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
3
METHODOLOGIE ...................................................................................................................................... 6
4
DESCRIPTION DE DEROULEMENT DE L’INTERVENTION ............................................................................ 7
5
DESCRIPTIONS TECHNIQUES DE L’ATELIER DE CUISSON : ......................................................................... 8 5.1 5.2
6
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
14
RECOMMANDATIONS ............................................................................................................................ 37
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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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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
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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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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
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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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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
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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
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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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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
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
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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
CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
-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.
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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 :
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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
Figure 4 : Mesures EVS
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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.
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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
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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 160
90-180
40-80
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
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CIOK Bilan thermique de la ligne de cuisson
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.
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