********
UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI
***********
ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY-CALAVI
*********
DÉPARTEMENT DE GÉNIE MÉCANIQUE ET ÉNERGÉTIQUE
*******
OPTION : ÉNERGÉTIQUE
MEMOIRE DE FIN DE FORMATION POUR L’OBTENTION DU DIPLÔME D’INGENIEUR DE CONCEPTION
Intitulé du thème :
Rédigé et Soutenu publiquement le 22 janvier 2018 par : Abigaël Ingrid YAROU BONI
Devant le jury composé de :
Année Académique : 2016-2017 (10ième Promotion)
Président du jury : Professeur Clément AHOUANNOU, enseignant à l’EPAC
Examinateur : Professeur Malahimi ANJORIN, enseignant à l’EPAC Maitre de mémoire : Professeur Benoît FAGLA, enseignant à l’EPAC Tuteur de stage : Ir. François GNONLONFIN, Responsable Service Précédés à la SCB-LAFARGE
Efficacité du refroidissement du Clinker :
Bilan thermique, Impact des actions implémentées à l’arrêt du four de l’année 2017 et perspectives 2018/2019
i
DEDICACES
Je dédie ce document :
au pilier de ma vie, Dieu ;
à mon père adoré, Alassane YAROU ;
à ma mère chérie, Françoise IDOHOU ;
à ma sœur Bérénice YAROU, son époux Hospice OLUBI et leur fille Eunice OLUBI ;
à mon frère Josaphat YAROU ;
à tous mes proches, en particulier à Bibiche HOUNGUE;
en signe de la grande place que vous occupez dans mon cœur.
ii
REMERCIEMENTS
Plusieurs personnes, de diverses manières, ont contribué à ma formation et à l’élaboration de ce mémoire. Je tiens à leur exprimer ma gratitude à travers ces mots. Il s’agit de :
Professeur FAGLA Benoît, mon maître de mémoire. Vous n’avez épargné aucun effort pour m’aider à réaliser ce modeste mémoire. Merci infiniment pour votre disponibilité.
Professeur SOUMANOU Mohamed, le directeur de l’EPAC et de Professeur AHOUANNOU Clément, directeur adjoint de l’EPAC. Merci de m’avoir permis de pouvoir me faire former à l’EPAC.
l’ensemble des professeurs de l’Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi en particulier ceux du département de Génie Mécanique et Energétique et le chef de département, le Docteur PRODJINONTO Vincent. Merci pour la formation que vous m’avez donnée.
Monsieur Valentin TOGBE, directeur d’usine de la SCB-LAFARGE.
Merci pour m’avoir permis de faire mon stage académique dans votre structure.
Monsieur Saad ADJIBADE, l’ingénieur d’exploitation de la SCB- LAFARGE. Vous avez apporté votre touche particulière à ce travail.
Merci pour votre disponibilité et tous vos conseils.
Monsieur François GNONLONFIN, chef du service procédé de la SCB- LAFARGE, mon tuteur de stage. Vous avez accordé de l’intérêt à mon travail et vous m’avez guidée. Vous étiez présent à chaque fois que j’avais besoin de vous. Les mots ne suffiront pas pour vous exprimer ma gratitude.
Monsieur Martin HOUNGBEDJI, l’ingénieur procédé de la SCB- LAFARGE. Vous avez rendu mon stage très agréable. Dans une ambiance conviviale, vous m’avez accueillie, aidée, conseillée et appris beaucoup de choses. Infiniment, merci pour tout.
Monsieur Constantin BANGBOLA, agent procédé de la SCB-LAFARGE.
Merci pour votre agréable compagnie et tout ce que vous avez fait pour moi.
iii
Messieurs Marcellin WANVO et Boris HOUNGBO, ingénieurs mécaniciens de la SCB-LAFARGE. Sans me connaître, vous n’avez pas hésité à m’aider. Merci.
Tout le personnel de la SCB-LAFARGE.
Tous les membres de la famille IDOHOU, en particulier Mr Martin AGNIDE, Mme Gisèle CHAFFA.
Tous mes camarades de promotion pour tout ce que nous avons partagé ensemble pendant ces belles années.
Tous mes amis en particulier Orly HOUNDJE, Geneviève HOUNKPE, Perrin HOUNGUE, Romain AKPAHOU, Corneille BIAHOU et Marius HOUNTO-ADA.
Tous ceux qui d’une manière ou d’une autre m’ont aidé tout le long de ma formation.
iv
Table des matières
DEDICACES ... i
REMERCIEMENTS ... ii
Table des matières ... iv
Liste des annexes ... vi
Liste des tableaux ... vii
Liste des figures ... viii
Liste des abréviations et sigles ... ix
Symboles chimiques ... x
Unités et conversion ... xi
Résumé ... xii
Abstract ... xiii
Cahier de charge ... xiv
Introduction ... 1
Partie I : Généralités sur la SCB-LAFARGE... 3
Chapitre 1 : Présentation de la SCB-LAFARGE ... 4
1.1. Historique et Situation Géographique ... 4
1.2. Structure organisationnelle de la direction de l’usine... 5
1.3. Présentation des services de la direction de l’usine ... 6
1.4. Méthodologie de travail ... 10
Chapitre 2 : Processus de Fabrication du Ciment ... 12
2.1. Définition du ciment ... 12
2.2. Extraction, Concassage et préhomogénéisation des matières premières ... 13
2.3. Broyage, homogénéisation et stockage de la farine crue ... 16
2.4. Cuisson et Stockage du Clinker ... 18
2.5. Broyage, Ensachage et expédition du ciment ... 21
Partie II : Le refroidissement du clinker en milieu Industriel ... 23
Chapitre 3 : Généralités sur la cuisson et le refroidissement du clinker ... 24
3.1. Chimie du cru et du clinker ... 24
3.2. Cuisson du cru ... 25
3.3. Refroidissement du clinker ... 28
3.4. Le refroidissement non optimum du clinker à la SCB-LAFARGE ... 31
Chapitre 4 : Généralités sur les refroidisseurs de Clinker ... 33
v
4.1. Les différents types de refroidisseurs à clinker ... 33
4.2. Les refroidisseurs à clinker utilisés à la SCB-LAFARGE ... 37
4.3. Paramètres influençant le refroidissement du clinker ... 41
Partie III : le Bilan Thermique ... 43
Chapitre 5 : Généralités pour le bilan thermique ... 44
5.1. Définition du système... 44
5.2. Le bilan de masse ... 45
5.3. Le bilan aéraulique ... 45
5.4. Le bilan thermique ... 47
5.5. La combustion ... 49
5.6. Processus de transferts thermiques ... 52
5.7. Notions d’échange de chaleur ... 55
5.8. Réalisation des bilans ... 56
Chapitre 6 : Bilan thermique du Four et des refroidisseurs ... 58
6.1. Description des systèmes ... 58
6.2. Bilan des masses ... 59
6.3. Bilan aéraulique ... 60
6.4. Bilan thermique du four ... 62
6.5. Bilan thermique des refroidisseurs ... 69
Partie IV : Impact des actions implémentées à l’ADF et perspectives ... 74
Chapitre 7 : Analyse des résultats du bilan thermique ... 75
7.1. Bilan thermique du four ... 75
7.2. Bilan des refroidisseurs ... 78
7.3. Analyse des températures de sortie du clinker de chaque ballonnet ... 81
7.4. Résumé des causes de la défaillance des refroidisseurs ... 83
7.5. Bilans thermiques après l’ADF... 86
Chapitre 8 : Impacts des actions de l’ADF et perspectives ... 88
8.1. Travaux d’ADF sur les ballonnets ... 88
8.2. Les gains quantifiables ... 89
8.3. Les gains non quantifiables ... 94
8.4. Suggestions ... 95
Conclusion ... 97
Références Bibliographiques ... 98 Annexes ... I
vi
Liste des annexes
Annexe 1 : Composition chimique de la farine, du clinker, des poussières et des gaz (à la sortie de la tour) ... II Annexe 2 : Table des Cp en fonction de la température ... III Annexe 3 : Calcul du débit des airs ... VIII Annexe 4 : Calcul des pertes par parois ... XII Annexe 5 : Clinker exposé sur le site de la SCB-LAFARGE ... XXIII Annexe 6 : Clinker envoyé au concassage ... XXIII Annexe 7 : Vue de l'intérieur des nouveaux ballonnets ESTANDA ... XXIII Annexe 8 : Vues de l'intérieur des anciens ballonnets ESTANDA avant ADF ... XXIV Annexe 9 : Vues de l'intérieur des ballonnets FLS ... XXIV Annexe 10 : Vue de tâches rouges sur les ballonnets ... XXV Annexe 11 : Vue du jeu à l’aval du four ... XXV
vii
Liste des tableaux
Tableau 3.1 : Constituants du clinker dans leurs proportions ... 28
Tableau 5.1 : Tableau simplifié des valeurs du coefficient d’échange convectif ... 55
Tableau 6.1 : Bilan de masses ... 60
Tableau 6.2 : Bilan des airs ... 62
Tableau 6.3 : Calcul des chaleurs de combustions et des chaleurs sensibles des combustibles ... 65
Tableau 6.4 : Calcul des chaleurs sensibles des airs ... 66
Tableau 7.1 : Récapitulatif du bilan thermique du four avant l’ADF ... 76
Tableau 7.2 : Résultats du bilan thermique des ballonnets ... 78
Tableau 7.3 : Bilan thermique des refroidisseurs après l'ADF ... 86
Tableau 7.4 : Bilan Thermique du four après l'ADF ... 87 Tableau 9.1 : Composition chimique de la farine ... II Tableau 9.2 : Composition chimique de la poussière ... II Tableau 9.3 : Composition chimique du clinker ... II Tableau 9.4: Composition des combustibles ... II Tableau 9.5 : Composition des fumées à la sortie tour ... II
viii
Liste des figures
Figure 1.1 : Organigramme de la SCB-LAFARGE ... 5
Figure 2.1 : Vue de la carrière ... 13
Figure 2.2 : Vue de l’atelier de concassage ... 14
Figure 2.3 : Vue du jeteur avec un tas en constitution (a) et vue du pont gratteur (b) .... 15
Figure 2.4 : Vue du broyeur à Cru ... 16
Figure 2.5 : Vue des silos d'homogénéisation ... 18
Figure 2.6 : Vues de la tour à Cyclone ... 19
Figure 2.7 : Vue du Four rotatif ... 20
Figure 2.8 : Vue du Broyeur à ciment ... 21
Figure 3.1 : Circuits gaz-matière dans une tour à cyclones ... 26
Figure 3.2 : Illustration du refroidissement du clinker ... 31
Figure 4.1 : Refroidisseurs rotatifs ... 34
Figure 4.2 : Refroidisseurs à ballonnets ... 35
Figure 4.3 : Refroidisseurs à grilles ... 36
Figure 4.4 : Refroidisseurs à couloirs ... 37
Figure 4.5 : Vue des ballonnets de la SCB-LAFARGE ... 38
Figure 4.6 : Vue interne des ballonnets ESTANDA ... 39
Figure 5.1 : Système soumis à un procédé continu ... 49
Figure 6.1 : Systèmes d'études ... 58
Figure 6.2 : Système Tour + Four ... 63
Figure 6.3 : Système des refroidisseurs ... 70
Figure 7.1 : Apport de chaleur des différents éléments dans le four ... 77
Figure 7.2 : Températures moyennes de sortie du clinker des ballonnets ... 82
Figure 7.3 : Vues de l'état des ballonnets ... 84
Figure 7.4 : Causes de la mauvaise performance des refroidisseurs ... 85
Figure 8.1 : Température du clinker (a) et efficacité du refroidissement (b) ... 90
Figure 8.2 : Rendement des ballonnets ... 91
Figure 8.3 : Apport de chaleur des combustibles et de l’air secondaire ... 92
ix
Liste des abréviations et sigles
EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi ADF : Arrêt du Four
ADBK : Arrêt du Broyeur à Clinker SCB : Société des Ciments du Bénin SCO : Société des Ciments d’Onigbolo EPI : Equipement de Protection Individuel CEM : Ciment type I
CPJ : Ciment portland avec ajout PKS : Palm Kernel Shell
PCI : Pouvoir Calorifique Inférieur
Cp : Chaleur spécifique à pression constante
x
Symboles chimiques
CaCO3 : Carbonate de calcium MgCO3 : Carbonate de magnésium MgO : Oxyde de magnésium K2O : Oxyde de potassium Na2O : Oxyde de sodium H2O: Eau
CO2 : dioxyde de carbone C = CaO : la chaux
S = SiO2 : la silice A = Al2O3 : l’alumine F = Fe2O3 : la ferrite C3S : silicate tricalcique C2S : silicate bicalcique C3A : aluminate tricalcique
C4AF : aluminate ferrite tetracalcique CaOl : chaux libre
xi
Unités et conversion
°C : degré Celsius K : Kelvin
kg : kilogramme m3 : mètre Cube
Nm3 : normal mètre Cube J : joule
1 [kcal] = 4,18 [kJ]
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 J/kg : joule par unité de masse th/kg : thermie par unité de masse
kcal/kg clinker : chaleur par unité de clinker t/j : production de clinker en tonne par jour kg/h : débit ou production par heure
xii
Résumé
La SCB-LAFARGE est confrontée depuis quelques temps à des difficultés liés au refroidissement de son clinker. En effet, les refroidisseurs sortent le clinker à une température supérieure à 300°C. Cette situation conduit la SCB-LAFARGE à effectuer des travaux de maintenance sur ses refroidisseurs à savoir le remplacement des ballonnets FLS par des ESTANDA et la réhabilitation des anciens ESTANDA, cela dans le but d’améliorer le refroidissement.
L’objectif de notre étude est l’élaboration d’un bilan thermique du four et des refroidisseurs pour apprécier le refroidissement du clinker avant et après l’ADF. Pour cela, la méthode qui a été utilisée est celle du bilan enthalpique pour aboutir à l’évaluation de l’efficacité du refroidissement du clinker et le rendement des ballonnets.
De cette étude, il est ressorti que l’efficacité du refroidissement du clinker est de 75% et le rendement des refroidisseurs est de 38% avant l’ADF. En se référant aux prescriptions des constructeurs des ballonnets ESTANDA, on a pu évaluer qu’après les travaux de l’ADF, on est en mesure d’obtenir une efficacité de refroidissement du clinker de 89% et un rendement des refroidisseurs de 63%.
Cela permettrait à l’usine de faire des économies de 37.274 FCFA/h sur sa consommation calorifique ou d’augmenter sa production de 4,795 t/h et baisser ainsi le prix de revient du clinker de 7%. Les travaux de l’ADF permettront aussi de réduire le coût de la maintenance des ballonnets, d’améliorer la qualité et le broyage du clinker et aménager l’environnement de l’usine de la SCB- LAFARGE.
Mots clés : ballonnets, FLS, ESTANDA, bilan thermique, bilan enthalpique, efficacité du refroidissement, rendement des refroidisseurs, ADF.
xiii
Abstract
Since some times, SCB-LAFARGE is confronted to difficulties about the cooling of its clinker. Indeed, the clinker coolers get out the clinker to a temperature superior to 300°C. This situation drives the SCB-LAFARGE to do works of maintenance on its cooler to know the replacement of the planetary coolers FLS by ESTANDA and the rehabilitation of the old ESTANDA, it in the goal to improve the cooling.
The objective of our study is the development of a thermal balance of the kiln and coolers to appreciate the cooling of the clinker before and after the ADF.
For it, the method that has been used is the one of the enthalpic balance to succeed to assessment of the cooling efficiency of clinker and the output of planetary coolers.
Of this study, it came out again that the cooling efficiency of the clinker is 75% and the output of the coolers is 38% before the ADF. While referring to the prescriptions of the constructors of the planetary coolers ESTANDA, we have could value that after the works of the ADF, it is able to get a cooling efficiency of the clinker of 89% and an output of the coolers of 63%. It would allow the factory to make savings of 37.274 FCFA/h on its calorific consumption or to increase her production of 4,795 t/h and to lower the price thus of comes back of the clinker of 7%. It would also permit to reduce the cost of the maintenance of coolers, improve the quality and the grinding of the clinker and arrange the environment of the factory of the SCB-LAFARGE.
Key words: planetary coolers, FLS, ESTANDA, thermal balance, enthalpic balance, efficiency of the cooling, output of the coolers, ADF.
xiv
Cahier de charge
La réduction de coût de production de clinker est une quête permanente de la SCB-LAFARGE. C’est un des leviers importants de la rentabilité des opérations dans un environnement concurrentiel.
C’est dans ce cadre que la SCB-LAFARGE a entrepris de :
Remplacer cinq ballonnets FLS par des ballonnets ESTANDA (refroidisseurs de clinker) et de réhabiliter les cinq autres anciens ESTANDA
Mettre un plan de surpression des entrées d’airs parasites dans le système aéraulique du four
Ces investissements ont pour objectif d’améliorer les performances du four, notamment :
1. Le débit journalier
2. La consommation calorifique
3. Et surtout le refroidissement du clinker en baissant la température à la sortie des ballonnets.
Ces travaux seront réalisés à l’arrêt annuel programmé pour 2017 en Août.
Le thème de recherche et d’Etude qui portera sur le point 3, permettra de mettre en évidence les gains et est intitulé :
« EFFICACITE DU REFROIDISSEMENT DU CLINKER : Bilan thermique, Impact des actions implémentées à l’arrêt du four de l’année 2017 et perspectives 2018/2019 »
Vous aurez à travailler en étroite collaboration avec l’ensemble des services de l’usine et en particulier avec le service Procédés.
xv
Travail à faire :
Réaliser un bilan aéraulique de l’atelier cuisson avant et après les travaux de l’ADF 2017
Réaliser un bilan thermique du four et des ballonnets avant et après les travaux de l’ADF 2017
Analyser les résultats des deux périodes et faire des recommandations Onigbolo, le 16 juin 2017
Responsable Service Procédés
1
Introduction
Le ciment est le premier matériau utilisé au monde pour la construction. Il est constitué principalement du clinker qui est un mélange d’argile et de calcaire cuit à plus de 1400°C puis refroidit brusquement à environ 100°C. Le processus de fabrication de celui-ci est un procédé complexe qui est facteur de plusieurs paramètres dont la variabilité influence fortement ses propriétés. De plus, l’industrie cimentière est l’une des industries les plus consommatrices d’énergie au monde. Pour ces raisons, les industries productrices de ciment font un suivi rigoureux de la préparation du clinker avec en vue le souci de produire un clinker de bonne qualité et cela en minimisant le coût de l’énergie impliqué dans sa fabrication. Un des axes les plus importants dans cette perspective est le refroidissement du clinker.
Au nombre des sociétés productrice de ciment au Bénin, existe la SCB- LAFARGE qui en est la première. Cette société, toujours soucieuse de faire face à la concurrence, est en recherche perpétuelle de moyens et stratégies afin d’améliorer sa production sur les plans qualité et quantité ; cela dans un environnement respectable et surtout régler les problèmes liés à sa production. Un des problèmes auxquels la SCB-LAFARGE est confronté aujourd’hui est relatif au refroidissement de son clinker. C’est ainsi qu’il nous a été proposé une réflexion sur le sujet « EFFICACITE DU CLINKER : Bilan thermique des actions implémentées à l’Arrêt du Four de l’année 2017 et perspectives 2018/2019 ».
Ce sujet vise à apprécier le refroidissement du clinker par un bilan thermique sur deux différentes périodes. Pour cela, nous serons amenée à faire un bilan sur la ligne de cuisson du clinker pour nous focaliser ensuite sur son refroidissement, pendant les deux périodes, et faire ressortir les impacts de l’Arrêt du Four 2017.
2
Mais avant cela, nous présenterons dans une première partie la SCB-LAFARGE et son processus de fabrication du ciment. Dans une deuxième partie, nous aborderons le refroidissement du clinker en milieu industriel. Une troisième partie sera consacrée au bilan thermique. Enfin nous présenterons les résultats de ce bilan thermique sur les deux périodes et les impacts de l’arrêt du four 2017.
3
Partie I : Généralités sur la SCB- LAFARGE
Chapitre 1 : Présentation de la SCB- LAFARGE
Chapitre 2 : Processus de Fabrication
du ciment
4
1 Chapitre 1 : Présentation de la SCB-LAFARGE
La SCB-LAFARGE est l’une des plus importantes unités industrielles du Bénin.
C’est dans cette entreprise que nous avons eu l’opportunité d’effectuer notre stage de fin de formation qui s’est déroulé du 31 mai 2017 au 30 novembre 2017.
Dans ce chapitre, nous présentons la SCB-LAFARGE à travers sa situation géographique, son historique, sa structure organisationnelle, et ses services techniques.
1.1. Historique et Situation Géographique
En 1974, une étude géologique a révélé un important gisement d’argile et de calcaire dans le Sud-Est du Bénin plus précisément à Onigbolo. Il s’agit d’une localité située sur le tronçon Pobè-Kétou à environ 20 kilomètres de chacune des communes. Pour l’exploitation de cette ressource, les Etats Béninois, Nigérians, et un partenaire technique Danois F.L SMIDTH ont donné naissance déjà en 1979 à une société anonyme au capital de dix (10) milliards de francs CFA, dénommée la Société des Ciments d’Onigbolo (SCO). Devenue officiellement fonctionnelle dès Août 1982 avec comme principal actionnaire le Bénin (51% des actions), cette usine a démarré avec une capacité de production annuelle de 500.000 tonnes sous la marque « DIAMANT ».
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, l’usine est arrêtée en Mars 1988. Afin de dénouer cette crise, les deux états (Nigeria et Bénin) ont décidé de la mise en location gérance du complexe. Ainsi, un appel d’offres international est lancé et remporté par le groupe SCB-LAFARGE constitué de la SCB qui est une société béninoise
Chapitre 1 : Présentation de la SCB-
LAFARGE
5
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. Après d’importants travaux de réhabilitation, la production reprit le 02 Août 2001 avec une production de ciment annuelle de 500.000 tonnes comme au départ.
Aujourd’hui, la société est constituée de trois actionnaires principaux :
SCB-LAFARGE 51% ;
DANGOTE 43% ;
Etat Béninois 6%.
1.2. Structure organisationnelle de la direction de l’usine
Pour mener à bien ses objectifs, la SCB-LAFARGE a une structure parfaitement ordonnée. La direction de l’usine fonctionne suivant l’organigramme suivant :
Figure 1.1 : Organigramme de la SCB-LAFARGE
Responsable Carrière Responsable Cru-
Cuisson
Responsable Généraux et Bâtiment
Ingénieur Système
DIRECTION D'USINE
Responsable BK- Expédition Responsable
Procédés
Ingénieur Exploitation
Ingénieur Maintenance
Responsable Electricité Responsable
Mécanique Responsable
Méthodes Responsable
Garage Ingénieur
Sécurité Contrôleur
Interne
Contrôle qualité
Responsable Magasin
6
1.3. Présentation des services de la direction de l’usine 1.3.1. Département Exploitation
Sous la responsabilité de l’ingénieur d’exploitation, le département exploitation s’occupe de tout le processus de la fabrication du ciment depuis l’exploitation de la matière première jusqu’à l’expédition du ciment. Il est constitué de plusieurs services que sont : le service carrière, le service Fabrication, le service broyeur à ciment et expédition et le service procédé.
Service Carrière
Ce service s’occupe de l’extraction de la matière première dans la carrière, son transport et son concassage. Il constitue trois tas (2 tas pré-homo et 1 tas d’ajout).
Service Cru-cuisson
Ce service regroupe les ateliers broyage cru et cuisson. Il s’occupe de la production de la farine à partir de la matière première et de la cuisson de cette farine pour obtenir du clinker. Il est composé essentiellement de personnel posté (rotation de 3x8) qui assure la production du clinker 24h ∕ 24h. Le chef de quart est rattaché au responsable cru-cuisson.
Service BK-Expédition
Ce service s’occupe de l’atelier de broyage des composants du ciment, de son stockage, de l’ensachage et de l’expédition du ciment. Il est aussi composé de personnel posté qui assure la production 24 h sur 24 h.
Service Procédés
Il contrôle le processus de fabrication. Il détermine avec les autres services du département exploitation, les procédures et conditions de marche des ateliers. Il garantit avec les services de la maintenance la justesse des mesures des capteurs critiques. Les audits réalisés lui permettent de trouver des pistes d’amélioration
7
pour l’atteinte des objectifs de production. Il contribue au développement du personnel de l’exploitation.
1.3.2. Département Maintenance
Il est dirigé par l’ingénieur de maintenance. Ce département comprend : - le service électricité et instrumentation ;
- le service méthodes ;
- le service mécanique et garage ; - le service entretien bâtiment.
Sa mission est de gérer la maintenance des équipements à travers ses services.
Service électricité et instrumentation
Ce service s’occupe de la maintenance des installations, des équipements électriques et de contrôles du processus de fabrication.
Service mécanique et garage
Ce service s’occupe de la maintenance des installations, équipements mécaniques et des engins d’exploitation.
Service Méthodes Ce service a pour mission :
- La visite des installations de l’usine suivant un planning ; - La préparation et le planning des interventions mécaniques et
électriques ;
- Le suivi des pièces de rechange mécanique ; - L’établissement des ordres des travaux ;
- Le suivi des travaux de sous-traitance mécanique ;
- Les études des modifications et des améliorations à apporter sur les installations ;
- L’établissement des plans de réalisation des travaux.
8
1.3.3. Autres
Magasin Général
Ce service a pour rôle de stocker les articles et matériels reçus par la société afin de les utiliser en cas de besoin. Les articles sont logés dans des rayons qui leur sont convenables avec les codes des articles.
Service Qualité
L’usine est dotée d’un laboratoire équipé de certains équipements nécessaires à la réalisation des contrôles depuis l’extraction des matières premières jusqu’à l’expédition du produit fini et ce, conformément aux normes en vigueur et aux besoins de la clientèle. Des échantillons prélevés sur les matières premières, les combustibles, la farine crue, le clinker et le ciment permettent de contrôler l’ensemble du processus de production et de garantir aussi la qualité à la fois élevée et régulière du produit final. Le personnel de ce laboratoire ayant en charge le contrôle de la qualité est compétent et suit des formations continues en matière de contrôle de qualité.
Environnement
De nos jours, la protection et la mise en valeur de l'environnement représentent une composante incontournable du développement des entreprises. A la SCB- LAFARGE, la protection de l'environnement répond d'abord à une exigence éthique. Elle part de la conviction qu'il n'est pas de croissance durable sans conciliation de la performance économique et du respect de l'environnement.
1.3.4. Sécurité
Dans toute entreprise à haut risque d’accident de travail, la sécurité est un maillon très important. A la SCB-LAFARGE particulièrement, elle constitue le centre de toute activité et la priorité de tous les agents. Pour assurer la sécurité, toutes les mesures sont prises.
9
L’accueil sécurité est obligatoire pour tout nouveau venu ou visiteur. Il consiste à l’informer des risques d’accident qu’il court en travaillant dans l’usine et des comportements à adopter dans l’enceinte de l’usine.
L’usine dispose d’une école de sécurité pour cela.
Le port obligatoire des EPI (équipement de protection individuelle) tels que le casque, les chaussures de sécurité, les lunettes et les EPI spécifiques tels que le bouchon d’oreille, masque antibruit, les gants pour tous les acteurs de l’usine.
Des plaques signalétiques sont placées à tous les niveaux ou elles sont nécessaires pour informer des risques et des mesures de protections ou tout simplement pour instruire sur la sécurité.
Des formations et conférences organisées pour le personnel sur la sécurité.
Des secouristes sont formés et sont présents dans l’usine 24h sur 24h.
Pour toute intervention, il est exigé une analyse des risques liés à l’exercice par la méthode STOP. Cette méthode consiste à analyser tous les risques liés à cette intervention et à prendre des mesures correctrices.
Il est obligatoire de prendre le permis de travail en hauteur, le permis de travail en espace confiné, le permis de fouille et le permis de feu s’ils sont nécessaires.
Depuis quelques années, une nouvelle procédure de consignation a été mise en place et est rigoureusement exécutée à SCB- LAFARGE : il s’agit de la procédure LOTOTO (Lock Out ; Tag Out et Try Out). Cette procédure permet de sécuriser les activités par la consignation des équipements suivant un plan bien établi.
Le « Tools Box Talk» : c’est une activité qui consiste à procéder avant des interventions, à une discussion constructive où chaque intervenant apporte des idées sur un thème relatif à la santé, l’environnement et/ou la sécurité.
Son but est d’améliorer les connaissances de chacun en matière de bonnes
10
pratiques pour la santé, l’environnement et la sécurité pour le bien-être individuel et collectif.
Aujourd’hui, la politique de la SCB-LAFARGE est d’imprégner à tout son personnel le sentiment d’être un acteur de la sécurité, la responsabilité de veiller à ce que son environnement soit sain et sécuritaire. Chacun doit démontrer par un engagement actif et une responsabilité visible, que la santé et la sécurité sont ses valeurs fondamentales. Une corrélation entre tous les services, tout le personnel, est mise en place pour améliorer chaque jour le niveau de sécurité de l’entreprise. Tous les moyens sont mis en place pour faire de la SCB-LAFARGE, un cadre de travail adéquat et où règne la sécurité.
1.4. Méthodologie de travail
Dans toute entreprise, l’information est très importante et sa transmission d’une personne à une autre doit être facilitée. C’est pourquoi, la communication a une place privilégiée à la SCB- LAFARGE. A cet effet, des réunions quotidiennes se tiennent à tous les niveaux. On distingue :
la réunion sectorielle au cours de laquelle les agents d’un même service répartis dans les différents secteurs se réunissent pour faire le compte rendu au chef service. A cette occasion, le chef service est informé de toutes les difficultés des différents secteurs concernant son service et prend des actions pour résoudre ces problèmes. Certaines de ces actions sont validées à la réunion de la coordination avant leur mise en œuvre ;
la réunion de la coordination : Elle réunit tous les chefs services ; les ingénieurs de maintenance et d’exploitation et le directeur d’usine. Elle est faite pour débattre des problèmes de l’usine liés à la marche de la veille, et prendre des actions afin de les résoudre dans un délai raisonnable ;
la réunion des gros arrêts : Cette réunion est faite pour la préparation de l’arrêt du four (ADF), de l’arrêt du broyeur clinker (ADBK). Elle réunit les
11
chefs services et l’encadrement intermédiaire, les ingénieurs de maintenance, d’exploitation et de sécurité et le directeur d’usine ;
la réunion du comité de fiabilité : Cette réunion est faite pour discuter de la fiabilité des machines.
A travers ce chapitre, nous avons un aperçu global de la structure interne de la SCB-LAFARGE, ainsi que ses méthodes de travail et surtout de la sécurité qui est au centre de toute activité. Nous abordons à présent la description du processus de fabrication du ciment à la SCB-LAFARGE.
12
2 Chapitre 2 : Processus de Fabrication du Ciment
La fabrication du ciment est un procédé complexe qui exige un savoir-faire, une maîtrise des outils et des techniques de production, des contrôles rigoureux et continus de la qualité. Dans ce chapitre, nous présentons le processus de fabrication du ciment de la SCB-LAFARGE.
2.1. Définition du ciment
Provenant du latin « caementum » qui signifie « pierre non taillée », Le ciment est un liant hydraulique, c’est à dire une matière inorganique finement moulue qui gâché avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réaction et processus d’hydratation. Il est capable d’agglomérer en durcissant, des substances variées appelées agrégats ou granulats et après durcissement, le ciment conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau.
En cimenterie, il existe quatre (4) grands procédés de fabrication du ciment : la voie humide, la voie semi-humide, la voie semi-sèche et la voie sèche. A la SCB- LAFARGE, c’est la voie sèche qui est employée. La production du ciment s’opère selon un processus en quatre grandes étapes :
- Extraction, Concassage et préhomogénéisation des matières premières ; - Broyage et homogénéisation de la farine crue ;
- Cuisson et stockage du clinker ;
- Broyage, Ensachage et expédition du ciment ;
Chapitre 2 : Processus de Fabrication du
Ciment
13
2.2. Extraction, Concassage et préhomogénéisation des matières premières 2.2.1. Extraction des matières premières
La carrière en cimenterie constitue la source en matières premières qui doivent subir des transformations pour la fabrication du produit fini. Les matières premières sont extraites à partir des roches d’une carrière constituées de l’argile et du calcaire. La carrière est une zone qui s’étend sur 35 km de l’Est à l’Ouest et 13 km du Nord au Sud et couvre une superficie de 1923 hectares.
Figure 2.1 : Vue de la carrière
L’argile en surface est extraite avec des engins d’excavation (creusement du sol) après décapage du sol. Le calcaire quant à lui, est obtenu grâce à des explosifs à cause de sa dureté. Suivant la pureté et la composition chimique, on distingue le calcaire d’ajout, le calcaire marneux, le calcaire tiré, le calcaire ajout pollué.
Des camions bennes de fort tonnage appelés dumper transportent ensuite ces matières vers l’atelier de concassage.
2.2.2. Concassage
Dans l’atelier de concassage, les matières premières sont déversées chacune dans
14
Le concassage a pour but de réaliser une première fragmentation des matières premières afin d’obtenir une granulométrie moins grossière. Pour cela l’usine dispose de deux concasseurs :
- le concasseur de calcaire à marteaux d’une capacité de 565 tonnes/heure ayant six (6) axes contenant chacun six marteaux et deux cylindres dont un lisse et l’autre à tampon ;
- le concasseur d’argile à cylindre d’une capacité de 90 tonnes/heure contenant deux cylindres à crampon sur deux niveaux.
Figure 2.2 : Vue de l’atelier de concassage
Après concassage, le calcaire et l’argile sont mélangés dans une proportion qui varie entre 87% / 13% et 90% / 10%. Ce mélange est appelé matière crue. La matière crue est ensuite convoyé vers un grand hall de stockage (le hall de pré homogénéisation) par une bande transporteuse.
2.2.3. Préhomogénéisation
Dans le hall de préhomogénéisation, le mélange argile + calcaire concassé est stocké en deux tas. Le pré-homo constitue un mode de stockage qui permet de
15
construire un tas de matière pré dosé homogène (mélange très intime des constituants) à partir des différentes matières concassées. Son objectif principal est d’avoir un stock aussi régulier que possible à la reprise et qui respecte les normes de production. Le tas est constitué par des couches de matières premières à l’aide d’un manège appelé jeteur, effectuant un mouvement de translation aller- retour. La matière ainsi répartie est reprise transversalement par un appareil appelé pont gratteur. Chaque tas peut fait environ 9000 tonnes.
Le parc de préhomogénéisation (photo ci-dessous) est une carrière plus homogène que la carrière d’origine.
(a)
(b)
Figure 2.3 : Vue du jeteur avec un tas en constitution (a) et vue du pont gratteur (b)
16
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 allant permettre l’obtention de la composition de farine 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.
2.3. Broyage, homogénéisation et stockage de la farine crue 2.3.1. Séchage et Broyage des matières premières
Le cru pré-homogénéisé est ensuite conduit vers le broyeur à cru pour être séché puis broyé. Ce dernier dispose donc de deux chambres dont une pour le séchage et l’autre pour le broyage. Dans la première chambre, le mélange est séché par des gaz chauds provenant du four et ayant au préalable traversé la tour de préchauffage. Un générateur de chaleur permet aussi de produire un complément de gaz chaud pour le séchage. Mais pour des raisons de réduction du coût de production, le générateur est à l’arrêt et l’usine travaille pour une optimisation de la récupération des thermies venant du four.
La circulation des gaz à travers le broyeur est assurée par un ventilateur centrifuge qui crée une dépression à l’entrée du broyeur.
Figure 2.4 : Vue du broyeur à Cru
17
Au niveau de la chambre de séchage de ce broyeur à boulets, des pelles soulèvent la matière et en suivant le mouvement de rotation du broyeur, la matière tombe des pelles, s’éparpille et est traversée par les gaz chauds au cours de sa chute.
Dans la chambre de broyage, le mélange séché est broyé à travers le mouvement des boulets pour obtenir la farine cru. Des blindages permettent non seulement de protéger la virole mais aussi d’assurer un bon broyage. Suivant leur type, releveur ou classant, ces blindages relèvent les boulets pour assurer un bon broyage ou les classent suivant leur diamètre. Après le broyage, la farine est emportée par les gaz chauds vers un séparateur dynamique où les gros morceaux sous l’effet de pesanteur tombent et sont retournés dans le broyeur par une série de deux vis pour être broyés à nouveau. Le broyeur a une capacité nominale de 150 t∕h.
2.3.2. Homogénéisation et stockage de la farine
Après le séparateur dynamique, les gaz chauds chargés de poussières de farine continuent leur chemin vers les deux cyclones de séparation (séparateurs statiques). A ce niveau, les gaz chauds se débarrassent des poussières qui descendent par gravité dans un aéroglisseur. Les gaz chauds sont enfin aspirés par le ventilateur final et refoulé dans un filtre électropneumatique pour être complètement débarrassé de la poussière avant d’être rejetés dans la nature au travers de la cheminée. La farine recueillie dans l’aéroglisseur est transportée dans deux silos d’une capacité de 2300 tonnes chacun. Dans ces silos, la farine est homogénéisée avec de l’air produit par des suppresseurs. Après homogénéisation, la farine est déposée dans deux silos de stockage d’une capacité de 4300 tonnes chacun.
18
Figure 2.5 : Vue des silos d'homogénéisation
2.4. Cuisson et Stockage du Clinker
Après les silos de stockage, la farine extraite des silos de stockage est transportée dans une trémie tampon par une succession de vis, d’aéroglisseur 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.
Le clinker, c’est de la farine crue qui a été chauffée jusqu’à plus de 1450°C et refroidi rapidement jusqu’à environ 100°C. A la Cimenterie de Onigbolo, la cuisson de la farine crue se fait au travers d’un four rotatif moderne de longueur utile 65 m pour un diamètre intérieur de 4,55 m et incliné de 3%. Muni d’un préchauffeur à 4 étages de cyclones, Il est mis en rotation par un moteur de puissance nominale de 450 kW à vitesse variable contrôlé par un variateur de
Séparateurs statiques
Silos d’homogénéisation
Silos de stockage
19
vitesse de fréquence maximale 108 Hz et dispose d’un moteur auxiliaire de virage pour le faire tourner à très basse vitesse (jusqu’à son refroidissement) en cas d’indisponibilité du moteur principal, cela dans le but d’éviter une déformation de la virole du four appelée communément « banane ».
2.4.1. La tour de préchauffage
La tour de préchauffage est un dispositif ayant pour rôle la récupération de l’énergie calorifique emportée par les gaz chauds de la cuisson à travers des échanges de chaleur entre ces gaz chauds et la farine crue. Elle est composée de cinq (5) cyclones répartis sur quatre (4) étages. Dans chaque cyclone et en série, s’effectue un échange de chaleur puis une séparation par phénomène de cyclonage entre la farine et les gaz chauds.
Figure 2.6 : Vues de la tour à Cyclone
20
La farine injectée dans la tour à environ 80°C, en sort à environ 850°C pour continuer sa transformation dans le four rotatif.
2.4.2. Le four rotatif
Le déplacement de la matière dans le four est assuré par la rotation et l’inclinaison de celui-ci. Le four peut être réparti en deux zones principales :
- Zone de décarbonatation où la calcination de la matière est achevée ;
- Zone de clinkérisation où le C2S est combiné avec la chaux libre CaOl pour donner le C3S qui, une fois refroidi, donne les nodules de clinker.
Figure 2.7 : Vue du Four rotatif
Dans le four, la chaleur est apportée par des combustibles fossiles et/ou renouvelables. Il s’agit du fuel, du petcoke, des coques de noix palmistes (pks), des coques de coton, du son de riz, et parfois des coques de noix d’anacarde, des déchets de bois, etc.
2.4.3. Le refroidissement
A sa sortie du four, le clinker entre dans le refroidisseur pour subir une trempe rapide afin de figer les C3S et de les empêcher de se transformer en C2S, chose qui influe sur la qualité et la composition du clinker. Le refroidisseur à clinker a une influence déterminante sur les performances et l'économie de l'installation.
21
2.4.4. 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 convoie vers le silo de stockage du clinker d’une capacité d’au moins 20000 tonnes.
2.5. Broyage, Ensachage et expédition du ciment 2.5.1. Broyage
Pour développer les propriétés hydrauliques et rhéologiques du ciment, le clinker est broyé dans un second broyeur à boulets en y ajoutant le gypse et/ou le calcaire selon le type du ciment produit. Le gypse est un régulateur du temps de prise.
Figure 2.8 : Vue du Broyeur à ciment
Les types de Ciment produits à l’Usine d’Onigbolo actuellement sont le CEM-I et le CPJ.
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 68.5% à 72.5% ; calcaire 23% à 27% ; gypse 4.5%
22
Le débit moyen du broyeur à ciment est de 75 tonnes/heure.
Après broyage, le ciment obtenu est envoyé à travers un ensemble vis élévateur aéroglissière dans trois silos de stockage de ciment avec des capacités de 300, 10000 et 10000 tonnes.
2.5.2. Ensachage et expédition
Des silos de stockage, le ciment est convoyé par une vis sans fin et un élévateur vers l’atelier d’ensachage. Cet atelier dispose de deux ensacheuses rotatives « Haver » à huit becs et muni chacune d’un dispositif appelé « radimat » permettant d’envoyer les emballages de ciment dans les becs. Le ciment est mis dans des sacs de 50 kg qui sont ensuite transportés par des bandes vers deux quais de chargement de camions. Chaque ensacheuse alimente une bande.
D’autre part, une ligne est disponible pour le chargement du vrac.
A travers ce chapitre, nous avons décrit les principaux étapes de la production du ciment depuis l’exploitation à la carrière jusqu’à l’expédition du ciment.
23
Partie II : Le refroidissement du clinker en milieu Industriel
Chapitre 3 : Généralités sur la cuisson et le refroidissement du clinker
Chapitre 4 : Généralités sur les
refroidisseurs de Clinker
24
3 Chapitre 3 : Généralités sur la cuisson et le refroidissement du clinker
La qualité du ciment est caractérisée par sa résistance à la compression au bout de 28 jours. Cette résistance lui vient principalement du silicate tricalcique (C3S) qui est l’élément principal du clinker. Il est obtenu après une succession de réactions chimiques endothermique qui se produisent au cours de la cuisson de la farine crue, suivi du refroidissement par la trempe.
Dans ce chapitre, nous décrivons la cuisson et le refroidissement du clinker en milieu industriel ainsi que les raisons qui justifient la nécessité de le refroidir.
3.1. Chimie du cru et du clinker
Le cru est un mélange de calcaire et d’argile. Le calcaire renferme le carbonate de calcium (CaCO3). L’argile renferme la silice (SiO2), l’alumine (Al2O3) et la ferrite (Fe2O3). D’autres éléments sont 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.
Cru = Calcaire {
CaCO3 MgCO3 H2O
} + Argile {
SiO2 Fe2O3
Al2O3 Na2O, K2O eau de liaison}
En cimenterie, CaCO3, SiO2, Fe2O3, et Al2O3sont respectivement nommés C, S, F et A.
Les principaux minéraux du clinker sont : le silicate tricalcique ou Alite (C3S), le silicate bicalcique ou Belite (C2S), l’aluminate tricalcique (C3A) et l’aluminate ferrite tetracalcique (C4AF) qui forment la Celite, la magnésie (MgO) et la chaux libre (CaOl).
Chapitre 3 : Généralités sur la cuisson
et le refroidissement du clinker
25
La matière (farine crue) subit une série de modification jusqu’à sa transformation en clinker, passant par la ligne de cuisson composé de la tour échangeur, du four rotatif et du refroidisseur.
Les transformations physico- chimiques permettant de passer du cru au clinker, en fonction des températures, sont :
La déshydratation ;
La décarbonatation ;
La fusion et l’apparition des composés transitoires ;
La clinkérisation ;
Le refroidissement.
3.2. Cuisson du cru
La cuisson du cru peut être décrite en les quatre étapes suivantes : 3.2.1. La destruction des combinaisons
C’est la première étape de la cuisson (80 à 900°C). Elle a lieu dans la tour de préchauffage. La tour de préchauffage permet de préchauffer la matière avant son introduction dans le four, par un échange thermique entre la matière froide, injectée à son sommet et descendant vers le four par une cascade de cyclones, et les gaz chauds traversant le four et tirés par le ventilateur de tirage du four vers le haut de la tour. Les gaz parcourent l’édifice de bas en haut alors que la farine le parcourt en sens inverse.
Les cyclones réalisent la séparation gaz-matière à chaque étage du préchauffeur.
26
Figure 3.1 : Circuits gaz-matière dans une tour à cyclones [12]
En partant du cru, on obtient par destruction des combinaisons C, S, A, F, les pertes au feu et les divers.
Cette transformation se fait en plusieurs sous-étapes :
évaporation de l’eau à l’état libre (100°) ;
déshydratation de l’eau liée (250 à 450°) ;
décarbonatation du carbonate de magnésium (450 à 620°) selon l’équation MgCO3 → MgO + CO2 ;
décarbonatation du carbonate de calcium (820 à 900°) selon l’équation CaCO3 → CaO + CO2.
Les corps gazeux qui constituent la perte au feu sont le H2O et le CO2.
27
3.2.2. La recombinaison et l’apparition de la phase liquide
Ce sont la 2ème étape (900 à 1300°C) et la 3ème étape (1300 à 1420°C). Elles se produisent dans le four rotatif.
Le milieu continue de s’échauffer. Les alcalins (Na2O, K2O et la magnésie MgO) fondent. Le liquide issu de cette fusion favorise les combinaisons provisoires entre C, S, F, et A selon les équations :
C + S → CS et CS + C → C2S C + F → CF et CF + C → C2F C + A → CA et CA + C → C2A
Vers 1100°C, C3A et C4AF commencent à apparaître selon les équations : C2A + C → C3A et C3A + CF → C4AF
Entre 1338 et 1420°C, l’enrichissement des combinaisons en CaO continue. Les deux premiers minéraux du clinker (C3A et C4AF) commencent à fondre.
Une phase liquide élevée ou une augmentation brutale de la phase liquide peut entraîner la formation de collages importants ou la formation de boules de matières comportant beaucoup de cru qui détruisent le croutage puis le réfractaire.
Sans ajout de fer, les températures qu’il faudrait atteindre pour obtenir les deux minéraux C3S et C3A à partir de C, S et A approcherait 1600/1700°C.
L’addition de F va permettre les combinaisons entre C, S, A à des températures inférieures qu’on peut obtenir dans un four industriel.
3.2.3. La clinkérisation
A partir de 1420°C, le C3S se forme selon l’équation C2S + C → C3S.
Quand toute la chaux célibataire est combinée, la clinkérisation est terminée.
28
Dans le clinker, on a principalement l’alite (C3S), la bélite (C2S), la Célite (C3A + C4AF).
- Le C3A qualifie le temps de prise. Il s’hydrate très vite. Ce qui nécessite l’ajout d’un régulateur de prise qui est le gypse.
- Le C3S qualifie la résistance du ciment à la compression à 28 jrs - Le C2S qualifie la résistance à long terme
- Le C4AF a peu de propriétés hydrauliques. C’est lui qui donne la couleur grise au ciment.
Dans leurs différentes proportions, les composants du clinker ont les teneurs suivantes :
Tableau 3.1 : Constituants du clinker dans leurs proportions
Constituants Alite Bélite Célite
C3S C2S C3A C4AF
Teneur (%)
Plage de valeurs
optimale 50-70 8-30 0-16 4-20
Moyenne 55 23 8 12
3.3. Refroidissement du clinker
C’est la dernière étape de la production du clinker. A la fin de la cuisson, le clinker est à une température d’environ 1450°C. Les refroidisseurs assurent la stabilisation du clinker par effet de trempe afin de fixer les minéraux qui contribuent à ses propriétés hydrauliques.
3.3.1. La trempe
La trempe est un traitement thermique des matériaux consistant à un refroidissement brusque d’un matériau qui a été au préalable chauffé jusqu’ à une
29
température donnée pour obtenir une structure physico-chimique recherchée. Son but est de maintenir ce matériau dans cette structure après refroidissement.
La trempe se fait par échange de chaleur entre le matériau et un fluide. En milieu industriel, les fluides utilisés, par ordre de vitesse de refroidissement (de la plus élevée à la plus faible), sont :
l'eau salée,
l'eau,
l'eau additive (avec un polymère, par exemple),
l'huile,
le brouillard d'eau,
les gaz : air, argon, azote, …, etc.
En cimenterie, le refroidissement du clinker se fait par une trempe à l’air, et cela, au moyen des refroidisseurs.
3.3.2. Objectif du refroidissement du clinker
Le refroidissement du clinker a trois fonctions principales :
La trempe : Tremper le clinker de façon à lutter contre la réversibilité de la réaction C3S → C2S + CaOl afin de maintenir la qualité du clinker. En effet, un refroidissement trop lent provoque trois transformations indésirables :
- Le C3S se décompose en C2S et CaO, ce qui a pour effet de diminuer la résistance du ciment à court terme et d’augmenter un peu la chaux libre ; - La magnésie (MgO) cristallise indépendamment de la phase liquide : elle
provoque l’expansion du ciment lors de l’hydratation ;
- Le C2S change de réseau cristallin ce qui modifie les propriétés hydrauliques du ciment.
Par ailleurs, le broyage est plus facile quand le clinker possède plus de C3S,
30
plus le rapport [(C3S + C2S) / (C3A + C4AF)] est élevé, plus facile est le broyage du ciment [6].
Le choc thermique, au cours du refroidissement, provoque aussi un réseau de microfissures, qui sera utile par la suite, car il favorise le broyage du clinker.
Aussi, l’augmentation de la quantité d’alite, dans le clinker améliore la broyabilité de ce dernier. Par contre, l’augmentation du taux de bélite dans le clinker dégrade sa broyabilité.
La récupération des calories : Récupérer le maximum de calories emportées par le clinker à la sortie du four, de façon à obtenir un air secondaire le plus chaud possible et afin que sa température soit stable pour obtenir un fonctionnement régulier du four et une bonne efficacité de chauffage.
La manutention et le stockage : Éviter une perte de chaleur très importante en assurant un refroidissement suffisant du clinker, de telle sorte que le système de transport vers le silo de stockage ne subisse pas de surchauffe.
3.3.3. Principe de refroidissement du Clinker
Dans le refroidisseur de clinker, l’air circule autour de chaque grain chaud. Au contact du grain, l’air s’échauffe par convection et par rayonnement. En se refroidissant, cette surface appelle les calories stockées à l’intérieur de grain, la chaleur migre alors du centre du grain vers la surface par conduction, et ceci tant que la température du grain est supérieure à la température de l’air. La figure suivante illustre ce refroidissement.
31
Figure 3.2 : Illustration du refroidissement du clinker
3.4. Le refroidissement non optimum du clinker à la SCB-LAFARGE A la SCB-LAFARGE, le clinker est actuellement refroidi à une température supérieure à 300°C. Cette situation entraîne pour l’usine un certain nombre de conséquences fâcheuses. La température trop élevée du clinker à la sortie des refroidisseurs, ne permet pas d’alimenter directement le broyeur ciment. En effet, si le clinker à cette température est mélangé au gypse, il provoquera sa déshydratation. Ce faisant, le ciment risque de ne pas être d’assez bonne qualité.
Ainsi, le clinker à la sortie des refroidisseurs est chargé dans des camions pour être déversé à divers endroits sur le site de la SCB-LAFARGE (vue en annexe 5), et cela dans le but de mieux le refroidir. De par cette action :
L’environnement de la SCB-LAFARGE est affecté. En effet, le chargement/déchargement du clinker est à l’origine de poussières dans l’environnement de l’usine ;
la quantité de clinker déversée sur le site n’est jamais récupérée entièrement ;
le chargement/déchargement du clinker sur le site nécessite des frais ;
32
la qualité du clinker est compromise. En effet, étant déversé à ciel ouvert, le clinker est exposé à la pluie. Ainsi, en cas de pluie, le clinker va s’hydrater et le C3S va commencer à développer ses résistances. Il se forme des blocs et cette situation oblige parfois à retourner ce clinker au concassage avant l’utilisation au broyeur à ciment (vue en annexe 6).
Par ailleurs, la température trop élevée du clinker endommage les équipements de manutention du clinker et par suite augmente les frais de maintenance de ces équipements.
Enfin, on est sûr qu’à cause de sa température trop élevée, le clinker n’a pas cédé le maximum de chaleur à l’air de refroidissement.
Les principales raisons expliquant la nécessité de refroidir le clinker sont : la conservation de ses propriétés physico-chimiques, la récupération de chaleur, la manutention et le stockage. Nous aborderons à présent une étude sur les moyens qui permettent de le faire.
33
4 Chapitre 4 : Généralités sur les refroidisseurs de Clinker
Les refroidisseurs permettent de refroidir le clinker jusqu’à une température d’environ 100°C. Il en existe une variété. La chaleur du clinker est récupérée par l’air de refroidissement et cette récupération est l’un des paramètres caractérisant chaque type de refroidisseurs.
Dans ce chapitre, nous allons présenter les principaux types de refroidisseurs de clinker et plus précisément ceux utilisés à la SCB-LAFARGE.
4.1. Les différents types de refroidisseurs à clinker
En industrie du ciment, on distingue une variété de refroidisseurs à clinker :
Les refroidisseurs rotatifs ;
Les refroidisseurs à ballonnets ;
Les refroidisseurs à couloirs ;
Les refroidisseurs à grilles.
4.1.1. Les refroidisseurs rotatifs
C’est le plus ancien système de refroidissement du clinker installé sur des fours rotatifs. Il est constitué, comme le four rotatif, d’un tube tournant avec une inclinaison modérée. Jusqu'au 2/3 de sa longueur, le tube est revêtu de briques réfractaires et partiellement équipé d’éléments releveurs. La zone non briquetée est totalement garnie de dispositifs releveurs. Les dispositifs releveurs permettent de disperser le clinker dans le flot d’air de refroidissement. Son facteur de récupération est très faible.
Chapitre 4 : Généralités sur les
refroidisseurs de Clinker
34
Figure 4.1 : Refroidisseurs rotatifs [5]
Pour ce type de refroidisseur, le débit d’air de refroidissement dépend de la quantité d’air nécessaire pour brûler le combustible.
4.1.2. Les refroidisseurs à ballonnets
Les refroidisseurs à ballonnets ou refroidisseurs planétaires sont apparus dans les années 1920 sur les fours longs avec pour base technologique, celle des refroidisseurs rotatifs. Ce type de refroidisseurs se compose de 9 à 11 tubes qui sont montés concentriquement autour du tronçon terminal du four. Le flux de clinker est divisé dans ces tubes de refroidissement situés sur la circonférence du four, et ils suivent sa rotation. Le refroidissement du clinker commence dans le four. Le brûleur est toujours inséré dans le four, une zone de refroidissement se créant ainsi derrière la flamme. Après être tombé dans les bottes (tubes), le clinker chaud est refroidi par l’air à contre-courant.
