BILAN THERMIQUE D'UNE LIGNE DE CUISSON

BUREAU DE CONSEILS ET D'ETUDES

REPUBLIQUE TUNISIENNE CIMENTS D’OUM EL KELIL (CI.O.K)

BILAN THERMIQUE INGENIEUR CONSEIL : Dalila AMMAR Résidence Carrefour Bloc G Appt. 4-2 1003 Tunis Tel.: 71 955 407 - Fax: 71 955 460 Email: [email protected] Décembre 2012

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson SOMMAIRE 1

AVANT PROPOS ....................................................................................................................................... 4

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SYNTHESE ................................................................................................................................................ 4

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METHODOLOGIE ...................................................................................................................................... 6

4

DESCRIPTION DE DEROULEMENT DE L’INTERVENTION ............................................................................ 7

5

DESCRIPTIONS TECHNIQUES DE L’ATELIER DE CUISSON : ......................................................................... 8 5.1 5.2

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PROCEDE .................................................................................................................................................. 8 BESOINS ENERGETIQUES ............................................................................................................................. 10

BILAN THERMIQUE ................................................................................................................................ 11

7 ORIGINES POSSIBLES DE SURCONSOMMATION DE COMBUSTIBLE ET TYPES D’ACTIONS DE PROSPECTION RECOMMANDEES .................................................................................................................... 13 7.1. 7.2. 8

DE POINT DE VUE USAGE D’ENERGIE ............................................................................................................. 13 DE POINT DE VUE MATIERE PREMIERE ........................................................................................................... 14

BILAN GLOBAL LIGNE DE CUISSON ........................................................................................................ 14 8.1 BILAN MATIERE DE LA LIGNE DE CUISSON ....................................................................................................... 15 8.2 CALCUL DES FUMEES................................................................................................................................. 16 8.3 PROFIL GAZ TOUR PRECHAUFFEUR ET SORTIE TOUR ........................................................................................ 17 8.4 AIR FAUX PRECHAUFFEUR ........................................................................................................................... 20 8.5 PERTES THERMIQUES VIROLE FOUR ET PRECHAUFFEUR ET REFROIDISSEUR ............................................................ 20 8.6 AIR DE REFROIDISSEMENT ET EFFICACITE REFROIDISSEUR ................................................................................... 21 8.7 BILAN THERMIQUE COMPLET LIGNE CUISSON (PRECHAUFFEUR, FOUR ET REFROIDISSEUR) ...................................... 23 8.8 BILAN DU REFROIDISSEUR ........................................................................................................................... 24 8.8.1 Débit de soufflage au refroidisseur ................................................................................................. 24 8.8.2 Bilan thermique refroidisseur .......................................................................................................... 26 8.8.3 Commentaires ................................................................................................................................. 27

9

RENDEMENT EN DEPOUSSIERAGE DES CYCLONES .................................................................................. 28 9.1 9.2

BALANCE ELEMENTS VOLATILS ..................................................................................................................... 29 ANALYSE GRANULOMETRIQUE FARINE FOUR ET APTITUDE A LA CUISSON .............................................................. 30

10

EFFICACITE DES SILOS D’HOMOGENEISATION ........................................................................................ 32

11

ANALYSE DE LA FLAMME ....................................................................................................................... 32

12

COMPARAISON AVEC L’AUDIT 2010 ....................................................................................................... 33

13

PLAN D’ACTIONS .................................................................................................................................... 36

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RECOMMANDATIONS ............................................................................................................................ 37

BCE Tous droits réservés

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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson

LISTE DES GRAPHIQUES Figure 1 : Flowshet procédé .................................................................................................. 9 Figure 2 : Consommation spécifique du 13-11-2012 ............................................................13 Figure 3 : Bilan masse ..........................................................................................................16 Figure 4 : Mesures EVS .......................................................................................................18 Figure 5 : Profil d’oxygène EVS ............................................................................................19 Figure 6 : Pertes parois four .................................................................................................21 Figure 7 : Bilan par catégorie d’usage énergie four ..............................................................24 Figure 8 : bilan énergie par vecteur d’énergie.......................................................................27


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Avant propos

La CIOK a enregistré une augmentation de la consommation énergétique thermique ces derniers temps. Soucieuse des impacts économiques et environnementaux de cette surconsommation, la CIOK a lancé une consultation pour la sélection d’un bureau d’étude en vue de la réalisation d’un bilan thermique de la ligne de cuisson et identifierr les dérives origines de cette situation. Le Bureau d’étude et Conseils « BCE » a été sélectionné pour l’accomplissement de cette tâche. La CIOK conscient de l’importance de ce chek up bénéfique, lui a accordé une attention particulière à travers une collaboration étroite de ses cadres avec les experts BCE . Ces derniers, d’une renommée internationale, ont consacré à ce travail d’investigation approfondie, toute leur énergie en suivant pas à pas les étapes du plan de travail préalablement arrêté et en utilisant des techniques et des instruments à la pointe du progrès dans ce genre d’intervention. Dans le présent rapport, réalisé par le Bureau d’Etudes BCE à la société des Ciments d’Oum El Kelil « CIOK », le travail a été situé dans le cadre de la recherche de solutions d’amélioration des performances énergétique de la ligne de cuisson. Les résultats auxquels nous avons abouti sont globalement très importants, qu’il s’agisse des gisements d’économie mis en évidence dans la partie cuisson de l’usine ou dans la synchronisation des réseaux aérauliques, de l’amélioration des résultats des performances des équipements, des gains sur les coûts des consommations énergétiques sous forme de gaz . Ces améliorations ont été exprimés sous forme de solutions, de recommandations et de projets visant la réalisation d’objectifs quantitatifs et qualitatifs en matière de maîtrise de l’énergie et de gestion énergétique efficace d’une manière globale et ayant un impact positif sur le fonctionnement des équipements et les coûts de production. La CIOK a besoin d’une forte assistance et accompagnement par une équipe forte en process pour assurer les réglages nécessaires avec différentes approches en fonction de la matière première et l’exploitation des différents ateliers : formation de tas, préhomogéneisation, refroidissement. Un renforcement de capacité en matière de conduite des installations, de la chimie du ciment, bilan aéraulique, mesures, analyse,… est nécessaire. Ceci concernera les équipes de procédé et de laboratoire. Le présent rapport est définitif. Toutes les informations et observations relatives à l’usine qui y sont présentées sont strictement confidentielles.

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Synthèse

Les principales causes de la surconsommation en énergie sont et par ordre d’importance :  Un déséquilibre aéraulique total au niveau refroidisseur  Une faible ration AP/(AP+AS)  Un rendement très faible du refroidisseur inférieur à 50% d’où une source certaine de la surconsommation  Un rendement faible en dépoussiérage des cyclones inférieurs (manque de jupes) .  Au niveau matière première, le calcul de l’indice de l’aptitude à la cuisson est à la limite supérieure ce qui donne une matière difficile à cuire et ce qui nécessite plus d’énergie pour assurer le processus de clinkerisation Il faut cependant et au niveau carrière faire des Tas le plus homogènes et surtout les moins quartzeuses et a bas teneur en SO3 avec bien sur l’apport de l’atelier de broyage pour faire un refus dans les objectives qualités


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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Les actions urgentes à faire sont :   



Revoir la marche du refroidisseur (répartition adéquate de l’air de refroidissement) Revoir le débit d’air primaire Faire l’étalonnage du doseur four pour s’assurer du débit d’alimentation vu que le rapport Cru/ck est très haut. Cette opération peut nous indiquer si vraiment on a les 247 t/h , il ya donc une grande partie de matiére qui reste dans le circuit surtout dans le préchauffeur et peut induire à des collages dans les conduites et/ou cyclones Travailler sur la carrière et éviter les fronts a haut teneur en silice donc faire un mélange qui assure l’avancement de l’exploitation sans pour autant gêner la marche du four

Les actions à faire au premier arrêt du four :  

Inspection du préchauffeur surtout au niveau cyclones 3 pour détecter s’il ya un étranglement quelque part Revoir la marche des clapets des ventilateurs du refroidisseur et vérifier les positions ( o/f) en local et ce qui arrive à la salle de contrôle

Lors du prochain arrêt programmé du four :  

Refaire les jupes des cyclones 4 (adopter système MAGOTTEAUX) Travailler sur la protection des murs du refroidisseur et virole exhaure afin de minimiser les pertes par radiation et récupérer au max les thermies.


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3

Méthodologie

L’établissement d’un bilan thermique consiste donc à évaluer, par un ensemble de mesures puis de calcul, les différents flux de chaleur entrant et sortant de l’installation. En premier lieu figure la consommation calorifique du four, c'est-à-dire la consommation du combustible que l’on traduit en consommation de quantité de chaleur d’après le pouvoir calorifique inférieur du combustible et que l’on rapporte à la production du four. Néanmoins, cette seule connaissance de la consommation du four ne permettrait pas de connaître les raisons pour lesquelles celle-ci apparaît comme faible moyenne ou élevée. Le bilan thermique apporte les éléments de réponse en mettant en évidence la répartition des sorties de chaleur, c'està-dire la façon dont la chaleur apportée au four en majeure partie par le combustible est, soit utilisée par le procédé, soit perdue dans les différents postes de l’installation. Il constitue ainsi le point de départ à partir duquel nous pourrons tirer les conclusions et mener les actions à même de réduire les pertes calorifiques jugées excessives comme améliorer la quantité du produit. Les informations et les données concernant la production de l’usine ainsi que les détails relatifs aux machines clés sont à rassembler par le personnel de la CIOK. Pour l’exécution du bilan thermique du four nous procédons au rassemblement des données importantes de l’usine et au suivi sur site des paramètres opérationnels et du procédé. La méthodologie adoptée pour la mesure des différentes variables du procédé est présentée dans le chapitre suivant. Le bilan thermique a été effectué sur une période de 09 heures, le four étant en marche casi stable malgré la présence d’anneaux instables durant l’essai. Toutefois, en fin de campagne les informations et les données concernant la production et les machines sont rassemblées par la CIOK. Pour l’établissement du bilan thermique du four, les experts de BCE ont rassemblé les données nécessaires et procédé à la mesure des paramètres de marche. Débits des gaz et d’air Les débits gazeux ont été mesurés à l’aide d’un tube de Pitot et d’un manomètre numérique à la sortie du tour préchauffeur et l’air exhaure. Ceci également pour l’ai de soufflage du refroidisseur, hexaure refroidisseur et celui de l’air primaire . Température Les températures de la matière, du gaz et de l’air ont été mesurées par un thermocouple digital .Les températures des parois du four, du refroidisseur, et des cyclones du tour préchauffeur ont été relevés à l’aide d’un pyromètre I.R. Combustible et combustion Les compteurs du four et des bruleurs on line ont été utilisés pour la détermination des débits de gaz naturel consommé .Ceci est une autre source d’erreur potentielle. Calcul des gaz de fumées La composition des gaz de fumées sortie tour préchauffeur a été mesurée et également calculée sur une base théorique en se basant sur la combustion neutre et les taux d’oxygène mesurés, la composition chimique du combustible et la farine alimentant le four. Les débits calculés sur une base théorique ont été confrontés au débit calculé à partir des mesures des pressions dynamiques mesurées.


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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Pertes de poussières Les pertes de poussières par la cheminée principale le jour de l’audit ont été estimées par rapport aux émissions observées et par comparaison aux dernières mesures de l’audit de 2010 Les pertes de poussières par le refroidisseur sont prises de l’ordre de 70 mg/Nm3. Pertes thermiques par les parois Les pertes thermiques par les parois ont été calculées pour le Four, refroidisseur et le tour préchauffeur. La formule de Gygi a été appliquée Analyse des Matières Des échantillons de farine cru, farine chaude et clinker ont été prélevés et analysés par le laboratoire de l’usine selon une liste préétablie. La composition du gaz naturel a été analysée par la STEG, ainsi que les pouvoirs calorifiques inférieurs, la masse molaire et la densité de chaque type de combustible. Bilan des flux gazeux Les débits gazeux sont obtenus à partir de mesures de pression et de températures dans les différentes gaines à l’aide d’un tube de Béri, de manomètres et de thermocouples. Les débits gazeux dits calculés sont obtenus à partir d’analyses de teneur en oxygène et gaz carbonique dans les différents flux et à partir des débits mesurés dans les gaines dont la géométrie est favorable principalement en sortie EVS. Les résultats de mesures et d’analyses sont présentés en annexes. Les débits obtenus sont présentés par les tableaux et schéma ci-après avec lesquels apparaissent également les débits d’air faux.

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Description de déroulement de l’intervention

L’intervention de l’équipe BCE s’est déroulée sur 09 heures. Notre travail a consisté à faire les mesures nécessaires et à récolter le maximum possible de données : relevés, mesures, comptabilité. ; En vue de mieux cerner les bilans matières et énergie et écarter les données moins fiables par des moyens de recoupement. Différents moyens de mesures ont été mis à la disponibilité de ce travail :     

Analyseur de combustion Sondes de température Anémomètre Tube de Pitot Pyromètre infrarouge

L’usine a fournie les données relatives à :  

Compteurs gaz naturel l’analyse des échantillons : o Matière cru o Farine o Matière le long du tour préchauffeur o Clinker


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Descriptions techniques de l’atelier de cuisson :

5.1

Procédé

Les principales étapes de la fabrication du ciment sont la préparation du cru (composition et mélange des matières premières), la transformation de celui-ci par procédé de cuisson, et la transformation du produit de la cuisson (le clinker) en ciment. La consommation énergétique thermique concerne l’étape cuisson. Qui dépend fortement de plusieurs paramètres de marches outre que la matière première. La ligne cuisson comprend :   

un échangeur à voie sèche un four rotatif un refroidisseur IKN

a/ L’échangeur à voie sèche : il comprend deux tours parallèles à quatre étages. Les gaines et cyclones sont parcourus de bas en haut par les gaz chauds venant du four qui cèdent leur chaleur à la farine alimentée à contre-courant (de haut en bas) qui subit le long de la tour des transformations de déshydratation et de décarbonatation.

Le précalcinateur on line installé permet d’atteindre des taux de décarbonatation plus importants par conséquent un gain énergétique important et une durée de vie plus élevée des briques réfractaires b/ Le four : la farine cru partiellement décarbonatée à un taux d’environ 45% entre dans le four à travers la boite à fumée située au pied de la tour et le traverse en sens inverse des gaz chauds. Au fur et à mesure de son avancement vers les zones de températures élevées, des réactions chimiques se produisent entre les composants du cru jusqu’à la zone de cuisson de température 1450°c où se forme le clinker donc les silicates, les aluminates et les ferro-aluminates de calcium.


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b/ Le refroidisseur : le refroidissement rapide du clinker (la trompe) permet la conservation de l’état vitreux du clinker et la stabilisation de la bélite (C2S β). Le clinker sortant du four par le capot de chauffe à une température de 1300 °c tombe dans le refroidisseur en lit fluidisé. L’air soufflé sous le grilles par les ventilateurs permet au clinker d’avancer d’une part et de céder sa chaleur à l’air d’une autre part. les gaz chauds qui en résultent sont récupérés en partie et réinjectés dans le four pour économiser de l’énergie le reste est tiré par les exhaures

Figure 1 : Flowshet procédé


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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Lors de ce traitement thermique, la matière subit des transformations physicochimiques où a lieu une série successive de réactions intermédiaires. Chacune de ces opérations se produit à une température déterminée et la matière doit donc recevoir la chaleur correspondante à cette température. Ce qui implique l‘existence d’un profil thermique précis pour assurer la formation des phases tout au long du four. La série de réactions chimiques réalisées au sein de la matière pendant son chauffage dans le four s’achève sous la flamme par l’obtention d’un produit composé de silicates, aluminates et ferro-aluminates de calcium, sous forme d’un magma de phases cristallines et amorphes (verres) et désigné sous le non de clinker. Le four rotatif de cimenterie est un échangeur de chaleur globalement à contre-courant. La matière à cuire est introduite, suivant l’humidité de la matière, au niveau du deuxième ou troisième cyclone du tour préchauffeur et atteint le four en une dizaine de seconde voit sa température passer de 40 °C à 800 °C, à l’encontre des gaz produits par la combustion du combustible du four (et éventuellement du combustible du préchauffeur). Le rôle de l’opérateur du four est de conduire son four d’une telle façon, qu’en chaque point du four la quantité de chaleur nécessaire à la réaction des opérations successives qui amènent à la formation du clinker, soit assurée Chacune des opérations mentionnées dans ce tableau se produit à une température déterminée et la matière doit donc recevoir la chaleur correspondante à cette température. Il en ressort donc que la tâche essentielle de l’opérateur du four est de garder le plus longtemps possible le profil thermique adéquat du four et de prévoir les éventuelles perturbations en décelant à l’avance les signes précurseurs d’éventuelles perturbations et de prendre les mesures nécessaires pour y remédier. Les échanges de chaleur entre la flamme puis les gaz de combustion et la matière ont lieu essentiellement selon deux modes en chaque points du four (et éventuellement du précalcinateur): par rayonnement et par convection. La formation du clinker est globalement endothermique,elle est la résultante des réactions endothermiques et des réactions exothermiques, ainsi que les sources de pertes thermiques dues au procédé et aux conduites inadéquates du système four-Refroidisseur Tour préchauffeur (avec ou sans précalcinateur).

5.2

Besoins énergétiques

Les besoins énergétiques de l’atelier de cuisson sont la résultante des réactions endothermiques, des réactions exothermiques, des pertes de chaleur par parois et des pertes thermiques dues à la conduite inadéquate du four. Réactions endothermiques Les réactions endothermiques sont de deux sortes :     

Réaction iso - thermique : Déshydratation de l’argile à 550 °C. Décarbonatation de MgCO3 à 7000 °C. Décarbonatation de CaCO3 à 950 °C Formation de verre de clinkérisation à 1450 °C.

Effet iso - thermique : Echauffement progressif de la matière entre des paliers de 0 à 1450 °C La somme des dépenses calorifiques de ces postes est d’environ 4400 Mj/tck (1050 th/tck), calculée à une température de référence de 0°C. Réactions exothermique : BCE Tous droits réservés

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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson    

Cristallisation de constituants amorphes Formation de constituants anhydres du clinker Du CO2 libéré par les carbonates après évaporation de l’eau d’hydratation de l’argile. Refroidissement

Du clinker formé de 1450 °C à + 20 °C de la température ambiante La somme des récupérations de chaleur est d’environ 2600 Mj/tck (620 th/tck). Sources des pertes thermiques Nous citons:     

Les chaleurs sensibles des gaz de sortie tour préchauffeur. Les pertes par parois. Les entrées excessives d’air faux. Les arrêts fréquents. Marche à débits réduits ou au-delà du débit maximal admis, provoquant ainsi des perturbations de la marche.

Conduites de l’atelier de cuisson Nous citons :   

Marche non maîtrisée du refroidisseur et du four Température basse de l’air comburant secondaire Pertes par parois exagérées dues à des températures excessives et/ou un mauvais écroûtage.

Si l’opérateur n’a pratiquement aucune influence sur le déroulement des réactions endothermiques et exothermiques, son rôle est essentiel pour garder les pertes par parois et les pertes dues à des débits inadéquats en obéissant aux consignes et en veillant à la maîtrise des paramètres de marche. En ce qui concerne les pertes thermiques dues au procédé, le bon choix du procédé est essentiel, vient ensuite le bon choix des améliorations. D’ailleurs 15 % environ de la décarbonatation se fait dans le tour préchauffeur. Toutefois le taux de décarbonatation hors four ne doit pas dépasser 95% pour éviter les bouchages et les concrétions. Toutefois la décarbonatation de la matière à la sortie du dernier cyclone du tour préchauffeur ne doit pas dépasser 90 - 95 % pour éviter des problèmes techniques, tel que : collage, concrétions, anneaux, surchauffe, etc , … Les besoins thermiques pour la formation du clinker et pour des installations pareilles ne doit pas dépasser 850 kcal/kg de clinker.

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Bilan thermique

Le bilan de l'atelier cuisson est global et couvre l’ensemble de l’installation de cuisson. Les données de base lors du deroulement du bilan sont ci-après indiquées Durée PRODUCTION

Clinker Production horaire

9h 1230 t 136,7 t/h

Ciment Alimentation farine


254,0 t/h

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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Consommation Four (85 %) Precalcinateur PCI du combustible

15807 Nm3/h

CIOK

13438 Nm3 2369 Nm3

CIOK CIOK CIOK ou calcul BCE

9004,294 Kcal/Nm3

Caractéristiques Densité GAZ NATUREL

Farine

0,8 kg/nm3 89,51% 6,90% 1,00% 0,14% 0,01% 0,01% 0,08% 0,86% 1,50% 100,01%

CH4 C2H2 C3H8 C4H10 C5H12 C6H14 He N2 CO2

Entrée tours EVS P.F. (entrée TVS) CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO K2O SO3

35%

% % % % % % % %

42,36 14,04 3,52 2,21 0,58 0,35 0,46

Caractéristiques de la farine en pointe des cyclones :

EVS NORD

CIOK CIOK CIOK CIOK

Septembre 2012

CIOK CIOK

Analyse Analyse Analyse Analyse Analyse Analyse Analyse Analyse Analyse

CIOK CIOK CIOK CIOK CIOK CIOK CIOK

Faire une fois par jour pour chaque TVS

Relevés + Analyse

P.F. EVS SUD

Novembre Novembre

C1 C1 bis C2

34,29 34,3 33,84

Temp. Farine(°C) 297 293 485

C3 C4 C1 C1 bis C1 + C1 bis C2 C3 C4

31,21 20 34,38 34,41

652 815 293 297

33,89 30,56 18,98

480 637 807

Taux DECARB.

Le bilan s’est déroulé sur 9 h au 14/11/2012 du 9 h à 18 h. La marche du four était plus au moins stable, est caractérisée par une production élevée de 136,7 t/h. Cette valeur est à reprocher du débit nominal de 3500 t/j (145 t/h). L’ensemble des conditions de marche à permis une consommation thermique de 1041 kcal/h. Lors du bilan les valeurs suivantes ont été relevées : Production clinker

Consommation gaz naturel PCI GAZ NAT. Consommation spécifique thermique


t h t/h Nm3/j kcal/Nm3 th/tckl Nm3/tckl

1 230 9 136,667 15 807,333 9004,294 1 041,47 12,85

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Figure 2 : Consommation spécifique du 13-11-2012

En se basant sur le bilan thermique établi, la consommation thermique est de 1041 th/t de clinker est nettement supérieure à la moyenne annuelle de 810 kcal/kg soit d’environ 25 % La production totale est 136,7 t/h, ce qui correspond à une alimentation farine de 254 t/h. Le débit de clinker a été pesé par camion. La consommation spécifique de l’énergie thermique est excessive. Elle dépasse de loin la consommation spécifique réalisée lors des périodes similaires de l’année précédente. De ce fait, la présente étude est très exigeante à plus qu’un titre de point de vue résultat est analyse pour remédier aux anomalies. La consommation spécifique communément réalisée pour la CIOK est d’environ 800 th/t clinker. Le potentiel d’économie d’énergie est d’environ 25 % sur la facture du gaz naturel annuel. Pour une production d’environ 950 000 t clinker /an, la consommation du gaz naturel est de 25000000, le gain énergétique est de 6000 000 DT/an.

7 7.1.

Origines Possibles de surconsommation de combustible et types d’actions de prospection recommandées De point de vue usage d’énergie

Atelier ou équipements Consommation combustible Production Horaire Four

Origine possible Déviation des compteurs Dérive au niveau Doseur

Rendement du Préchauffeur

-faible rendement des cyclones -profil non homogène de gaz le long des cyclones -pertes par radiations -cycle interne des éléments volatils

Four

-pertes par radiations -qualité Alimentation Four


Action de prospection Faire tarage par organisme certifié Pesage clinker par camions Vérification par chronomètre de la variation de niveau trémie Alimentation Four -faire le rendement en dépoussiérage des cyclones - faire le profil oxygène -évaluer les pertes par radiations le long des cyclones et gaines -faire le bilan soufre et évaporation (pour déterminer les conditions de cuisson : oxydantes ou réductrices) -évaluer les pertes par radiations le long du four -analyse chimique d’un échantillon moyen farine -analyse granulométrique et chimique par tranche granulométrique 13


-analyse de la géométrie de la flamme - air Primaire (Faible excès d’air)

- analyse efficacité homogénéisation ( CaCO3 entrées/sorties) -analyse chimique clinker (échantillon moyen) - Pb tuyère (position dans le four et réglage des airs) - Mesure de la quantité d’air primaire Calcul de la quantité d’air en excès nécessaire en fonction du type de combustible

Refroidisseur

7.2.

Rendement thermique

-faire un bilan refroidisseur et évaluer la température Air secondaire (Cas CIOK)

De point de vue matière première

Echantillons

Fréquence

Analyse chimique

Clinker

1 échantillons toutes les 2heures

-Analyse chimique de l’échantillon moyen durant la période du bilan

Analyse Granulométrique

-analyse horaire de la chaux libre Farine chaude

Un échantillon de chaque cyclone du préchauffeur Pour les échantillons des cyclones inférieurs

Alimentation Four

1 échantillon toutes les heures -sur l’échantillon moyen de la journée

Sortie Broyeur cru

8

1 échantillon horaire

-Perte au feu -Pf , SO3 , K2O et Na2O

-analyse chimique complète -analyse chimique complète -analyse chimique complète pour chaque tranche granulométrique

-faire une analyse granulométrique sur série de tamis (a définir en fonction des tamis existants au labo

- analyse chimique complète pour chaque échantillon

Bilan global ligne de cuisson

Le bilan de l'atelier cuisson est global et couvre l’ensemble de l’installation de cuisson. Etablir des bilans des parties de l’installation, servant à certaines données importantes ou non mesurées, ainsi en établissant les bilans gazeux et thermiques du refroidisseur à grille et du four, cela permet d’établir les rendements de ces deux échangeurs de chaleur et de les interpréter.


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8.1

Bilan matière de la ligne de cuisson

Facteurs de production. Identification Farine

Unité C (Calculé) M (Mesuré)

Débit (AF) PF Humidité AF Poussière tour Débit (Dp) PFp (Perte au feu Poussière)

M M M

Clinker Débit PF (Perte au feu clinker)(du à la reprise d’humidité)

c

Le facteur de conversion (x)

C

M

Valeur

t/h

254,0000

% %

35,4% 0,17%

t/h %

42,26 35,25%

t/h %

136,66816 10,00%

Cru/ck Ck/cru

1,858516 0,538

La relation permettant d’établir le bilan massique, s’exprime, à 0% de PF de la manière suivante : ENTREE Farine sortie homo - à 0 % de PF - CO2 - H2O

kg/T

SORTIE 1858,5 clinker

1 200,243 655,060 3,234 1 858,537

Kg/T 1000

Poussière Tour

309,220

- à 0 % de PF 200,232 - CO2 108,9875 309,220 GAZ H2O DEGAGEE - CO2 1 858,5

3,234 546,072 1 858,5

Le bilan massique révèle un facteur de conversion de 1,858 t farine / t clinker estimé élevé , ce qui laisse penser sur la qualité de la matière, le débit de poussières dans les gaz TVS, et l’humidité de la matière. Il ya présence d’une masse d’environ 250 kg/t clinker traitée et perdue sans avoir une réelle contribution à la formation du clinker. Cette question sera examinée en détail lors de l’analyse de la matière de première.


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Figure 3 : Bilan masse

Une analyse plus profonde du taux de facteur de conversion avec la P.F. de la farine donne un facteur de : 1,548, qui est acceptable. La farine clinkerisable théorique et la farine pesée présente une différence de 20 %, qui est énorme, il correspond aux pertes poussières et aux dérives des doseurs éventuellement. Le tirage des gaz à fumée entraîne de préférence les particules les plus légères et fines, c’est-à-dire les particules de Ca0. Le tirage de poussière est plus intense dans la zone de calcination. La matière en cours de cuisson reste plus pauvre en Ca0 et devient plus fusible, augmentant la tendance à la formation d’anneaux. Pour compenser la ségrégation du cru on doit travailleur avec une saturation plus élevée que la théorique. Le tirage des gaz à fumée doit aussi être ajusté de façon que l’excès d’air soit suffisant à l’obtention d’une combustion complète. Clinker

M

136,670 t/h

PF

M

35,42%

Humidité

M

0,17%

Facteur Farine/clinker

C

1,5485

Farine clinkerisable

C

211,623 t/h

Farine pesée entrée four

M

254 t/h

Débit poussière

C

42,376 t/h

Les poussières peuvent être dues aux régimes d’écoulement des fumées. De ce fait une analyse dimensionnelle est nécessaire. Il s’agit de voir les vitesses d’écoulement dans les différentes conduites du tour préchauffeur ainsi que la vitesse d’avancement de la matière tout le long du four. Il y éventuellement certains blocages au sein du four ou des cyclones qui induisent une forte pression après une dépression et engendre un régime tourbillonnaire discontinue. Ce qui crée aussi un déséquilibre aéraulique tout le long de la ligne de cuisson. l est important d’établir un bilan gazeux.

8.2

Calcul des fumées

A partir des caractéristiques du gaz naturel, de l’analyse de l’oxygène résiduel en boîte de fumées et d’une évaluation du volume de CO2 dégagé dans le four, on peut calculer l’excès d’air de combustion au four par une procédure de calcul développée sur Excel.


16

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson SORTIE PRECHAUFFEUR Taux d'oxygène EA

2,50% 11,8%

clinker M.P.

136,67 t/h

Farine P.F. Humidité

Fumées (Nm3 gaz/t clinker) Combustion neutre Matière première Toal neutre Excés d'air Total (Nm3/t cl) Total sec (Nm3/t cl) VOL %, dry

254,00 t/h 35,42% 0,17%

CO2 126,432 333,523 459,955 459,955 459,955 30%

H2O 236,439 3,932 240,371 2,025 242,396

O2

SO2

N2 912,235

0,000 38,480 38,480 38,480 2,48%

0,000 0,000 0,000 0%

912,235 143,608 1055,843 1055,843 68%

Total 1275,105 337,455 1612,560 184,113 1796,673 1554,277 100%

L’air de combustion total est de 1796,673 Nm3/t clinker Pour un débit de 136,66 t clinker/h, le débit des fumées est de

245 545,30 Nm3/h.

Les mesures au niveau des sorties du préchauffeur donne : 215 333 Nm3/h. Ce débit est inférieur à celui calculé, ce qui confirme le phénomène de perturbation des écoulements du gaz.

8.3

Profil gaz tour préchauffeur et sortie Tour

Cette campagne de mesures a pour objectif de voir l’évolution du profil des gaz en provenance du four tout le long du préchauffeur pour pouvoir déterminer d’une part l’air faux entre les différents étages du préchauffeur et l’existence éventuelle des imbrulés par mesure du Co sur tout à l’étage inférieur. La comparaison des températures Gaz et matière pourra nous renseigner sur l’efficacité de l’échange thermique dans chaque cyclone. La campagne de mesures a donné le profil suivant :


17


Figure 4 : Mesures EVS


18


Figure 5 : Profil d’oxygène EVS

L’analyse de ces données montre ; 

Un faible pourcentage d’oxygène sortie tour de 2.5% contre une valeur contre un minimum de 3.5%. Nous avons également constaté que le volume d’air tiré a travers le préchauffeur est faible (1.5 Nm3/t-cl) contre un ratio théorique nettement supérieur et qui avoisine les 1.9 Nm3/t-cl.

Afin de confirmer ces valeurs, il est demandé au service procédé de l’usine de mesurer les consommations électriques des ventilateurs de tirage et voir s’il ya concordance avec la consommation et le volume tiré. Cette intervention pourrait être réalisée lors d’une mission d’accompagnement pour le réglage des débits aérauliques. 

Un écart souvent important entre la marche de la ligne sud et celle nord. En effet, on peut voir que dune part il ya manque d’oxygène dans la Tour (les valeurs sont faibles) et que l évolution de l’oxygène a la ligne nord est plus stable par rapport au sud et la variation de la température gaz est de même :

Il est clair que la ligne Nord est plus stable que celle du sud qui présente des variations et fluctuations au niveau des gaz traversant les cyclones. Pour le Co, la valeur mesurée au niveau de la boite à fumée est de 0.327%, valeur jugée grande ce qui pourrait laisse entendre que la combustion au niveau bruleur n’est pas totale et qu’il ya lieu de travailler sur l’air de combustion. Ceci étant constaté par le présence d’une importante quantité de Co au niveau du 3 étage d’où possibilité de poste combustion et ou un étranglement ( 1% d’oxygène et 0.7 % Co ). Il faut absolument et au premier arrêt du four inspecter les cyclones 3. A la sortie de la tour, cette valeur est de 0.247 % pour la ligne Nord et de 0.286% pour la ligne sud, également estimées élevée (oxygène faible), ce qui nécessite de travailler sur le tirage.


19


8.4

Air faux préchauffeur

La mesure d’Air faux au niveau des étages du Préchauffeur à été calculée en fonction de % oxygéné entrée et sortie de chaque étage de cyclone. Nord

Sud

% O2

% O2 moyen

Température moy % AF

Sortie PC

2,61%

2,39%

2,50%

306,5

Etage 1

2,61%

2,23%

2,42%

310,8

-0,75%

Etage 2

1,77%

1,08%

1,43%

482,5

-3,00%

Etage 3

0,672%

0,970%

0,82%

657,5

-7,04%

Etage 4

0,49%

0,660%

0,58%

816,5

-3,34%

Nous pensons que les valeurs calculées d’air faux au niveau préchauffeur sont acceptables. Il est important de signaler que le max à été enregistré entre l’étage 2 et 3 (il faut vérifier surtout les portes de visites et leurs étanchéités et l’existence d’éventuels bouchages au niveau de cyclones 3) D’après le bilan aéraulique, il est estimé à 1000 kg/h

8.5

Pertes thermiques virole four et Préchauffeur et refroidisseur

TVS

Total Pertes chaleur temp. Ambiante

Description

Pertes totale

PRECHAUFFEUR

6,8 kcal/kg cl 19 °C

926 Kcal/h

Pertes chaleur 38,8 kcal/kg temp. Ambiante 19 °C Surface 1296,85 m2 Pertes totale 4089 Kcal/h/m2 Four:

Refroidisseur: Pertes chaleur

15 kcal/kg

Les pertes thermiques au niveau de la virole du four sont de l’ordre de 38,8 th/t-cl soit environ 2.8 % de la consommation totale. La variation de la température de la virole est presque bonne. La moyenne mesurée sur les 40 premiers mètres est de 250° C. Nous pensons que cette perte est dans les normes et est en fonction de l’état du four (présence d’anneaux : contribue au refroidissement de la virole) et a la durée de vie des réfractaire


20

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Bien que les cyclones des étages 1 et 2 sont en parfaite état, Pour le préchauffeur, la perte est de 6,8 th/t-cl jugée élevé. Les cyclones C4 contribuent avec 30% à cette perte (problème de jupe) Pour les cyclones 3, il ya un déséquilibre entre les deux lignes et une inspection s’impose au premier arrêt Le profil au niveau Four est comme suit :

Figure 6 : Pertes parois four

8.6

Air de refroidissement et efficacité refroidisseur

Malgré que la quantité d’air de refroidissement mesurée et qui est de l’ordre de 1.83 Nm3/Kg-clinker parait suffisante pour obtenir un clinker a température <100° C, la répartition de cette quantité d’air n’est pas du tout équitable au niveau refroidisseur ce qui laisse que l’équilibre aéraulique est totalement en désordre. En effet, les mesures montrent que plus de 63% de l’air soufflé est fourni par les VN 1 à 4 alors qu’en marche normale ils doivent être aux alentours de 45%. Cette répartition (faute de l’arrêt des ventilateurs 7 et 8 qui travaillent à clapet fermé) avec un mauvais suivi au niveau salle de contrôle pour moduler les vitesses grilles et répartir l’air comme il se doit. Un meilleur contrôle des pressions chambres donc le talus de matiére induira certainement a une meilleur récupération de chaleur et augmenter par conséquent la température de l’air secondaire En absence d’énergie nécessaire à la zone de clinkerisation, le cuiseur fait appel a plus de Gaz au niveau Four pour produire un clinker a chaux libre <1.5%. Cette situation a fait que l’équilibre aéraulique au niveau refroidisseur est déplacé vers l’aval et on se trouve avec un excès d’air exhaure refroidisseur faible et une température de clinker de l’ordre de 240°C.


21

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Designation Air refroidissement Air primaire Air nosering Air exhaure ref roidisseur Air secondaire fumées de décarbonatation Sortie prechauffeur

Nm3/h 249897 8273 5609 215333 40352

215333

20 26 26 362 1020

Kg/h 322367 10672 7235 246656 10990

Nm3/kg clinker 1,829 0,061 0,041 1,399 0,295

Kg/kg clinker 2,359 0,078 0,053 1,805 0,080

357

120472

0,284 1,576

0,000 0,882

t °C

Rapport (Air primaire/(air primaire + air secondaire))

17,01%

La répartition des airs est comme suit : ENTRRE Air refroidissement Air nosering Air Primaire Air faux

Nm3/kg clinker 1,83 0,041 0,061 1,04

35%

Entrées (Nm3/Kgcl) Air Primaire Air Nosering Air secondaire Fumées réelles Air Faux

tpchauf 0,061 0,041 0,295 0,284 0,895

Sorties Tour Préchauffeur

tpchauf 1,576

2,97

SORTIE Air Préchauff Air exhaure ref

Refroidisseur Entrée Air refroidissement Air faux Total

Nm3/kg clinker 1,576 1,399 2,97

Nm3/kg cl

47%

Sortie Air 1,399 secondaire 0,295 Exhaure 1,694

Nm3/kg cl 0,295 1,399 1,694

Ceci donne un rapport AP/(AP+AS) de 17 %. Il est clair qu’il faut revoir la quantité d’air primaire mais aussi la répartition de l’air de refroidissement. Le jour du bilan, le circuit exhaure refroidisseur est presque en pression. Sachant que le mélange air / combustible dans les fours rotatifs se réalise de façon irrégulière, incomplète et lente, La flamme reste dépourvue d’air dans la zone voisine de l’injecteur. Le flux central des gaz chauds a une vitesse initiale plus élevée que le flux périphérique d’air secondaire. Cette différence de vitesses se réduit à la mesure que les deux flux avancent vers la boîte à fumée. Le flux extérieur facilite au flux central l’oxygène pour la combustion. On a déjà remarqué la présence simultanée d’oxygène et de monoxyde de carbone dans les gaz à la boîte à fumée


22


8.7

Bilan thermique complet ligne cuisson (Préchauffeur, four et refroidisseur)

Le bilan de la ligne de cuisson tel que mesuré le jour de l’audit reflète parfaitement ce qui à été observé et ce que l’usine consomme depuis un bon moment En effet, les principales observations faites le jour de l’audit tournent principalement sur les pertes thermiques au niveau préchauffeur, four et surtout refroidisseur.

Entrée Alimentation four + poussière Air primaire+nozering Air Faux Air de refroidissement Gaz naturel Combustibles matière première Combustible TOTAL Sortie Perte poussière Gaz sortie CO dans les gaz Radiation TVS Radiation virole four Bypass gas Bypass poussière Sechage farine Radiation refroidisseur Chaleur de reaction Indeterminée ( 1%) TOTAL

Temp °C 85 26 26 20 25

Cp Kcal/kg/°C 0,200 0,450 0,350 0,350 0,278

Chaleur Kcal/kg 31,595 0,6 0,024 0,016 0,643 0,000 1 041,7 1 074,6

0,309 0,877 0,000

20,8 96,0 0,0 6,8 38,8

0,003

1,9 491,5 405,4 13,5 1 074,6

11 258

306 306

0,220 0,358

Consommation spécifique suvant bilan thermique


Quantité kg/kg clinker 1,859 0,0529 0,0027 2,359 0,093

1 041,8 Kcal/kg

23


Figure 7 : Bilan par catégorie d’usage énergie four

Il apparait une énorme énergie perdue au niveau du refroidisseur.

8.8

Bilan du refroidisseur

8.8.1

Débit de soufflage au refroidisseur

Densité 1 mm CE Production P0

1,290 kg/m3

à 0 °C

Date:

13/11/2012

9,81 Pa 136,7 t/h 930 mmg

VN t (°C)

1

21

2

19

3

Pst (mmCE)

pdy (mmCE)

pdy (Pa)

Vitesse (m/s)

Ø (m)

Section (m²)

Débit (m3/h)

Débit (Nm3/h)

ρ (kg/m3)

Débit (kg/h)

11,342

0,500

0,1963

8017

7452

1,1991

9 613

0,78

0,800

0,5027

1419

1325

1,2044

1 709

21

27,160

0,900

0,6362

62202

57818

1,1991

74 586

4

19

24,400

1,100

0,9503

83477

77939

1,2044

100 541

5

19

23,115

1,000

0,7854

65356

61020

1,2044

78 716

6 7 8

19 0 0

20,74

0,900

0,6362

47494

44343

1,2044

57 203

TOTAL

20

82

37,77143

0

0

26,4 258,98

249 897

322 367

4165 Ratio de soufflage

1,829 Nm3/kg clinker 2,359 Kg/kg clinker

Le débit d’air soufflé est de 1,829 Nm3/kg clinker. Les ventilateurs 7 et 8 étaient en arrêt total lors de la campagne de mesures.


24

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Les gaz d’exhaure sortie du refroidisseur VN

t Pst pdy pdy (°C) (mmCE) (mmCe) (Pa)

Exhaure Nord Exhaure Sud TOTAL

Vitesse (m/s)

Section (m²)

Débit (m3/h)

353

89

2

21

8,54

7,1775

220 690

370

102

2

21

8,66

7,1775

223 666

362

Débit (Nm3/h) 96 243,35 94 962,56

ρ (kg/m3)

0,5626

124 154

0,5477

122 502

191 205,91 Ratio de soufflage

246 656

1,399 Nm3/kg clinker 1,804 kg/h

Les températures d’air exhaure aval sont assez élevées.

Les mesures de température clinker qui ont été faites à la jetée du four et en sortie du refroidisseur sont : -

Température clinker jetée four : 1050 °C Température clinker sortie refroidisseur : 250 °C. Température de virole exhaure dépasse les 280 °C

La température clinker est assez levée, il y a lieu de s’approcher de 140 °C, moyennant : -

Une bonne répartition d’air de refroidissement Bilan gazeux du refroidisseur

Entrée Air refroidissement Air faux Total

Sortie Air 1,399 secondaire 0,295 Exhaure 1,694

Nm3/kg cl

Nm3/kg cl 0,295 1,399 1,694

Sur la base de ces chiffres l’air faux du refroidisseur est de 0,295 Nm3/k clinker, ce qui représente 21% des airs de refroidissement, c’est énorme. La fermeture des ventilateurs V7 et V8 pour de raisons de process (niveau max au niveau intensité du moteur ventilo ) a fait que : Insuffisance d’air soufflé sous la dernière chambre les derniers mètres du refroidisseur ce qui a fait que la température du clinker dépasse les 200°C. - Chute de La température de l’Air secondaire L’énergie récupérée est par conséquent diminuée, ce qui donne un rendement de refroidisseur faible. -


Débit (kg/h)

25

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson 8.8.2

Bilan thermique refroidisseur

Usine:

CIOK

Entrée

Débit

Kg/kg Clinker 1,000 Poussière 0,150 Air refroidissement 2,359 Energie ventilateur kWh/t 6,94 Eau inj. 0,000 Total entrée Sortie Flow Kg/kg Air secondaire 0,804 Humidité air secondaire 0,050 Air d'exhaure **) 1,805 Poussière aire d'exhaure (2) 0,100 Clinker 0,900 Perte paroie Energie sens. +latente eau 0,00 tion of water **) Clinker + poussière 1,00 Total sortie Difference *) mean from 0°C

14/11/2012 Nm³/kg

1,829

Nm³/kg cl. 0,295 0,3 1,492

Temp. °C 1020 1020 362 362 248

Chaleur (kcal/kg cl) Ref = 0 382,8 57,4 11,9 6,0 0,0 458,1 Cp kcal/kg cl Kc/kg/°C Ref = 0 0,337 276,4 0,241 12,3 0,240 156,6 0,189 6,8 0,189 42,2 15,0 580 0,0

1020

0,241

(49,0) 509,3 -51,247

**) Steam data from injected w ater included in excess air.

Calcul des pertes du refroidisseur Perte actuelle = sans récupération dans le système du four - reference température ambiante Perte refroidisseur, VDZ definition Total des pertes avec temp.0°C (input not considered) Efficacité

Temp. Cp * °C (Kc/kg/°C) 1450 0,264 1450 0,264 21 0,240 0,860 21 1,000

214,6 220,6 220,6

44% = (382,8 - 214,6)/382,8 * 100% 42% = (382,8 - 220,6)/382,8 * 100%

= + = + =

+ 156,6 + 6,8 + 42,2 + 15,0 -49,0 - 6,0 + 156,6 + 6,8 + 42,2 + 15,0 -49,0 + 156,6 + 6,8 + 42,2 + 15,0

Ref. amb. Ref. amb. VDZ basis

Le rendement du refroidisseur est de 44%, ce qui reflète un taux de récupération très faible affecte directement la température de l’air secondaire et à l’efficacité d’échange thermique air/clinker.


26


Figure 8 : bilan énergie par vecteur d’énergie

8.8.3

Commentaires

En conséquence d’un débit de soufflage mal réparti, la température du clinker à la sortie du refroidisseur reste trop élevée : environ 250 °C. Le rendement faible du refroidisseur est du principalement à : -

-

Des pressions assez basses sous les caissons, qui résultent d’une couche de clinker hétérogène voir mince menant a une chute de la température de l’air secondaire et à un tirage préférentiel. La neutralisation des derniers caissons sont la cause d’un refroidissement insuffisant du clinker en bout de grille. Vitesses de grilles ne concordent pas avec les airs soufflées sous grilles Les points de fonctionnement des ventilateurs sembles êtres déplacées, L’équilibre aéraulique du refroidisseur est déréglé, il faut chercher le point zéro

De telles perturbations ont plusieurs conséquences négatives: -

Perte de débit du four Risque de détérioration des plaques et de la structure du refroidisseur par surchauffe. Echauffement excessif du circuit d’exhaure aval, qui présente d’ailleurs des difficultés de fonctionnement du refroidisseur permettrait d’en limiter les conséquences négatives.

Une autre campagne de mesures au niveau refroidisseur est demandée afin de cadrer les différents flux et surtout vérifier les informations qui arrivent à la salle de contrôle. Il est également souhaité de procéder à une vérification des débits des ventilateurs en fonctions d’énergie consommée (abaque des ventilos).


27


9

Rendement en dépoussiérage des cyclones

Le calcul de rendement de dépoussiérage des cyclones a fait appel au principe suivant : Echantillonnage matière cyclones Calcul du taux de transformation Calcul des débits alimentation et sortie cyclones en matière et poussières NB : cette méthode permet d’évaluer le rendement en dépoussiérage de chaque cyclone via la formule suivante : Rendement = cyclone

an / (an + dn) avec an : matière entrée cyclone, dn : poussières sortie

NB : Les détails de calcul sont en annexe (fichier Excel) Les résultats de taux de transformation par cyclone sont les suivantes :

Alim.

Petre au Feu

Transformation

Transformation Corrigée

0,3542

-

-

C1-N

293

0,3438

4,47%

4,47%

C1-N Bis

297

0,3441

4,35%

4,35%

C1-S

293

0,3429

4,86%

4,86%

C1-S Bis

302

0,3430

4,81%

4,81%

C2-N

480

0,3389

6,53%

2,22%

C2-S

485

0,3384

6,74%

2,01%

C3-N

637

0,3056

19,76%

14,15%

C3-S

652

0,3121

17,28%

11,30%

C4-N

807

0,1898

57,29%

46,77%

C4-S

815

0,2000

54,42%

44,90%

Les rendements en dépoussiérage des cyclones sont ainsi :

an

dn

Rendement Dépoussiérage

C1-N

1,1246

0,1030

91,61%

C1-S

1,1028

0,1010

91,61%

C2-N

1,4425

0,3606

80,00%

C2-S

1,3541

0,3385

80,00%

C3-N

1,5264

0,6542

70,00%

C3-S

1,3408

0,5746

70,00%

C4-N

0,8656

0,7083

55,00%

C4-S

0,5549

0,5105

52,08%


F C B (Tour PC)

93%

80%

72%

60%

28


On peut conclure que globalement, que les rendements des étages supérieurs sont acceptables alors qu’au niveau des cyclones 4, les rendements sont faibles et très probablement a cause de manque des jupes cyclones et par conséquent il ya un manque de transfert de chaleur entre matière et gaz d’une part et un effet de cyclonage faible ( on voit que l’entrée est presque égale à la sortie), ceci entraine évidement un manque de décarbonatation de la matière et nécessite par conséquent un appoint de chaleur pour le démarrage de la décomposition de CaCO3 . Comme on le sait, La présence de la jupe au niveau d'une cyclone assure le temps de contact nécessaire entre le gaz et la matière pour une bonne transformation ainsi que la décantation de la matière (épuration davantage des gaz chargés en poussières à la sortie du cyclone). Il est conseillé devant cette situation de veillez toujours a ce que les contres poids travaillent correctement pour évacuer d’avantage la matière vers l’étage inférieur

9.1

Balance éléments volatils

L’analyse des échantillons recueillis a partir des cyclones a donné la balance suivante : Entrées % Alimentation Four

Combustible Chaleur Spécifique consommation

SO3 (AF) SO3 (C4) K2O Na2O CL S PCS

A/S

0,46 0,96 0,35 0,09 0,016 0

0,87

52,4%

Fourchette

0,80,7 et 0,8
Au niveau entrée, le rapport alcalis /Sulfates sort de la fourchette normale et ce par suite d’une concentration élevée au niveau de la Farine. Toute fois, ce rapport est lié avec la volatilité du soufre calculée à 53% et qui est acceptable. Ces conditions permettent de dire qu’au niveau entrées, la situation est tolérable mais avec attention pour un contrôle plus rigoureux de l’SO3 au niveau matiére première. Au niveau sortie, nous avons :


29

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Sorties % Clinker

Emissions SO2 (mg/Nm3)

0,63 0,46 0,06 0,011

SO3 K2O Na2O CL SO2

% Clink

0,96 1,06 0,192

SO3 K2O Na2O CL

Farine Chaude

Le rapport sorties /entrée de sulfates donne : 0.63/0.96 soit 64% (faible) seulement qui sortent avec le clinker et le reste est intégré dans le cycle interne et est complexé avec d’autres éléments mineurs. Afin de prévoir des bouchages cyclones, ci après la table des consignes :

Circulation des élements Volatils (Préchauffeur 4 Etages /Précal) % Constatations

élement Chlore

<0,02% > 0,05%

Cas normal, Pas de Problémes faibles tendances au bouchage en fonction du cycle de soufre

SO3

<0,5% >1,25% <1% > 1,5%

Cas normal, Pas de Problémes tendance aux bouchages cyclones Cas normal, Pas de Problémes Problémes avec encrustations ( fonction degré sulfatisation) L'impact est faible , peu volatil et pas de problémes liées a la circulation de Na2O

K2O Na2O

9.2

Analyse granulométrique farine four et Aptitude à la cuisson

L’objectif de ce test de voir la répartition granulométrique par fraction, faire l’analyse chimique de chaque coupe et déterminer l’aptitude à la cuisson de la farine Cette analyse à été faite sur Granulométre laser a donné la répartition suivante : X Q3 q3 X Q3 q3 X Q3 q3

0,30 96,28 2,28

0,50 92,23 1,97

0,70 89,89 1,72

1,00 86,87 2,10

1,40 82,47 3,24

2,00 74,95 5,23

2,60 68,09 6,48

3,20 62,77 6,35

4,00 57,76 5,57

5,00 53,59 4,63

6,00 50,57 4,11

8,00 46,14 3,82

10,00 43,01 3,48

12,00 40,65 3,21

15,00 37,84 3,12

20,00 33,89 3,40

25,00 30,34 3,95

32,00 25,91 4,45

36,00 23,68 4,69

45,00 19,33 4,83

56,00 14,93 4,99

63,00 90,00 12,58 6,70 4,95 4,09


112,00 140,00 180,00 224,00 280,00 315,00 400,00 4,14 2,23 0,75 0,12 0,00 0,00 0,00 2,90 2,12 1,46 0,71 0,13 0,00 0,00

30

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Nous pouvons déjà voir que plus de 70% sont inférieur à 32 microns et sachant que les réactions dans le four se fassent en phase solide et que ce genre de finesse trop basses laisse que le phénomène de diffusion soit ralenti et il ya risque que les vitesses de réactions soient également lentes d’où possibilité de faire des anneaux de poussières. Au niveau aptitude à la cuisson, le calcul de l’indice de cuisson à donné une valeur de 2.7 à la limite mais jugée normale. Ci parés le calcul de cet indice qui renseigne également sur la valeur de la chaux libre selon la température de clinkerisation :

P%

> 160

90-180

40-80

<40

0,86

6,48

18,86

73,8

SIO2

14,03

14,93

16,58

15,51

12,93

AL2O3

3,53

3,42

3,58

3,66

3,54

FE203

2,21

2,13

2,09

2,09

2,19

CAO

42,37

42,07

42,59

41,59

42,56

KSTD

94,25

88,96

81,78

84,57

101,63

LSF

0,94

0,89

0,82

0,85

1,02

MI

2,14

2,05

1,91

1,96

2,28

MS

2,44

2,69

2,92

2,70

2,26

MF

1,60

1,61

1,71

1,75

1,62

DSIO2

0,90

2,55

1,48

-1,10

DAL203

-0,11

0,05

0,13

0,01

DFE2O3

-0,08

-0,12

-0,12

-0,02

dcao

-0,30

0,22

-0,78

0,19

DKST

-5,29

-12,47

-9,68

7,39

DMS

0,25

0,48

0,25

-0,19

DMI

-0,09

-0,23

-0,19

0,14

DMF

0,01

0,12

0,15

0,02

HINDEX

0,05

0,81

1,83

-5,45 2,77

Nb : les détails de calcul sont sur fichier Excel Indice d’aptitude à la cuisson

Aptitude

< 0.5

Bonne

0.5-3

Normale

3-6

difficile

6

Très difficile


31


10 Efficacité des silos d’homogéneisation Bien que le nombre d’échantillons n’est pas important pour pouvoir se décider sur l’efficacité des silos homo, le rapport d’écart type de CaCO3 (entrée/ sortie) est dans la limite supérieur (0.933) et est acceptable et ceci montre que les silos fonctionnent sauf si le niveau le jour de l’essai était bas et par conséquent les variations ne sont pas signifiantes. Les analyses donnent : Heure 5H30 7H30 9H30 10H30 11H30 12H30 13H30 14H30 Moyenne

CaO

Sio2

43,07 41,68 42,17 42,74 42,31 42,4 42,14 42,38 42,36 0,41

ECART TYPE

CaO 7H30 8H30 9H30 10H30 11H30 12H30 13H30 14H30 Moyenne ECART TYPE

Al2O3

14,22 14,24 14,23 13,91 14,01 13,89 13,90 13,90 14,04 0,16

Sio2

41,51 41,91 42,35 42,68 42,66 42,33 42,31 42,24 42,25 0,38

3,54 3,57 3,73 3,48 3,57 3,49 3,40 3,40 3,52 0,11

Al2O3

14,46 14,05 14,17 13,88 13,93 14,01 14,05 13,9 14,06 0,19

Fe2O3

2,36 2,21 2,12 2,18 2,15 2,24 2,18 2,24 2,21 0,07

Fe2O3

3,69 3,53 3,48 3,39 3,39 3,36 3,52 3,33 3,46 0,12

ALIMENTATION FOUR MgO K2O SO3

2,19 2,22 2,07 2,12 2,13 2,17 2,24 2,24 2,17 0,06

0,59 0,59 0,58 0,58 0,58 0,58 0,58 0,57 0,58 0,01

Mgo

0,36 0,36 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,35 0,00

Kulth

0,45 0,46 0,46 0,45 0,46 0,45 0,45 0,44 0,45 0,44

SORTIE BROYEUR K2O SO3

0,60 0,58 0,59 0,58 0,58 0,57 0,58 0,57 0,58 0,01

0,36 0,35 0,35 0,34 0,34 0,36 0,34 0,35 0,35 0,01

MS

96,10 92,92 93,74 97,54 95,74 96,82 96,44 96,94 95,78 1,62

Kulth

0,46 0,45 0,45 0,46 0,44 0,45 0,45 0,46 0,45 0,01

91,01 94,64 95,15 97,12 97,55 97,06 95,60 96,97 95,64 2,15

A/F

2,41 2,46 2,43 2,46 2,45 2,42 2,49 2,46 2,45 0,03

MS

CaCO3

1,50 1,62 1,76 1,60 1,66 1,56 1,56 1,52 1,60 0,08

A/F

2,46 2,44 2,55 2,52 2,52 2,53 2,44 2,50 2,50 0,04

76,91 74,43 75,30 76,32 75,55 75,71 75,25 75,68 75,65 0,7393

CaCO3

1,68 1,59 1,68 1,60 1,59 1,55 1,57 1,49 1,59 0,07

74,13 74,84 75,63 75,63 76,21 76,18 75,59 75,55 75,47 0,6899

Le rapport écart type CaCO3 (entrée)/Sortie est égal =0.933. Selon les responsables CIOK, l’efficacité est loin de l’être (a vérifier par une campagne minimale de 48 Heures )

11 Analyse de la Flamme La flamme et lors de l’audit apparait comme un peu large, intense sans pour autant être conique forme conseillée lors de l’utilisation du gaz naturel comme combustible. Pour atteindre cette forme, il faut que le constituant axial du gaz naturel se situe au centre du nez du brûleur et le radial soit de façon concentrique. On trouve que la flamme est légèrement dirigée vers le talus de matière. Il faut revoir la pression de l’air radial pour recentrer la flamme


32

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson CROQUIS D’UNE FLAMME CONIQUE

LEGENDA

Air secondaire

Zone d’échauffement et de craking

Gaz en combustion

Gaz à fumée

[1]. HOLDERBANK. Second Cement Seminar on Process Technology. 1989

12 Comparaison avec l’audit 2010 Unité Production Faine clinkerisable Facteur Farine/clinker Cons. specifique thermique


t/h t/h Kcal/kg clinker

Audit 2010 140,1189591 249 1,777 831,063

Bilan 2012 Observations 136,666 Diminution de la capacité de 8% 254 Ration très élevée en 2012 1,859 1041,417

33

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Combustible Gaz naturel PCI Four Precalcinateur

Unité Nm3/h

Audit 2010 12966

Kcal/Nm3

8981

9004

Nm3/h

10863

13438

Nm3/h

2104

2369

84%

Four Precalcinateur Préchauffeur Débit gaz sortie calculée O2 (sortie) CO2 CO EA débit air faux +exces d'air Vair excés/Gaz Prechauf. Decarbonatation Cy 4 Débit poussière Efficacité dépoussièrage préchaufeur Pertes radiation/convection

Combustible Four Boîte à fumeés Température gaz Pression statique gaz O2 CO2 CO EA Débit air primaire Air primaire/air combustion four Débit d'air secondaire

16%

Nm3/h Nm3/kg cl Nm3/h

225 000,00 1,606 204 000,00 3%

16,1% 23 811,00 0,1699 11%

Nm3/h Nm3/kg cl

t/h kg/kg clinker

6 0,043

Kcal/kg cl

Unité

Audit 2010

°C mmCE

Débit d'air excés (exhaust)


215 333,00 1,576 196 091,86 3% 23% 0,267% 11,8% 19 310,72 0,1413 9% 54,42 42 0,307 91% 23,2

963

910

0,70%

1,40%

Nm3/h Nm3/kg cl Nm3/h Nm3/kg cl

60 290,00 0,430

24,20% 0,15% 6,6% 8 273 0,0605 7,5% 40 351,65 0,295

°C Nm3/h

28,00 958,00

140,00 247 564

Nm3/kg cl

1,77

Nm3/h Nm3/kg cl

138 000 0,98 56%

Exhaure/refroidissement Température d'air d'exhaure Pertes radiation/convection Rendement VDZ coller loss Standarts cooler loss

Une augmentation de la 85% consommation du fuel au niveau du four 15%

38,25% 0,38% 3,3% 6 205,34 0,0443

air primaire/(air secondaire+air primaire) Pertes radiation/convection Kcal/kg cl Temperature air secondaire °C

°C

264,00

Kcal/kg clinker

10,00 64% 139,00 143,00

Kcal/kg clinker Kcal/kg clinker

La quantité du gaz augmenté au niveau du four est de 23 %

Bilan 2012 Observations

9%

Refroidisseur Température clinker Débit air souflé

Bilan 2012 Observations 15807

Il ya augmentation de la proportion de 17% l'utilisation de l'air primaire au niveau du four 38,8 1020

248 249 897 1,83

Le débit d'air souflé est trop peu, il devrait être aux alentours de 2,5 Nm3/kg cl

191 206 1,40 77% La récupération est trop faible Température élevée (normalement aux 362 alentours de 250 °C) 30 Perte élevée 43% Rendement très bas 233,4 180

34

CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson Entrée de chaleur Sensible Farine Combustible (four + Precal.) Air primaire Air de refroidissement du clinker Combustible Total Sortie de chaleur Sensible Gaz à la sortie préchauffeur Poussière préchauffeur Clinker Air d'exhaure Clinkerisation Radiation et convection Prechauffeur Four Refroidisseur Indeterminé Total

REFFOIDISSEUR Entrée de chaleur Sensible Clinker Poussière Air de refroidissement du clinker Sortie de chaleur Sensible Air secondaire Clinker Air d'exhaure Radiation et convection Rendement


Résumé du bilan thermique (ref= 0°C) Kcal/kg clinker Kcal/kg clinker 47,97 32,86 32,51 31,59 0,48 0,64 0,92 0,61 14,05 0,016 782,51 1 041,66 1 074,53 Kcal/kg clinker 96,03 2,47 26,90 91,60 405,00 45,53 6,2072 35,53 10,00 300,00 750,53

Kcal/kg clinker 337,38

126,9 7,10 46,87 156,55 405,38 77,00 23,20 38,80 15,00 222,00 1 041,75

Résumé du bilan thermique (ref= 0°C) Kcal/kg clinker Kcal/kg clinker 436,80 452,11 436,80 452,11 383,80 382,80 38,40 57,42 14,60 11,89 346,20 336,20 207,70 26,90 91,60 10,00 63,5%

505,20 490,20 276,43 Pertes augmentées 42,18 Pertes augmentées 156,58 Pertes augmentées 15,00 Pertes augmentées 44%

35


13 Plan d’actions Désignation Déséquilibre aéraulique au niveau Refroidisseur

Incohérence -la quantité d’air soufflée est assurée uniquement par les 6 premiers ventilateurs -la quantité d’air exhaure est très faible -la température de clinker est anormale >240°c

Actions à entreprendre Revoir la répartition de la quantité d’air de refroidissement soufflée

Délais En cours de marche

Responsable Service Procédé Service Production

Rapport Air /Combustible

Le mélange air / combustible dans les fours rotatifs se réalise de façon irrégulière, incomplète et lente. IL faut que l’air primaire soit en quantité suffisante ( L min + Excès d’air) afin d’assurer une combustion complète Dans notre cas, le rapport (AP/(AS+AP)) est de 6 % alors qu’il doit être aux alentours de 15% Le rapport alimentation farine par rapport au clinker produit est trop élevé : 1, 86 contre auparavant 1.77, ce qui laisse entendre que plus de 5% de farine sont perdues (donc collées sur les paroirs du PC) et ne participent pas aux réactions de clinkerisation. Le tirage des gaz à fumée entraîne de préférence les particules les plus légères et fines, c’est-à-dire les particules de Ca0. Le tirage de poussière est plus intense dans la zone de calcination. La matière en cours de cuisson reste plus pauvre en Ca0 et devient plus fusible, augmentant la tendance à la formation d’anneaux Le profil tel que mesuré stipule la présence d’étranglement au niveau étage 3 avec possibilité de présence de sources d’air faux anormal en ce niveau A la sortie de la tour, le débit d’air mesuré confirmé par un faible taux d’oxygène (2.5%) , une valeur faible ( on doit être aux environs de 3.5%) .

Revoir la quantité d’air primaire en parallèle avec les ajustements qui seront faites sur le refroidisseur

En cours de Marche

Service Procédé Service Production

Afin de confirmer, il faut faire un étalonnage du doseur four suivi d’un pesage de clinker ( 12 heures min)

En cours de Marche

Service régulation Service fabrication

Inspection du préchauffeur surtout au niveau cyclones 3 pour détecter s’il ya un étranglement quelque part Revoir l’état interne des ventilateurs de Tirage (inspection) et refaire les mesures aérauliques ainsi que le profil d’oxygène pour confirmer et/ou éliminer cette source d’incohérents On peut faire également des mesures électriques au niveau ventilateurs de tirage et faire les correspondances nécessaires

Au premier arrêt du Four

Absence de jupes au niveau étages inférieurs (le rendement en dépoussiérage et rendement thermique est faible) Pertes énormes par radiation au niveau refroidisseur et surtout caisson ventilateur exhaure

Inclure comme tache privilégiées dans le planning annuel d’entretien de la ligne Cuisson

Au premier arrêt programmé (annuel) du four

maintenance

Inclure comme tache privilégiées dans le planning annuel d’entretien de la ligne Cuisson

Au premier arrêt programmé (annuel) du four

Production +Maintenance

Rapport cru /clinker

Ségrégation dans le four

Profil d’oxygène

Jupes Cyclones

Virole refroidisseur ventilateur exhaure

BCE

et

on doit travailleur avec une saturation plus élevée que la théorique. Le tirage des gaz à fumée doit aussi être ajusté de façon que l’excès d’air soit suffisant à l’obtention d’une combustion complète

Laboratoire Production

Production

Service électrique

36 Tous droits réservés


14 Recommandations La CIOK passe a une consommation spécifique d’énergie thermique asses élevée de une actuellement pour la fabrication de la chaux, est très ancienne, elle date du 18ème siècle. Th/tclinker, dépassant th/tclinker. La surconsommation coute environ 6000 000 dinars/an pour la CIOK. L’amélioration peut être conduite sur deux volets :    

Revoir la marche du refroidisseur et tout ce qui est en relation avec l’aéraulique Etude carrière Assistance technique Formation du personnel du process et opérant

L’équilibrage aéraulique est remarqué au niveau du refroidisseur mais il ne peut être réalisé globalement que moyennant des essais à court terme (6 mois environ) avec analyse de la matière première. Quant à l’étude de carrière permet de mettre à jour l’exploitation de celui-ci en fonction de la qualité de différentes catégories de la matière et d’apporter les rectifications nécessaires en matière de la préparation de la matière première. Cette action est estimée à environ 80000 dinars. L’assistance technique est nécessaire et même urgente de faire dépêcher sur place un expert procédé en vue d’aider la CIOK à retrouver les points de fonctionnement de ces différents équipements. Cette action est estimée à environ 250 000 dinars. La formation du personnel opérant et du staff du procédé devrait se faire périodiquement avec des outils de mesures et de calculs. Les principaux thèmes concernent notamment ; -

La chimie du ciment Les mesures Les bilans thermiques Les rendements et l’efficacité des échangeurs (EVS et refroidisseur).

En plus, ils doivent visiter des cimenteries d’autres groupes en Tunisie ou à l’étranger. Il est temps que la CIOK prépare une nouvelle génération pour prendre en main l’installation.


37

BILAN THERMIQUE D'UNE LIGNE DE CUISSON

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