PFE Briand Alain_Apport énergétique du tourteau de palmiste

PROJET DE FIN D’ETUDES INP - HB

A tous les membres de la famille DELLOH. … sans oublier Mlle Adeline KOUASSI.

BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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REMERCIEMENTS

Nous ne saurions présenter les résultats de notre projet de fin d’études sans toutefois exprimer notre gratitude à l’égard de toutes les personnes et structures y ayant contribué. Nous pensons à : la Direction du Conseil et Développement Industriel (DCDI) de PALMCI, plus particulièrement à : • M. KOFFI Eloi (Directeur du Conseil et Développement Industriel) pour nous avoir autorisé à effectuer un stage à l’huilerie d’Iboké, • M. BADO Yacouba (Chef de service Production et Distribution Vapeur), notre tuteur de stage pour la supervision de nos travaux, • MM. YEO Adama (Chef d’huilerie – Iboké) et KOUAME Raymond (Chef d’entretien – Iboké) pour leurs conseils et encadrement « sur le terrain », • Mlle. KISSIEDOU Valérie (Chef de Production– Iboké) et M. KACOU Vincent (Chef du laboratoire n°2) pour les conseils et l’hospitalité dont nous avons bénéficié de leur part, • l’ensemble du personnel de l’huilerie d’Iboké pour sa collaboration ; la Direction et le personnel enseignant de l’Ecole Supérieure d’Industrie, pour l’encadrement dont nous avons bénéficié durant ces années de formation ; M. GBAHA Prosper, notre encadreur pédagogique pour sa disponibilité et ses conseils. Nous remercions également toutes les personnes qui, de près ou de loin, ont contribué à notre formation.


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AVANT - PROPOS Eu égard à la place qu’occupait l’agriculture, l’industrie, le commerce et l’architecture dans son processus de développement, la Côte d’Ivoire s’était dotée de quatre (4) grandes écoles, à savoir : • l’Institut Agricole de Bouaké (IAB), • l’Institut National Supérieur d’Enseignement Technique (INSET), • l’Ecole Nationale Supérieure d’Agronomie (ENSA), • l’Ecole Nationale Supérieure des Travaux Publics (ENSTP). Dans le souci d’optimiser la gestion de ces écoles, il fut crée par le décret présidentiel n° 96-678 du 04 septembre 1996, l’Institut National Polytechnique Félix Houphouët-Boigny de Yamoussoukro (INP-HB) fruit de la fusion des écoles citées plus haut. De cette unification, six (6) nouvelles écoles virent le jour, à savoir : • l’Ecole de Formation Continue et de Perfectionnement des Cadres (EFCPC), • l’Ecole Supérieure d’Agronomie (ESA), • l’Ecole Supérieure des Travaux Publics (ESTP), • l’Ecole Supérieure des Mines et de la Géologie (ESMG), • l’Ecole Supérieure de Commerce et d’Administration des Entreprises (ESCAE), • l’Ecole Supérieure d’Industrie (ESI). Cette dernière, notre école d’origine, compte deux cycles de formation (D.U.T, Ingénieur de conception) où sont dispensés des cours dans diverses spécialités du monde industriel (énergétique, informatique, mécanique, etc.). Pour achever la formation qui y est dispensée, un stage d’une durée de trois (3) mois est prévu pour les élèves en fin de cycle, stage permettant à l’élève de confronter ses connaissances théoriques aux contraintes pratiques de l’entreprise. C’est donc dans ce cadre que nous avons effectué un stage au sein de la société PALMCI, précisément à l’huilerie d’Iboké du 17 avril au 17 juillet 2006.


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SOMMAIRE DEDICACE REMERCIEMENTS AVANT – PROPOS SOMMAIRE INTRODUCTION ……………………………………………………………………………….06 PREMIERE PARTIE : PRESENTATION DE LA STRUCTURE D’ACCUEIL ……………07 I. HISTORIQUE ………………………………………………………………………………… 08 II. LA SOCIETE PALMCI ……………………………………………………………………….. 08 III. L’HUILERIE D’IBOKE ………………………………………………………………………. 10

DEUXIEME PARTIE : ETUDE DE L’EXISTANT …………………………………………….. 11 I. INTRODUCTION ………………………………………………………………………………12 II. LE PROCESS DE PRODUCTION DE L’HUILE DE PALME ………………………………….13 III. LA PRODUCTION DE VAPEUR ET D’ELECTRICITE ………………………………………..16 III.1. Les chaudières ………………………………………………………………………. 16 III.2. Les turboalternateurs ……………………………………………………………….. 17 III.3. Les groupes électrogènes ……………………………………………………………18 IV. L’ANALYSE DU COMBUSTIBLE ACTUELLEMENT UTILISE …………………………………18 IV.1. Les compositions massiques élémentaires des composants du combustible …..19 IV.2. Les caractéristiques du combustible ………………………………………………… 19 V. L’IMPACT DES RESIDUS DE COMBUSTION SUR LES CHAUDIERES ……………………… 22

TROISIEME PARTIE : ETUDE DU THEME ………………………………………………..… 23 I. LES CARACTERISTIQUES DU TOURTEAU DE PALMISTE ……………………………….… 24 I.1. Le taux d’humidité ……………………………………………………………………24 I.2. Le pouvoir calorifique inférieur ……………………………………………………...25 I.3. La teneur en huile …………………………………………………………………..……. 25 II. L’APPORT ENERGETIQUE DU TOURTEAU DE PALMISTE ……………………………….26 II.1. La quantité prévisionnelle totale de combustible produit ………………………….. 27 II.2. La quantité prévisionnelle totale de vapeur surchauffée produite …………….. 28 II.3. La quantité prévisionnelle totale d’énergie électrique produite ……….………… 29 II.4. L’analyse des résultats obtenus ……………………………………………………… 30 BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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III. LES CONDITIONS PRATIQUES D’UTILISATION DU TOURTEAU DE PALMISTE DANS LES CHAUDIERES ……………………………………….31 III.1. Les essais expérimentaux …………………………………………………………….31 III.2. L’essai pratique en chaudière ……………………………………………………….36 III.3. Les mesures à prendre pour l’utilisation du combustible 3 ………………………37 IV. L’ETUDE ECONOMIQUE DU PROJET ……………………………………………………… 37 IV.1. L’estimation de l’économie réalisée …………………………………………………37 IV.2. L’estimation du coût de revient des mesures d’accompagnement ………………38

CONCLUSION …………………………………………………………………………………..40 BIBLIOGRAPHIE ………………………………………………………………………………..41 ANNEXES ……………………………………………………………………………………….. 42


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INTRODUCTION La satisfaction des besoins de la clientèle est un objectif primordial pour toute entreprise. Dans cette optique, le contrôle du marché peut s’opérer en maîtrisant et en valorisant les produits et sous-produits émanant des activités de l’entreprise. C’est ainsi que la société PALMCI, au regard de la crise du secteur des oléagineux et de la situation de guerre que vit la Côte d’Ivoire depuis plusieurs années, a décidé d’accroître sa part actuelle du marché mondial des oléagineux en valorisant son principal sous-produit, le palmiste (amande de palme). En effet, la société PALMCI qui vendait préalablement ses palmistes (65.000 FCFA/tonne), s’est aujourd’hui investie dans la construction de presseries destinées à produire de l’huile de palmiste (300.000 FCFA/tonne). Les analyses économiques prévisionnelles ayant prouvé la rentabilité de cette nouvelle orientation, la PALMCI s’oriente donc résolument vers une augmentation notable de son chiffre d’affaire pour les années futures. Notons tout de même que l’élaboration de cette activité nouvelle suscite une préoccupation majeure pour la PALMCI : « Comment utiliser de manière efficiente le nouveau sous-produit (tourteau de palmiste) qui sera recueilli au terme du process de presserie ?». C’est donc dans ce cadre que la société PALMCI, avec aussi le souci de rationaliser les coûts liés à la production de l’énergie (vapeur et électricité) au sein de ses huileries, nous a confié le thème ainsi libellé : « Apport énergétique du tourteau de palmistes et possibilités d’utilisation de ce combustible dans les chaudières à déchets de PALMCI (cas de l’huilerie d’Iboké) ». Afin d’atteindre les objectifs liés à ce thème d’un intérêt majeur (vu les besoins qui l’ont suscité), la Direction du Conseil et Développement Industriel (DCDI) de PALMCI nous a confié le cahier de charge suivant : • définir toutes les caractéristiques du tourteau de palmiste, • établir le bilan énergétique de son utilisation comme combustible, • faire ressortir les conditions nécessaires à remplir pour l’utilisation pratique de ce tourteau dans les chaudières disponibles à PALMCI soit comme combustible principal ou comme combustible complémentaire. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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I. HISTORIQUE La politique économique de la Côte d’Ivoire fut longtemps basée sur la culture du binôme café–cacao. L’Etat, dans un souci de diversification de ressources agricoles afin de prévenir toute crise liée à la chute des prix du café et du cacao, décida d’ajouter aux exportations de matières premières, celles de produits semi– finis ou finis. Ainsi, le gouvernement s’engagea (en 1963) à réaliser un programme de plantation de palmier à huile et de cocotier. Pour mener à bien ce programme, il procéda à la création de grandes entreprises agro-industrielles (SODEPALM, PALMIVOIRE et PALMINDUSTRIE) financées par l’Etat et le secteur privé. En 1977, après avoir racheté les actions de PALMIVOIRE et de PALMINDUSTRIE détenues par le secteur privé, l’Etat décida de la dissolution de PALMIVOIRE et de l’apport du patrimoine de cette dernière à la SODEPALM. A partir des années 90, le contexte de conjoncture économique grandissant, poussa l’Etat à suivre le Programme d’Ajustement Structurel (PAS) conduit par les institutions de Bretton Woods. Celui-ci visait à réduire le taux d’endettement des pays en voie de développement en retirant la gestion des sociétés publiques nationales à l’Etat. C’est ainsi que le 15 janvier 1997, la société PALMINDUSTRIE fut privatisée et scindée en trois (3) sociétés distinctes : SIPEF-CI, PALMAFRIQUE et PALMCI.

II. LA SOCIETE PALMCI La PALMCI, société d’économie mixte dont le siège est situé à Abidjan (Vridi), est dotée d’un capital social de vingt milliards de francs CFA (20.000.000.000 FCFA) réparti comme l’indique le tableau de la page suivante.


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PARTS

NOMBRE

MONTANT

D’ACTIONS (%)

D’ACTIONS

(FCFA)

UNILEVER

34

1.360.000

6.800.000.000

SIFCOM

17

680.000

3.400.000.000

ETAT CÔTE D’IVOIRE

15

600.000

3.000.000.000

DIVERS PRIVES

15

600.000

3.000.000.000

PLANTEURS VILLAGEOIS

11

440.000

2.200.000.000

SOCFINCO

5

200.000

1.000.000.000

PERSONNEL (PALMCI)

3

120.000

600.000.000

TOTAL

100

4.000.000

20.000.000.000

ACTIONNAIRES

Tableau 1. Répartition des parts d’actions du capital social de PALMCI (2006). Elle réalise, par ailleurs, un chiffre d’affaire annuel d’environ soixante milliards de francs CFA (60.000.000.000 FCFA) et possède également depuis 1998 des participations dans les sociétés ci-dessous présentées. SOCIETES

Société des Huileries de Côte d’Ivoire (SHCI) Terminal Huilerie de San-Pedro (THSP)

CAPITAL SOCIAL

PART D’ACTIONS

MONTANT

(FCFA)

DETENUES (%)

(FCFA)

900.000.000

10

90.000.000

400.000.000

60

240.000.000

Tableau 2. Répartition des participations de PALMCI dans d’autres sociétés (2006). Les activités majeures de la société PALMCI sont : • l’encadrement des planteurs villageois, • l’achat des régimes de palmier issus des Plantations Villageoises (PV), • la gestion des Plantations Industrielles (PI), • l’entretien des pistes et ponts de l’ensemble des Unités Agro-Industrielles (UAI), • la production d’huile de palme et de palmistes, • la vente de cette production aux industries locales (UNILEVER, COSMIVOIRE) et extérieures. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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Pour mener à bien ses activités, la PALMCI avec un personnel évalué à 5.864 agents (janvier 2006), dispose de huit (8) unités agro-industrielles regroupant au total dix (10) huileries reparties en trois (3) directions régionales, à savoir : • la direction régionale Sud-Est (dans le département d’Aboisso) : -

UAI d’Ehania (3 huileries),

-

UAI de Toumanguié (1 huilerie) ;

• la direction régionale Centre (entre les départements de Grand-Lahou et Divo) : -

UAI de Boubo (1 huilerie),

-

UAI d’Irobo (1 huilerie) ;

• la direction régionale Sud-Ouest (dans le département de Tabou) : -

UAI de Néka (1 huilerie),

-

UAI de Blidouba (1 huilerie),

-

UAI de Gbapet (1 huilerie),

-

UAI d’Iboké (1 huilerie). La société PALMCI gère près de 34.190 hectares de plantations industrielles et

105.000 hectares de plantations villageoises. Notons, par ailleurs, que les dix (10) huileries ont au total une capacité de traitement égale à 340 T/h de régimes de palmier ; capacité qui permet de traiter annuellement environ 1.200.000 tonnes de régimes de palmier. L’annexe 1 définit l’organigramme de fonctionnement de la PALMCI. III. L’HUILERIE D’IBOKE Créée en 1981, l’UAI d’Iboké est localisée dans le département de Tabou (cf. annexe 2) et dispose d’une huilerie à deux chaînes de production d’une capacité totale de traitement égale à 45 T/h de régimes de palmier. En outre, les régimes traités par l’huilerie proviennent de 5.334 hectares de plantations industrielles et de 12.481 hectares de plantations villageoises. L’huilerie d’Iboké possède en plus de l’usine, deux laboratoires chargés du contrôle qualité process et du contrôle qualité régimes. L’annexe 3 définit l’organigramme de fonctionnement de cette huilerie. Notons enfin que pour le compte de l’exercice 2005, l’huilerie d’Iboké a traité près de 87.606 tonnes de régimes de palmier, ce qui lui a permis de produire 19.744 tonnes d’huile de palme et 3.214 tonnes de palmistes. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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I. INTRODUCTION Le palmier à huile, de nom scientifique Elæis guineensis (« Elæis » vient du grec « Elaiêeis » qui signifie huileux et « guineensis » fait référence à son origine du Golfe de Guinée), est originaire de la zone inter-tropicale humide d’Afrique. Le palmier à huile est un arbre de la famille des Palmacées (tribu des Cocoïnées). A l’âge adulte, il présente une puissante couronne de 30 à 45 palmes vertes de 5 à 9 mètres de long surmontant un stipe cylindrique (tronc) de 25 à 30 mètres de haut. Le palmier à huile est une plante monoïque : les deux sexes sont présents sur chaque arbre, mais séparés en inflorescences mâles et femelles émises en cycles successifs (allogamie). C’est la fécondation des fleurs de l’inflorescence femelle qui engendre le régime de palmier ; celui-ci lorsqu’il est mature se présente à l’aisselle des palmes en une masse compacte et ovoïde. Il peut alors peser 10 à 50 kg et porter de 500 à 3000 fruits. L’annexe 4 permet d’observer la composition massique moyenne d’un régime de palmier (type Tenera). Le fruit est une drupe sessile de forme assez variable, il mesure de 2 à 5 cm de long et pèse de 3 à 30 g. Chaque fruit porte à son sommet des stigmates nécrosés sous forme de trois (3) pointes noires crochues. Le fruit est composé d’une amande ou palmiste formé d’un albumen blanc corné enserrant un embryon cylindrique, d’une endocarpe ou coque, d’un mésocarpe ou pulpe très riche en huile et d’un épicarpe ou épiderme (cf. annexe 5). Les proportions de pulpe et de coque qui déterminent le type de palmier sont très importantes du point de vue économique. On distingue le type Dura, caractérisé par une coque de plus de 2 mm d’épaisseur et une pulpe peu abondante. Le type Pisifera est reconnaissable à son absence de coque. Le type Tenera (couramment utilisé dans les plantations de palmier à huile) est un hybride mendélien des deux précédents types, il se caractérise par une coque mince inférieure à 2 mm d’épaisseur et une pulpe très abondante (cf. annexe 5).


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II. LE PROCESS DE PRODUCTION DE L’HUILE DE PALME L’huilerie de palme regroupe un certain nombre d’opérations qui ont pour objectif de dissocier progressivement le régime en fractions distinctes (rafle, fruits, fibres, huile, boues, noix, amande, etc.) par une succession de transformations des constituants et de séparation des différentes phases intermédiaires (cf. [1]). Ces opérations sont les suivantes : la stérilisation, l’égrappage, le malaxage, l’extraction, la clarification et la palmisterie (cf. annexe 6). • La stérilisation permet de stopper l’activité enzymatique des lipases, cause de l’augmentation de l’acidité de l’huile, et facilite le détachement des fruits de la rafle. Cette opération qui se déroule dans les stérilisateurs, est effectuée sous vapeur saturée à une pression de 2,5 à 3 bars (≈130°C) pendant une durée moyenne de 45 minutes. Les stérilisateurs sont des cylindres métalliques horizontaux munis d’une porte et équipés de rails permettant d’y introduire les trains de cages de stérilisation contenant chacun près de 2,5 tonnes de régimes frais. La cuisson des régimes est précédée d’une purge (lorsqu’on atteint 1 bar) pour évacuer l’air contenu dans le stérilisateur. Une autre purge (lorsqu’on atteint 1,5 bar) est pratiquée au cours de la cuisson pour favoriser le décollement du palmiste de la coque qui le contient. Les condensats de stérilisation sont, quant à eux, recueillis dans un bac spécial où l’huile entraînée par les purges est récupérée par un système composé d’une motopompe dont le fonctionnement est lié à la position d’un flotteur. • L’égrappage sépare les fruits de la rafle. Cette opération est effectuée dans les tambours égrappoirs, sortes de cages à écureuil de grand diamètre tournant à vitesse réduite. Les régimes y sont entraînés en rotation jusqu’au point le plus haut de l’égrappoir d’où ils chutent sur les barreaux de la cage entre lesquels les fruits s’échappent. Les régimes remontent et tombent ainsi plusieurs fois tout en progressant vers la sortie du tambour où ils parviennent à l’état de rafles, en principe dépourvues de fruits. Ces rafles sont ensuite acheminées aux bennes d’évacuation par une bande à rafles, sorte de tapis-roulant. Une vis sous le tambour égrappoir convois les fruits au tamis de lavage, ceux-ci parviennent ainsi à l’élévateur à fruits qui alimente les malaxeurs à l’aide d’une autre vis convoyeuse. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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• Le malaxage prépare mécaniquement et thermiquement les fruits avant l’opération de pressage. La masse de fruits y est ainsi réchauffée à une température voisine de 100°C puis est soumise à l’action mécanique des bras de malaxage. Cette double action permet la dilacération de la pulpe des fruits et la libération de l’huile de palme. L’opération de malaxage est réalisée dans des cylindres verticaux (à double enveloppe de chauffe) équipés d’un système d’injection directe de vapeur et portant une série de bras de malaxage fixes. D’autres bras de malaxage sont montés sur un axe vertical et tournent lentement. La durée du malaxage et la température sont deux facteurs essentiels de la qualité d’extraction, le malaxeur étant maintenu constamment plein. • L’extraction consiste à extraire le jus brut dans la masse de fruits malaxés, cette opération se déroule dans les presses à vis. Dans les presses la masse de fruits malaxés est entraînée par deux vis tournant en sens inverse à l’intérieur d’une cage perforée dont la sortie est partiellement obstruée par deux cônes réglables (freinant ainsi la sortie de matière). La pression ainsi engendrée dans la cage permet d’extraire le jus brut, mélange d’huile, d’eau et d’impuretés solides contenues dans la masse. Le jus brut est dilué au niveau de la presse par simple adjonction d’eau chaude. A la sortie de la presse, on recueille deux produits séparés : le jus brut, acheminé à la clarification à l’aide de pompes centrifuges, et le tourteau de palme (mélange de fibres et de noix) convoyé à la palmisterie par une vis émottoir. • La clarification a pour objet d’épurer le jus brut pour récupérer le maximum d’huile de palme. Le jus brut est composé en volume d’environs 35% d’huile, le reste étant de l’eau et des matières dissoutes ou en suspension. La clarification se fait par décantation et par déshydratation. La température a un rôle très important car elle influence la viscosité et la densité de l’huile. C’est donc le principe de la différence de densité qui permet de récupérer par les crépines du décanteur primaire, l’huile plus légère remontant à la surface et de recueillir les boues de clarification. Ces boues sont alors traitées dans un décanteur trois phases qui permet d’obtenir à ses sorties une phase légère (huile) renvoyée au décanteur primaire, une phase aqueuse (eau + matières solides) et une phase solide (matières en suspension et insolubles). Après décantation, l’huile obtenue ne peut être stockée telle quelle, car elle contient encore des impuretés et de l’eau. Les impuretés sont ramenées à un taux inférieur à BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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0,01% par une seconde décantation opérée dans le décanteur à huile. L’humidité de l’huile doit être ramenée à un taux inférieur à 0,1% afin d’éviter tout risque d’acidification par hydrolyse au cours du stockage. Pour ce faire, après avoir été chauffée dans le réchauffeur à une température légèrement supérieure à 100°C, l’huile passe dans un déshydrateur sous vide. Après cette opération, l’huile finie est acheminée dans les tanks de stockage. • La palmisterie (la kernellerie) regroupe les équipements permettant d’extraire les palmistes du tourteau sortant des presses. L’émottage du tourteau est effectué par une vis émottoir. Après émottage, les fibres plus légères sont séparées des noix dans une colonne pourvue d’un ventilateur défibreur. Les fibres sont alors collectées dans un cyclone puis dirigées vers les chaudières à l’aide de vis d’alimentation. Les noix sont, quant à elles, recueillies dans un tambour polisseur qui, par frottement, retire les dernières fibres adhérentes. Celles-ci sont aussi aspirées dans la colonne de défibrage. Les noix sont ensuite séchées dans des silos à noix par de l’air chaud à 65°C. Le séchage facilite la rétractation du palmiste donc son décollement de la coque. Les noix séchées sont enfin traitées dans des concasseurs de type centrifuge qui les cassent sans briser les palmistes. A la sortie des concasseurs, le mélange obtenu contient des palmistes entiers ou brisés, des coques, des poussières, des fibres et des adhérents (morceaux de coques adhérant à des fragments de palmistes). Les débris sont extraits de ce mélange par un ventilateur dépoussiéreur, puis conduits aux foyers des chaudières. Les palmistes et les coques, par contre, sont séparés du mélange à l’aide d’une série d’hydrocyclonages et de triages sur tamis vibrants. Les coques sont ensuite stockées dans des silos en attendant d’être utilisées comme combustible d’appoint des chaudières (démarrage, chute de pression), tandis que les palmistes sont égouttés par de l’air chaud puis stockés dans des tanks. • En ce qui concerne la presserie qui est actuellement en construction, notons que le process de production d’huile de palmiste est simple. En effet, les palmistes (acheminés par un élévateur et une vis convoyeuse) sont pressés une première fois par une série de sept (7) presses mécaniques, il en résulte l’huile de palmiste et le tourteau de palmiste. Celui-ci, encore riche en huile, sera pressé une seconde fois par une autre série de sept (7) presses. En définitive, l’huile après filtration est acheminée aux tanks de stockage, le tourteau de palmiste, quant à lui, est convoyé par une vis afin d’être stocké dans une salle (cf. annexe 7). BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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III. LA PRODUCTION DE VAPEUR ET D’ELECTRICITE III.1. Les chaudières Une chaudière est un appareil dans lequel par apport de chaleur un fluide caloporteur subit un chauffage et éventuellement un changement d’état (vaporisation). Dans cet appareil qui est donc un générateur de vapeur, la vapeur est obtenue à l’aide de l’eau et de la chaleur dégagée par la combustion des combustibles. L’huilerie d’Iboké possède trois (3) chaudières identiques à tubes d’eau de marque BABCOCK SFMV 1157. Celles-ci produisent de la vapeur surchauffée. III.1.1.

Description

La chaudière BABCOCK de type SFMV 1157 se compose principalement des éléments suivants : • ballons supérieur et inférieur, tous deux placés transversalement à la face avant de la chaudière, • deux collecteurs « écran arrière » dont l’un (inférieur) est muni d’une vanne d’extraction pour les purges des boues, • deux collecteurs « écrans latéraux » permettant aussi la purge des boues, • un surchauffeur placé transversalement au ballon supérieur, • un ventilateur d’air primaire qui souffle l’air sous la grille basculante afin d’activer la combustion, • un ventilateur d’air secondaire (ou air de turbulence) qui souffle l’air à l’avant et à l’arrière de la chaudière afin de maintenir la combustion en permettant la suspension du combustible dans le foyer, • un ventilateur de tirage qui permet d’évacuer les gaz de combustion, • un foyer équipé de deux sections de grille à barreaux basculants en fonte réfractaire et munis de tuyères de soufflage d’air primaire, • un dispositif d’alimentation en combustible (goulotte, groupe moto-réducteurvariateur à chaîne, peigne de projection), • un ramoneur à buses multiples. Les caractéristiques techniques de la chaudière BABCOCK de type SFMV 1157 sont fournies par l’annexe 8. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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III.1.2.

Fonctionnement

L’eau contenue dans le réservoir d’eau et de vapeur provient de la bâche alimentaire où elle avait préalablement été traitée chimiquement. L’eau contenue dans cette bâche est chauffée (70°C) par de la vapeur BP (3 bars) provenant du ballon basse pression stockant la vapeur refoulée par les turbines (contre-pression). Du ballon supérieur, cette eau s’écoule dans les tubes de chute pour parvenir aux collecteurs inférieurs (collecteurs sur lesquels sont raccordés plusieurs tubes vaporisateurs). Ces tubes recevant la chaleur dégagée par la combustion du combustible (fibres, coques et débris), on assiste à l’augmentation de la température et à la diminution de la densité de l’eau, cette eau circule (principe du thermosiphon) ainsi en direction du ballon supérieur via les collecteurs supérieurs. A ce niveau,

la vapeur saturée (19 bars/210°C) se sépare de l’eau en

occupant l’espace libre du ballon. L’eau, quant à elle, s’écoule de nouveau dans les tubes de chute pour un autre cycle de vaporisation. Un piquage opéré sur la partie haute du ballon supérieur, permet de surchauffer la vapeur saturée dans un surchauffeur. C’est cette vapeur surchauffée (20-22 bars/255-275°C) qui est conduite par un collecteur aux différents turboalternateurs. NB : Les chaudières présentent certains dysfonctionnements, notamment : les ramoneurs défectueux (les ramonages ne sont plus effectués) et les systèmes de décendrage non fonctionnels. Les cendres sont alors retirées du foyer à l’aide de ringards par les portières prévues pour l’alimentation manuelle en combustible, ceci a pour effet d’occasionner de mauvaises combustions (excès d’air élevé) et des pertes thermiques importantes. III.2.

Les turboalternateurs

L’huilerie d’Iboké dispose de deux (2) turboalternateurs pour la production d’électricité. Les turbines à vapeur de ces turboalternateurs, sont des machines à une seule roue (étage unique) et « à contre-pression ». Cette contre-pression se caractérise par le fait que l’énergie contenue dans la vapeur admise à l’entrée des turbines, n’est pas utilisée en totalité par celles-ci. Une partie de la vapeur surchauffée est volontairement soutirée à l’échappement des turbines pour être utilisée dans le process d’usinage des régimes (stérilisation, séchage, etc.). C’est la BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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raison pour laquelle cette vapeur est désurchauffée dans un ballon basse pression, où elle ressort saturée (2,5-3 bars/130°C) facilitant ainsi les échanges thermiques. Chaque turbine est accouplée à un réducteur mécanique qui permet de démultiplier la vitesse de rotation de son arbre (6000 à 7000 tr/mn) afin de pouvoir entraîner celui de l’alternateur à une vitesse de 1500 tr/mn. Les alternateurs convertissent ainsi l’énergie mécanique en énergie électrique, celle-ci parvient à la centrale électrique afin d’être dispatchée pour satisfaire les besoins d’utilisation (usine, forages, habitats, etc.). Les caractéristiques techniques des différents turboalternateurs sont fournies par l’annexe 9. III.3. Les groupes électrogènes L’huilerie d’Iboké dispose de deux (2) groupes électrogènes, tous deux de marque : CUMMINS. Ces groupes électrogènes ont pour mission : • d’assurer le démarrage des unités de l’usine, • d’assurer la production de l’électricité lorsque l’usine est à l’arrêt ou que les charges du réseau électrique sont trop importantes pour les turboalternateurs. L’énergie électrique fournie par ces groupes électrogènes parvient aussi à la centrale

électrique

turboalternateurs.

où elle Les

est synchronisée

caractéristiques

avec

techniques

celle des

fournie

différents

par

les

groupes

électrogènes sont fournies par l’annexe 10.

IV. L’ANALYSE DU COMBUSTIBLE ACTUELLEMENT UTILISE L’huilerie d’Iboké utilise les déchets solides issus du traitement des régimes de palmier comme combustible pour les foyers des chaudières. Ce combustible est composé de fibres, de coques et de débris (petits morceaux de coques sèches, traces d’amandes brisées, etc.). Les proportions respectives de ces composants pour un régime frais sont fournies à l’annexe 4. Les foyers des différentes chaudières sont alimentés en combustible à l’aide de vis d’alimentation remplissant les différentes goulottes. L’excédent de combustible est, quant à lui, convoyé par les mêmes vis d’alimentation jusqu’à des bennes de réception afin d’être réintroduit dans le circuit d’alimentation grâce à l’élévateur de combustible ou manuellement à la pelle.


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IV.1. Les compositions massiques élémentaires des composants du

combustible Les compositions massiques élémentaires des différents composants du combustible actuellement utilisé (cf. [3] et [4]), sont fournies par le tableau suivant : FIBRES (%)

COQUES (%)

DEBRIS (%)

CARBONE (c)

46,8

53

53

HYDROGENE (h)

6,6

6

6

OXYGENE (o)

41,7

38,6

38,6

SOUFRE (s)

0,4

0,4

0,4

CENDRE (d)

4,5

2

2

Tableau 3. Compositions massiques élémentaires des fibres, coques et débris. IV.2. Les caractéristiques du combustible Les principales caractéristiques du combustible sont : • le taux d’humidité (%H2O) qui est une donnée importante pour la détermination du pouvoir calorifique inférieur du combustible, • la composition massique qui nous renseigne sur la proportion de chacun des composants dans un mélange de combustible, • le pouvoir calorifique inférieur (Pci) qui définit la valeur énergétique du combustible ou encore la quantité de chaleur qui peut être dégagée par la combustion complète de l’unité de masse (ou de volume) du combustible dans les conditions normales de température et de pression.

IV.2.1.

Détermination du taux d’humidité des composants du combustible

La méthode de détermination du taux d’humidité d’un composant est la suivante : • prélever un échantillon de chaque composant du combustible au niveau de la vis d’alimentation de la chaudière,


19


• peser chacun de ces échantillons avant de les sécher à l’étuve pendant une durée de 12 heures à une température de 105°C, • peser à nouveau ces mêmes échantillons après l’étuvage. Le taux d’humidité d’un composant (cf. [1]) est alors déterminé par la formule suivante :

%H2O = avec

M1 - M2 × 100 M1

(1)

M1 : la masse de l’échantillon avant l’étuvage et M2 : la masse de l’échantillon après l’étuvage.

NB : Dans le laboratoire de l’huilerie d’Iboké, les échantillons de coques et de débris sont assemblés afin de déterminer un taux d’humidité commun à ces deux composants vu qu’ils sont de même nature (cf. tableau 3). IV.2.2.

Composition massique du combustible

La détermination de la composition massique du combustible permettra essentiellement de calculer son Pci pondéré. Pour y parvenir, différents échantillons du combustible sont prélevés, pesés puis triés manuellement afin de séparer les fibres, les coques et les débris. Un nouveau peser des composants séparés par triage nous permet de déterminer leur proportion massique dans le mélange. IV.2.3.

Pouvoir calorifique inférieur du combustible

Le Pci d’un combustible (fibres, coques ou débris) est fonction de son pouvoir calorifique supérieur (Pcs), de son taux d’humidité (%H2O) et de sa teneur en hydrogène (%H2). La détermination du Pci se fait à l’aide de la formule suivante (cf. [3] et [4]):

Pci =

Pcs (100 -% H 2O) - 600 (% H 2O+9% H 2 ) 100

(2)

* Le Pci et le Pcs étant fournis en kcal/kg. Le combustible utilisé étant un mélange de trois (3) combustibles ayant des proportions massiques différentes, il convient de déterminer son Pci pondéré à l’aide de la formule (cf. [2]) fournie à la page suivante. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

20

PROJET DE FIN D’ETUDES INP - HB 3

Pci pondéré = ∑ ( Pcicomb j × % comb j )

(3)

j= 1

Pci comb j : Pci du combustible j %comb j : proportion massique du combustible j dans le mélange de combustibles. Les analyses effectuées sur des échantillons de combustible prélevés à intervalle de 8 heures (lors d’une journée d’usinage), nous ont permis d’élaborer le tableau suivant : Masse avant étuvage

Echantillon 3

Echantillon 2

Echantillon 1

M1 (g)

Proportion massique (%)

Masse après étuvage

%H2O

%H2

Pcs

Pci

(kcal/kg) (kcal/kg)

M2 (g)

Fibres

449

92,39

303,972

32,3

6,6

4.600

2.564

Coques

26

5,35

22,386

13,9

6

4.800

3.725,4

Débris

11

2,26

9,471

13,9

6

4.800

3.725,4

Total 1

486

100

335,829

30,9

6,55

4.615,2

2.650

Fibres

491

96,09

331,425

32,5

6,6

4.600

2.553,6

Coques

11

2,15

9,042

17,8

6

4.800

3.514,8

Débris

09

1,76

7,398

17,8

6

4.800

3.514,8

Total 2

511

100

347,865

31,92

6,58

4.607,83

2.590,17

Fibres

337

95,47

233,878

30,6

6,6

4.600

2.652,4

Coques

11

3,12

9,427

14,3

6

4.800

3.703,8

Débris

5

1,41

4,285

14,3

6

4.800

3.703,8

Total 3

353

100

247,59

29,86

6,57

4.609,07

2.698,86

Tableau 4. Récapitulatif des caractéristiques de trois (3) échantillons de combustible. * Le Pcs et le %H2 des fibres, coques et débris sont des données usine (cf. [3] et [4]). BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

21


A l’aide de ces trois (3) échantillons, nous avons pu déterminer le Pci moyen du combustible par la relation suivante :

Pci moyen = Pciéchantillon1 +Pciéchantillon2 +Pciéchantillon3 3

(4)

Application numérique : Pci moyen =

2650 + 2590 , 17 + 2698 , 86 3

Pcimoyen = 2646 kcal/kg

A partir de ce même principe de calcul, nous avons estimé que 1 kg de combustible (actuellement utilisé dans les chaudières) a une humidité moyenne %H2O = 30,9% et se compose moyennement (en masse) de : 946,5 g de fibres (soit 94,65%), 35,4 g de coques (soit 3,54%), 18,1 g de débris (soit 1,81%). V. L’IMPACT DES RESIDUS DE COMBUSTION SUR LES CHAUDIERES La combustion du combustible (fibres, coques, débris) occasionne la formation de masses compactes et solides appelées mâchefers. Ces résidus solides qui adhèrent aux grilles, briques réfractaires et tubes vaporisateurs, sont issus de la fusion des cendres engendrées par la combustion. En effet, ces cendres ne peuvent être efficacement évacuées à cause des dysfonctionnements des ramoneurs et des systèmes de décendrage. Ces mâchefers favorisent l’obstruction des tuyères de soufflage d’air primaire au niveau des grilles, ainsi que l’encrassement des surfaces de chauffe (réduisant la transmission de chaleur du foyer aux tubes vaporisateurs). Notons que les quantités d’huile et de sable (contenues dans les fibres et débris) entraînés dans les foyers des chaudières, sont des facteurs favorisant la formation de mâchefers. Les photographies ci-dessous, prises dans le foyer de la chaudière n°1 de l’huilerie d’Iboké (29 jours après entretien général) au cours de la période de pointe (07 mai 2006), donnent un aperçu de l’impact réel des mâchefers sur les équipements des chaudières.

Fig.1. Mâchefers formés sur les tubes vaporisateurs. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

Fig.2. Mâchefers formés sur les briques réfractaires. 22



23


I.

LES CARACTERISTIQUES DU TOURTEAU DE PALMISTE Le tourteau de palmiste est le résidu solide obtenu après l’extraction de l’huile

des amandes du fruit de palme. Ce tourteau, même avec une teneur en huile assez élevée ( ≈ 9 %), est sec et graveleux (voir figure ci-dessous).

Fig.3. Photographie d’un échantillon de tourteau de palmiste. Le tourteau de palmiste est actuellement utilisé comme aliment de bétail (ovins, bovins, etc.). Il constitue, en effet, la 2e classe d’alimentation animale la plus importante après les céréales, raison pour laquelle toutes les recherches scientifiques effectuées sur le tourteau de palmiste sont du domaine agronomique. Ceci explique le fait que toutes les recherches que nous avons menées dans les ouvrages ou sur l’Internet, portant sur la composition chimique élémentaire du tourteau, n’ont fourni de résultats satisfaisants. Cependant, les informations recueillies auprès de la DCDI et les analyses effectuées dans un des laboratoires de l’huilerie d’Iboké, nous ont permis de déterminer trois (3) caractéristiques essentielles du tourteau de palmiste : • le taux d’humidité (%H2O), • le pouvoir calorifique inférieur (Pci), • la teneur en huile (% huile). I.1. Le taux d’humidité (%H2O) Pour déterminer le taux d’humidité, nous avons prélevé deux échantillons de tourteau de palmiste. Le suivi de la démarche de détermination du taux d’humidité déjà énoncée à la page 20, nous a fourni les résultats du tableau de la page suivante.


24


Masse avant

Masse après

étuvage (g)

étuvage (g)

Echantillon 1

453

430

5,08

Echantillon 2

414

393

5,07

% H2O

Tableau 5. Taux d’humidité de deux échantillons de tourteau de palmiste. Pour les calculs pratiques, nous considérerons que le taux d’humidité moyen du tourteau de palmiste est de :

% H2Otourteau = 5 %

I.2. Le pouvoir calorifique inférieur (Pci) La détermination du Pci du tourteau de palmiste selon la formule (2) de la page 20, nécessite la connaissance de son pouvoir calorifique supérieur (Pcs), de sa teneur en hydrogène (% H2) et de son taux d’humidité (%H2O). La documentation fournie par la DCDI, nous donne les valeurs suivantes pour le tourteau de palmiste : Pcs = 4200 kcal/kg et % H2 = 6,6%. En définitive, le Pci du tourteau est égal à :

Pcitourteau = 4000 kcal/kg

I.3. La teneur en huile (% huile) L’huile résiduelle contenue dans le tourteau de palmiste contribuera inéluctablement à la formation de mâchefers, il est donc important de pouvoir déterminer sa teneur. Pour ce faire, nous avons eu recours à une extraction solide (tourteau de palmiste) – liquide (hexane) à l’aide du matériel du laboratoire de l’huilerie d’Iboké. Au terme de cette extraction, nous notons qu’avec une masse de tourteau de palmiste de 30,523 g, nous avons recueilli 2,948 g d’huile de palmiste. Nous avons donc conclu que : % huile = 9,66 %


25


II.

L’APPORT ENERGETIQUE DU TOURTEAU DE PALMISTE Le pouvoir calorifique inférieur du tourteau de palmiste, déterminé dans la

partie précédente, atteste de la très grande valeur énergétique de celui-ci. En effet, avec un Pci près de 1,5 fois supérieur à celui du combustible actuellement utilisé, le tourteau de palmiste semble être au plan thermique le combustible solide (issu du process) le plus adapté aux chaudières à déchets de PALMCI. Il convient alors, avant de tirer toute conclusion hâtive, de réaliser un bilan énergétique de son utilisation comme combustible principal ou comme de combustible complémentaire, afin de comparer ce bilan à celui du combustible actuellement utilisé. Dans le bilan énergétique, il sera question de déterminer donc prévisionnellement (pour le compte de l’exercice 2006) : • la quantité totale de combustible produit, • la quantité totale de vapeur surchauffée produite (fonction du rendement des chaudières), • la quantité totale d’énergie électrique produite (fonction de la consommation spécifique des turboalternateurs). Nous remarquons bien que l’établissement du bilan énergétique du combustible dépend de deux paramètres importants : le rendement des chaudières et la consommation spécifique des turboalternateurs. Nous avons ainsi déterminé par calcul les valeurs actuelles de ces paramètres (voir détails des calculs aux annexes 11-A, 11-B et 12) :

ηchaudières = 64,5 %

Csturboalternateurs = 24 kg/kWh

Notons que la faible valeur de ηchaudières est essentiellement due aux dysfonctionnements des chaudières mentionnés en Nota bene à la page 17. Aussi, dans le but de pouvoir comparer aisément les bilans énergétiques des différentes combinaisons de combustibles utilisables, nous convenons des annotations suivantes pour la suite de l’étude : • Comb 1 = combustible actuel (fibres, coques et débris), • Comb 2 = tourteau de palmiste, • Comb 3 = mélange de tourteau de palmiste et de combustible actuel. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

26


II.1. La quantité prévisionnelle totale de combustible produit L’analyse des prévisions mensuelles pour le compte de l’exercice 2006 (cf. annexe 13), nous a permis de déterminer les quantités de combustibles 1, 2 et 3 susceptibles d’être produites. La quantité totale du combustible 1, qui sera produite par la seule huilerie d’Iboké, sera équivalente à 18 % (en masse) de la quantité totale de régimes traités (donnée usine, cf. annexe 4). Le taux d’extraction d’huile de palmiste étant égal à 43 % (en masse), la quantité totale de combustible 2 sera équivalente à 57 % (en masse) de la quantité totale de palmistes produits par les quatre (4) huileries suivantes : Blidouba, Gbapet, Iboké et Néka. Les palmistes des trois (3) autres unités seront, en effet, convoyés à la future presserie d’Iboké pour la production d’huile de palmiste. La quantité totale de combustible 3 résulte bien évidemment de la somme des quantités totales des combustibles 1 et 2. Les résultats de nos calculs sont consignés dans le tableau ci-dessous. Quantité de régimes frais traités (tonnes)

Quantité produite de Comb1 (tonnes)



Jan.

7.449

1.341

573

1.914

Fev.

8.279

1.490

641

2.131

Mars

12.478

2.246

1.037

3.283

Avril

13.692

2.465

1.230

3.695

Mai

13.926

2.507

1.178

3.684

Juin

9.947

1.790

915

2.705

Juil.

7.210

1.298

672

1.970

Août

6.129

1.103

602

1.705

Sept.

5.817

1.047

561

1.609

Oct.

6.770

1.219

652

1.870

Nov.

5.341

961

553

1.514

Dec.

6.468

1.164

598

1.762

TOTAL

103.506

18.631

9.212

27.843

Tableau 6. Quantification prévisionnelle de la production de combustibles destinés aux chaudières de l’huilerie d’Iboké (exercice 2006). BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

27


II.2. La quantité prévisionnelle totale de vapeur surchauffée produite Pour simplifier les calculs, nous avons déterminé la quantité de vapeur surchauffée capable d’être produite par tonne de chaque type de combustible (QT). Cette quantité est fonction de plusieurs paramètres (cf. [2]) : • la variation d’enthalpie massique entre la vapeur surchauffée et l’eau d’alimentation des chaudières (∆H), • le rendement des chaudières (ηchaudières), • le Pci du combustible considéré.

Q Tcomb =

Pci comb × ηchaudières H vap - H eau

(5)

Paramètres de calcul -

le rendement des chaudières

: ηchaudières = 64,5 %,

-

la vapeur surchauffée (22 bars/265°C)

: Hvap = 700 kcal/kg,

-

l’eau d’alimentation (70°C)

: Heau = 70 kcal/kg,

-

le pouvoir calorifique inférieur comb1

: Pcicomb1 = 2646 kcal/kg,

-

le pouvoir calorifique inférieur comb2

: Pcicomb2 = 4000 kcal/kg.

Il convient alors de déterminer le Pci pondéré du combustible 3 selon la formule 3 (cf. page 21). Dans ce sens, l’analyse du tableau 6 nous permet de déterminer les proportions massiques respectives des combustibles 1 et 2 dans un échantillon du combustible 3 : 100 %combustible 3 = 67 %combustible 1 + 33 %combustible 2. Ainsi, nous obtenons :

Pcicomb3 = 3092,82 kcal/kg Les différentes applications numériques opérées, nous donnent les résultats suivants :

QTcomb1 = 2,708 T/Tcomb1 QTcomb2 = 4,094 T/Tcomb2 QTcomb3 = 3,166 T/Tcomb3 BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

28


Pour chaque type de combustible, la multiplication de la quantité obtenue (QT) et des quantités mensuelles produites, nous donne les résultats suivants :

Quantité de vapeur produite par Comb1 (tonnes)



Jan.

3.631

2.348

6.060

Fev.

4.036

2.623

6.746

Mars

6.083

4.245

10.392

Avril

6.675

5.036

11.696

Mai

6.789

4.821

11.663

Juin

4.849

3.746

8.564

Juil.

3.515

2.751

6.236

Août

2.988

2.464

5.398

Sept.

2.836

2.299

5.092

Oct.

3.300

2.667

5.920

Nov.

2.604

2.264

4.794

Dec.

3.153

2.448

5.579

TOTAL

50.459

37.712

88.139

Tableau 7. Quantification prévisionnelle de la production de vapeur surchauffée des chaudières de l’huilerie d’Iboké (exercice 2006).

II.3. La quantité prévisionnelle totale d’énergie électrique produite Les quantités totales d’énergie électrique susceptibles d’être produites par la combustion des combustibles 1, 2 et 3 dans les chaudières à déchets de PALMCI (avec une consommation spécifique des turboalternateurs égale à 24 kg/kWh) sont mentionnées dans le tableau de la page suivante.


29


Quantité d’énergie produite par Comb1 (kWh)



Jan.

151.305

97.820

252.490

Fev.

168.165

109.294

281.068

Mars

253.455

176.873

433.015

Avril

278.114

209.836

487.325

Mai

282.868

200.890

485.964

Juin

202.045

156.065

356.834

Juil.

146.450

114.642

259.823

Août

124.493

102.682

224.910

Sept.

118.156

95.778

212.165

Oct.

137.513

111.114

246.670

Nov.

108.488

94.319

199.735

Dec.

131.379

102.001

232.433

TOTAL

2.102.431

1.571.314

3.672.432

Tableau 8. Quantification prévisionnelle de la production d’énergie électrique des turboalternateurs de l’huilerie d’Iboké (exercice 2006). II.4. L’analyse des résultats obtenus La comparaison des quantités d’énergie électrique susceptibles d’être produites par la combustion des différents combustibles, nous montre bien qu’utiliser le tourteau de palmiste comme unique combustible n’est pas une option rentable. En effet, la production électrique liée à l’utilisation du tourteau de palmiste est loin de pouvoir satisfaire la couverture des besoins électriques de l’UAI d’Iboké, car actuellement l’utilisation du combustible 1 nécessite l’adjonction de groupes électrogènes. En définitive, nous notons que l’option d’utilisation du tourteau de palmiste comme combustible principal engendrerait des coûts de production plus importants du fait de l’augmentation de la consommation en gasoil des groupes électrogènes. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

30


L’option d’utilisation du combustible 3 paraît être alors la meilleure des solutions à adopter, car elle engendre une production électrique annuelle nettement supérieure à la consommation électrique totale de l’UAI d’Iboké au terme de l’année 2005 (3.611.142 kWh). En d’autres mots, le combustible 3 permettrait théoriquement de se passer de l’utilisation des groupes électrogènes! Cependant, n’oublions pas que dans la pratique ces groupes électrogènes sont utilisés pour les démarrages et arrêts de l’usine ainsi que dans les situations où les turboalternateurs ne peuvent, à eux seuls, satisfaire la demande en électricité. Ces situations pouvant résulter du fait qu’il n’y ait pas assez de combustible (période creuse) ou que la quantité de fibres en superflu (période de pointe) ne pouvant être stockée, faute de présence d’un local de stockage, sera brûlée « inutilement ». Vu les nouvelles perspectives ouvertes par la possibilité de son utilisation, il s’avère important de vérifier que le tourteau de palmiste peut être réellement brûlé comme combustible dans les chaudières à déchets de PALMCI. Nous avons donc jugé bon d’effectuer des essais expérimentaux et pratiques mettant en œuvre la combustion de ce tourteau.

III. LES CONDITIONS PRATIQUES D’UTILISATION DU TOURTEAU DE PALMISTE DANS LES CHAUDIERES Les calculs préalablement effectués, montre l’importante valeur énergétique du combustible 3. Dans le but de compléter notre étude, nous avons joint à ces calculs théoriques, des essais dans un four expérimental et dans l’une des chaudières de l’huilerie. Ces essais visaient essentiellement à examiner le déroulement de la combustion des différents combustibles étudiés afin de pouvoir les comparer en situation pratique. III.1. Les essais expérimentaux III.1.1.

Le four expérimental

Le tourteau de palmiste n’ayant pas (à notre connaissance) encore d’applications dans le domaine de la thermique industrielle, nous avons préféré réaliser les premiers essais de sa combustion dans un four expérimental afin d’éviter tout dommage aux chaudières. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

31


Ainsi, dans le but d’effectuer ces essais, nous avons réalisé un four expérimental en opérant plusieurs modifications sur un four destiné aux activités culinaires. Les photographies suivantes nous montrent les différentes vues de ce four de cuisine avant la réalisation des modifications.

Fig.4. Vues de face et de profil du four de cuisine. Le délai dont nous disposions pour réaliser nos travaux, est la motivation qui a suscité le choix de ce four pour y réaliser des modifications. En effet, nous ne disposions pas de temps suffisant pour concevoir un four qui pourrait présenter des conditions de combustion assez proches de celles des chaudières. Tandis que ce four de cuisine présentait une zone de cuisson (second étage) dotée de parois en briques réfractaires et un foyer (premier étage) relié à une cheminée.

Fig.5. Photographies de la zone de cuisson et du foyer du four de cuisine. Les modifications effectuées sur le four de cuisine pour en faire un four expérimental, ont été les suivantes :

• remplacement de la tôle séparant la zone de cuisson du foyer par une grille afin d’assurer le décendrage et l’alimentation en air primaire, • installation d’une cheminée communicant avec la zone de cuisson par sa paroi supérieure, BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

32


• installation de canalisations (munies de volets) dont l’une aboutit à une buse logée dans la zone de cuisson (air secondaire) et l’autre à l’emplacement originel de la cheminée (air primaire).

Fig.6. Photographies montrant les modifications opérées sur le four de cuisine. Après avoir effectuer ces différentes modifications, nous avons réalisé le dessin technique du four expérimental (cf. annexe 14). Ensuite, nous avons opéré au raccordement de ce four expérimental à la canalisation d’air secondaire de la chaudière 3 (les volets permettant de régler les débits d’air primaire et d’air secondaire du four expérimental).

Fig. 7. Photographie montrant le raccordement du four à la chaudière 3. III.1.2.

Les essais de combustion

Le four expérimental nous a permis de brûler respectivement 5 kg de chacun des combustibles étudiés (Comb1, Comb2, Comb3). Ces combustions se sont déroulées dans des les mêmes conditions (quantité identique de combustible, débits


33


identiques d’airs primaire et secondaire) afin d’avoir une base de comparaison des résultats plus fiable. Notons cependant que l’absence d’analyseur de fumées sur le site de l’huilerie ne nous a pas permis de mesurer et comparer plusieurs paramètres de combustion (excès d’air, %CO2, ηcomb, …). Nous ne disposions que d’un thermomètre à infrarouge et les paramètres que nous avons pu observer ou mesurer sont : la température et la couleur des gaz d’échappement sortant du four expérimental. A titre d’aperçu, nous avons pris une photographie montrant le tourteau de palmiste en pleine combustion dans le four expérimental (portière ouverte).

Fig.8. Photographie montrant la combustion du tourteau de palmiste dans le four. Au terme de ces essais, nous avons pu établir le tableau suivant :

Ech.

Température des fumées (°C) après… minutes de combustion 5

Comb 1 250

Durée totale de comb°

Masse de cendre

10

15

20

25

30

35

40

45

(min)

(g)

262

309

278

232

176

85

-

-

35

351

Remarques

Fumées de couleur gris-clair Fumées de

Comb 2 185

194

200

220

242

230

219

173

96

70

766

couleur noire + imbrûlés Fumées de

Comb 3 256

226

215

233

248

219

176

90

-

45

439

couleur grisfoncé + imbrûlés

Tableau 9. Relevés des essais de combustion des différents échantillons de combustibles dans le four expérimental. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

34


III.1.3.

Les analyses des résultats obtenus

Comparer les températures des fumées revient (implicitement) à comparer celles du foyer de combustion, vu que le circuit parcouru par ces fumées est très court. Les données fournies par le tableau 9 montre que combustible 1, qui a brûlé avec une quantité d’air convenable (fumées de couleur gris-clair et absence d’imbrûlés), permet d’obtenir la température de fumées la plus élevée (309°C) donc la température de foyer la plus élevée. Aussi, l’échantillon de combustible 1 s’est consumé plus rapidement que les autres échantillons et a engendré la quantité de cendre la plus faible. Notons au passage que les ouvertures, dues à la présence des portières, libèrent une quantité (non estimable) de cendre pendant les différentes combustions. Les conditions opératoires du four n’ont pas permis de garder le tourteau en suspension pendant toute la durée de la combustion, celui-ci a plutôt brûlé en tas (fumées noires et imbrûlés). Cependant, après l’avoir mis en suspension à l’aide d’une barre métallique (portière ouverte) nous avons noté qu’il brûlait très rapidement en provoquant une flamme plus vive (voir fig.8). Les mauvaises conditions de sa combustion justifient aisément les faibles températures de fumées enregistrées et le long temps de combustion. Concernant le combustible 3 (contenant 3,35 kg de combustible 1 et 1,65 kg de tourteau de palmiste), nous avons noté que sa combustion demandait aussi plus d’air. Cependant, avec les mauvaises conditions de sa combustion, il a fourni des températures de fumées plus élevées que celles du tourteau de palmiste avec une quantité de cendre assez faible. Ce combustible étant sûrement le plus susceptible d’être utilisé (après l’inauguration de la presserie), nous avons décidé de le brûler (environs 700 kg) dans l’une des chaudières afin d’analyser son comportement réel en combustion.


35


III.2. L’essai pratique en chaudière La première partie de notre essai a consisté à utiliser le combustible 3 pour effectuer le démarrage de la chaudière en remplacement du mélange de fibres et de coques en proportion égales (NB : la combustion des coques est le plus important facteur de création de mâchefers). Nous rappelons qu’au cours du démarrage, la chaudière est alimentée par des ouvriers qui, munis de fourche, introduisent le combustible dans le foyer (les portières étant ouvertes). Nous avons remarqué que lors de l’essai, il était difficile pour ces ouvriers d’accomplir leur tâche. Et pour cause, le tourteau de palmiste contenu dans le combustible 3 brûlait presque instantanément lorsqu’il était en suspension, provoquant ainsi un retour de flamme vers l’extérieur du foyer (l’air primaire étant soufflé). Dans le but donc d’éviter un quelconque accident, nous avons opté pour l’utilisation de l’élévateur à combustible afin d’acheminer le combustible 3 dans le foyer de la chaudière. Au finish, nous avons noté qu’il a fallu 40 minutes à la chaudière pour atteindre la pression de service (22 bars). La durée moyenne habituelle du démarrage étant de 45 minutes, nous avons conclu que le combustible 3 pouvait valablement remplacer le mélange de fibres et de coques lors des démarrages des chaudières. Quant à la seconde partie de notre essai, elle a consisté à brûler le combustible 3 dans la chaudière pendant l’usinage afin de s’assurer du maintien de la pression de service par cette combustion. La chaudière étant alimentée par le biais de l’élévateur à combustible, nous avons noté l’effectivité de la combustion avec cependant un retour de flamme vers l’extérieur du foyer au travers des ouvertures laissées par les portières non étanches (dysfonctionnement des systèmes de verrouillage). L’examen visuel de la sortie de la cheminée a permis de constater des fumées de couleur beaucoup plus sombre que d’habitude, mais n’a révélé aucun autoallumage (absence de flammes dans les fumées évacuées). Les opérations de décendrage effectuées après les essais ont révélé une quantité plus importante de cendre et d’imbrûlés contenant peu de mâchefers. Tandis que l’utilisation du combustible 1 produisait une quantité de cendre et d’imbrûlés légèrement inférieure, celle-ci contenant une importante part de mâchefers. La pression de service, quant à elle, est restée constante (22 bars) pendant toute la durée de l’essai. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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A l’analyse de tous ces constats, nous pouvons conclure que la combustion du combustible 3 nécessite des débits d’airs primaire et secondaire plus importants afin d’améliorer le rendement de combustion et de réduire, concomitamment, la quantité de cendre et d’imbrûlés produite. Aussi, paraît-il important d’accroître le débit du tirage des fumées (dépression) pour éviter les retours de flamme dangereux pour les conducteurs des chaudières. III.3. Les mesures à prendre pour l’utilisation du combustible 3 Les essais effectués nous ont permis de relever plusieurs mesures à prendre pour l’utilisation pratique du combustible 3 dans les chaudières à déchets de PALMCI. Ces mesures sont les suivantes : • réglage (augmentation appropriée de l’ouverture) des volets des canalisations de soufflage d’airs primaire et secondaire, ainsi que celui du volet de la canalisation de tirage des fumées, • remise en état des systèmes de verrouillage des portières des foyers des chaudières afin d’en assurer l’étanchéité, • prévision d’un véhicule (chariot élévateur) destiné à effectuer le transfert du tourteau de palmiste de la presserie à l’élévateur à combustible de l’huilerie. IV. L’ETUDE ECONOMIQUE DU PROJET Cette étude nous permettra d’évaluer la rentabilité du projet d’utilisation du tourteau de palmiste comme combustible complémentaire dans les chaudières. IV.1. L’estimation de l’économie réalisée Dans cette partie, nous avons évalué l’économie annuelle que permettrait de réaliser l’utilisation du combustible 3 par rapport aux dépenses en gasoil des groupes électrogènes lorsque ceux-ci suppléent les turboalternateurs. Nous savons que la combustion du combustible 3 permettrait de fournir 3.672.432 kWh d’énergie électrique, tandis que celle du combustible actuellement utilisé n’en fournirait que 2.102.431 kWh. Il résulterait donc une production supplémentaire de près de 1.570.001 kWh d’énergie électrique. Evaluer donc l’économie réalisée par ce projet, revient à comparer les différents coûts de production de cette énergie en utilisant d’une part les groupes électrogènes et d’autre part les turboalternateurs. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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Nous avons alors recherché auprès de la DCDI les différents coûts de production du kWh d’énergie fournie par chacune des sources d’énergie. Ces coûts englobent les frais liés aux traitements des eaux de chaudière, à la consommation en gasoil des groupes électrogènes et à l’entretien de ces équipements : • Groupes électrogènes : 150 F CFA/kWh (HT), • Turboalternateurs : 16 F CFA/kWh (HT). Le tableau ci-dessous indique les coûts de production liés à chacune des sources d’énergie ainsi que l’économie susceptible d’être réalisée : Prix de revient du kWh

Quantité d’énergie produite

Coût total de production

(F CFA/kWh)

(kWh)

(F CFA)

Groupes électrogènes

150

1.570.001

235.500.150

Turboalternateurs

16

1.570.001

25.120.016

Source d’énergie

ECONOMIE REALISEE

210.380.134

Tableau 10. Coûts totaux de production liés à chaque source d’énergie. IV.2. L’estimation du coût de revient des mesures d’accompagnement Nous avons, à ce niveau, évaluer le coût de revient de la réalisation de toutes les mesures à prendre pour l’utilisation du combustible 3 dans les chaudières à déchets de PALMCI. Les réglages des différents volets n’impliquent aucun décaissement de fonds. La remise en état des systèmes de verrouillage des portières des foyers des chaudières, quant à elle, n’a pas été prise en compte dans l’établissement du coût de revient des mesures d’accompagnement. En effet, ces opérations de maintenance qui seront réalisées au cours de l’entretien annuel en fin de pointe (août 2006), sont couvertes par le budget prévisionnel dudit entretien. Les dépenses liées à la réalisation des mesures d’accompagnement ne se résument plus qu’aux frais engendrés par la consommation en gasoil du véhicule destiné au transfert du tourteau de palmiste de la presserie à l’élévateur à combustible de l’huilerie. BRIAND ALAIN DELLOH Elève Ingénieur Energéticien

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Pour faciliter le transfert, il est prévu de stocker le tourteau de palmiste dans des « big bag » (grands sacs couramment utilisés dans les usines pour le stockage de matière), ceux-ci pouvant contenir près d’une tonne de combustible. La distance presserie - élévateur à combustible de l’huilerie est d’environ 500 mètres et le véhicule qui sera utilisé effectuera donc près de 9.212 chargements dans l’année (voir tableau 6). Les chariots élévateurs actuellement utilisés à l’huilerie ont les caractéristiques suivantes : • Consommation spécifique moyenne

: 2,5 l/h,

• Vitesse moyenne

: 15 km/h,

• Durée moyenne de manœuvre (chargement, déchargement)

: 5 minutes.

Les différentes données fournies plus haut, nous ont permis de déterminer les paramètres suivants : • Distance parcourue par chargement

: 500 mètres soit 0,5 km,

• Durée moyenne du chargement

: 7 minutes soit 0,12 heure,

• Consommation de gasoil par chargement

: 0,3 litre.

Le prix du litre de gasoil (2006) étant de 575 F CFA, nous avons pu déterminer la dépense annuelle qu’engendrerait le transfert du tourteau de palmiste. Celle-ci s’élève à près de 1.589.070 F CFA. En définitive, nous pouvons conclure que l’utilisation du tourteau de palmiste comme combustible dans les chaudières à déchets, engendrerait une économie annuelle de près de 208.791.064 F CFA. Le temps de retour de l’investissement (tr) est égal à : tr =

1 . 589 . 070 = 0 , 0076 an 208 . 791 . 064

tr ≈ 3 jours

Ce projet est donc hautement rentable.


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CONCLUSION L’étude que nous venons de mener, tout en nous imprégnant des réalités du monde agro-industriel, nous a permis de mettre à jour les potentialités énergétiques du tourteau de palmiste. Les analyses et essais que nous avons effectués, nous permettent clairement d’affirmer que celui-ci peut rentablement être utilisé comme combustible

dans

les

chaudières

à

déchets,

pour

vu que

les

mesures

d’accompagnement préconisées puissent effectivement être suivies. Ce combustible, au vu de l’économie considérable qu’il permet de réaliser, deviendra sans nul doute un atout majeur de la politique de rationalisation des ressources énergétiques engagée par la PALMCI. En effet, son utilisation permettra non pas de se dispenser de l’emploi des groupes électrogènes mais plutôt de réduire celui-ci au strict nécessaire (démarrage, arrêt de l’usine, etc.), option grandement rentable lorsqu’on constate les montées actuelles du prix du gasoil. Au terme de cette étude qui nous a plongé dans l’univers de la valorisation des déchets industriels, nous notons avec satisfaction l’approfondissement de nos connaissances tant dans le domaine professionnel que dans celui des relations humaines. Nous espérons enfin que la PALMCI tout en utilisant effectivement les résultats de nos recherches, nous permettra d’effectuer d’autres études sur des sujets aussi importants. En autres sujets, nous pouvons citer : la réalisation du circuit de transport pneumatique du tourteau de palmiste de la presserie aux chaudières ainsi que la valorisation des rafles (autres déchets produits par l’huilerie).


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BIBLIOGRAPHIE

[1] Jean – Charles JACQUEMARD, Le palmier à huile. Collection Le Technicien d’Agriculture Tropicale. GP Maisonneuve et Larose Ed., Paris, France, 1995. 207 pages.

[2] Lucien DELAPLACE & Michel PHILIPPE, Equipements de combustion pour combustibles solides. Techniques de l’Ingénieur (Mécanique et chaleur). Strasbourg, France, 1972. Pages B 117 à B 126.

[3] Yacouba BADO, Je conduis ma chaudière édition 1. Abidjan, Côte d’Ivoire, 2001. 20 pages.

[4] Yacouba BADO, Je conduis ma chaudière édition 2. Abidjan, Côte d’Ivoire, 2002. 24 pages.


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ANNEXES 1. Organigramme de fonctionnement de PALMCI 2. Plan de localisation des UAI de PALMCI 3. Organigramme de fonctionnement de l’huilerie d’Iboké 4. Composition massique moyenne d’un régime de palmier (type TENERA) 5. Coupes longitudinale et transversale du fruit de palme 6. Process de production de l’huile de palme 7. Plan général des équipements de la presserie 8. Caractéristiques techniques de la chaudière BABCOCK type SFMV 1157 9. Caractéristiques techniques des turboalternateurs 10. Caractéristiques techniques des groupes électrogènes 11-A et 11-B. Méthode de calcul du rendement actuel des chaudières 12. Méthode de calcul de la consommation spécifique actuelle des turboalternateurs 13. Prévisions mensuelles d’usinage de régimes, de production d’huile et de palmistes (exercice 2006) 14. Dessin technique du four expérimental.


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PFE Briand Alain_Apport énergétique du tourteau de palmiste

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