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I-INTRODUCTION :
Dans le cadre de son engagement pour la protection de l’environnement, et en
parallèle à sa politique de management environnemental, HOLCIM MAROC a
procédé au changement de l’ancien système de dépoussiérage (les électrofiltres) par
des filtres à manches à l’usine d’Oujda. Cette initiative s’inscrit dans le cadre de la
politique du développement durable.
Pour améliorer notre connaissance et maîtrise du procédé et voir l’impact des filtres
à manches, un check-up des lignes de cuisson a été prévu. Au cours de ce check-up,
un suivi des émissions de poussières, durant le mois d’avril a eu lieu, et une
compagne de mesures visant à établir une série de bilans a été réalisée, à savoir le
profil d’oxygène dans le préchauffeur et l’atelier broyage, et le profil de pressions et
de température dans la tour de préchauffage. En outre, des mesures sur les
ventilateurs ont été effectuées pour évaluer leurs performances.
Le présent travail donne, dans sa première partie, une présentation brève de Holcim
Maroc, et une description succincte du procédé de fabrication du ciment à l’usine
d’Oujda. Puis la deuxième partie sera consacrée pour étudier l’efficacité du
dépoussiérage, et établir une comparaison entre les électrofiltres et les filtres à
manches. Cette étude comprend quatre volets : Les émissions de poussières, le
rendement, l’étanchéité du système et la consommation électrique. Elle traite aussi
l’importance de l’air parasite au niveau de l’atelier de broyage et le gain réalisé en
eau après le changement.
La troisième partie vise à déterminer un état de référence des paramètres de marche
du système four (Consommation calorifique, répartition de l’énergie thermique,
problèmes de concrétion dus aux éléments volatils, efficacité de la tour de
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préchauffage...). Par la suite, dans la dernière partie, on étudiera l’impact de ce
changement sur les performances des principaux ventilateurs (Consommation
électrique et rendements). Notons que pour chaque partie, on essayera de regrouper
les principales conclusions et de proposer quelques recommandations qu’on a jugées
nécessaires pour résoudre les problèmes relevés lors de ce check-up.
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Partie :1
- Historique du ciment
- Présentation de HOLCIM MAROC.
- Description du procédé
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I -HISTORIQUE DU CIMENT :
Le terme «ciment» est issu du latin coementum qui signifie mortier, liant des
maçonneries. Dans la préhistoire et au début de l’Antiquité, les maçonneries étaient
soit liées à l’argile, soit réalisées sans liant, comme les murs pélasgiques de Grèce ou
les murs incas. À Babylone, les maçonneries de briques étaient liées au bitume. Les
Egyptiens utilisèrent pour les pyramides, notamment, un plâtre grossier produit par
cuisson d’un gypse (sulfate de calcium) impur. Les Grecs furent parmi les premiers
constructeurs employant la chaux obtenue par cuisson du calcaire (carbonate de
chaux). Les Romains se servirent beaucoup de la chaux dans leurs constructions,
mais améliorèrent ce liant dès le 1er siècle avant J.-C., en l’additionnant de
pouzzolane soit naturelle comme les cendres volcaniques actives, soit artificielles
comme les briques pilées. Ils obtinrent ainsi un liant hydraulique, appelé ciment
romain, qui est en fait intermédiaire entre une chaux et un véritable ciment. Celui-ci
permit de construire de grands ouvrages hydrauliques, tel le pont du Gard, ou
maritimes tels les ports.
Aucun progrès ne fut accompli sur les liants pendant le Moyen âge, dont les
principales constructions – cathédrales, châteaux...– doivent leur réussite surtout aux
progrès réalisés dans l’art de tailler et d’assembler les pierres.
C’est seulement au XVIIIe siècle, les procédés de cuisson s’améliorant, que des
chaux hydrauliques, intermédiaires entre les chaux et les ciments, furent produites.
En 1756, l’Anglais Smeaton, en mélangeant celles-ci avec des pouzzolanes, obtint un
mortier aussi dur que la pierre de Portland. Cette élaboration fut reprise par ses
successeurs. Ainsi fut introduite progressivement dans le langage l’appellation de
ciment Portland.
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En 1817, le Français Louis Vicat, étudiant scientifiquement et non plus
empiriquement, comme ses prédécesseurs, les chaux hydrauliques, découvrit les
principes chimiques des ciments et définit leurs règles de fabrication. Aussi en est-il
considéré comme l’inventeur.
En 1824, l’anglais Aspdin prit un brevet pour la fabrication d’un ciment de Portland,
mais celui-là comportait encore beaucoup de points obscurs. C’est seulement en 1845
que l’anglais Johnson indiqua de façon précise les règles de fabrication de ce produit.
À la fin du XIXe siècle, en France, Le Chatelier étudia la composition chimique des
divers constituants des ciments; son œuvre fut perfectionnée et achevée par
l’Américain Bogue au XXe siècle.
En 1890, on comprit l’intérêt du laitier granulé ajouté au ciment, et, après 1945,
celui des cendres volantes. Les ciments spéciaux sont d’invention plus récente: le
ciment alumineux fut découvert par Bied, en 1908.
II- PRESENTATION DE HOLCIM MAROC :
HOLCIM MAROC a été créée en 1976 par l’office de développement industriel
avec le concours de la banque islamique. Sa première cimenterie d’Oujda a démarré
en 1979 avec une capacité de production nominale de 1.2millions de tonnes/an. En
1993, HOLCIM MAROC a mis en service sa deuxième cimenterie, à Ras Elma dans
la région de Fès, d’une capacité de production de 600000tonnes/an, pour remplir les
besoins et suivre la croissance du marché national. En outre, deux centres de broyage
et de distribution ont été ouverts à Fès et à Casablanca, avec une capacité de
de 500000 tonnes/an et 300000 tonnes/an respectivement, et sont approvisionnés par
wagons citernes.
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En 15 avril 2002, HOLCIM MAROC a changé son ancienne dénomination (CIOR).
Ce changement affirme son appartenance à un groupe international leader dans le
domaine de fabrication du ciment.
Les actions de HOLCIM MAROC sont reparties de la façon suivante :
♦ HOLCIM : 51 %.
♦ Banque Islamique de Développement: 13.8 %.
♦ Actions cédées en bourse : 35.2 %.
HOLCIM MAROC EN CHIFFRE :
- Capital actuel : 421 MDH.
- Capacité de production : 2.2MT/an.
- Part de marché : 22%.
PRODUCTION EN CHIFFRE :
* Usine d’Oujda : 1.6 MT/an.
* Usine de Ras-El ma : 600.000t/an.
* Centre de broyage et d’ensachage de Fès : 500.000t/an.
* Centre de broyage et d’ensachage de Casablanca : 300.000t/an.
MOYENS HUMAINS :
* 47 cadres supérieurs.
* 230 agents de maîtrise.
•••• 505 ouvriers.
USINE D’OUJDA :
L’usine d’Oujda est situé à 45 Km à l’Ouest d’Oujda à proximité de la route
principale Oujda- Casa et 15Km de la localité d’El Aioun.
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1) MATIERES PREMIERES :
- Calcaire : Le gisement du calcaire se trouve prés de l’usine. Les réserves sont
estimées à 600 millions de tonnes.
- Argile : Le gisement est situé à 7Km de l’usine avec une réserve de l’ordre de 200
millions de tonnes.
- Matières d’ajouts :
•••• Gypse : dont le gisement est situé 60Km de l’usine.
•••• Tuf et pouzzolane : sont extraits de plusieurs gisements qui se trouvent dans
la région de Nador.
2) ELECTRICITE :
L’usine d’Oujda est alimenté en énergie électrique par deux voies, à moyenne
tension de 60 KV (un poste de transformation de 225/60 KV est installé à proximité
de l’usine ).
Et pour faire face à toute défaillance du réseau, l’usine possède deux postes de
secours de 500 KVA, pour assurer la marche des organes vitaux.
3) COMBUSTIBLE :
Le combustible utilisé par HOLCIM MAROC est le petcoke. La consommation de
l’usine est d’environs 150000 tonnes/an.
L’approvisionnement est assuré par le charbon d’importations transitant par le port
de Nador.
4) EAU :
Les besoins en eau par la cimenterie sont satisfaits par deux sondages situés à 2 Km
de l’usine.
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III -PROCEDE DE FABRICATION DU CIMENT :
Le procédé de fabrication du ciment à la HOLCIM (MAROC), est le procédé à voie
sèche à deux lignes, qui comprend les étapes suivantes :
III-1 EXTRACTION DE LA MATIERE PREMIERE :
Les matières premières nécessaires pour la fabrication du ciment sont :
• Argile : son gisement est situé à proximité de l’usine.
• Calcaire :est extrait d’une carrière proche de l’usine par abattage à l’explosif.
Les réserves des matières premières sont estimées à remplir les besoins de la
société sur une durée qui dépasse 100 ans.
L’exploitation de la carrière est sous-traitée. Il est à noter que ces deux matières
premières contiennent les éléments ci-dessous :
- La silice.
- L’alumine.
- Les minerais de fer.
- Les alcalins(Na ;K).
- Les sulfates et les sulfites.
- Calcaire.
- Le chlore.
et d’autres éléments en état de trace, tels que TiO2…etc.
III-2 CONCASSAGE :
Après l’extraction, la matière est introduite dans un concasseur dont le rôle est de
réduire la taille des blocs de matière afin de faciliter le transport et les opérations
venant par la suite. A l’issue de son concassage, la matière est envoyée vers le tas de
stockage. Ces derniers sont faits pour permettre la marche continue du processus de
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fabrication du ciment. Et leur formation constitue une étape première
d’homogénéisation très avancée, appelée étape de pré homogénéisation.
III-3 ECHANTILLONNAGE :
La proportion des compositions chimiques de la matière première est un facteur
déterminant dans la qualité du ciment. Un contrôle de ce facteur est donc nécessaire.
Pour cette raison ; la matière concassée transite par une station d’échantillonnage
pour analyser les échantillons prélevés à la tête de chaque heure. Ainsi, la matière est
corrigée par les ajouts juste avant le broyage.
III-4 BROYAGE ET SECHAGE :
Pour espérer une bonne cuisson, l’un des paramètres qu’il faut maîtriser est la
granulométrie de la matière. Pour ce faire, la matière concassée passe dans un
broyeur permettant de sécher la matière et d’obtenir la finesse voulue.
� Le broyage est assuré grâce à des boulets ( diamètre allant de 90mm à l’entrée du
broyeur, jusqu’à 30mm à sa sortie, qui sont classés à l’aide des plaques auto-
classantes.
� Le séchage est assuré par une partie des gaz aspirés du four. La température à la
sortie du broyeur est de l’ordre de 110°C.
Signalons qu’un séparateur statique est placé à la sortie du broyeur et ne laissant
passer que les grains de finesse recommandée, alors que les gruaux sont recyclés à
l’entrée du broyeur.
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Les caractéristiques du broyeur sont illustrées dans le tableau suivant :
Broyeur cru
Nombre des broyeurs 2
Vitesse de rotation 15 tr/min
Diamètre 5m
Longueur 8m
Capacité 140T/h par broyeur
Puissance du moteur 1500ch par broyeur
Finesse finale 90% < 100µm
Tableau 1-1 : Caractéristiques du broyeur cru
III-5 HOMOGENEISATION :
La matière crue, provenant des broyeurs, est transportée, par des transporteuses
aéroglissières au silo d’homogénéisation afin de lui conférer une composition
chimique homogène grâce à un système de fluidisation. Cette opération permet
d’améliorer la cuisson par la suite.
La farine est ensuite stockée dans 4 silos de stockage de capacité totale de 6800
tonnes.
III-6 PRECHAUFFAGE :
Cette opération a lieu dans une tour dite DOPOL. Elle consiste à un chauffage
progressif de la matière en circulation à contre-courant avec les gaz issus de la
combustion au sein des cyclones. Ce chauffage a comme objectifs :
� L’évaporation de l’eau superficielle.
� La dissociation de l’eau chimiquement liée à la matière, entre 250°C et 650°C.
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� La décarbonatation partielle de la matière suivant les deux réactions :
MgCO3 MgO + CO2
CaCO3 CaO + CO2
La tour DOPOL présente les caractéristiques suivantes :
La Tour DOPOL
Hauteur 70 m
Nombre de cyclones 9/ligne
Nombre d’étages 4
Diamètre des cyclones 3.6 m à 4 m
Température des gaz à
la sortie 300°C à 360°C
Température de la
farine à la sortie 800°C à 900°C
Tableau 1-2 : Caractéristiques de la tour DOPOL
III-7 CUISSON ET REFROIDISSEMENT :
La farine provenant de la tour de préchauffage déjà décarbonatée à 60% poursuit
son parcours dans le four.
On distingue trois zones au sein du four :
♦ La zone de calcination ( appelée aussi de transition) :
C’est la zone existant à l’entrée du four, et là où s’achève la décarbonatation de la
matière.
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♦ La zone de cuisson ou de clinkérisation :
C’est la zone la plus importante et la plus chaude du four rotatif. En effet, la
température de cette zone peut dépasser 1500°C, ce qui permet la combinaison de
(CaO)2SiO2 avec la chaux libre pour donner les cristaux de (CaO)3SiO2 qui
grossissent et granulent, formant ainsi du clinker.
Dans ce qui suit, on notera :
- La chaux : CaO par C.
- La silice :SiO2 par S.
- L’alumine :Al2O3 par A.
- Le ferrite : Fe2O3 par F.
Les réactions principales ayant lieu dans cette zone sont :
4C +F + A C4AF Ferroaluminate calcique.
2 C + S C2S Silicate bicalcique.
3 C + S C3S Silicate tricalcique.
3 C + A C3A Aluminate tricalcique.
La chaleur nécessaire pour la réalisation de ces réactions est apportée par les gaz de
combustion, qui sont transportés par l’air de transport aux zones de clinkérisation, de
calcination et à la tour DOPOL. La rotation et l’inclinaison du four permettent la
progression de la matière.
♦ Le refroidissement du clinker :
Le refroidissement du clinker est une étape cruciale dans la production de clinker de
bonne qualité. En effet, le clinker doit être refroidi rapidement pour :
• Eviter la rétrodégradation de C3S en C2S en cas d’un lent refroidissement, et donc
éviter la formation de la chaux libre, responsable des expansions et des
gonflements du ciment.
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• Récupérer la chaleur du clinker qui sera transportée par l’air secondaire transitant
vers le four et servira pour le chauffage et la cuisson.
• Rendre possible son transport et son stockage au niveau des silos.
Le système de refroidissement du clinker comprend 9 ballonnets et 4 ventilateurs.
Four
Nombre de fours 2
Longueur 80 m
Diamètre 4.6 m
Capacité 900t/jour/four
Vitesse de rotation 2.8 tr/min
Inclinaison 3% de l’horizontale
Puissance du moteur 382Kw/four
Tableau 1-3: Données fonctionnelles du four.
III-8 BROYAGE CLINKER :
A ce stade des additifs sont ajoutés au clinker :
- Le gypse : permet de régulariser et de ralentir la prise.
- Les pouzzolanes : L’emploi des pouzzolanes confère au ciment des propriétés
intéressantes, notamment :
•••• Une amélioration de la résistance du béton à long terme.
•••• Une augmentation de la résistance contre le gel.
•••• Une réglabilité du temps de prise, de la dureté et de l’élasticité.
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D’autres additifs peuvent s’ajouter tels que les cendres volantes, conférant des
propriétés spécifiques. Le mélange est broyé dans deux broyeurs à boulets de capacité
110T/h chacun.
Les différents types de ciment sont :
* CPJ 45 : Ciment Portland de résistance à la compression égale à 45MPa après
28 jours.
* CPJ 35 : Ciment Portland de résistance à la compression égale à 35MPa après
28 jours.
* CBG : Clinker broyé gypsé, c’est un mélange de clinker et de gypse ( produit
semi-fini ) tel que le gypse présente à peu prés 7%, à ce mélange s’ajoute 16% ou
30% de pouzzolane pour avoir respectivement CPJ 35 ou CPJ 45.
Le ciment produit est stocké dans 12 silos dont la capacité totale est de 40000 tonnes.
III -9 ENSACHAGE ET DISTRIBUTION :
L’atelier d’ensachage et de distribution est conçu pour la livraison des différents
types de ciment en sac ou en vrac, par route ou par rail. Il a été automatisé pour
réduire les dépenses importantes de la main d’œuvre.
III -10 COMBUSTIBLE :
La hausse des prix des produits pétroliers à la fin des années 70, a poussé les gros
consommateurs d’énergie en l’occurrence les cimenteries, à se convertir à la chauffe
aux combustibles solides. Ainsi HOLCIM MAROC a démarré son atelier de broyage
du combustible solide en 1985.
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L’atelier de combustible est composé des trois parties :
III -10-1)Réception, stockage et reprise:
Le combustible utilisé est le petcocke, et livré à l’usine par camion ou par wagon, et
déchargé dans une trémie de réception de capacité de 100 tonnes.
A l’aide d’un extracteur et d’un convoyeur à bande, le combustible est acheminé vers
l’aire de stockage. Le système de stockage, constitué d’un stock permet de
préhomogénéiser la matière par couches successives grâce à son mouvement de
translation sur rail.
La reprise du combustible est réalisée par un gratteur qui déverse directement sur le
convoyeur d’acheminement vers l’atelier broyage.
III -10-2) Broyage :
Le combustible brut entre dans le broyeur sous forme de blocs pour être broyé à une
finesse permettant de réaliser une combustion complète dans le four.
Durant cette étape de broyage, le combustible est séché par les gaz chauds soutirés
de la tour de préchauffage.
III -10-3)Dosage et transport du combustible :
Le système de dosage est constitué d’une trémie de capacité utile de 4.750tonnes par
l’intermédiaire d’une vanne à commande pneumatique.
Le transport du combustible au four se fait à l’aide de l’air surpressé fourni par un
surpresseur.
Le combustible est introduit pulvérisé dans le four à l’aide de l’air primaire.
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DIAGRAMME GENERAL DU PROCESSUS DE FABRICATION DU
CIMENT
ENSACHAGE ET EXPEDITION
AJOUTS Tuf, Argile,
Pouzzolane .
BROYAGE CLINKER
CUISSON (Four rotatif)
HOMOGENEISATION
SECHAGE ET BROYAGE
PREHOMOGENEISATION
CONCASSAGE
GYPSE
CALCAIRE 78%
%%%
ARGILE 22%
FUMEE
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Partie :2
- Check-up de l’atelier de broyage :
1. Efficacité des filtres à manches.
2. Entrées d’air faux.
3. Gain en eau.
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I) EFFICACITE DU SYSTEME DE DEPOUSSIERAGE ( FILTRES A
MANCHES) :
A l’instar des autres compagnies du groupe HOLCIM, HOLCOM MAROC est en
train de développer une politique environnementale basée sur le principe de
développement durable à savoir l’utilisation rationnelle et économique des ressources
naturelles, la protection des milieux naturels, le respect des normes et
réglementations environnementales, etc…
Et dans le cadre de ces engagements, HOLCOM MAROC a installé de nouveaux
filtres à manches qui viennent remplacer les éléctrofiltres. Ceci étant dans le but de
limiter les rejets de poussières.
1- Description des filtres à manches :
Le filtre à manche est un appareillage conçu pour exercer la fonction d’épuration
d’un aériforme poussiéreux. L’action d’épuration se fait en convoyant l’aériforme du
local où il est prélevé à travers un système de tubulures, jusqu’à l’intérieur des filtres.
Un ventilateur en aval de ce dernier assure le tirage nécessaire et l’évacuation des gaz
épurés dans le milieu.
Le filtre à manches consiste en deux volumes séparés, un poudreux et un propre.
Pour passer du premier au second, l’aériforme doit traverser une surface poreuse
constituée de feutre (Voir figure 1 annexe 2) qui retient la poussière et laisse passer
les gaz.
La surface poreuse est constituée de manches cylindriques soutenues des paniers
réalisés en fil de fer, une plaque perforée (dite à tubes) a pour fonction de séparer
physiquement les deux milieux et de fournir le soutien pour les manches. Ces
dernières sont installées dans la partie propre et pénètrent sur toute leur longueur
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le volume du gaz poussiéreux. Un système d’étanchéité entre les manches et les
plaques à tubes empêche le passage des poussières de la partie sale à la partie propre.
Pour empêcher la dégradation du système et l’encrassement des manches, celles-ci
doivent être périodiquement nettoyées pour éliminer les poussières accumulées sur la
surface, tout en maintenant les valeurs de perméabilité du moyen filtrant (surface
poreuse) à des niveaux fonctionnellement acceptables. Le nettoyage se fait
automatiquement en injectant à l’intérieur de la manche une quantité contrôlée d’air
comprimé. Les poussières éliminées par les manches, précipitent par gravité dans la
trémie de récupération et sont évacuées par le système d’évacuation.
2 - Caractéristiques principales de la machine :
La machine est conçue pour obtenir :
- Fiabilité dans l’efficacité de filtrage, la concentration à la sortie du filtre, en
conditions de fonctionnement correct, est inférieure de 10 mg/m3 , en
conformité avec toutes les limites d’émissions imposées par les normes.
- Efficacité énergétique : Consommation électrique réduite.
- Facilité de maintenace.
Pour protéger ces filtres contre toute défaillance éventuelle, suite à une température
élevée (>240°C), les gaz passent tout d’abord par un tour de conditionnement qui
assurent leur refroidissement à une température inférieure de 160°C. Pour cette
raison, la tour est dotée de deux registres d’entrées d’air. Un est ouvert en
permanence, l’autre est utilisé en cas d’urgence quand la température dépasse 220°C.
3-Efficacité des filtres à manches :
Dans l’objectif de maîtriser sa marche, un check-up des nouveaux filtres a été
réalisé. L’étude effectuée a compris quatre volets :
� La conformité aux normes.
� L’étanchéité du système.
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� Le rendement.
� La consommation électrique.
3-1 Conformité aux normes :
Le respect des normes de l’environnement est devenu un soucis de toute unité
industrielle voulant être certifiée, surtout avec la venue de l’ISO 14001, qui tolère des
rejets de poussières, ne dépassant pas 100 mg/ Nm3 pour les anciennes usines et 50
mg/ Nm3 pour les nouvelles, vue leurs effets adverses tels que leur nocivité vis à vis
des organismes vivants qui constitue le problème le plus grave (exemple la silice).
Dans ce paragraphe, on essayera de montrer l’effet du changement des éléctrofiltres
par les filtres à manches sur les rejets des poussières.
Pour ce faire, un suivi des concentrations des poussières émises par la cheminée, a
eu lieu le long du mois d’Avril 2002 (cas des filtres à manches), et le mois d’Octobre
2001 ( cas des éléctrofiltres). (Voir tableau 1 annexe 2).
Figure 2-1 : L'évolution des émissions de poussières
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 5 10 15 20 25 30 Journée
Concentration en (mg/Nm3)
Cas des électrofiltres(Mois octobre)Cas des filtres àmanches (Mois avril)
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Sur le graphe ci-dessus, il parait clair que les rejets des poussières se sont
notablement réduits après l’installation des filtres à manches et conservent des
valeurs faibles ne dépassant pas 16 mg/Nm3 respectant ainsi les normes qui tolèrent
un maximum de 100 mg/Nm3. Par contre, les émissions de poussières par les
électrofiltres dépassent parfois les normes comme le montre le graphe, surtout sur les
deux premières semaines du mois d’octobre précédent, avec des valeurs
remarquablement élevées qui atteignent parfois 450 mg/Nm3 voire plus.
En outre, on note une instabilité des émissions de la poussière rejetée par les
électrofiltres, à l’encontre des filtres à manches qui présente une bonne stabilité.
Cette instabilité des émissions et le dépassement des normes en cas des électrofiltres
sont dus essentiellement à :
- Température des gaz élevée qui dépasse 90°C : En effet les électrofiltres ne
sont efficaces que pour des températures inférieures à 90°C.
- Arrêt des électrofiltres : qui est dû à des concentrations élevées de CO qui peut
engendrer, en présence de l’O2 et l’étincelle, l’explosion de l’installation.
- Colmatage des électrodes.
3-2 Etanchéité des filtres :
Pour avoir une idée sur l’étanchéité du nouveau système de dépoussiérage, il a été
estimé nécessaire de procéder à une évaluation des entrées d’air faux à partir de la
connaissance des taux d’oxygène O2 à l’entrée et la sortie des filtres, qui ont été
mesurés dans le cadre du profil d’oxygène réalisé sur l’atelier de broyage cru.
Les résultats de ce check-up, en plus des résultats du dernier check-up réalisé sur les
éléctrofiltres, figurent sur le tableau ci- dessous :
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O2 % à
l’entrée
O2 % à
La sortie
TAF
(%)
TAF dans l’air
faux total (%)
Ligne 1 Electrofiltres 9.2 10.9 10.7 33
Filtres à manches 11.6 12 4 9,2
Ligne 2 Electrofiltres
Filtres à manches 11,5 11,8 3,03 7
Tableau 2-1 : Comparaison des TAF dans les filtres.
TAF : Taux d’air faux
A partir des résultats précédents, on peut conclure que les nouveaux filtres présentent
une très bonne étanchéité. En effet, l’écart relevé entre les taux d’oxygène à l’entrée
et à la sortie est faible, ce qui correspond à un taux d’air faux de 4 % dans la ligne 1
et de 3,03% dans la ligne 2. On peut donc conclure que le nouveau système de
dépoussiérage est bien étanche.
En comparaison avec les électrofiltres, ces derniers présentent d’importantes entrées
d’air faux. Les taux d’oxygène relevés lors du dernier bilan (voir tableau ci-dessus)
confirment que l’ancien système de dépoussiérage est moins étanche avec un taux
d’air faux de 10.7 % dans la ligne 1 et de 3,03% dans la ligne 2.
Le remplacement des électrofiltres par les filtres à manches a permis donc de réduire
les entrées d’air faux, et par suite la consommation électrique du ventilateur
cheminée, qui sera étudiée ultérieurement dans la partie des ventilateurs.
3-3 Rendement et coefficient d’épuration :
L’évaluation du rendement d’un système de dépoussiérage nécessite la connaissance
du débit de poussières à l’entrée (incident) Qe, le débit des poussières
récupérées Qr et le débit des poussières émises Qs.
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Dans notre cas, le débit des poussières récupérées est déterminé à l’aide d’une pesée.
Celui des poussières émises est évalué en connaissant la concentration des poussières
Cg (mg/Nm3) et le débit des gaz à la sortie Qg (Nm3/h). Il est donné par
Qs= Cg *Qg
Où
Qg = [0.28 (q + 1) + (0.28 + 0.25 q ) xO2 / (21 - xO2)]*Qcli
Un bilan matière des poussières sur le système de dépoussiérage donne :
Qe = Qr + Qs
a- Le rendement ηηηη :
Il est donné par : ηηηη = e
r
Q
Q
b- Le coefficient d’épuration ττττ:
C’est le coefficient de réduction de la quantité de poussières incidentes. Il s’exprime
par la formule suivante : ττττQsQe=
Les principaux résultats relatifs aux filtres à manches et aux éléctrofiltres, sont
regroupés le tableau suivant :
Ligne1 Ligne 2
Eléctrofiltres Filtres à manches Eléctrofiltres Filtres à manches
Qg (Nm3/h) 345210 252262,2 290532 247983,3
Cg(mg/Nm3) 497 15,86 500 14,68
Qr (t/h) 10,9 28 11,5 24
Qe(t/h) 11,07 28,004 11.64 24,004
ηηηη (%) 98.46 99,98 98,79 99,98
ττττ 65 5000 50 5000
Tableau 2-2 : Rendements des filtres
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Rapport de PFE Page 25
On note, d’après les résultats représentés dans le tableau ci-dessus, que les
rendements des filtres à manches sont légèrement supérieurs à ceux des électrofiltres,
tandis qu’en tenant compte des coefficients d’épuration, on peut conclure que le filtre
à manches de la première ligne est 77 fois plus efficace, et celui de la deuxième ligne
est 100fois plus efficace que les anciens dépoussiéreurs.
4- Consommation électrique :
Des relevés de puissances consommées par les filtres à manches ont été effectués et
comparés à d’autres réalisés avant le remplacement des électrofiltres.
Les résultats figurent sur le tableau ci-après:
Les filtres à manches Les électrofiltres Débit clinker
(t/h) 165.2 165.2
Puissance consommée (KW)
2 x 67.6 2 x 218.6
Energie spécifique ck (KWh/ t cli)
0.82 2.64
Tableau 2-3 : Consommation électrique.
Un gain remarquable en consommation d’énergie électrique a été enregistré après le
changement des électrofiltres par les filtres à manches, qui est de l’ordre de
1.82KWh/ t clinker, ce qui correspond à une réduction de 69 %.
Cette amélioration est due essentiellement à la faible consommation électrique des
filtres à manches en comparaison avec celle des électrofiltres qui a été absorbée
essentiellement par le champs électrostatique crée.
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Rapport de PFE Page 26
II) ENTREES D’AIR FAUX :
La quantification d’air faux, au niveau des installations de l’atelier broyage, a été
réalisée dans le cadre du profil d’oxygène, pour détecter les entrées d’air parasite. Les
résultats de ce profil sont illustrés sur le tableau suivant :
O2%
à l’entrée
O2%
A la sortie
% Air
faux
% Air
faux global
Ventilateur DOPOL 4.2 6.3 6.9 25.3
Broyeur cru 11.7 12.7 11 40.2
Séparateur statique 12.7 12.7 0 0
Cyclones 12.7 13.1 5.2 18.9
Ventilateurs E 17 13.1 13.2 1.4 5
Ventilateur cheminée 12 12.2 2.1 7.8
Tableau 2-4 : L’air faux dans l’atelier de broyage cru
Les mesures réalisées au cours du profil d’O2 , ont mis en évidence l’importance de
l’air parasite dans l’atelier broyage avec un taux global de 27.5 %. Une grande partie
des airs faux est concentrée au niveau du broyeur, du ventilateur DOPOL et des
cyclones. Il est donc primordial d’éliminer ces infiltrations d’air.
III) GAIN EN EAU :
Le broyage de la matière première est l’une des importantes unités dans une usine de
fabrication du ciment, dont l’incidence économique est très lourde aussi bien à cause
des investissements réalisés, des frais d’entretien, de la forte consommation
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Rapport de PFE Page 27
énergétique et de la consommation des corps broyants. Tout comme les autres unités,
l’impact sur les broyeurs à cru dû au changement des conditions opératoires suite à
l’installation des nouveaux filtres est remarquable. En effet, après l’installation des
filtres à manches, l’injection d’eau; au niveau du broyeur cru et de la tour de
conditionnement; qui a eu comme objectif le refroidissement des gaz chauds pour
assurer le bon fonctionnement des électrofiltres; a été éliminée, ce qui a conduit à une
économie considérable d’eau.
Le but de ce paragraphe est d’évaluer ce gain en se basant sur les données
enregistrées pendant l’an 2001.
Durant l’an 2001 le broyeur cru de la ligne 1 a produit 758412 tonnes de farine et a
consommé un volume de 38025 m3 en eau. Et comme le rapport farine/ clinker est à
peu près égale à 1,6 alors le volume d’eau consommé par 1 tonne de clinker durant
son broyage est :
V1 = [( consommation annuelle) / production annuelle en farine] * 1,6
= [ 38025 / 758412] * 1,6
= 0,080 m3/tonne de clinker.
Durant l’an 2001, la tour de conditionnement de la ligne 1 a consommé un volume de
7726m3 en eau et la production en clinker est de 452405 tonnes.
Donc pour 1 tonne de clinker, la tour de conditionnement a consommé un volume V2
d’eau tel que :
V2 = [consommation annuelle en eau / production annuelle en clinker]
= [7726 / 452405]
= 0,017m3/tonne de clinker.
Finalement le volume d’eau récupéré au niveau du broyeur cru et la tour de
conditionnement est de : V = V1 + V2 = 0,097 m3/t.clinker = 97 l/t.clinker.
Ce gain en eau s’est traduit par une réduction de 37.8 % de sa consommation totale.
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Rapport de PFE Page 28
VI - CONCLUSION :
Le remplacement des électrofiltres par les filtres à manches s’est traduit par des
impacts conséquents sur l’atelier broyage :
- Réduction considérable des émissions des poussières et mise en conformité
avec la réglementation marocaine.
- Amélioration de la récupération de la matière grâce à l’efficacité des nouveaux
dépoussiéreurs.
- Elimination des entrées d’air faux au niveau des nouveaux filtres.
- Elimination du risque d’explosion.
- Gain en consommation électrique.
- Economie d’eau.
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Rapport de PFE Page 29
Partie :3
- Performances du four.
- Bilan matière.
- Bilan thermique.
- Bilan des éléments volatils.
- Efficacité du préchauffeur.
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Rapport de PFE Page 30
I) ETUDE DES PERFORMENCES DU SYSTEME FOUR :
1) Bilan matière et bilan thermique du système four :
Pour étudier les performances du four, un bilan matière et un bilan thermique sur
chaque ligne de production, ont été prévues. Mais, à cause de certaines contraintes
industrielles (instabilité des fours due à l’utilisation des boues de pétrole comme
combustible), l’étude s’est limitée sur la deuxième ligne.
Le bilan matière a pour objectifs d’évaluer les débits entrés et sorties du système four
et d’estimer l’importance du problème de concrétion.
Durant le bilan thermique du système four, ont été évaluées les chaleurs aux entrées
et sorties, la consommation calorifique et la combustion.
Ces bilans se sont déroulés dans les conditions suivantes :
• Pression atmosphérique : Pa= 945mbar.
• Température ambiante : Ta= 15°C.
• Production du four : 2181,4t/j.
( Tableau 1 annexe 3 : Pesé clinker pendant 12 h ).
• Température de référence : To = 20°C.
Toutes les chaleurs calculées seront rapportées à 1Kg de clinker.
1-1)Bilan matière solide :
Le bilan matière solide est un bilan qui tient compte uniquement de la matière non
volatile. Son établissement nécessite la connaissance des pertes au feu (PAF) de la
matière à l’entrée et à la sortie. Ce paramètre est déterminé au laboratoire.
Entrées :
-Alimentation four : (1- PAFcru) * Qcru
-Cendres du combustible (1- PAFcom) * Qcom
Avec :
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Rapport de PFE Page 31
Qcru : Débit de la farine crue rapporté au débit de clinker (Kg/Kg cli).
Qcom : Débit combustible rapporté au débit de clinker(Kg/Kg cli).
PAF (perte au feu ) : les pertes en poids à haute température ( 700°C à 1000°C ).
( Relevé des compteurs : tableau 2 annexe 3 )
Sorties :
-Clinker : (1- PAFcli) * Qcli
-Poussières sortie tour (1- PAFps) * Qps
Qps : Débit massique des poussières rapporté au débit de clinker (Kg/Kg clinker).
Qcli : Débit massique du clinker (=1).
1-2) Bilan thermique :
� Les entrées du four :
- Le combustible ( petcoke):
Deux chaleurs sont à considérer pour le combustible, la chaleur sensible et la chaleur
de combustion.
• La chaleur sensible du combustible est donnée par :
Hc1 = Qcom [(Ec/(100-Ec)) CPeau + CPcom] (Tcom – To) (Kj/Kg cli)
CPcom : Capacité calorifique du combustible en (Kj/ Kg °C).
CPeau : Capacité calorifique de l’eau en (Kj/ Kg °C).
Tcom : Température du combustible à l’entrée.
Ec : Humidité du combustible.
• La chaleur de combustion :
La combustion est une réaction déterminante dans le processus de cuisson. Elle
dépend de divers paramètres notamment le type de combustible. En effet, la chaleur
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Rapport de PFE Page 32
fournie lors de la combustion dépend du débit de combustible et de son pouvoir
calorifique inférieur PCI.
Pratiquement, HOLCIM-MAROC utilise un PCI = 33,445 MJ/ Kg combustible.
Cette valeur a été déterminée à l’aide d’un calorimètre.
Cette chaleur est donnée par :
Hc2 = Qcom * PCI (Kj/Kg cli)
- Farine crue:
Sa chaleur sensible est exprimée par:
HF = Qcru [(E/(100-E))CPeau + CPcru](T cru – T0) (Kj/Kg cli).
CPeau : Capacité calorifique de l’eau en (Kj/ Kg °C).
CPcru : Capacité calorifique du cru sec (Kj/ Kg °C)..
Tcru : Température de la farine crue à l’entrée.
E : Humidité du cru réellement introduite en %.
- L’air :
• Air primaire: Il sert essentiellement à transporter le charbon pulvérisé et à intervenir
dans l’opération de combustion en plus du réglage de la flamme.
La chaleur sensible de l’air primaire est donnée par:
HP =QP Cair (TP – To) (Kj/Kg cli).
QP : Débit volumique de l’air primaire rapporté au débit de clinker en(Nm3/Kgcli).
CPair : capacité calorifique de l’air (Kj/ Nm3 °C).
TP : Température de l’air primaire à l’entrée.
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Rapport de PFE Page 33
• Air secondaire : Il sert à refroidir le clinker, et représente 90% de l’air de
combustion.
La chaleur sensible de l’air secondaire est donnée par:
HS =QS Cair (TS – To) (Kj/Kg cli).
QS : Débit volumique de l’air secondaire rapporté au débit de clinker (Nm3/Kg cli).
CPair : Capacité calorifique de l’air en (Kj/ Nm3 °C).
TS: Température de l’air secondaire à l’entrée.
� Les sorties du four :
- La chaleur de formation :
La chaleur de formation englobe toutes les chaleurs des réactions subies par la
matière crue pour produire 1Kg de clinker.
• La chaleur de déshydratation des argiles :
La déshydratation des argiles càd la libération de l’eau chimiquement combinée sous
forme d’ions hydroxyles OH- se produit entre 300 °C et 900°C (considérée à 500 °C à
HOLCIM MAROC) selon la nature et la granulométrie de l’argile.
La chaleur de déshydratation des argiles est de : 83.6 Kj /Kg cli.
• La chaleur de décarbonatation de la matière :
Les réactions de décarbonatation :
CaCO3 CaO + CO2
MgCO3 MgO + CO2
La chaleur de la 1ére réaction est de 1768,14 Kj/Kg CaCO3
La chaleur de la 2éme réaction est de 2710 Kj/Kg MgCO3.
• La chaleur de clinkérisation:
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Rapport de PFE Page 34
La chaleur de clinkérisation est de :
– 459,8 Kj/Kg cli.
Pratiquement, HOLCIM MAROC utilise la formule suivante pour le calcul de cette
chaleur :
Hfor = xCaO * 3200 + xMgO * 2710 – xSiO2 * 2140 – xFe2O3 * 250 +xAl2O3 * 1720 (Kj/Kg cli).
-Le clinker :
La chaleur sensible du clinker est :
HCL = CPcl (Tcl – To) (Kj/ Kg cli).
CPcl : Capacité calorifique du clinker en (Kj/ Kg °C).
Tcl : Température du clinker à la sortie.
( Tableau 3 annexe 3)
- Les poussières sortie tour:
La chaleur sensible des poussières, qui quittent la tour DOPOL avec les fumées, est :
HPs =Qps CPps (Tps – To) (Kj/ Kg cli).
Cps : Capacité calorifique des poussières en (Kj/ Kg °C).
Tps : Température des poussières.
- Les fumées sortie tour :
La chaleur sensible des fumées sortie tour est :
Hf = Qf Cpf (T f – To) (Kj/Kg cli).
Qf :Débit volumique des fumées rapporté au débit de clinker en (Nm3/Kg cli).
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Rapport de PFE Page 35
Ce débit est calculé, en connaissant la composition sèche de l’O2 à la sortie de la
tour DOPOL, à l’aide de la formule suivante :
Qf = 0.28 (q + 1) + (0.28 + 0.25 q ) xO2 / (21 - xO2)
CPf : Capacité calorifique des fumées en (Kj/ Nm 3 °C).
Tf : Température des fumées °C.
xO2 : fraction volumique de O2
q : Consommation calorifique par Kg de clinker (Mj/Kg cli).
( Tableau 4 annexe 3 : Mesures sortie tour ) - La chaleur d’évaporation de l’eau du cru :
Cette chaleur est exprimée par :
Hvap1 = Qcru * [E/(100-E)]*L vap(eau) (Kj/Kg cli).
tel que :
Lvap(eau) est la chaleur latente d’évaporation de l’eau. Elle est prise égale à
L vap(eau) = 2450 Kj/Kg H2O.
- La chaleur d’évaporation de l’eau du combustible :
Cette chaleur est calculée par la formule :
Hvap2 = Qcom * [Ec/(100-Ec)]*L vap(eau) ( Kj /Kg cli).
- Les pertes par imbrûlés :
C’est une perte thermique sous forme d’imbrûlés gazeux (CO).
H ( pertes dues à CO) = Qf* xco* 12.64 * 103 ( Kj /Kg cli).
- Les pertes par convection et par radiation :
Ces pertes sont exprimées sous la forme suivante :
H(pertes par conv et rad) = ααααtot A (T – Ta) (Kj/Kg cli).
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Rapport de PFE Page 36
Où
ααααtot :Coefficient global de transfert. Ce coefficient est donné par
ααααtot =ααααconv + ααααrad
ααααrad : Coefficient de transfert par radiation.
ααααconv : Coefficient de transfert par convection.
( Figure 1 annexe 3 ) donne le coeficient globale de transfert par radiation et
convection .
• Les pertes par radiation :
Ces pertes sont calculées par la formule ci-dessous :
Hr = ααααrad A (T – Ta)
Avec
ααααrad = 0,04 CR εεεε ( Tm /100)3 [ 1+ (∆∆∆∆T/2T)2 ]
T : La température de la surface rayonnante A en °K.
Tm = (T + Ta)/2 : La température moyenne en °K.
∆∆∆∆T = T – Ta
CR : Constante de radiation = 5,67 W /m2 °K4.
εεεε : Coefficient d’émission. Il est égal à 0.9 pour le four rotatif et le refroidisseur, et à
0.85 pour la tour de préchauffage.
(La figure 2 annexe 3) donne le coefficient de transfert par radiation ααααrad (en fonction
de εεεε et ∆T).
• Les pertes par convection :
On distingue deux types de convections :
La convection libre : est due toujours à la différence de densité entre l’air chaud au
voisinage de la virole et l’air ambiant.
Pour l’évaluation du coefficient convectif, la corrélation suivante peut être utilisée :
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Nu = 0.13 (Pr Gr)1/3 Pr Gr >109.
La convection forcée : se produit pour des vitesses de vent non nulles. Pour le calcul
du coefficient de transfert par convection forcée ααααf , on applique les formules ci-
dessous :
Nu = 0.0239 Re0.805 pour 40000 < Nu < 400000
Nu = 0.00672 Re0.905 pour Nu > 400000
Avec : Nu = λα D= Le nombre de Nusselt.
Pr = λη CP= Le nombre de Prandlt.
Gr =O
2
23
T
TgD
ηρ ∆ = Le nombre de Grashof.
Re =
ηDv
= Le nombre de Reynolds.
ααααl : Coefficient de transfert de chaleur par convection libre en (w/m2K).
ααααf : Coefficient de transfert de chaleur par convection forcée en (w/m2K).
D : Diamètre caractéristique (m) = π de/2. de étant le diamètre extérieur de la
virole (m).
CP: Chaleur spécifique (J/Kg K).
g : Constante de gravité = 9.81 m/s2.
ρρρρ : Densité du gaz (Kg/m3).
λλλλ : Conductivité thermique (w/m K).
ηηηη : Viscosité dynamique de l’air ( Kg/m s).
∆∆∆∆T : Différence de température = T – Ta.
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Rapport de PFE Page 38
Pratiquement, les deux formes de la convection ont lieu. Dans ce cas le calcul du
coefficient convectif global est donné par :
ααααtot =(ααααl2 + ααααf
2 )1/2
le tableau1 annexe 3 donne les propriétés de l’air à la température moyenne Tm.
(La figure 3 annexe 3 ) donne le coefficient de transfert par convection ααααconv en
fonction de T– Ta.
Etant donné que la température de la virole ne peut être considérée constante, il est
nécessaire de subdiviser la surface de la virole à des surfaces cylindriques sur
lesquelles on peut supposer que la température est constante.
Dans notre cas, on a sélectionné 80 surfaces cylindriques pour le four rotatif. L’aire
de chacune est de : Ai = π D L ( avec L = 1m et D varie entre 4.6 m et 5m. (Voir la
figure 4 annexe 3).
Pour le refroidisseur, chaque ballonnet a été subdivisé en surfaces dont la longueur de
chacune est de 0.11m et dont le diamètre extérieur est de 2.
Pour la tour de préchauffage, l’évaluation des pertes par convection et radiation est
faite sur les parties cylindriques et coniques des cyclones et sur les tubes. (Voir la
figure 5 annexe 3).
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Rapport de PFE Page 39
Air
Schéma 3-1 : Les entrées et sorties du four.
1-3) Résultats :
Les résultats du bilan matière solide figurent sur le tableau suivant :
Débit sec
Q (Kg/Kg cli).
Pertes au feu
(PAF) en %
Débit de matière solide
Q (1 -PAF) (Kg/Kg cli).
Entrées :
- Alimentation four
- Cendre de charbon
1,662
0,005
36
0
1,064
0,005
Total *** 1,069
Sorties :
- Clinker
- Poussières sortie tour
1
0,264
0
37.17
1
0,166
Total *** 1,166
Tab 3-1 : Bilan matière
Les résultats du bilan thermique sont regroupés dans le tableau de la page suivante:
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Spécifications
Quantité de chaleur
(Kj/Kg cli)
Débits
(Nm3/Kg cli).
(Kg/Kg cli).
CP
(Kj/Nm 3°C).
(Kj/Kg °C)
T(°C)
ENTREES :
- La chaleur du combustible
* Chaleur de combustion
* Chaleur sensible
- La chaleur sensible du cru :
- La chaleur d’air primaire :
• Air axial
• Air radial
• Air de transport
- La chaleur d’air secondaire
0,108
0,108
1,662
0,021
0,021
0,035
1,100
-
1,014
0,876
1,283
1,283
1,283
1,283
-
30
55
84
36
95
15
3620,847
2,165
50,957
1,716
0,429
3,387
-7,048
Total 3672,453
SORTIES :
- La chaleur de formation
- La chaleur sensible du clinker
- La chaleur sensible des
poussières
- La chaleur sensible des fumées
sortie tour
- La chaleur d’évaporation de
l’eau du cru
- La chaleur d’évaporation de
l’eau du combustible:
- Pertes par CO
- Les pertes par convection et
radiation
* Tour de préchauffage
* Four rotatif
* Refroidisseur
--
1,000
0,264
1,510
0,009
0,0005
0,001
--
--
--
--
0,831
1,020
1,520
--
--
--
--
--
--
--
227
365
365
--
--
--
--
--
--
1798
172,017
92,902
789,400
22,111
1,225
1,794
126,984
288,716
245,500
Total -- -- -- 3538,666
Tab 3-2 : Résultats du bilan thermique.
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1-4) Interprétations et discussion des résultats :
Les principaux résultats du bilan matière sont :
Débit farine affiché 151,1t/h
Débit clinker mesuré 90,89 t/h
Ecarts entrées/sorties 8,23 %
Facteur farine/clinker 1,66
Tab 3-3 : Résultats du bilan matière sans bouclage.
L’écart considérable entre l’entrée et la sortie du bilan matières est une
conséquence des indications trop basses du dosage de la farine tout en sachant que le
doseur du cru n’a pas été talonné avant le bilan.
Si on boucle le bilan matière (ramener l’écart à une valeur inférieure à 3% ) en
supposant que l’écart entrées /sorties provient essentiellement de l’étalonnage du
doseur farine, ce qui est tout à fait plausible vu que l’alimentation farine constitue
l’entrée la plus importante du bilan. On trouve les résultats suivants :
Débit farine 164,75 t/h
Facteur farine/clinker 1,81
Ecart 0%
Tab 3-4 : Résultats du bilan matière bouclé
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Les principaux résultats du bilan thermique sont :
Production clinker mesuré 90,89t/h
Consommation petcoke affiché 9,84 t/h
Consommation calorifique 3620,9 Kj/Kg cli
Ecarts entrées/sorties 3,83 %
Tab 3-5 :Principaux résultats du bilan
thermique non bouclé.
Puisque les sorties ont été mesurées de façon fiable tout au long de la journée du
bilan est que la plus grande partie de l’apport énergétique provient du combustible,
dont la mesure du débit peut être sujette à des erreurs, on peut supposer que cet écart
est dû au mauvais étalonnage du doseur combustible.
En bouclant le bilan thermique, et sous l’hypothèse précédente, on obtient les
résultats suivants :
Consommation petcoke 9,35 t/h
Consommation calorifique 3440,5 Kj/Kg cli
Ecart 0,5%
Tab 3-6 : Principaux résultats du bilan thermique bouclé.
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Cette consommation calorifique est répartie comme suit :
Fig 3-1: Répartition des principaux consommateurs d'énergie thermique
245,52288,72 176,17 93,51
1798
759
126 90115
300250
1750
760
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Kj/Kg cli
Pertes parois tour
Pertes virole four
Ch. fumées
Ch. formationPertes virole
refroidisseur
Ch. clinker
Ch. poussières
D’après l’histogramme ci-dessus, qui ne comporte que les principaux éléments
consommateurs d’énergie calorifique, on peut tirer les résultats suivants :
- La chaleur de formation de clinker est élevée : ceci peut être attribué à
une mauvaise composition de la matière crue ( LSF élevé ).
- La chaleur sensible évacuée par les fumées à la sortie de la tour est
supérieure au standard ( > 768 Kj/Kg cli ),ce qui signifie un mauvais
échange thermique entre la matière et les gaz du four au niveau du
préchauffeur à cause de l’enlèvement des clapets et des tubes centraux
des cyclones.
- La chaleur sensible du clinker est élevée (standard = 113 Kj/Kg cli).
Ceci peut être expliqué par l’entrée d’une quantité d’air faux au niveau
du plastron. Celle-ci devait passer par les ballonnets et ainsi diminuer la
température du clinker et augmenter la température de l’air secondaire.
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Rapport de PFE Page 44
- Les pertes par convection et radiation au niveau des ballonnets du
refroidisseur ont connu une baisse sensible par rapport à Kiln-
Optimisation, grâce à l’air soufflé par les ventilateurs, qu’on n’a pas pris
en considération pendant le bilan. En effet, comme le graphe ci-après
l’indique, une réduction des pertes par convection et radiation est
enregistrée aux endroits où sont situés les ventilateurs, du point 7 au
point 15.
- D’importantes pertes par rayonnement et convection à travers la virole du
four, de l’ordre de 38 Kj/Kg clinker, ont été enregistrées par rapport à Kiln-
Optimisation.
Fig 3-2: Comparaison profil températures ballonnets kiln-Optimization et bil an
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
1m 3m 5m 7m 9m 11m 13m 15m 17m 19m
Bilan
K-Opt
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Fig 3-3 : Profil température virole four (°C)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
1m 4m 7m 10m
13m
16m
19m
22m
25m
28m
31m
34m
37m
40m
43m
46m
49m
52m
55m
58m
61m
64m
67m
70m
73m
76m
Bilank.Opt
En comparant les profils de température de la virole four réalisé durant le bilan à
ceux du Kiln-Optimisation sur le graphe ci-dessus, on constate l’apparition d’un
gradient important de température à partir du point 4 jusqu’au point 34, juste derrière
la zone où sont concentrés les anneaux. On peut donc conclure, que c’est la rétention
de la matière chaude derrière les anneaux et son séjour prolongé au deçà du point 34,
qui augmente la température de la virole en ces endroits et par suite les pertes par
rayonnement et convection.
- La consommation engendrée par la présence de CO s’est améliorée. Ceci est dû au
fait que la baisse de CO devait se faire par le biais d’une augmentation du taux
d’oxygène sortie four (augmentation tirage ). Cette augmentation engendrait un
surplus de consommation calorifique qui devait compenser le gain découlant de la
réduction du taux de CO.
Moyenne de CO 94 ppm
Taux d’O2 3,18 %
Tab3-7 : CO et O2 dans les fumées sortie tour.
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Rapport de PFE Page 46
2) Bilan matière des éléments volatils :
2-1) Objectif :
Le bilan matière des éléments volatiles dans le système four a pour but de
déterminer le taux de volatilité de ces éléments et le rapport alcalin soufre (A/S), et
de localiser les lieux menacés par les problèmes de concrétions.
2-2) Mécanismes du phénomène de circulation des éléments volatils :
Les composés alcalins, de soufre et de chlore, qui se trouvent dans les matières
premières et les combustibles utilisés pour la fabrication du clinker, causent, lorsque
leurs concentrations sont élevées, des difficultés de fonctionnement du four par la
formation des collages entraînant des blocages des cyclones ou des rétrécissements de
la zone d’entrée du four. Par conséquent, il peut y avoir plusieurs arrêts annuels du
four dus à ces bouchages, dont l’impact sur la disponibilité et la productivité du four
peut être très sévère.
Selon le degré de volatilité, les éléments en circulation s’évaporent dans la zone de
clinkérisation du four et sont transportés par les gaz vers des zones plus froides où ils
se condensent principalement sur la farine crue et en partie également sur les parois
environnantes. Ils s’évaporent à nouveau en partie selon leurs degrés de volatilité.
Ce processus répété à travers le four entraîne l’établissement du cycle interne (figure
5 annexe 3).
Une petite partie des éléments en circulation quitte le système du four dans la
conduite principale des gaz d’exhaure, ceux-ci sont précipités efficacement dans
l’unité de dépoussiérage, puis normalement réintroduits dans le système du four.
C’est ce qu’on appelle le cycle externe des éléments en circulation(figure 5 annexe 3)
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Rapport de PFE Page 47
2-3) La volatilité et le rapport A/S :
La volatilité totale d’un élément en circulation ou d’un composé de ce dernier est
définie comme suit :
Avec
CCl : est la concentration de l’élément dans le clinker.
CHM : est la concentration de l’élément dans la farine chaude sur base
sans pertes.
Ce paramètre indique quelle portion s’est volatilisée dans le four et ne le quitte pas
directement avec le clinker.
Le critère le plus important pour la volatilité totale de soufre est la proportion
molaire entre les alcalins et le soufre lui-même, corrigé par le chlore donné par la
formule suivante :
Où xK2O, xNa2O, xSO3 et xCl- désignent respectivement les fractions massiques dans
l’alimentation four.
La valeur souhaitable pour cette proportion molaire est de 1
2-4) Résultats et interprétations :
Les résultats d’analyses sont illustrés dans le tableau suivant :
ALF Farine chaude Clinker Combustible
SO3 % 0,400 1,590 1,050 13,36
K2O % 0,790 4,560 1,370 *****
Cl- % 0,037 1,180 0,017 0,01
Tab 3-8 : Résultats d‘analyses chimiques
ϕϕϕϕ = 1- CCl/CHM
A/S =(xK2O / 94+xNa2O / 62 – xCl- /71) (xSO3 / 80)
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Rapport de PFE Page 48
D’après les résultats d’analyses des différents échantillons, on tire les conclusions
suivantes :
• Alimentation four :
- % Cl- = 0.037 % ∈ [0.02 ; 0.05 ]
Possibilité d’apparition des problèmes de collage dépendant du cycle de soufre.
- % SO3 = 0.4 % < 0.5% :
Pas de problèmes si les alcalins sont disponibles en quantités suffisantes.
- % K2O = 0.79 % < 1 %.
Pas de problèmes de collage.
• Combustible :
- % SO3 = 13,36 % >10 %.
Il faut s’attendre à des graves problèmes de collages.
• Farine chaude :
Pour prévoir les problèmes de collages à partir des concentrations de soufre et de
chlore, Kiln-Optimisation propose la figure ci-après :
Hot M eal
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
% SO3
% C
l
frequent blockages
zone of inc reas ing encrustation problem s
no encrus ta tions
Fig 3-4: Domaines de concrétions
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Rapport de PFE Page 49
D’après la figure précédent, il faut s’attendre à des problèmes de concrétions, ce qui
nécessite un nettoyage intense.
Les volatilités des différents éléments :
Avant de calculer la volatilité des trois éléments indiqués ci-dessus, on rapporte leurs
concentrations dans la farine chaude au débit de clinker ( base sans pertes) et on aura
les résultats ci-dessous :
Elément Concentration dans
La farine chaude
Concentration dans la
farine chaude rapportée au
débit de clinker
Clinker
SO3 1,590 2,47 1,050
K 2O 4,560 7,10 1,370
Cl- 1,180 1,84 0,017
Tab 3-9: Les concentrations dans la farine chaude rapportées au débit clinker
En appliquant la formule (*) définie ci dessus, les volatilités des éléments en
circulation sont :
La volatilité de K2O est : ϕ K2O = 0,81
La volatilité de Cl- est : ϕ Cl- = 0,99
A un niveau de température de 1200- 1300°C, la plus part des chlorures ( KCl
NaCl, CaCl2) sont déjà volatilisés. Aux températures de la zone de clinkérisation,
ils sont presque entièrement volatilisés, si pourquoi le facteur de volatilité totale
du chlore est pratiquement égal à 1.
La volatilité de SO3 est : ϕ SO3 = 0,57
Cette valeur n’est pas importante alors qu’il est en excès (d’après le rapport A/S
ci-dessous ), ceci peut être expliqué soit par la granulométrie importante de la matière
du four soit par le temps de séjour réduit de la matière dans la zone de clinkérisation,
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Rapport de PFE Page 50
ou par la pression partielle élevée de O2 dans l’atmosphère du four, (ce qui
défavorise la décomposition des sulfates).
Le rapport molaire alcalin/ soufre A/S :
Le débit alimentation : Da = 165,75 t/h.
Le débit combustible : Dc = 9,35 t/h.
Le débit clinker : Dcli = 90,89 t/h.
Pour calculer le rapport A/S, les concentrations de SO3 , K2O et Cl- doivent être
rapportées à un même débit ( débit clinker ). Les résultats sont regroupés dans le
tableau ci-dessous.
Concentrations dans
ALF rapportée au débit
clinker
(% massique )
Concentrations dans le
combustible rapportée
au débit clinker (%
massique )
Entrée totale
SO3 % 0,730 1,370 2,100
K2O % 1,440 Trace 1,440
Cl- % 0,070 0,001 0,071
Tab 3-10 : Concentrations dans ALF et combustible
rapportées au débit clinker.
Ces résultats donnent :
A/S = 0.55
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Rapport de PFE Page 51
Le rapport alcalin /soufre est inférieur à la limite minimale souhaitable (0.8 ).
Cette valeur montre qu’il y a un excès de soufre par rapport aux alcalins et aux
chlorures dans l’entrée totale, donc il faut s’attendre à des problèmes de collages et de
concrétion dans les cyclones du premier étage, la conduite montante la plus inférieure
et l’entrée du four ( ces problèmes sont normalement causés par des cycles de soufre
excessifs ).
3) Efficacité de la tour de préchauffage :
3-1) Entrées d’air faux :
Un profil d’O2 de la tour de préchauffage a été réalisé lors de ce bilan dans le but
d’évaluer les airs faux. Leur débit entre deux points de mesure est la différence
des débits globaux des gaz en ces deux points donnés par la formule suivante :
Qf = 0.28 (q + 1) +[( 0.28 + 0.25 q) xO2 / (21 - xO2)] (Nm3/Kg cli)
Où q désigne la consommation calorifique par Kg de clinker ( Mj/Kg clinker).
Les résultats et les points de mesure figurent sur le tableau ci-dessous :
Ligne 1 :
Point de mesure
% O2
volumique
Débit Sortie
(103 Nm3/h)
Air faux
(103 Nm3/h)
% débit
sortie Tour
% débit
d’A.F total
E S
Cyclones 1er étage 2,8 3,25 132,56 3,04 2,21% 35,9%
Ch de turbulence 3,25 3,5 134,32 1,76 1,27% 20,74%
Cyclones 3éme étage 3,5 3,75 136,13 1,81 1,31% 21,34%
Cyclones 4éme étage 3,75 4 137,99 1,86 1,35% 21,97%
Tour de préchauffage 2,8 4 137,99 8,48 6,14% 100%
Tab 3-11 : Bilan d’entrées d’air faux dans la tour de préchauffage 1
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Ces résultats montrent que le taux d’air faux global dans la tour de préchauffage
(6,14%) est suffisamment bas en comparaison avec le standard (7%) imposé par
HOLCIM. Cependant, il faut veiller à l’étanchéité des cyclones du 1er étage où sont
localisées les principales entrées d’air faux avec un taux de 35,9 % de l’air faux
global, surtout au niveau du cyclone D1. En effet, les taux d’ O2 relevés à la sortie des
cyclones D1(3,6 %) et G1(2,9 %) montrent que la grande partie d’air faux de cet
étage provient du cyclone D1.
Ligne 2 :
Point de mesure
% O2
volumique
Débit Sortie
(103 Nm3/h)
Air faux
(103 Nm3/h)
% débit
sortie Tour
% débit
d’A.F total
E S
Cyclones 1er étage 1,55 2,2 125,1 3,6 2,6 22,2
Ch de turbulence 2,2 2,4 126,9 1,8 1,3 11,1
Cyclones 3éme étage 2,4 2,67 128,7 1,8 1,3 11,1
Cyclones 4éme étage 2,67 4 137,7 9 6,5 55,5
Tour de préchauffage 1.55 4 137,7 16,2 11,7 100
Tab 3-12: Bilan d’entrées d’air faux dans la tour de préchauffage 2
Le taux d’air faux global dans la tour de préchauffage (11,7%) étant supérieur au
standard (7%) imposé par HOLCIM, il faut veiller à l’étanchéité des cyclones du 4éme
étage où sont localisées les principales entrées d’air faux avec un taux de 55,5 % de
l’air faux global.
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Rapport de PFE Page 53
3-2) Pertes de charges à la tour de préchauffage :
Un profil de dépressions de la tour de préchauffage a été réalisée parallèlement au
profil d’O2. De ce profil ont été calculées les pertes charges à chaque étage de
préchauffeur :
Ligne1 :
Fig 3-5: Pertes de charge par étage de préchauffeur 1
-6,06
-14,08
-8,5 -9 -9
-15
-5,125
-6,865
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
1er étage 2 éme étage 3éme étage 4 éme étage
mbar
réalisé
typique
Comme le montre l’histogramme ci-dessus, les pertes de charges sont pour chaque
étage inférieures aux standards. Ceci implique que les cyclones offrent moins de
résistance à la circulation des gaz et donc la réduction du temps de séjour de ces gaz
et par conséquent l’échange thermique avec la matière.
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3-3) Profil de température :
Un profil de températures dans les deux préchauffeurs, a été réalisé en parallèle avec
le profil d’oxygène. Les résultats de ce profil sont rapportés sur les graphes ci-après :
Ligne 1:
Ligne 2 :
Fig 3-6 : Profil de température dans le préchauffe ur 1
840 840
670
510 510
340
830 823
678
538 547
384
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
D1 G1 CH.T D3 G3 Sortie tour
T (°C)
standard
mesurée
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Dans les deux préchauffeurs, les températures dépassent les standards notamment au
niveau de la chambre de Turbulence, du 3éme étage et du 4éme étage, ce qui prouve un
mauvais échange thermique au niveau de ces cyclones
.
Fig 3-7: Profil de température dans le préchauffeur 2
840 840
670
510 510
340
822 820
712
642 640
361
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
D1 G1 CH.T D3 G3 Sortie tour
T(°C)
standard
mesurée
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3-4) Profils des éléments volatils :
Les composés alcalins, de soufre et de chlore qui se trouvent dans la matière
première et le combustible utilisés pour la fabrication du clinker causent souvent,
lorsque leurs concentrations est élevées, des difficultés de fonctionnement du four
avec la formation de collages dans le préchauffeur et dans la section d’entrée du four.
♦ Profil du soufre :
La courbe ci-dessus montre que le pourcentage massique du soufre croit en
descendant du haut en bas de la tour de préchauffage, mais il est toujours dans les
normes précisées par Kiln-Optimisation.
♦ Profil des chlorures :
Fig 3-8 : Profil du soufre dans la tour de préchauf fage 2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
D1 G1 CH.T D3 G3 4,1 4,2 4,3 4,4
%
standard
mesurée
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D’après cette courbe, la concentration des chlorures dépasse les limites déterminées
par Kiln-Optimisation. Ceci est dû aux concentrations élevées des chlorures qui
retournent avec les poussières. En effet, les chlorures sont piégés avec les poussières
fines, qui sont presque entièrement récupérées par les filtres à manches.
L’écart flagrant, au niveau de D1 et G1, peut être expliqué par le fait que les
températures dans les deux cyclones favorisent la condensation des chlorures. Il faut
donc s’attendre à de graves problèmes de collages aux niveaux des cyclones G1 et D1
et l’entrée du four.
♦ Profil des alcalins (K2O) :
Fig 3-9 : Profil des chlorures dans le préchauffeu r 2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
D1 G1 CH.T D3 G3 4,1 4,2 4,3 4,4
%mesurée
standard
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Le profil de K2O dans la tour de préchauffage montre que son pourcentage massique
se confond avec les limites imposées par Kiln-Optimisation au niveau des étages 4, 3
et 2. Pourtant dans l’étage 1, celui-ci dépasse largement les limites, ce qui peut
provoquer des problèmes de concrétion dans les cyclones G1 et D1.
Les températures dans les cyclones D1 et G1 favorisent la condensation des alcalins,
qui sont plus affines vis à vis les chlorures, dont la teneur a augmenté dans la farine.
Les alcalins en présence des chlorures forment les sels KCl et NaCl. Ce qui traduit
l’écart important des concentrations de K2O dans les cyclones D1 et G1.
4) Conclusion :
fig 3-10:Profil de K2O dans le préchauffeur 2
00,5
11,5
22,5
33,5
44,5
5
D1 G1 CH.T D3 G3 4,1 4,2 4,3 4,4
%
standard
mesurée
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Rapport de PFE Page 59
A travers l’étude d’évaluation ci-dessus, il paraît clair que l’énergie thermique
consommée sous forme de combustible n’est pas complètement utile, pourtant il y a
des possibilités de minimiser les pertes thermiques en intervenant dans le circuit de
cuisson pour faire quelques réparations non coûteuses à savoir :
- L’étalonnage des doseurs d’alimentation en cru et du combustible pour
éviter des surconsommations de ce dernier ou inversement.
- La minimisation des fuites d’air faux à travers le plastron et la tour de
préchauffage, ce qui permettra d’accroître le débit d’air secondaire et de
récupérer un maximum possible d’énergie sensible de clinker.
- L’amélioration d’échange thermique entre les gaz du four et la matière
crue en augmentant la résistance offerte par les cyclones à la circulation
des gaz par le moyen des clapets et des tubes centraux.
- Le contrôle de la qualité du cru d’une manière continue.
- Nettoyages réguliers des cyclones inférieurs de la tour de préchauffage
pour minimiser les arrêts du four dus aux problèmes de concrétion.
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Partie :4
- Performances des ventilateurs.
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I) ETUDE DES VENTILATEURS :
1- Rôles et caractéristiques techniques des ventilateurs concernés :
Les ventilateurs jouent un rôle important dans le cycle de production du ciment. En
effet, on dénombre plus de 42 ventilateurs situés à tous les niveaux de production.
Dans la cimenterie HOLCIM MAROC d’Oujda, les ventilateurs de type centrifuge
sont prédominants. Ils trouvent leurs applications dans le dépoussiérage, le
refroidissement, le transport des gaz et de la matière... etc.
Dans cette partie, on essayera d’évaluer les performances des principaux ventilateurs
de la première ligne de production, à savoir :
- Ventilateur DOPOL.
- Ventilateurs tirage broyeur.
- Ventilateur cheminée.
Ventilateur DOPOL (voir figure 1 annexe 4) :
C’est un grand ventilateur destiné à l’aspiration et au refoulement au reste du circuit
des gaz d’exhaure résultants de la combustion et des autres réactions issus de la tour
de préchauffage et du four .
Quelques caractéristiques des ventilateurs DOPOL sont présentées dans ce tableau :
Ventilateur DOPOL
- Diamètre
- Nombre des ouies
-Température maximale de
fonctionnement
- Vitesse de rotation
3020 mm
1
450 °C
980 tr/min
Tableau 4-1 : Caractéristiques techniques du ventilateur DOPOL
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Ventilateurs de tirage broyeur cru (voir figures 2 et 3 annexe 4 ) :
Ces ventilateurs assurent l’aspiration d’une partie des gaz à travers le broyeur, le
séparateur statique et les cyclones, pour la refouler vers la tour de conditionnement.
Quelques données caractéristiques des ventilateurs de broyeur sont présentées dans le
tableau ci-dessous:
Ventilateurs de tirage broyeur cru
- Référence
- Famille
- Type
- Température maximale de
fonctionnement
- Diamètre turbine
VIM HABT. 140
FNSL-219- 584
Ventilateur centrifuge à aubes
profilées, incurvées vers l’arrière
200 °C
2190 mm
Tableau 4-2 :Caractéristiques techniques des ventilateurs E17
Ventilateur de tirage cheminée (voir figure 4 annexe 4):
Ce ventilateur à deux turbines aspire les gaz préalablement traités dans la tour de
conditionnement et les filtres à manches pour les rejeter ensuite dans l’atmosphère à
travers la cheminée. Les caractéristiques techniques du ventilateur cheminée sont
résumées dans le tableau suivant :
Tableau 4-3 :Caractéristiques techniques
du ventilateur cheminée
Ventilateur de tirage cheminée
Référence Diamètre Vitesse de rotation
DN TD 2.5m 980 tr/min
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2-Description du circuit des gaz chauds :
Les gaz chauds issus du four sont d’une importance cruciale dans le procédé de
fabrication du ciment. En effet, ils assurent :
- Le transport de la matière.
- Le séchage du cru et de la farine.
Ces gaz sont acheminés du four vers la tour DOPOL, en contre courant avec la
matière cru descendant (par gravité) permettant ainsi son séchage et sa
décarbonatation partielle.
Par suite, à l’aide du ventilateur DOPOL, une partie est refoulée directement vers la
tour de conditionnement et l’autre partie vers le broyeur pour un préséchage du cru
avant de rejoindre la tour de conditionnement pour subir un refroidissement à l’air
suivi d’un dépoussiérage dans les filtres à manches. Finalement, les gaz sont dégagés
vers l’atmosphère à travers la cheminée (voir figure 5 annexe 4).
3-Données relatives aux ventilateurs :
Ventilateur g(m/s2) U(V) cos(ϕ) ηm ηtr
Ventilateur cheminée
Ventilateur de broyeur cru E17 03
Ventilateur de broyeur cru E17 04
Ventilateur DOPOL
9.81
9.81
9.81
9.81
660
5500
5500
5500
0.5
0.85
0.84
0.82
0.9
0.93
0.9
0,93
1
1
1
1
Tableau 4-4 : Données relatives aux ventilateurs
ηtr et ηm désignent respectivement les rendements de transmission et moteur.
4- Instrumentation et grandeurs mesurées:
Pour évaluer les performances de chaque ventilateur, On est appelé à mesurer d’une
part la vitesse de rotation Np et le courant électrique I, et d’autre part la pression
statique Ps, la pression dynamique Pd et la température à l’entrée et la sortie.
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Les instruments utilisés lors de la compagne des mesures sont donnés dans le tableau
ci-dessous :
Grandeur mesurée Instrument de mesure
Pression dynamique Tube de Beri et tube de pitot
Pression statique Manomètre numérique
Température Thermocouple à affichage numérique
Vitesse de rotation Tachymètre
Courant électrique Ampèremètre
Tableau 4-5: Instruments de mesure
5-Relevés de mesures :
Les mesures ont été effectuées dans les conditions générales suivantes :
- Débit farine alimentation four : 140 t/h.
- Débit cru entrée broyeur : 145 t/h.
Les mesures relatives aux quatre ventilateurs figurent dans les tableaux suivants
Symbole Section entrée Section sortie Unité
Pression ambiante Pa 945 mbar
Aire A 4,522 2,066 m2
Température T 388 363 °C
Pression statique Ps -3858 -1848 Pa
Pression dynamique Pd 255 1501 Pa
Intensité moteur I 90 A
Vitesse de rotation Np 980 tr/min
Tableau 4-6: Mesures relatives au ventilateur DOPOL
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Symbole Section entrée Section sortie Unité
Pression ambiante Pa 945 Mbar
Aire A 2,095 1,47 m2
Température T 115 127 °C
Pression statique Ps -6107 -2012 Pa
Pression dynamique Pd 259 1677 Pa
Intensité moteur I 65 A
Vitesse de rotation Np 989 tr/min
Tableau 4-7: Mesures relatives au ventilateur E 17 03
Symbole Section entrée Section sortie Unité
Pression ambiante Pa 945 mbar
Aire A 2,095 1,47 m2
Température T 116 127 °C
Pression statique Ps -6347 -2350 Pa
Pression dynamique Pd 272 1324 Pa
Intensité moteur I 58 A
Vitesse de rotation Np 980 tr/min
Tableau 4-8: Mesures relatives au ventilateur E17 04
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Symbole Section entrée Section sortie Unité
Pression ambiante Pa 945 Mbar
Aire A 6,144 10,32 m2
Température T 175 176 °C
Pression statique Ps -2248 -341 Pa
Pression dynamique Pd 43 176 Pa
Intensité moteur I 588 A
Vitesse de rotation Np 588 tr/min
Tableau 4-9: Mesures relatives au ventilateur cheminée
6- Exploitation des mesures :
6-1) Définitions :
a- Masse volumique :
La masse volumique des gaz poussiéreux ρ, dans des conditions données de
température T et de pression P, est :
ρ = ρN (TN/ T) (P/PN)
avec
ρN est la masse volumique des gaz dans des conditions normales (TN, PN).
ρN = 1.4 Kg/ Nm3.
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b- Débit volumique qv :
Le calcul du débit volumique se base sur l’expression de la pression dynamique :
Pd = ρ v2 /2
D’où on déduit qv :
qv = A ρd2P
c- Pression statique différentielle :
Elle est égale à la différence de pression statique entre l’entrée et la sortie :
∆PS = PS2 - PS1
d- Pression totale différentielle:
C’est tout simplement la différence de pression totale entre l’entrée et la sortie, elle
est donnée par la formule suivante :
∆Pt = ( Pd2 + PS2) - (Pd1 + PS1 )
e- Puissance électrique absorbée :
Les moteurs entraînant les ventilateurs, étant sous courant triphasé, la puissance
absorbée est donc donnée par la formule suivante :
Wa = 3 U I cos(ϕ)
f- Puissance à la roue :
Elle est calculée à partir de la puissance absorbée en faisant intervenir du moteur et
celui de la transmission. On a ainsi :
Wr = Wa ηtr ηm
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g- Puissance utile :
La puissance utile ou puissance de ventilateur est égale au produit du débit en m3/s
et la différence de pression totale en mmCE. Soit :
Wu ( KW) = ∆Pt . qvm / 102
qvm : Débit volumique moyen.
h- Rendement ventilateur:
C’est le rapport de la puissance utile à la puissance à la roue.
ηv = Wu / Wr
i-Rendement total :
Il est égal au rapport de la puissance utile à la puissance électrique absorbée.
ηt = Wu /Wa
6.2)- Résultats :
Ventilateur DOPOL :
Symbole Résultats
1996
Résultats
2002 Unité
Débit volumique entrée qve 113,6 142,5 m3/s
Débit volumique sortie qvs 107,4 153,3 m3/s
Débit volumique moyen qvm 110,5 147,9 m3/s
Pression totale différentielle ∆Pt 386,2 319,2 mmCE
Puissance électrique absorbée Wa 628 685,9 KW
Puissance à la roue Wr 584 637,9 KW
Puissance utile Wu 418,4 462,9 KW
Rendement ventilateur ηv 71,6 72,6 %
Rendement total ηt 66,6 67,5 %
Tableau 4-10: Résultats du ventilateur DOPOL
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Rapport de PFE Page 69
Ventilateur tirage broyeur E 17 03 :
Symbole
Résultats 1996
Résultats 2002
Unité
Débit volumique entrée qve 67.2 49,6 m3/s
Débit volumique sortie qvs 64,8 88 m3/s
Débit volumique moyen qvm 66 68,8 m3/s
Pression totale différentielle ∆Pt 545 540,5 mmCE
Puissance électrique absorbée Wa 598.6 526,3 KW
Puissance à la roue Wr 556.7 473,7 KW
Puissance utile Wu 352.86 364,5 KW
Rendement ventilateur ηv 63,4 77 %
Rendement total ηt 58,9 69,2 %
Tableau 4-11: Résultats du ventilateur tirage broyeur E17 03
Ventilateur tirage broyeur E17 04 :
Symbole Résultats
1996 Résultats
2002 Unité
Débit volumique entrée qve 66 50,9 m3/s
Débit volumique sortie qvs 63,2 78,3 m3/s
Débit volumique moyen qvm 64,6 64,6 m3/s
Pression totale différentielle ∆Pt 556,8 495 mmCE
Puissance électrique absorbée Wa 512,4 464,1 KW
Puissance à la roue Wr 476,5 417,7 KW
Puissance utile Wu 352,8 313,6 KW
Rendement ventilateur ηv 74 75,1 %
Rendement total ηt 68,8 67,6 %
Tableau 4-12: Résultats du ventilateur tirage broyeur E17 04
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Rapport de PFE Page 70
Ventilateur tirage cheminée :
Symbole Résultats
1996
Résultats
2002 Unité
Débit volumique entrée qve 114, 4 108,6 m3/s
Débit volumique sortie qvs 112,2 130,3 m3/s
Débit volumique moyen qvm 113,3 119,4 m3/s
Pression totale différentielle ∆Pt 175,3 200 mmCE
Puissance électrique absorbée Wa 427,5 335,7 KW
Puissance à la roue Wr 397,6 312,2 KW
Puissance utile Wu 194,7 234,3 KW
Rendement ventilateur ηv 49 75 %
Rendement total ηt 45,5 69,8 %
Tableau 4-13: Résultats du ventilateur cheminée
6-3) Interprétation et discussion des résultats :
Le tableau ci-dessous regroupe les principaux résultats :
Ventilateur DOPOL
Ventilateur E17 03
Ventilateur E17 04
Ventilateur cheminée
1996 2002 1996 2002 1996 2002 1996 2002 Puissance électrique absorbée (KW)
628 685,9 598,6 526,3 512,4 464,1 427,5 335,7
Rendement ventilateur 71,6 72,6 63,4 77 74 75,1 49 75
Rendement total 66,6 67,5 58,9 69,2 68,8 67,6 45,5 69,8
Tableau 4-14: Récapitulatif des principaux résultats
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Rapport de PFE Page 71
Suite à l’installation des nouveaux filtres à manches, les conditions de marche ont été
modifiées, ce qui a conduit à l’adaptation des moteurs des ventilateurs au nouveau
régime et ceci s’est traduit par un impact direct sur les performances des ventilateurs
déjà cités.
Pour mettre en valeur les gains réalisés en puissance électrique et en rendements des
ventilateurs, une série de paramètres sont évalués:
- Le gain en puissance électrique : ∆Wa =Wa(1996)- Wa(2002)
- Le gain relatif en puissance électrique : ∆Wa / Wa(1996)
- Le gain relatif en rendement ventilateur : [ηv(2002)-ηv (1996)]/ηv (1996)
- Le gain relatif en rendement total : [ηt(2002)-ηt (1996)]/ηt (1996)
Le tableau ci-après regroupe les gains réalisés en énergie électrique et les
améliorations enregistrés pour chaque ventilateur :
Ventilateur
DOPOL Ventilateur
E17 03 Ventilateur
E17 04 Ventilateur Cheminée
Gain absolu en puissance électrique (KW)
- 57,9 72,3 48,3 91,8
Gain relatif en puissance électrique (%)
- 9,2 12,1 9,4 21,5
Gain en rendement ventilateur (%)
1,4 21,5 1,5 53,1
Gain en rendement total (%)
1,4 17,5 -1,7 53,4
Tableau 4-15 : Récapitulation des gains A part le ventilateur DOPOL, tous les ventilateurs ont enregistré des gains notables
en énergie électrique surtout le ventilateur cheminée, qui a permis de réduire la
consommation de 21.5% par rapport à l’ancien ventilateur.
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D’autre part, on note des améliorations frappantes des rendements des ventilateurs
cheminée en premier lieu et E17 03 second ordre.
Les pertes affichées par le ventilateur DOPOL seront discutées dans ce qui sui
♣Ventilateur E17 03 :
Ce ventilateur affiche des gains notables et arrive à vaincre les pertes de charge du
circuit. Cependant une surconsommation légère est observée. Ceci est peut être
expliqué par les raisons suivantes :
- La fiabilité des valeurs des débits mesurés : qui peuvent être dues aux
erreurs de manipulation ou, à l’instrument de mesure (Tube de BERI)
qui présente des erreurs pouvant atteindre 10 %.
- Les points de mesure ne sont pas bien positionnés : les points de prise se
situent juste avant l’entrée et juste après la sortie du ventilateur, ce qui
constitue une source d’erreur.
Fig 4-1 : Gain en consom mation électrique.
72,3
48,3
91,8
-57,9
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
100
V DOPOL V E17 03 V E17 04 V cheminée
KW
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Par contre si les mesures sont fiables, il va falloir augmenter légèrement le débit par
ouverture des aubages.
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Figure 4-3: Courbe caractéristique Pression Débit du ventilateur E 17 03Différence de Pression
(mmCE)
Débit (m 3/s)
Fig 4-2 : Courbe caractéristique Puissance - Débit du ventilateur E 17 03
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100Débit (m 3/s)
Puissance aéraulique absorbée (KW)
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♣ Ventilateur E17 04 :
Comme le montre le graphe suivant, ce ventilateur fonctionne en bonnes conditions,
puisqu’il travaille à un débit de 64.8 m3/s, valeur très proche du débit pour lequel il a
été dimensionné (65 m3/s). Mais, la deuxième courbe indique que ce ventilateur
n’arrive pas à vaincre les pertes charges présentées par le circuit.
Figure 4-4 : Courbe caractéristique Puissance - Débit du ventilateur E 17 04
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Débit (m 3/s)
Puissance aéraulique absorbée (KW)
0
100
200
300
400
500
600
700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Figure 4-5: Courbe caractéristique Pression - Débit du ventilateur E 17 04
Différence de Pression(mmCE)
Débit (m 3/s)
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♣Ventilateur DOPOL :
Ce ventilateur fonctionne dans des conditions sévères suite à l’augmentation du débit
des gaz et des poussières et à cause des infiltrations d’air (147.9 m3/s), alors que ce
ventilateur a été dimensionné pour des taux de poussières et des débits des gaz
inférieurs. Ces conditions de marche peuvent être derrière les problèmes de vibrations
et de colmatage dont la fréquence d’apparition a connu une augmentation sensible.
D’autre part, la marche à pleine capacité explique les pertes relevées en énergie
électrique et justifie l’augmentation des pertes de charge (Enorme différence de
pression entre son entrée et sa sortie) Toutefois, il est recommandable de faire un
diagnostic du circuit d’air d’exhaure afin de déterminer les ressources d’infiltrations
et de procéder à leur annulation. La présence d’air faux dans le circuit d’exhaure
augmente considérablement la consommation électrique du ventilateur. L’enjeu
financier est important. L’élimination du débit d’air parasite réduira la puissance
électrique appelée de Wa1 à Wa2 selon la relation de proportionnalité suivante :
(Wa2/ Wa1) = (Q2/Q1)3 = 0.81
Ainsi, en réduisant le débit d’air d’exhaure de Q1 = 147.9 m3/s à Q2 = 137.7 m3/s,
la diminution correspondante en puissance est de 19 % (Un gain de 121.2 KW).
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Figure 4- 7: Courbe Pression- débit du ventilateur DOPOL (N=980 tr/min)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Débit (m 3/s)
Difference de pression (mmCE)
Figure 4-6 : Courbe Puissance-Débit du ventilateur DOPOL (N=980 tr/min)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Débit (m 3/s)
Puissance aéraulique absorbée (KW)
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♣Ventilateur cheminée :
A la lumière des résultats obtenus pour ce ventilateur et si l’on en fait confiance, on
peut affirmer que le débit traité est sensiblement grand, ce qui correspond à une
surcharge. Et d’après le deuxième graphe, le point de fonctionnement se situe sur la
courbe, ce qui prouve que le ventilateur arrive à vaincre les pertes de charges du
circuit. Les raisons citées pour le ventilateur E17 03 peuvent aussi être derrière les
écarts observés pour les autres ventilateurs.
Figure 4- 8 : Courbe Puissance - Débit du ventilateur tirage cheminée (N=588 tr/min)
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Puissance aéraulique absorbée (KW)
Débit (m 3/s)
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II) CONCLUSIONS :
L’étude des performances des ventilateurs en question, a permis de mettre en
évidence un certain nombre de conclusions :
- Un gain global en puissance électrique de 155,1 KW.
- La réduction de l’énergie électrique consommée par ces ventilateurs de 7,2 %.
- L’élimination d’air faux au niveau des ventilateurs étudiés, permettra de réduire sa
consommation électrique et de soulager le ventilateur DOPOL.
- Possibilité énorme de colmatage, de vibrations et d’abrasion du ventilateur DOPOL
(taux élevé de poussières).
- Nécessité d’installation des clapets et des tubes intérieurs des cyclones de la tour.
Figure 4-9 : Courbe caracteristique Pression- Débit du ventilate ur cheminée (N = 588 tr/min)
0
50
100
150
200
250
300
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Débit (m 3/s)
Difference de pression (mmCE)