produit, le calcaire d’ajout et le gypse (matière importée) sont transportés au moyen de bandes et élévateurs dans trois trémies tampons différentes.
L’usine est capable de produire plusieurs types de ciment selon les besoins mais couramment, elle fabrique le CPJ, et le CEMI) et suivant le type de ciment à produire, le laboratoire définit les proportions de chaque matière dans le mélange pour alimenter le broyeur ciment. Le broyeur ciment de l’usine a un débit moyen qui est de 80 tonnes/heure.
Les pourcentages de matière suivant le type de ciment se présentent comme suit :
CEM-I 42,5 : clinker 95.5% ; calcaire 0% ; gypse 4.5%
CPJ-35 : clinker 75.5% ; calcaire 20% ; gypse 4.5%
Figure I-1.13 : Vue du broyeur à ciment
Ensachage et expédition
Des silos de stockage, le ciment est convoyé par vis sans fin et élévateur vers l’atelier d’ensachage. Cet atelier dispose de deux ensacheuses « ROTATIVE FLUX » à 12 becs et de capacité 100 tonnes par heure chacune. A ce niveau, 50 kg de ciment sont mis dans des sacs qui sont ensuite transportés par des bandes vers quatre quais de chargement de camions. Chaque ensacheuse alimente deux bandes. Des déflecteurs assurent le choix de la bande. Notons qu’une ligne est disponible pour le chargement en vrac (non ensaché).
Figure I-1.14 : Vue d'une ensacheuse
Conclusion
Ce premier chapitre donne une vision globale sur l’entreprise de la cimenterie d’Onigbolo. Nous avons présenté l’historique, l’organisation structurelle et les différents services de l’usine. Nous avons présenté aussi le processus de fabrication du ciment de l’usine.
Introduction
Les principaux combustibles fossiles utilisés par SCB- LAFARGE pour la cuisson du clinker sont : le fioul lourd N°2 et le coke de pétrole.
1. Le fuel
Le fuel ou fioul est un combustible fossile dérivé du pétrole et utilisé pour le chauffage industriel (FOL ou fioul lourd). C’est un combustible dont le prix fluctue fortement en fonction de l'offre et de la demande, des hausses et baisses du dollar, et de la situation politique.
Le fuel est un combustible stockable, cependant sa rareté en fait un combustible à préserver et à mixer autant que possible avec un combustible renouvelable. Tel est le cas de SCB-LFARGE, qui dans le cadre de la réduction de la consommation de ce combustible, la société cherche à aller vers les combustibles alternatifs.
1.1. Utilisation des fiouls lourds
On peut distinguer trois façons d’utiliser les fiouls lourds : directement comme combustibles (cas de SCB-LAFARGE) ;
en les convertissant en des produits de plus forte valeur (essence, gazole, etc.) ;
en les gazéifiant pour produire de l’électricité et, éventuellement, de l’hydrogène.
1.2. Composition élémentaire et caractéristiques du fuel
La composition élémentaire et les caractéristiques du Fioul se trouvent en annexe N°11.Chapitre II:
Les combustibles fossiles utilisés à SCB-
LAFARGE.
1.3. Approvisionnement du fuel
C’est la société ORYX qui approvisionne l’usine en fuel. Le fuel est transporté par les camions citernes d’ORYX vers l’usine.
1.4. Conditionnement et utilisation du fuel
Arrivé à l’usine, le fuel est stocké dans deux (02) tanks de stockage de capacité 2500 m3 chacun grâce à deux pompes fonctionnant alternativement. Pour alimenter le tank journalier de 30 m3 de capacité, le fuel subit une décantation. Le fuel, avant d’être admis au brûleur, subit un préchauffage de 25°C à 110°C dans un préchauffeur à vapeur. La chaleur est produite par une chaudière de timbre 10 bars et fonctionnant au gas-oil. Le four est alimenté à travers un circuit de fuel équipé d’un compteur, d’une vanne tout ou rien, d’une vanne régulée, d’un débitmètre électronique et de plusieurs vannes de sélection ou de by-pass.
Figure I-2.1 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du fuel.
2. Le coke de pétrole
Face à l’augmentation des coûts des ressources énergétiques traditionnelles (par exemple le fuel), il devient toujours plus stratégique de trouver des solutions alternatives qui permettent d'abaisser les coûts de production d'énergie. Le coke de pétrole, ou « pétro-coke », une substance solide essentiellement composée de carbone,
est un sous-produit du raffinage du pétrole. Son coût décroit sensiblement lorsque la broyabilité et le taux de soufre augmentent.
2.1. Composition élémentaire et Caractéristiques du coke de pétrole.
Le coke de pétrole utilisé à l’usine d’Onigbolo a les caractéristiques suivantes :
Dureté : faible
Qualité spécial : Couleur noir
Lieu d’origine : Afrique du Sud
Utilisation fonctionnelle : coke de placement est le coke de carbone qui est relativement pur et peut être vendu pour être utilisé comme combustible.
Les caractéristiques se trouvent en (annexe N°11).
Tableau I-2.1 : Composition élémentaire du coke de pétrole
Eléments Pourcentage
Carbone 87,5
Hydrogène 3,5
Soufre 5-6
Azote 1,5
Oxygène 1
Autres 0,5
Eau < 10
2.2. Approvisionnement du coke de pétrole
SCB-LAFARGE achète le coke de pétrole en Afrique du Sud. La matière est transportée par bateau vers le port de Cotonou et transportée par les camions vers l’usine.
2.3. Conditionnement et utilisation du coke de pétrole
L’usine dispose d’un hall de stockage dont la capacité ne permet pas de garder tout le stock du coke de pétrole. Pour pouvoir utiliser de façon rentable cetrès fin. Le broyeur installé dans l’usine pour le coke de pétrole se prête parfaitement au broyage de ce combustible.
2.4. Présentation de l’atelier du coke de pétrole
L’atelier de broyage du coke de pétrole permet de : Fragmenter la matière afin d’obtenir la finesse requise pour le process.
Sécher la matière, opération combinée avec le broyage.
L’atelier du coke de pétrole est composé :
D’une Trémie par laquelle on charge la matière première (coke de pétrole) ;
D’un générateur de chaleur ;
D’un broyeur vertical (ou à galets) ;
D’un filtre à manche ;
D’un silo de stockage de la matière broyée ;
D’un doseur ;
Des moyens de transport mécanique (vis) et pneumatique (air).
Figure I-2.2 : Schéma synoptique du circuit d’alimentation du coke de pétrole.
Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté les combustibles fossiles utilisés dans le four de l’usine d’Onigbolo. Les combustibles alternatifs feront l’objet du deuxième chapitre.
Introduction
L’usine d’Onigbolo de la SCB-LAFARGE, utilise des combustibles alternatifs pour réduire sa consommation de combustibles fossiles depuis Avril 2005.
Aujourd'hui, la cimenterie atteint des records en matière d’utilisation de combustibles alternatifs. Pour économiser les énergies fossiles non renouvelables, tout en apportant une solution locale à l'élimination de déchets et produire moins chers le ciment, elle a développé l'utilisation de combustibles alternatifs.
L'usine valorise ainsi par combustion dans le four des déchets locaux provenant des activités industrielles et ménagères. Chaque type de combustible à valoriser fait l'objet de contrôle et d'une procédure rigoureuse d'acceptation. La très haute température dans le four (environ 2 000 °C) et le temps de combustion garantissent l'élimination complète des déchets. Les besoins calorifiques sont essentiellement liés à la cuisson des matières premières dans le four, les matériaux devant être portés à une température de l’ordre de 1800°C. [1]
1. Les catégories des combustibles alternatifs
Les combustibles alternatifs utilisés dans le four de la cimenterie d’onigbolo sont essentiellement de la biomasse.
La biomasse est la fraction biodégradable des produits, déchets et résidus provenant de l’agriculture, y compris les substances végétales et animales, et de la sylviculture et des industries connexes. Elle est également composée des déchets et résidus végétaux issus de l’industrie.
Par définition scientifique, la biomasse est le produit de la photosynthèse. La photosynthèse une réaction par laquelle sous l’action du rayonnement solaire, les végétaux créent de la matière organique à partir du CO2 et d’O2 de l’air.
Chapitre III:
Les combustibles alternatifs utilisés à
SCB-LAFARGE.
La biomasse est principalement composée de carbone (C), d’oxygène (O), d’hydrogène (H) mais également d’azote (N) et de matières minérales (retrouvées dans les cendres). Si la composition en carbone est assez constante entre les différents types de biomasses, le taux d’azote varie de manière plus importante.
De par sa capacité à recycler, capter et stocker le CO2, la biomasse est une source d’énergie renouvelable conduisant à un bilan de gaz à effet de serre avantageux lors de sa valorisation énergétique.
2. La combustion de la biomasse
La combustion est le processus qui libère le plus rapidement le contenu énergétique de la biomasse. La cassure brutale et l’oxydation des longues chaînes moléculaires qui le composent s’accompagnent d’un fort dégagement de chaleur. La combustion se déroule en présence de l’excès d’air.
Biomasse + comburant produits de réaction + chaleur (3) (bois) (air ou oxygène) (gaz, cendres)
La combustion de la biomasse est une succession de réactions chimiques dont le bilan est une oxydation complète des molécules organiques et un dégagement de chaleur. Il s’agit bien sûr du procédé de conversion thermochimique le plus ancien et le plus fréquemment utilisé pour convertir la biomasse en chaleur et/ou en électricité.
3. Les caractéristiques physico-chimiques de la biomasse
Les combustibles issus de la biomasse sont caractérisés par plusieurs paramètres qui définissent leurs compositions.
3.1. Humidité
L’humidité peut s’exprimer de deux manières :
• Par rapport à la masse anhydre :
(4)
• Par rapport à la masse humide :
(5) On peut passer de l’une à l’autre par les formules suivantes :
(6)
Figure I-3.1 : Relation entre l’humidité exprimée en fonction de la masse humide et de la masse sèche (CARRE et al. 1991)
3.2. Pouvoir calorifique
Le pouvoir calorifique est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d’un corps. On distingue le pouvoir calorifique inférieur PCI et le pouvoir calorifique supérieur PCS. Dans la détermination du PCS, on tient compte de la chaleur libérée par la condensation de la vapeur d’eau. Le PCI est le PCS duquel on a retiré la quantité de chaleur correspondante à la condensation de vapeur d’eau fournie lors de la combustion.
Dans la pratique, quand il s’agit de combustion, on ne bénéficie pas de la chaleur apportée par la condensation de la vapeur d’eau et on utilise surtout le PCI. Il s’exprime en MJ/kg ou kcal/kg
PCI= [
] [ ] (7)
On peut aussi le calculer d’après la composition chimique du combustible (teneur en carbone, hydrogène et oxygène). Ce sont en effet ces éléments chimiques qui interviennent dans les différentes réactions libérant la chaleur (AMY, 1961) :
(8) Le pouvoir calorifique supérieur et la teneur en carbone sont liés par l’expression : (9)
Figure I-3.2 : Relation entre le pouvoir calorifique et la teneur en carbone (d’après TILLMAN, 1978)
3.3. Masse volumique
La masse volumique de la biomasse, exprimée en kg/m³ représente la masse de la biomasse par unité de volume :
Masse volumique (kg/m3) =
(10)
Selon que l'on considère le volume réel d'un morceau de la biomasse ou le volume d'encombrement d'un empilement de combustible (biomasse), on parlera respectivement de la masse volumique réelle ou de la masse volumique apparente. La connaissance de la masse volumique de la biomasse est importante car celle-ci est parfois vendue par unité de volume apparent alors que son contenu énergétique dépend de sa masse.
