ANALYSE EXERGETIQUE DU RESEAU DE PRODUCTION ET DE DISTRIBUTION DE LA VAPEUR D’EAU A LA SOBEBRA-COTONOU

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MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ---

UNIVERSITÉ D’ABOMEY-CALAVI ---

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI

Département de Génie Mécanique et Énergétique OPTION : Énergétique

MÉMOIRE DE FIN DE FORMATION

POUR L’OBTENTION DU

DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION EN ENERGETIQUE

THEME

Présenté par : Malco GBAKPA Sous la direction de :

Tuteur de stage : Ing. Patrick MEDETON Chef Services Généraux Maître de mémoire :

Dr. Latif FAGBEMI

Enseignant à l’EPAC

Année Académique : 2015-2016

ANALYSE EXERGETIQUE DU RESEAU DE

PRODUCTION ET DE DISTRIBUTION DE LA

VAPEUR D’EAU A LA SOBEBRA-COTONOU

DEDICACES

- A DIEU le père très haut, à la VIERGE MARIE, à JESUS-CHRIST et à toute la COUR CELESTE pour avoir fait de ma vie une louange sans fin; grand merci à toi l’incommensurable. Que l’humanité entière proclame ta gloire.

- A ma tendre mère Ayékoliwouin TOWOUELLE, celle-là qui m’a toujours soutenu dans les moments difficiles et qui n’a jamais cessé de me témoigner son amour maternel malgré tous mes caprices.

Maman chérie, Amazone des temps modernes, femme battante, que Dieu t’accorde santé et longévité afin que tu jouisses des fruits de ton labeur, je t’aime maman.

- A mon Père Lazare GBAKPA, celui-là par qui j’ai souri à la vie. Merci papa, merci pour tout, merci.

- A monsieur Victor HOUNKPE, retrouvez ici le fruit de votre générosité. Vous êtes un père pour moi.

- A mes frères Marc, Casterman, Robhinson, Babylas, Armos et ma chère sœur défunte Opportune fifonsi que la terre te soit légère.

Que chacun œuvre, à l’enracinement entre nous, d’une union forte.

Que ceci ne soit pas un objectif à atteindre mais un stade à dépasser.

- A mon ami Dominique AGBOMANDJOZODO merci, infiniment merci. Nul n’est parfait mais Tu es un de mes meilleurs … tu es un frère pour moi.

- A tous ceux qui, par leur soutien matériel ou moral, ont contribué à ma formation d’homme et d’ingénieur.

Je dédie ce mémoire.

Puissiez trouver à travers cette œuvre l’expression d’une profonde gratitude.

REMERCIEMENTS

La réalisation de ce travail a été possible grâce aux divers soutiens de certaines personnes envers lesquelles nous témoignons nos franches reconnaissances, En particulier nous aimerions remercier très sincèrement :

 Monsieur Martin NOUGBODE : Chef Division Maintenance de la SO.BE.BRA pour nous avoir accepté dans sa structure;

 Monsieur Moise OLODO, Chef Service mécanique qui a été la cheville ouvrière dans notre passage à la SO.BE.BRA. Recevez ici ma profonde gratitude ;

 Monsieur Patrick MEDETON Chef Services Généraux pour avoir sagement et pacifiquement supporté nos caprices en durcissant et en adoucissant le ton tout au long du stage. Je vous en suis reconnaissant et restez égale à vous-même.

 Monsieur Latif FAGBEMI : Enseignant à l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi (EPAC), notre maître de mémoire qui a accepté suivre ces travaux. Merci pour la disponibilité, la compréhension et la générosité dont vous avez fait preuve envers nous sans oublier vos précieux conseils et soutiens à notre endroit; infiniment merci.

 Le Directeur de l’EPAC, Professeur Mohamed SOUMANOU et le Directeur Adjoint de l’EPAC, Professeur Clément AHOUANNOU ;

 Aux messieurs Eric ODJO Chef Service Fabrication, Ernest ANATO Chef Section Brassage, Godwill MENSAH et Prince AHOUANDJINOU pour leur soutien, leur disponibilité et pour m’avoir facilité l’accès à certaines informations ;

 Tout le personnel de la SOBEBRA et tout spécialement messieurs Ismaël SIMIN , Edgard GNAHO, Benoît DJEKETE, Raoufou ORO, Franck HOUNGBEME, Comes FATON, Basile AYONOU, Akim BOURAIMA ;

 Tous les Enseignants du département de Génie Mécanique et Energétique de l’EPAC à qui nous devons notre formation et merci spécial à monsieur Christophe AWANTO pour sa contribution méthodique à la réalisation de ce mémoire ; merci cher professeur ;

 Madame Chantale EDOUH pour son implication personnelle dans notre cursus universitaire ;

 Tous mes amis en particulier Dominique, Junior et Karol, pour leur soutien et affection ainsi que toutes les personnes qui, de près ou de loin, m’ont aidé dans l’accomplissement de ce travail et ont contribué en quelque chose durant tout mon cursus scolaire et universitaire, je prie le seigneur de vous remercier pour moi ;

 Tous mes oncles, tantes, cousins et cousines, neveux et nièces des familles GBAKPA et TOWOUELLE ;

 Les machinistes des Services Généraux pour leur soutien financier, matériel et moral ; qu’ils nous ont témoigné pendant les moments les plus précaires et difficiles de notre stage, nous leur adressons un profond merci du cœur en toute sincérité. Spécialement Cyprien KPOBLI, Dominique DEDO, Aubin ADJOHAN, Félix ADJIGNON, Achille MISSINHOUN

RESUME

Pour la satisfaction de ses besoins de chauffage, la SOBEBRA utilise l’énergie thermique. Cette énergie est disponible grâce à la vapeur d’eau produite à la chaufferie dans deux chaudières de marque est LOOS. La production de la vapeur étant onéreuse, la présente étude a pour objectif d’apprécier la performance des équipements afin de connaitre la quantité et la qualité de l’énergie thermique utilisée. A cet effet, nous avons fait l’analyse exergétique du réseau-vapeur.

Au terme de cette étude, nous avons évalué les irréversibilités et mis en exergue leurs sources. Ces irréversibilités constituent des pertes d’énergie liées à l’entropie générée et non révélées par le bilan thermique. Le rendement exergétique des différents équipements du réseau se présente comme suit : chaudières LOOS 𝟐𝟓, 𝟐𝟐% ; cuiseur 𝟑𝟗, 𝟗𝟗% ; cuve matière 𝟑𝟕, 𝟕𝟏% ; préchauffeur 𝟏𝟑, 𝟖𝟗% ; chaudière à houblonner 𝟎, 𝟒𝟗% ; fondoir 𝟏𝟔, 𝟔𝟒% ; laveuse G1 𝟔, 𝟓𝟒% ; laveuse G2 𝟏𝟒, 𝟕𝟗% ; laveuse G3 𝟏𝟒, 𝟎𝟕% ; pasteurisateur G2 𝟏, 𝟗𝟓% ; pasteurisateur G3 𝟎, 𝟗𝟏%. Les rendements thermique et exergétique du réseau sont respectivement: 𝟑𝟎, 𝟐𝟏% et 𝟔, 𝟕𝟗%.

La chaudière à houblonner et les pasteurisateurs apparaissent comme les équipements les moins performants tandis que le cuiseur et la cuve matière sont les plus performants du réseau. Afin d’optimiser l’utilisation de la vapeur, nous avons recommandé l’installation d’un récupérateur de chaleur des purges, un échangeur de chaleur sur fumée et un récupérateur de chaleur sur buée d’ébullition. Leur mise en œuvre nécessite un investissement de 141.440.000 F CFA récupérable en 1an 10mois 24jours. Elle permettra de faire une économie financière de 83.200.000 F CFA/an, de réduire les émissions de gaz à effet de serre de 740 tonnes/an.

Mots clés et expressions : Chaudière, vapeur, énergie, exergie, efficacité énergétique.

ABSTRACT

In order to satisfy its needs in heating, SOBEBRA uses thermic energy.This energy is available due to the steam production produced in the boiler room in two boilers of LOOS trade mark. The production of the steam being expensive so the present study aims at evaluating the performance of the equipments in order to know the quantity and the quality of the thermic energy used. Thus, we have done the exergetic analysis of the steam network.

At the end of this study, we have evaluated the irreversibilties and stated on their sources. These irreversibilities are parts of energy losses linked to entropy generated and not revealed by thermic assessment. The exergy efficiency of the different equipments of the network is listed as followed : LOOS boiler 𝟐𝟓. 𝟐𝟐% ; cooking-pot 𝟑𝟗. 𝟗𝟗% ; cooking-tank 𝟑𝟕. 𝟕𝟏% ; preheating 𝟏𝟑. 𝟖𝟗% ; impregnating with hop boiler 𝟎. 𝟒𝟗% ; melting-house 𝟏𝟔. 𝟔𝟒% ; bottle washer G1 𝟔. 𝟓𝟒% ; bottle washer G2 𝟏𝟒. 𝟕𝟗% ; bottle washer G3 𝟏𝟒. 𝟎𝟕% ; pasteurizing machine G2 𝟏. 𝟗𝟓%, pasteurizing machine G3 𝟎. 𝟗𝟏%. Network’s thermic and exergetic yield are 𝟑𝟎. 𝟐𝟏% and 𝟔. 𝟕𝟗%.

Impregnating with hop boiler and pasteurizing machines are the less effective while cooking-pot and cooking-tank are the more effective of the network. Several recommandations like : interchange, draining and boiling steam heat recuperator are made. Their application requires 141,440,000 F CFA as investment redeemable in one year, 10mouths and 24days. It will permit to make 83,200,000 F CFA per year like financial economy, to reduce 740 ton per year of CO2 emissions.

Key Words : boiler, steam, energy, exergy, energetic effectivenss

TABLE DES MATIERES

DEDICACES ... i

REMERCIEMENTS ... ii

RESUME ... iv

ABSTRACT... v

TABLE DES MATIERES ... vi

LISTE DES FIGURES ... ix

LISTE DES TABLEAUX ... x

INTRODUCTION GENERALE ... 1

CAHIER DES CHARGES ... 4

CHAPITRE 1 : GENERALITES... 5

1.1 SOBEBRA ... 6

1.1.1 Présentation de la SOBEBRA ... 6

1.1.2 Processus de fabrication des produits de la SOBEBRA ... 13

1.2. Chaudières... 18

1.2.1 Classification et fonctionnement des chaudières ... 18

1.2.2 Critères de choix des chaudières ... 22

1.2.3 Eau de chaudière ... 23

1.3. Production et distribution de la vapeur à la SOBEBRA ... 28

1.3.1 Production de la vapeur ... 28

1.3.2 Distribution de la vapeur à la SOBEBRA ... 41

1.3.3 Schéma du réseau-vapeur à la SOBEBRA ... 43

CHAPITRE 2 : NOTIONS FONDAMENTALES D’ANALYSE EXERGETIQUE ... 45

2.1 Exergie du combustible ... 46

2.2 Exergie de la chaleur ... 47

2.3 Exergie de l’écoulement de fluide ... 49

2.4 Pertes d’exergie dues au mélange de différents fluides ... 58

2.5 Pertes d'exergie dues au transfert de chaleur ... 60

2.6 Pertes exergétiques inévitables et évitables ... 61

CHAPITRE 3 : BILAN THERMIQUE ET EXERGETIQUE DE L’INSTALLATION ... 64

3.1 Bilan thermique ... 65

3.1.1 Production ... 65

3.1.2 Consommation ... 68

3.2 Bilan exergétique ... 84

3.2.1 Production ... 84

3.2.2 Consommation ... 87

CHAPITRE 4 : ANALYSE ENERGETIQUE ET EXERGETIQUE DU BILAN : SUGGESTIONS ... 100

4.1 Analyse énergétique ... 101

4.1.1 Evaluation des pertes thermiques (P) ... 101

4.1.2 Rendement thermique... 101

4.2 Analyse exergetique ... 101

4.2.1 Evaluation des Pertes exergétiques (B) ... 101

4.2.2 Rendement exergetique ... 102

4.3 Analyse de performance à la chaufferie et suggestions ... 105

4.4 Analyse de performance aux postes d’utilisation de la vapeur ... 106

4.5 Quelques mesures d’efficacité énergétique ... 108

CHAPITRE5 : IMPACTS ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX DES SYSTEMES DE RECUPERATION DE LA CHALEUR ... 112

5.1 Récupérateur de chaleur des purges de chaudière et de celles des postes de consommation de la vapeur pour préchauffer l’eau adoucie à 80°C : figure 13 ... 113

5.2 Economiseur pour le chauffage de l’eau alimentaire : figure 14 ... 113

5.3 Echangeur pour préchauffage de l’eau de chaudière : figure 15 ... 114

5.4 Echangeur de chaleur sur fumée de chaudière pour la production de l’eau chaude à 55°C : figure 16 ... 114

5.5 Réchauffeur comburant pour une admission d’air plus chaud : figure 17 ... 115

5.6 Récupérateur de chaleur sur buée d’ébullition de la chaudière à houblonner : figure 16 ... 115

5.7 Choix et hiérarchisation ... 116

CONCLUSION GENERALE ET PERPECTIVE ... 117

REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 120

ANNEXES ... 122

LISTE DES FIGURES

FIGURE 1:ORGANIGRAMME DE LA DIRECTION TECHNIQUE DE LA SOBEBRA ... 10

FIGURE 2:CHAUDIERE A TUBE DE FUMEE ... 20

FIGURE 3: D’UNE CHAUDIERE A TUBE D’EAU ... 21

FIGURE 4:ADOUCISSEUR MODELE SIMPLEX ... 24

FIGURE 5:ADOUCISSEUR MODELE TWIN ... 24

FIGURE 6:ADOUCISSEUR MODELE DUPLEX ... 25

FIGURE 7:CHAUDIERE A TUBE DE FUMEE DE LA SOBEBRA ... 28

FIGURE 8: ANALYSEUR ELECTRONIQUE «KIGAZ500» ... 36

FIGURE 9 :RESEAU-VAPEUR DE LA SOBEBRA... 43

FIGURE 10:EXERGIE ET ANERGIE DE LA CHALEUR ... 47

FIGURE 11:BILAN THERMIQUE D’UN ECOULEMENT ... 50

FIGURE 12:BILAN ENTROPIQUE D’UN ECOULEMENT ... 50

FIGURE 13:DIAGRAMME TEMPERATURE-ENTROPIE : CAS S1 < S0 ... 54

FIGURE 14:DIAGRAMME TEMPERATURE-ENTROPIE : CAS S1 > SO... 54

FIGURE 15:BILAN THERMIQUE ... 68

FIGURE 16:BILAN EXEGETIQUE ... 87

FIGURE 17:PURGE A L’EGOUT A LA CHAUFFERIE SOBEBRA ... 109

FIGURE 18:ISOLATION DEGRADEE SUR COLLECTEUR CONDITIONNEMENT SOBEBRA ... 110

FIGURE 19:RECUPERATEUR DE CHALEUR DES PURGES... 124

FIGURE 20:ECONOMISEUR SUR FUMEE DE CHAUDIERE ... 125

FIGURE 21:CONDENSEUR SUR FUMEE DE CHAUDIERE CAS 1... 125

FIGURE 22:CONDENSEUR SUR FUMEE DE CHAUDIERE CAS 2... 126

F^IGURE 23:RECHAUFFEUR DU COMBURANT (^AIR) ... 126

LISTE DES TABLEAUX

TABLEAU 1:CRITERE DE CHOIX DE CHAUDIERE ... 23

TABLEAU 2:CRITERE DE CHOIX D’ADOUCISSEUR ... 27

TABLEAU 3:COMPOSITION DES GAZ DE COMBUSTION DU FUEL LOURD ... 36

TABLEAU 4:CARACTERISTIQUE DES CHAUDIERES LOOS ... 37

TABLEAU 5 :CONSOMMATION DU FUEL LOURD ET QUANTITE DE VAPEUR PRODUITE EN 2016 ... 66

TABLEAU 6:DIAMETRE, DEBIT ET QUANTITE DE VAPEUR ... 70

TABLEAU 7:LES PARAMETRES D’ENTREE ET DE SORTIE DE LA VAPEUR ... 71

TABLEAU 8:CONSOMMATION D’EAU AU CONDITIONNEMENT EN 𝐦𝟑 ... 76

TABLEAU 9:PERTES ET RENDEMENT THERMIQUES ... 103

TABLEAU 10:PERTES ET RENDEMENT EXERGETIQUES ... 103

TABLEAU 11:RECAPITULATIF DES RESULTATS ... 123

INTRODUCTION

GENERALE

L’état de santé économique d’une nation est tributaire d’une bonne politique de gestion du secteur énergétique. Cette politique vise essentiellement la source, le coût, le type et la disponibilité des diverses énergies indispensables à la satisfaction des besoins domestiques, du transport et de la production industrielle. Elles peuvent être renouvelables ou non. Les énergies non renouvelables occupent une place de choix dans le quotidien des industries à travers les énergies d’origine fossile. Ces énergies fossiles assurent l’autonomie en électricité en cas de délestage, la gestion efficace des heures de pointe et la production d’énergie thermique.

Cependant, certains désagréments liés à l’utilisation d’énergie fossile surtout climatiques nous interpellent et font prendre conscience dans le rang des gouvernants. A ce titre, plusieurs conférences des parties en l’occurrence celle de Kyoto ont mis en place des mesures contraignantes en vue de réduire les émissions de gaz à effet de serre surtout le 𝐂𝐎_𝟐: il s’agit du PROTOCOLE DE KYOTO.

Conscients des enjeux d’une telle politique, plusieurs pays dont le Bénin ont ratifié ce traité afin de sauver l’humanité de ces catastrophes environnementales.

Dès lors, opérant sur le territoire national, la SOBEBRA à l’instar de toutes industries locales est astreinte à respecter les normes d’émission en la matière.

En effet, on utilise à la SOBEBRA plusieurs types d’énergie dont l’énergie thermique provenant de la combustion du fuel lourd. Elle permet la couverture dans l’entreprise des besoins en chauffage. Afin de connaître l’état d’utilisation réel de cette énergie, un contrôle rigoureux du fonctionnement des équipements thermiques et des conditions de combustion est nécessaire.

Pour apprécier le fonctionnement d’une installation thermique, la méthode la plus simple consiste à comparer l’énergie fournie à l’énergie dépensée. Le rapport de ces deux grandeurs définit le rendement. Le rendement exergétique se présente comme l’outil permettant de faire cette appréciation. C’est dans cette

optique que l’analyse exergétique du réseau de production et de distribution de la vapeur d’eau à la SOBEBRA-Cotonou fait l’objet de notre étude.

Pour ce faire, nous avons structuré l’étude en cinq (05) chapitres:

- la première partie du travail, présente une généralité sur la SOBEBRA, les chaudières puis la production et l’utilisation de la vapeur à la SOBEBRA ; - le chapitre deux est consacré aux notions exergétiques fondamentales qui

nous permettront de faire une analyse judicieuse du réseau ;

- un bilan thermique et exergétique seront faits dans le chapitre trois ;

- au chapitre quatre, nous allons procéder à l’analyse de ces bilans afin de mettre en exergue les diverses pertes exergétiques et leurs sources ; et - finir par une appréciation économique et environnementale des

récupérateurs de chaleur au chapitre cinq.

CAHIER DES CHARGES

Le présent mémoire intitulé Analyse exergétique du réseau de production et de distribution de la vapeur d’eau à la SOBEBRA-Cotonou, consiste à analyser les performances de chaque équipement du réseau à travers le concept d’exergie. Ceci, permettra de se rendre compte de leur état réel de fonctionnement. Aussi, cette étude, doit-elle ressortir les causes de pertes de rendement de ces équipements. Enfin, proposer des solutions adéquates à la réduction de ces pertes.

CHAPITRE 1 : GENERALITES

Introduction

Etant l’une des plus grosses unités industrielles du Bénin, la SOBEBRA intervient dans l’agro-alimentaire par la production d’une variété de boissons. Elle doit son prestige au partenariat public-privé par lequel la structure est aujourd’hui placée sous l’autorité de Monsieur Castel.

Plusieurs points seront abordés dans cette séquence à travers la présentation de l’entreprise et le processus de production de ses différents produits. L’étude des chaudières et la production de la vapeur d’eau.

1.1 SOBEBRA

1.1.1 Présentation de la SOBEBRA 1.1.1.1 Historique

Suite à la révolution populaire de 1972, l’Etat béninois décida de nationaliser toutes les sociétés opérant sur le territoire national. Ainsi, la SOBEBRA fut nationalisée en 1975 et dénommée «la BENINOISE», avec un personnel évalué à plus de 1200 agents. Mais les nombreuses difficultés financières des années 80 ont contraint l’état à privatiser la plupart des entreprises publiques. La décision de la privatisation de la BENINOISE fut prise. La société fut acquise par le groupe français CASTEL-BGI (Brasserie et Glacières International) le 06 Janvier 1992, et devint « SOBEBRA ».

Cette entité donna naissance au « GROUPE SOBEBRA », divisé en trois (03) sociétés gérées par CASTEL-BGI, actionnaire majoritaire à 90% et 10% pour l’Etat et quelques privés nationaux. Il s’agit de :

 la Société Béninoise de Brasserie (SOBEBRA) créée le 06 Janvier 1992 ;

 la société de Négoce de Boisson (SONEBO) créée le 06 Mai1994 ; et

 la POSSOTOMEENNE des Eaux (POSSO SA) créée le 06 Octobre 1994.

Suite à une décision des actionnaires, il a été procédé à la fusion de ces trois entités en une seule de taille plus grande, que représente la SOBEBRA SA sous sa forme actuelle.

La Société Béninoise de Brasserie (SOBEBRA) est une industrie opérant dans le domaine agroalimentaire plus précisément dans la fabrication et la commercialisation des bières et des boissons gazeuses en République du Bénin.

Elle est située à Cotonou à PK 2,5 route de Porto-Novo.

1.1.1.2 Les différents sites de production de la SOBEBRA

La SOBEBRA dispose de trois différents sites de production situés dans trois différentes villes du Bénin. Il s’agit des sites de COTONOU, PARAKOU et POSSOTOME. Les différents services basés à Cotonou, avec le concours des différents responsables d’unités, gèrent aussi bien le personnel de Parakou que de Possotomè.

1.1.1.2.1. Site de Cotonou

Le site de Cotonou est le plus grand des trois sites de production. Il dispose de trois (03) lignes de production dont deux pour la production des différentes bières en bouteille et une pour la production des boissons gazeuses en bouteille.

1.1.1.2.2. Site de Possotome

Il dispose de deux lignes de production qui s’occupe de la fabrication des boissons gazeuses en bouteille plastique et des eaux minérales.

1.1.1.2.3. Site de Parakou

Le site de Parakou permet de produire aussi bien les bières que les boissons gazeuses en bouteille. Il dispose d’une unique ligne de production.

L’ensemble des 3 sites de la SOBEBRA, livre sur le marché quelques produits brassicoles. Au nombre de ces produits, nous pouvons citer:

- les bières: Castel Bière, Beaufort, 33 Export, La Béninoise, Guinness, Malta Guinness, Ekou, flag ;

- les boissons gazeuses: Youki, Moka, Fanta Citron, Fanta Pamplemousse, Fanta Orange, Tonic, Fanta Cocktail, Coca-Cola, Sprite.

- les eaux minérales: Possotomè, Aquabelle

1.1.1.3 Organigramme de la SOBEBRA

La SOBEBRA a à sa tête un Directeur Général, et sa structure organisationnelle se présente comme suit :

 une Direction Générale, chargée de l’administration générale, qui définit les politiques stratégiques et tactiques, et coordonne les actions de la société;

 une Direction Administrative et Financière qui s’occupe de la gestion administrative et financière de la société;

 une Direction des Ressources Humaines qui s’occupe de la gestion du personnel de la société ;

 une Direction Commerciale qui représente la première vitrine de la société et est en contact permanent avec les consommateurs;

 une Direction des Relations Extérieures qui s’occupe des affaires juridiques et externes de la société ;

 une Direction des achats

 une Direction Technique qui a pour rôle d’assurer la transformation des matières premières en produits finis par le biais des différentes divisions à savoir: la division production, la division automatisme, et la division maintenance. Dans cette direction précisément aux services généraux,

nous avons participé à quelques travaux de maintenance et à la résolution du sujet qui nous a été soumis par l’entreprise.

L’organigramme de la direction technique se présente comme suit :

Figure 1: Organigramme de la direction technique de la SOBEBRA

1.1.1.4 Présentation des services généraux

Les services généraux constituent le cœur de la SOBEBRA dans la mesure où toutes les énergies utilisées à la SOBEBRA sont fournies par ce service.

Notamment, il s’agit de : l’eau, la vapeur d’eau, l’électricité, le froid, le CO2 et l’air comprimé. En effet, les services généraux sont constitués de plusieurs station que sont : la station CO2, les groupes frigorifiques, la chaufferie, la station d’air comprimé et l’hydrophore (station de traitement et de distribution d’eau).

1.1.1.4.1 La station CO2

La station de traitement du CO2 a pour but de produire du CO2 alimentaire à partir des gaz issus de la fermentation du mout à la cave. Ce CO2 est utilisé pour la carbonatation des boissons gazeuses. Cette station est composée de 2 démousseurs montés en série, d’un gazomètre, de trois compresseurs CO2 dont deux de 200kg/h et un de 400 kg/h, d’un filtre COS, de deux sécheurs CO2, de deux désodoriseurs CO2, de deux liquéfacteurs, de deux ballons de stockage de CO2 liquéfié de 20 et 22 tonnes.

Les groupes liquéfacteurs sont au nombre de deux et sont en effet des groupes frigorifiques dont les compresseurs sont à piston (06 pistons chacun) et utilisant comme fluide frigorigène l’ammoniac NH3.

1.1.1.4.2 Les groupes frigorifiques

La SOBEBRA dispose de quatre groupes frigorifiques de marque MYCOM aux services généraux dont trois groupes frigorifiques (MYCOM 1, 2 et 3) produisent de l’eau glycolée de 1 à -5°C et un groupe frigorifique (MYCOM 4) qui produit de l’eau glacée à 2°C à un débit de30m³/h. Ces différents groupes assurent la production du froid nécessaire dans le processus de fabrication.

1.1.1.4.3 La station d’air comprimé

Cette station produit de l’air sous pression, elle comporte 4 compresseurs d’air avec un ballon de stockage d’air comprimé ; elle produit de l’air sous pression utilisée par les machines électropneumatiques telles que : les encaisseuses, les décaisseuses, les soutireuses. L’un de ces compresseurs d’air s’occupe spécialement de l’évacuation de la drêche à travers l’air comprimé qu’il produit.

1.1.1.4.4 L’hydrophore

Cette station assure le traitement de l’eau de ville (eau de SONEB) avant son utilisation dans toute l’usine. Elle est constituée de filtres à charbon, filtres à sable, de plusieurs bâches notamment : une bâche à eau brute de 561 m³ de contenance, deux bâches à eau filtrée et deux bâches à eau chlorée de 500 m³ chacune. La circulation de l’eau à travers les différentes conduites est assurée par des pompes hydrauliques.

1.1.1.4.5 La salle des groupes et le local MT/BT

La Salle des groupes contient 4 groupes de 1000 KVA fonctionnant tous en mode automatique avec une suppression progressive des charges lorsqu’il a présence tension réseau. Le local MT est constitué de 4 transformateurs triphasés d’une puissance de 1500 KVA chacun. Ils permettent d’abaisser le courant produit par les groupes et aussi celui fournit par la SBEE.

1.1.1.4.6 La chaufferie

Elle s’occupe de la production de la vapeur saturée nécessaire à la satisfaction du besoin en énergie thermique de la société. Elle est constituée de deux chaudières à tube de fumées de marque LOOS, utilisant du fuel lourd comme combustible et travaillant de façon alternée. Elles permettent la production de la

vapeur d’eau sous une forte pression. Cette vapeur est utilisée à plusieurs niveaux dans le processus de fabrication de la bière et des boissons gazeuses, notamment au brassage (le cuiseur, la cuve matière, préchauffeur et la chaudière à ébullition), à la siroperie (les fondoirs), au conditionnement (les différentes laveuses de bouteilles et les pasteurisateurs).

1.1.2 Processus de fabrication des produits de la SOBEBRA 1.1.2.1 Fabrication de la bière

La fabrication de la bière consiste à produire une boisson alcoolisée par la fermentation du moût. A la SOBEBRA, la bière est produite à partir de:

Matières premières essentielles:

 l’eau : absolument de très bonne qualité ;

 le malt : plus précisément d’orge ;

 le gritz de maïs : grains de maïs partiellement moulus ;

 le houblon : pour l'amertume, l’arôme, l'aseptisation et la digestibilité ;

 Le sucre

Agents d’activation tels que:

 Les enzymes : l’alpha amylase, la beta amylase pour la saccharification;

 Les levures : pour la fermentation alcoolique, le goût et le parfum ;

REMARQUE : Il existe à la SOBEBRA quatre (04) brassins à savoir :

 le brassin Unique, qui donne naissance à quatre (04) bières filles : Béninoise, 33 Export, Beaufort et Castel ;

 le brassin Ekou ;

 le brassin Guinness ; et

 le brassin Malta Guinness.

En fonction du brassin à produire, les matières premières peuvent varier.

Pour les brassins Malta Guinness et Eku par exemple, seul le malt est utilisé. Par contre, pour les brassins Unique et Guinness on utilise le malt et le maïs mais dans des proportions variables.

Le processus de production de la bière peut être réparti en sept (07) étapes à savoir : le soufflage, la mouture, le brassage, la fermentation, la filtration, la différenciation et le conditionnement.

1.1.2.1.1 Le soufflage

Les gritz de maïs et les graines de malt d’orge préalablement stockés dans des sacs de 25 kg dans la salle de soufflage, qui sert en même temps de magasin, sont versés respectivement dans une trémie à maïs et une trémie à malt. Un moteur pneumatique muni d’un compresseur souffle sur les grains de malt ou sur le maïs.

Le maïs et les grains de malt sont respectivement envoyés dans un silo à maïs et un silo à malt cru. Un moteur situé dans la partie supérieure de la conduite permet l’extraction de la poudre contenue dans le malt.

1.1.2.1.2 La mouture

Cette étape concerne uniquement le malt. Celui-ci contenu dans le silo à malt cru est progressivement envoyé par une vis sans fin dans un moulin à marteaux. Le moulin dispose d’un système de calibrage qui permet de faire le tri des grains de malt selon leur taille et les débarrasser des pierres, des mauvaises graines etc. Les grains de malt sont ensuite concassés après avoir passé à travers un champ magnétique permettant de retenir les éventuelles particules métalliques qu’ils contiennent. Une fois moulu, la mouture est déversée dans une trémie à farine de malt.

1.1.2.1.3 Le brassage

Du silo à maïs, les gritz de maïs sont envoyés les premiers dans le pré empâteur où ils sont mélangés à de l’eau pour ensuite être envoyé dans un cuiseur.

Dans le cuiseur on rajoute à la salade (le mélange) une enzyme appelée (alpha amylase) et on fait subir à la salade, différents paliers de températures de 64°C, 74°C et 100°C.

Par suite, la farine de malt passe à son tour dans le pré empâteur pour y être mélangé à de l’eau puis envoyé dans la cuve matière où le malt et le maïs se mélangent pour former un mélange appelé la ‘maische’ à 64°C. La maische dans la cuve matière, en présence de l’alpha et bêta amylase et autre, subit notamment les paliers de 72°C et 78°C. A la sortie de la cuve matière, la maische passe dans un filtre appelé ‘filtre à maische’ où il est filtré. La filtration donne un jus appelé

‘moût (premier bouillon)’ et un résidu appelé ‘drêche’.

A la fin de la filtration, le premier bouillon est envoyé dans une cuve appelée ‘Bac tampon’ pour y être stocké. Ensuite, il est préchauffé jusqu’à 99°C dans un échangeur de chaleur à plaque grâce à la vapeur d’eau. Après le préchauffage, on le fait bouillir à 100°C dans la chaudière à houblonner pendant 60 minutes. Ensuite il passe dans le décanteur pendant quinze minutes. Dans le décanteur, il se forme en bas (la partie conique) des dépôts appelés ‘Trub’ qui sont récupérés par le bas et envoyés dans un tank appelé ‘tank à Trub’. Le moût est refroidi jusqu’à 10°C dans un échangeur à plaque grâce à l’eau glacée avant être envoyé dans les tanks TOD où il subit la fermentation alcoolique.

1.1.2.1.4 La fermentation

La fermentation est une étape importante dans le processus de fabrication de la bière. Elle a pour but la transformation des sucres fermentescibles du moût en alcool avec dégagement de C02 et ceci grâce aux levures qu’on rajoute au moût.

Elle dure 7 à 14 jours et s’effectue à différentes températures (10°C ; 12°C ; 16°C) ce qui conduit, à la fin de la fermentation, à l’obtention de la bière. Cette bière

subit la garde à une température inférieur à 0°C pendant 2 ou 3 jours afin de repousser les levures vers le fond des TOD et de les éjecter. La température dans les TOD est maintenue et régulée grâce à un système de refroidissent qui utilise de l’eau glycolée à température basse. On obtient ainsi une bière prête à être filtrée. Le dioxyde de carbone issu de la fermentation est récupéré, traité et stocké à la station CO2 afin d’être utilisé pour la carbonatation de la bière et des boissons gazeuses.

1.1.2.1.5 La filtration de la bière

La bière qui sort des TOD contient toujours des cellules de levure ou des levures mortes qui inhibent la qualité de la bière. Par conséquent, cette bière passe par un système de filtration où elle est filtrée dans les ‘Filtres à Bière’ grâce au kieselguhr ou kieselgur avant d’être stockée dans un bac tampon.

1.1.2.1.6 La différenciation

La bière mère ainsi obtenue est ensuite différenciée dans un local appelé (local SUDMO). Cette différenciation consiste à diluer la bière avec de l’eau désaérée car la bière mère produite est très concentrée, à ajouter des additifs qui varient selon le type de bière. Enfin, elle est stockée dans des tanks TBF avant son conditionnement.

1.1.2.2 Fabrication des boissons gazeuses

Ici, nous utilisons principalement comme matières premières :

 l’eau ;

 le sucre ;

 les extraits ; et

 le CO2.

La fabrication des boissons gazeuses se fait en trois étapes essentielles à savoir: la préparation du sirop Blanc, la préparation du sirop fini, la préparation de la boisson. Cette fabrication se déroule à la siroperie constituée d’une chambre chaude et d’une chambre froide.

1.1.2.2.1 Préparation du sirop blanc

Selon le type de boisson gazeuse à produire, une quantité définie de sucre est déversée dans une trémie grâce à une plateforme de déversement du sucre.

Cette quantité de sucre est envoyée dans deux fondoirs de différente capacité à l’aide d’une vis sans fin. Les fondoirs sont situés dans un local appelé ‘chambre chaude’. Avant d’envoyer le sucre dans le cuiseur, on le rempli d’abord d’un volume d’eau correspondant à la quantité de sucre et ensuite, on met l’agitateur dont il est muni en marche. C’est à ce moment que le sucre est envoyé. Les cuiseurs sont munis d’un système de chauffage assuré par la vapeur d’eau provenant des chaudières. Une fois le mélangeage terminé, on attend que la température ait atteint 87°C avant de couper l’agitateur pendant 20 à 30 minutes.

Le mélange Eau-Sucre ainsi obtenu est appelé ‘Sirop Blanc’. Le sirop blanc est filtré dans un filtre à carton puis refroidit dans un échangeur à plaque à trois fluides (sirop blanc, eau glycolée, eau simple) avant d’être envoyé vers les conges dans la chambre froide. La variation de température dans la chambre chaude permet de tuer les bactéries et microbes.

1.1.2.2.2 Préparation du sirop fini

Dans la chambre froide, nous avons des conges de différentes capacités notamment 8000 L, 4000 L, et 3300 L. Un tableau de pontage permet d’orienter le sirop blanc vers les conges. Dans les conges, on ajoute au sirop blanc les extraits de la BG qu’on veut produire. Le tout est mélangé grâce à des agitateurs dont sont munis les conges. Le mélange obtenu est appelé ‘Sirop Fini’. Certains conges sont

munis de système de refroidissement pour le maintien du sirop fini à une température d’environ 24°C. Le sirop fini ainsi obtenu est envoyé vers le dosage.

1.1.2.2.3 Le dosage

Le dosage se fait par l’INTERMIX ou le FAMIX qui sont des dispositifs permettant de mélanger le sirop fini à l’eau désaérée et carbonatée dans des proportions adéquates selon la norme. On obtient ainsi la boisson gazeuse qui est stockée dans un bac appelé ‘colonne de boisson’ prêt pour le conditionnement.

1.1.2.2.4 Le conditionnement

L’usine de Cotonou dispose de trois (3) lignes de conditionnement groupe G1, groupe G2 et groupe G3, qui assurent l’embouteillage des boissons. Le groupe 1 s’occupe des boissons gazeuses (sucreries) alors que les groupes G2 et G3 s’occupent du conditionnement des diverses bières. Chacun des groupes comporte plusieurs machines dont : une décaisseuse, une laveuse, une mireuse vide, une soutireuse, une mireuse pleine, un pasteurisateur de bière en bouteille (uniquement utilisé dans les deux groupes de bière G2 et G3), une étiqueteuse, une dateuse, une mireuse d’étiquette, une encaisseuse, un palettiseur et une laveuse casier.

1.2. Chaudières

1.2.1 Classification et fonctionnement des chaudières 1.2.1.1 Classification

Dans le processus de production de l’énergie thermique, les chaudières constituent le point de départ. Ici, nous allons présenter les chaudières à combustible. Ces types de chaudière se composent de deux compartiments distincts :

- un dans lequel brûle le combustible : le foyer ; et

- un autre dans lequel l'eau est chauffée.

On distingue ainsi deux types de chaudière à combustible en fonction de la circulation de l’eau à chauffer par rapport à la chaleur de combustion :

- les chaudières à tube de fumée ; et - les chaudières à tube d’eau.

1.2.1.2 Fonctionnement

1.2.1.2.1 Les chaudières à tubes de fumée

Ce type de chaudière fournit un débit de vapeur saturée de 1 à 25 tonnes/heure, en basse et moyenne pression [1]. Le combustible utilisé est soit du gaz soit du fioul.

Le tube foyer, qui se trouve dans le ballon même de la chaudière, sous le plan d’eau, collecte les gaz chauds en sortie du brûleur. Les gaz chauds, accumulés dans un premier caisson à l’arrière de la chaudière, sont véhiculés par un groupe de tubes immergés dans l’eau du ballon vers un second caisson à l’avant de la chaudière. Un second groupe de tubes immergés emmène les gaz vers un troisième caisson à l’arrière de la chaudière, ce troisième caisson débouche sur la cheminée pour l’évacuation des fumées vers l’extérieur. Il y a donc circulation des gaz de combustion dans des tubes assurant, par conduction vers l’eau de la cuve, la vaporisation par apport de calories.

Figure 2 : Chaudière à tube de fumée [1]

Lorsqu’il est envisagé de produire la vapeur surchauffée avec cette installation, on a nécessairement recours à un surchauffeur (source de chaleur indépendante), en aval de la chaudière à tubes de fumée.

* Précautions

Il est impératif de traiter l’eau de chaudière afin d’éviter le dépôt de tartre à l’extérieur du tube foyer et des tubes de fumée. En effet, le tartre provoque un mauvais échange thermique, un temps de mise en pression-température plus long, un risque de surchauffe au niveau de tube foyer, une surconsommation de combustible, une augmentation de la température des fumées au niveau de la cheminée...

1.2.1.2.2 Les chaudières à tubes d’eau

Ce type de chaudière fournit un débit de vapeur saturée supérieur à 20 tonnes/heure, en moyenne et haute pression[1]. Le combustible utilisé est soit du gaz, du fioul, du charbon ou déchets.

Figure 3 : d’une chaudière à tube d’eau [1]

Ce type de chaudière possède deux réservoirs appelés ballon distributeur (en partie inférieure) et ballon collecteur (ou encore ballon de vaporisation, en partie supérieure), reliés par un faisceau de tubes vaporisateurs, dans cet ensemble circule l’eau qui se transforme en vapeur. Les gaz chauds produits par le brûleur sont directement en contact avec les tubes vaporisateurs, à l’intérieur de ceux-ci se produit la vaporisation. La vapeur ainsi générée est collectée dans le ballon supérieur, l’eau excédentaire est ramenée vers le ballon inférieur par des tubes de chute non soumis à la chaleur. Dans le domaine des hautes pressions, une pompe peut être installée pour faciliter cette circulation du haut vers le bas. Il y a donc

circulation de l’eau dans des tubes placés à l’intérieur d’une enceinte contenant les gaz chauds.

Dans une telle chaudière, pour produire de la vapeur surchauffée, la tuyauterie qui prend en charge la vapeur saturée retourne dans le foyer, les gaz chauds apportent à cette vapeur saturée une énergie supplémentaire qui en élève la température sans en modifier la pression. On obtient ainsi de la vapeur surchauffée à la sortie.

* Précautions

La formation de tartre dans les tubes est préjudiciable au fonctionnement de la chaudière à tubes d’eau pour les mêmes raisons que celles évoquées à propos des chaudières à tubes de fumée. En outre, l’obturation des tubes pourrait se révéler dangereuse, ce qui ajoute à la nécessité de traiter l’eau de chaudière. La paroi extérieure des tubes est exposée aux dépôts de suies et nécessite une action de ramonage pendant le fonctionnement de la chaudière. Cette action est obtenue par injection de vapeur ou d’air comprimé via un tube perforé.

1.2.2 Critères de choix des chaudières

L’installation de l’un ou l’autre type de chaudière à combustible n’est pas simple. Il tient compte d’un certain nombre de paramètres fondamentaux comme présentés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Critère de choix de chaudière [1]

1.2.3 Eau de chaudière

L’eau de chaudière provient de la bâche de récupération des condensas et de la station de traitement (adoucisseur). L’appoint en eau dans la chaudière est réalisé grâce à une pompe alimentaire (souvent doublée) fonctionnant à une pression légèrement supérieure à la pression interne du ballon.

1.2.3.1 Modèles d’adoucisseur

Les adoucisseurs industriels sont dédiés à toutes les installations à débit important. Ils sont très employés dans les hôpitaux, hôtels et industries. Ils doivent être installés sur la canalisation d’eau de ville destinée à la production d’eau

chaude sanitaire dans les bâtiments ou de vapeur d’eau vecteur d’énergie thermique en industrie.

Suivant la conception, on distingue trois types d’adoucisseurs [2] à savoir:

Figure 4 : Adoucisseur modèle Simplex

Figure 5 : Adoucisseur modèle Twin

Figure 6 : Adoucisseur modèle Duplex

1.2.3.2 Principe de fonctionnement

Les adoucisseurs d’eau sans distinction aucune, sont des appareils agissant sur la composition physico-chimique de l’eau, en réduisant le calcium et le magnésium responsables de l’entartrage. L’eau à adoucir circule à travers des résines échangeuses d’ions (résines cationiques fortes) qui vont échanger le calcium et le magnésium par du sodium. À la sortie de l’appareil, l’eau n’est plus entartrante, elle est devenue “douce”. A cet effet, ils assurent une protection maximale contre l’entartrage des chaudières et des canalisations. Au fur et à mesure du passage de l’eau, les résines se saturent en calcium et magnésium.

Une régénération est alors nécessaire de façon à recharger ces résines en ions sodium à partir d’une solution de chlorure de sodium ou saumure (sel et eau) que l’adoucisseur puise dans le bac à sel. Cette régénération sera déclenchée automatiquement, par l’automatisme de l’adoucisseur et peut se faire de 2 façons :

- par contrôle des volumes consommés (mode volumétrique) ; - par contrôle du temps écoulé (mode chronométrique).

Remarque:

Bien que l’eau alimentaire soit traitée, extraction et purge continue sont deux opérations contribuant à maintenir la qualité de l’eau dans la chaudière, paramètre essentiel pour son bon fonctionnement.

Extraction : L’eau d’alimentation contient des traces de produits de traitement, de sels minéraux et d’impuretés diverses ; les résidus se déposent au fond du ballon sous forme de boues et doivent être évacués à l’aide d’un robinet d’extraction. Ce robinet spécial, dont la manœuvre doit être :

- brutale,

- de courte durée (afin d’éviter d’entraîner trop d’eau avec les boues), - répétée plusieurs fois par jour,

Il est généralement soit un robinet manuel équipé d’un levier allongé et d’un ressort de rappel en fermeture, soit un robinet ¼ tour automatisé.

Purge continue : Les produits de traitement et sels minéraux, qui arrivent avec l’eau d’alimentation, ne partent pratiquement pas avec la vapeur produite.

Ils ont tendance à se concentrer dans le ballon, qu’ils soient en solution ou en suspension. D’où la nécessité de procéder à une purge de déconcentration permanente, grâce à un robinet de dégazage spécial, à très faible débit. Le prélèvement continu se fait à environ 10,0 cm sous le plan d’eau, le dispositif pourra être mis à profit pour réaliser une prise d’échantillon pour analyse, après refroidissement.

1.2.3.3 Choix d’adoucisseur

Le choix de l’un ou l’autre des modèles, repose sur certaines caractéristiques résumées dans le tableau 2.

Tableau 2 : Critère de choix d’adoucisseur [2]

1.3. Production et distribution de la vapeur à la SOBEBRA

A la SOBEBRA, la production de vapeur d’eau se déroule dans un local appelé chaufferie. Elle est constituée de deux chaudières de marque LOOS et d’un dispositif d’adoucissement (AMBITERMO) de l’eau de chaudière.

Figure 7 : Chaudière à tube de fumée de la SOBEBRA [𝟑]

1.3.1 Production de la vapeur

La production de la vapeur a lieu dans la chaudière après la combustion du fuel puis une vaporisation d’eau appropriée, grâce à un transfert thermique entre les gaz de combustion et l’eau. Cette eau est fournie par un adoucisseur qui assure le traitement chimique de l’eau alimentaire.

1.3.1.1 Combustion

Elle se déroule dans le tube foyer de la chaudière. Dans la chambre de combustion, est produite la flamme grâce à l’étincelle émise par une électrode et l’injection du gaz domestique (butane). Pour entretenir la flamme, le bruleur, pulvérise dans le foyer, le combustible (fuel préchauffé) et une amenée d’air

(comburant) assurée par un moteur ventilateur, favorise l’apport d’oxygène nécessaire à la réaction.

1.3.1.1.1 Composition chimique du fuel

Les fuels sont des mélanges d'hydrocarbures avec comme constituants principaux le carbone et l'hydrogène. Mais aussi, suivant leur origine, ils renferment des teneurs relativement importantes de soufres, d’azote et d’eau. Ce sont généralement des produits extraits de pétrole brut ou des huiles de goudron de houille.

Les fuels provenant du pétrole peuvent être classés en trois grandes catégories à savoir [4]:

1. Les fuels composés uniquement de distillats. Ces combustibles très fluides sont destinés aux installations de faible puissance, au chauffage domestique en particulier.

2. Les combustibles lourds essentiellement composés des résidus de distillation sont destinés aux usages industriels.

3. Les mélanges des deux catégories précédentes, utilisables dans les chaufferies domestiques relativement importantes et dans certaines unités industrielles.

1.3.1.1.2 Caractéristiques des fuels

Les fuels sont caractérisés par certaines propriétés dont les plus importantes sont [5] :

- La densité elle est généralement mesurée à 15°C (et est très utile pour les mesures de combustibles effectuées suivant des méthodes volumétriques.

- Pouvoirs calorifiques : C'est la quantité de chaleur libérée par la combustion complète d'un kilogramme du fuel quand les gaz sont ramenés à la même température que les réactifs. On distingue deux types de pouvoirs caloriques :

Le pouvoir calorifique inférieur, noté PCI, pour lequel l'eau est présente dans les gaz sous forme de vapeur.

Le pouvoir calorifique supérieur, note PCS, pour lequel l'eau se trouve sous forme condensée dans les gaz produits.

Ces deux pouvoirs calorifiques peuvent être déterminés pour une combustion complète à volume constant, et à pression constante ou mixte. Ils sont liés par la relation suivante :

PCS = PCI + m_H2OL_V Avec:

m_H2O est la masse d’eau dans les gaz L_V est la chaleur latente de vaporisation

- viscosité: elle est importante en ce sens qu'elle influence la qualité de la combustion à travers la pulvérisation et le pompage du fuel.

- Point éclair: c'est la température pour laquelle le fuel émet suffisamment

de vapeur au travers d'un orifice pratiqué dans le couvercle d'un creuset standard pour qu'on puisse enflammer le mélange air-vapeur provoqué

1.3.1.1.3 Processus de combustion

Le processus de combustion consiste en l'oxydation de certains éléments du fuel. C'est donc une réaction au cours de laquelle il y a un échange d'électrons entre le combustible (donneur) et le comburant (accepteur).

Pour qu'il y ait combustion vive, il faut que les proportions entre combustible et comburant soient comprises dans certaines limites appelées limites d'inflammabilité et qu'un point d'amorçage soit créé dans le mélange en élevant sa température. La valeur minimale de cette température qui favorise l'amorçage est appelée température d'inflammabilité.

II est à noter que la réaction de combustion peut être l'aboutissement de plusieurs réactions dont nous ne tenons pas compte dans notre étude. Nous nous intéresserons surtout aux réactifs et aux produits de combustion. Dans la plupart des réactions de combustion, le comburant n'est pas de l'oxygène pur mais de l'air généralement pris directement de l'atmosphère et supposé avoir une composition constante.

A toute fin pratique d’après [3], nous considérons dans les calculs de combustion que l'air est composé d'oxygène et d'azote dans les rapports volumétriques ou moléculaires respectifs de 0,21 et 0,79. Les rapports massiques respectifs sont 0,23 et 0,77.

En plus, nous supposerons qu'une mole de gaz occupe dans les conditions normales (0°C et 1 atm) un volume de 22,4 litres. Les volumes des gaz de combustion seront ramenés dans ces conditions normales. La combustion du soufre est supposée donner du SO₂ et nous négligeons la combustion d'une fraction de ce SO₂ qui pourrait donner du SOx Nous ne tiendrons pas compte aussi de la combustion de l'azote, celui-ci sera supposé intégralement présent dans les produits de combustion.

- Détermination du coefficient d’excès d’air

On parle de combustion complète quand tous les éléments du combustible sont effectivement brûlés au cours de la réaction, Dans le cas contraire elle est dite incomplète. Pour une certaine quantité de fuel, il y a une quantité d'air nécessaire et suffisante pour assurer sa combustion complète dite combustion stœchiométrique. Quand la quantité du fuel est égale à un kilogramme, l'air ainsi fourni est appelé pouvoir comburivore du combustible ou volume théorique.

Pour la combustion neutre du fuel lourd dont C, H, S et O sont les teneurs en masse respectives de carbone, d’hydrogène, de soufre et d’oxygène, le pouvoir comburivore s’exprime par :

𝐕_𝐚 =𝟐𝟐, 𝟒 𝟎, 𝟐𝟏( 𝐂

𝟏𝟐+𝐇

𝟒 +𝐒 − 𝐎 𝟑𝟐 ) Ou encore :

𝐕_𝐚 = 𝟖, 𝟖𝟗𝐂 + 𝟐𝟔, 𝟔𝟕𝐇 + 𝟑, 𝟑𝟑(𝐒 − 𝐎)

𝐕_𝐚 = (𝟖, 𝟖𝟗 × 𝟎, 𝟖𝟓𝟕) + (𝟐𝟔, 𝟔𝟕 × 𝟎, 𝟏𝟏𝟒) + 𝟑, 𝟑𝟑 × (𝟎, 𝟎𝟐𝟏𝟖 − 𝟎, 𝟎𝟎𝟒)

𝐕_𝐚 = 𝟏𝟎, 𝟕𝟐 𝐍𝐦^𝟑𝐝^′𝐚𝐢𝐫

𝐤𝐠 𝐝𝐞 𝐟𝐮𝐞𝐥

⁄

Il peut arriver qu'un volume d'air supérieur ou inférieur au volume théorique soit utilisé dans un processus de combustion.

Le rapport 𝜆 défini comme suit,

𝛌 = 𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞 𝐝′𝐚𝐢𝐫 𝐫é𝐞𝐥

𝐯𝐨𝐥𝐮𝐦𝐞 𝐝′𝐚𝐢𝐫 𝐭𝐡é𝐨𝐫𝐢𝐪𝐮𝐞 est appelé coefficient d'excès d'air, On peut avoir:

λ ≥ 1 où λ < 1

Dans tous les cas, on parle d'excès d'air bien qu'il s'agisse de défaut d'air dans le cas λ < 1, pour lequel on obtient inévitablement une combustion

incomplète avec production de monoxyde de carbone (CO) ou au pire des cas, il peut rester des particules de carbone ou d'autre éléments non brûlés.

L’air est distribué dans la zone de combustion (air primaire) et également en fin de combustion (air secondaire).

Soit E l’excès d’air. Il est défini par :

𝐄 = 𝐕_𝐀 − 𝐕_𝐚 𝐕_𝐚

𝐄 = 𝐕_𝐀 𝐕_𝐚 − 𝟏 𝐄 = λ − 1

Avec λ = ^𝐕𝐀

𝐕_𝐚 le coefficient d’excès d’air théorique

𝐕_𝐀 le volume d’air réel dépendant du pourcentage d’ouverture du volet d’air En générale, l’ouverture du volet d’air est fonction de l’excès à admettre

pour la combustion. Ce qui donne ainsi, le volume réel d’air, évalué comme suit:

𝐕_𝐀 =λ.𝐕_𝐚 𝐕_𝐀 = (𝟏 + 𝐄). 𝐕_𝐚

La combustion du fuel lourd est réalisée avec un taux d’excès 𝐄 ≈ 𝟎, 𝟒 admis pour une oxydation complète du combustible.

Ainsi, la quantité d’air réel nécessaire et suffisante pour 1kg de fuel en combustion oxydante est :

𝐕_𝐀 = (𝟏 + 𝟎, 𝟒) × 𝟏𝟎, 𝟕𝟐

𝐕_𝐀 = 𝟏𝟓, 𝟎𝟎𝟖 𝐍𝐦^𝟑𝐝^′𝐚𝐢𝐫

𝐤𝐠 𝐝𝐞 𝐟𝐮𝐞𝐥

⁄

1.3.1.2 Equations chimiques de la combustion

Considérons la combustion complète d'un kilogramme de fuel composé de carbone, d'hydrogène, d'oxygène, de soufre et d'azote dont on connaît la composition massique.

Pour une combustion stœchiométrique, la combustion de chaque constituant peut être prise séparément.

Les réactions chimiques élémentaires principales de la combustion stœchiométrique du fuel lourd sont :

1 la combustion du carbone: 𝐂 + 𝐎_𝟐 → 𝐂𝐎_𝟐 + 𝒄𝒉𝒂𝒍𝒆𝒖𝒓;

2 la combustion du soufre: 𝐒 + 𝐎_𝟐 → 𝐒𝐎_𝟐 + 𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫;

3 la combustion du monoxyde de carbone: 𝐂𝐎 +^𝟏

𝟐𝐎_𝟐 → 𝐂𝐎_𝟐+ 𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 ; 4 la combustion de l’Hydrogène : 𝐇_𝟐 +^𝟏

𝟐𝐎_𝟐 → 𝐇_𝟐𝐎 + 𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫

Ainsi, d’une façon générale, la combustion stœchiométrique d’un hydrocarbure se présente comme suit: 𝐂_𝐱𝐇_𝐲 + (𝐱 +^𝒚

𝟒) 𝐎_𝟐 → 𝐂𝐎_𝟐 +^𝒚

𝟒𝐇_𝟐𝐎 + 𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 ,

La combustion théorique encore appelée combustion stœchiométrique ou combustion neutre, est une combustion complète sans excès ni défaut d’oxygène (c’est-à-dire l’air comburant doit être en quantité suffisante et strictement nécessaire).

L’équation générale de la réaction de combustion théorique d’un hydrocarbure comme le fioul lourd avec l’air s’écrit :

𝐂_𝐱𝐇_𝐲+ (𝐱 +^𝒚

𝟐) 𝐎_𝟐+^𝟕𝟗

𝟐𝟏(𝐱 +^𝒚

𝟐) 𝑵_𝟐 → 𝐱𝐂𝐎_𝟐 +^𝒚

𝟐𝐇_𝟐𝐎 +^𝟕𝟗

𝟐𝟏(𝐱 +^𝒚

𝟐) 𝑵_𝟐 Cependant, l’équation générale de la combustion avec excès d’air s’écrit:

𝐂_𝐱𝐇_𝐲+𝛌(𝐱 +𝒚

𝟐) (𝐎_𝟐+𝟕𝟗

𝟐𝟏𝑵_𝟐) → 𝐱𝐂𝐎_𝟐+𝒚

𝟐𝐇_𝟐𝐎 + (𝛌 − 𝟏) (𝐱 +𝒚

𝟐) 𝐎_𝟐+𝟕𝟗

𝟐𝟏𝛌(𝐱 +𝒚 𝟐) 𝑵_𝟐

1.3.1.3 Vaporisation

Elle représente l’ultime étape de production de la vapeur. En effet, la combustion génère un ensemble de gaz chauds contenus dans la fumée. Cette fumée (fluide caloporteur) via un système d’échange thermique, chauffe l’eau contenue dans le vaporiseur. Dans une chaudière industrielle à tube de fumée comme celle de la SOBEBRA, la fumée circule dans des tubes immergés dans l’eau du vaporiseur. Un ensemble de trois caissons orientent les gaz de combustion, du foyer jusqu’à la cheminée.

Un caisson est un espace vide (collecteur de fumée) dans lequel tombent les gaz comburés. Les chaudières LOOS de la SOBEBRA disposent chacun d’un premier caisson arrière sur lequel débouche le tube foyer. Il dirige la fumée à travers les tubes supérieurs vers un deuxième caisson avant côté robinetterie, qui à son tour, la conduit par les tubes inférieurs dans un troisième caisson débouchant sur la cheminée. Ainsi, on parle de chaudière à trois parcours de fumée.

Successivement, une conversion (fumée-tube), une conduction (tube intérieur- tube extérieur) et une conversion (tube extérieur-eau) ; constituent le système d’échange thermique entre la fumée et l’eau alimentaire pour sa vaporisation.

Périodiquement, la fumée est analysée pour la vérification des émissions admises dans les normes.

L’analyse de ces gaz de combustion, à la SOBEBRA, se fait à l’aide de l’analyseur électronique « KIGAZ 500 ». Cet analyseur permet des analyses semi continues et intègre les techniques de mesure infrarouge et électrochimique. Son

plongeur est interchangeable et résistant jusqu’à 1700°C.

Figure 8: analyseur électronique « KIGAZ 500 » [𝟔]

L’analyse des gaz de combustion effectuée en septembre 2016 a fourni les renseignements du tableau 3.

Tableau 3 : Composition des gaz de combustion du fuel lourd

Paramètres Unités Valeurs mesurées

O2 % 6,0

CO2 % 11,3

CO mg/m³ 0

NO Ppm 307

NOx Ppm 323

SO2 Ppm 1126

Temp. Fumées °C 239,1

Temp air ambiant °C 30,3

Point de rosée °C 46,7

Lambda 1,40

Excès d’air % 40

Les caractéristiques des chaudières LOOS de la SOBEBRA sont regroupées dans le tableau 4:

Tableau 4 : Caractéristique des chaudières LOOS

CARACTERISTIQUES

CHAUDIERES

1 2

Marque LOOS LOOS

Type UL-S 14000 UL-S 14000

Timbre (bars) 13 13

Température maxi (°C) 195 195 Débit vapeur (kg/h) 14000 15500

Contenu total (l) 22400 22400 N° de fabrication 99574 104859 Année de fabrication 07/2005 12/2008

Pour des raisons d’optimisation de la production afin d’améliorer le rendement de la chaudière, la vapeur condensée est récupérée dans une bâche condensat pour être admise dans la bâche alimentaire. L’eau alimentaire à la SOBEBRA, subit deux traitements.

1.3.1.3.1 Traitement chimique de l’eau

Le calcium et le magnésium sont dissouts dans l'eau sous forme d'ions. Ces éléments sont considérés comme des agents de dureté. Pendant le fonctionnement de la chaudière et sous l'effet de la chaleur, ces corps se précipiteraient sous forme de tartre et formeraient des dépôts solides sur les surfaces de la chaudière. Ce dépôt diminue les transmissions thermiques des fumées vers l'eau. L'on remarquerait au départ des températures de fumées plus élevées et donc une dégradation du rendement. Au fur et à mesure que le dépôt s'épaissit, les surfaces d'échange, qui ne sont pas refroidies, se détériorent. C'est la raison pour laquelle la règlementation exige une eau d'alimentation adoucie.

Les échangeurs d'ions employés pour l'adoucissement, présentent des ions sodium comme groupe actif. Si l'eau dure passe par l'échangeur d'ions, les ions sodium présents sont remplacés par les ions calcium et magnésium. Les agents de dureté perturbant le fonctionnement de la chaudière sont ainsi éliminés de l'eau.

Si l'échangeur d'ions est vide, c'est-à-dire que tous les ions sodium ont été remplacés par des ions calcium et magnésium, il est régénéré par une solution de chlorure de sodium. Les ions sodium sont dirigés en surplus sur les résines échangeuses d'ions et remplacent les agents de dureté qui se sont déposés. Puis, l'échangeur d'ions est à nouveau opérationnel.

1.3.1.3.2 Traitement thermique de l'eau

L'eau à 25°C contient 8 mg d'oxygène par kg environ. Si l'eau est chauffée, le pouvoir de dissolution des gaz diminue. Dans le cas extrême, si l'eau se vaporise

(situation rencontrée dans les chaudières à vapeur), tous les gaz dissous sont dégagés. Les gaz se combinent alors différemment. L'oxygène libre, par exemple, peut se combiner à l'acier de la chaudière. Dans le cas des chaudières à vapeur, ces composés induisent la corrosion caverneuse tant crainte. Dans la zone de l'arrivée d'eau d'alimentation, des enlèvements de matière ponctuels peuvent rapidement apparaître. Il est donc important d'éliminer de l'eau de chaudière des gaz dissous.

La solution trouvée est le dégazage thermique de l'eau d'alimentation. A l'intérieur de l'équipement de dégazage, l'eau est portée à une température proche du point d'ébullition et libérée de la très grande partie de tous ses gaz.

Parallèlement à l'élimination des gaz dissouts, l'eau est maintenue avec une faible pression de vapeur à une température de 80 à 105°C (selon la sélection de l'appareil) pour éviter toute nouvelle absorption de gaz.

Il faut soumettre au dégazage non seulement l'eau fraîche, mais encore les condensats retournant à la chaudière. Différents types d'équipements de dégazage sont employés selon la qualité de l'eau d'alimentation à respecter. En ce qui concerne les chaudières à volume d'eau important, il est recommandé d'employer de l'eau d'alimentation d'une teneur en oxygène inférieure à 0,05 mg/kg.

Le dégazage partiel

On appelle dégazage partiel un dégazage réalisé à la pression atmosphérique. Les équipements de dégazage partiel sont reliés en permanence à l'atmosphère par la conduite de dégazage. Le dégazage partiel est la forme la plus simple de traitement thermique de l'eau d'alimentation. L'équipement de dégazage partiel est un dispositif de répartition et de distribution de l'eau neuve alimentant la chaudière et des condensats retournant à la chaudière. L'alimentation en vapeur pour élimination des gaz est effectuée par une canne placée au milieu de la zone