Amelioration Des Performances - Achraf AFI - 4209 [PDF]

Zitiervorschau

Université Sidi Mohammed Ben Abdellah Faculté des Sciences et Techniques www.fst-usmba.ac.ma -----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Année Universitaire : 2016-2017

Master Sciences et Techniques GMP

Génie des Matériaux et des Procédés MEMOIRE DE FIN D’ETUDES Pour l’Obtention du Diplôme de Master Sciences et Techniques

Amélioration des performances globales des fours sécheurs à L’unité de BENI-IDIR OCP-Khouribga Présenté par:

AFI Achraf Encadré par: - Mr. BACHAR Said OCP - Pr. CHAOUQI Mohammed FST Fès Soutenu Le 16 Juin 2017 devant le jury composé de: - Pr. CHTIOUI Hicham - Pr. SQUALLI Mohammed - Pr. CHAOUQI Mohammed Stage effectué à : OCP Khouribga

----------------------------------------------------------------------------------------------------------Faculté des Sciences et Techniques - Fès  B.P. 2202 – Route d’Imouzzer – FES  212 5 35 60 80 14 ; Fax : 212 5 35 60 82 14

Université Sidi Mohammed Ben Abdellah Faculté des Sciences et Techniques www.fst-usmba.ac.ma ----------------------------------------------------------------------------------------------------------2016/2017 Master Sciences et Techniques : Génie des Matériaux et des Procédés

Nom et prénom: AFI Achraf Titre: Amélioration des performances globales des fours sécheurs à L’unité de BENI-IDIR

Résumé Pour produire du phosphate de haute qualité convenable pour les engrais et les autres composés de phosphate. Le site Beni-Idir a pour but le séchage de phosphate, cette opération unitaire reste la plus grande consommatrice en matière d’énergie, c’est pour cela une intervention est obligatoire pour participer à réduire les pertes d’énergie dans ce cas. Le coût de séchage par le fuel est très élevé et constitue une charge importante sur le prix de revient. il est donc nécessaire de rechercher tous les moyens permettant de réduire ce coût, et se pencher sur ce sujet pour déterminer les principaux facteurs qui influent d’une façon ou d’une autre sur la consommation excessive du fuel et de proposer les solutions qui s’imposent. Après l’établissement de bilan du four sécheur, on calcule le débit massique de l’air parasitaire, rendement thermique, l’ensemble des pertes thermiques ainsi le dimensionnement d’une gaine rectangulaire pour le réchauffage de l’air comprimé.

Mots clés: Phosphate, four sécheur, fuel, optimisation

----------------------------------------------------------------------------------------------------------Faculté des Sciences et Techniques - Fès  B.P. 2202 – Route d’Imouzzer – FES  212 5 35 60 80 14 ; Fax : 212 5 35 60 82 14

Remerciements Au terme de mon Projet de Fin d’Étude, je tiens à exprimer mes sincères remerciements et gratitudes à mon encadrants de la FST Fès : Pr.CHAOUQI ainsi que mes encadrants de l’OCP Mr. BACHAR SAID et Mr. MAZZAL HAMID, pour leurs encouragements, leurs soutiens morales et leurs conseils et aides qui m’ont octroyé tout au long de la période de mon stage. Je suis fier de travailler sous leurs directives. Nous saisissons cette occasion pour adresser tous nos remerciements au corps professoral du département Génie des matériaux et procédés et je le prie de bien vouloir trouver ici les expressions de mon plus grand dévouement et mon profonde reconnaissance. Qu’ils soient ici, remerciés, Messieurs HICHAM ABDERAHIM, MAATOUF YOUNESS, TAOUAM HASSAN et l’ensemble du personnel de l’OCP, Unité Beni-Idir pour leur disponibilité, générosité et sympathie. Aussi je tiens à exprimer mes sincères remerciements au jury Pr.CHTIOUI Hicham et Pr.SQUALLI Mohammed d’avoir accepté de juger ce travail. Enfin, je me plaie à reconnaître mon dette envers tous ceux et celles qui d’une manière ou d’une autre, ont contribué à l’élaboration du présent travail. Que tous ceux qui m’ont aidé, de près ou de loin, trouvent ici l’expression de mes sentiments les meilleurs.

Abréviations Cs

: Consommation spécifique (Kg/T)

he

: humidité d’entré de produit

H

: hauteur de gâteau (m)

h

: Coefficient d’échange thermique (W/m2.oK)

Kfi

: coefficient global d’échange (Kcal/h.m2.°K)

lg

: Largeur de gâteau (m)

l

: Largueur de la gaine (m)

mg1

: Débit d’air sec entrant (Kg/h)

mg2

: Débit d’air sec sortant (Kg/h)

mf

: Débit

ma1

: Débit d’air primaire (Kg/h)

ma2

: Débit d’air secondaire (Kg/h)

ma3

: Débit d’air de pulvérisation (Kg/h)

me

: Débit massique de l’eau dans le produit sec (Kg/h)

mp

: Débit massique de produit humide (Kg/h)

meau

: Débit massique de l’eau dans le produit humide (Kg/h)

m sec

: Débit massique de produit sec (Kg/h)

mSO2

: Débit massique de SO2 (Kg/h)

mN2

: Débit massique N2 existant dans l’air (Kg/h)

mH2O

: Débit massique de H2O contenue dans l’air atmosphérique (Kg/h)

mCO2

: Débit massique de CO2 (Kg/h)

N

: Nombre des carneaux

Psec fine

: Pesée de produit sec et fine (Kg/m)

Psec gros

: Pesée de produit sec et gros (Kg/m)

QD

: Chaleur total disponible (Kcal/h)

QA

: Chaleur sensible de l’air entrant (Kcal/h)

QPe

: Chaleur sensible du produit entrant (Kcal/h)

Qu

: Chaleur utile à l’évaporation de l’eau (Kcal/h)

Qf

: Chaleur sensible des fumées (Kcal/h)

QPs

: Chaleur sensible du produit sortant (fine et gros) (Kcal/h)

QP

: Chaleur perdue par les parois (Kcal/h)

du fuel (Kg/h)

qv

: Débit volumique de fuel (m3/s)

qa

: Débit volumique de l’air de pulvérisation (m3/s)

Sa1

: Section de la gaine d’air primaire (m2)

Sa2

: Section des carneaux (m2)

Sfi

: Surface élémentaire considérée (m2)

Sg

: Surface de la gaine (m2)

Tfi

: température de Sfi, (°K)

ΔT

: Différence de la température entre paroi et fluide chauffant (oK)

Vsec fine

: Vitesse de la bande du produit sec et fine (m/s)

Vsec gros

: Vitesse de la bande du produit sec et gros (m/s)

Ve

: Vitesse de l’extracteur (m/s)

Vb

: Vitesse d’injection d’air primaire (m/s)

Vs

: vitesse d’injection d’air secondaire (m/s)

Va

: Pouvoir comburivore (kgair/kgfuel)

W

: Humidité absolue de l’air

ρf

: Masse volumique du fuel (Kg/m3)

ρp

: Masse volumique de phosphate humide (Kg/m3)

ɸ

: Flux de chaleur (Watt)

τ N2

: la teneur de l’azote dans l’air atmosphérique.

Projet de fin d’études

Sommaire Introduction ............................................................................................................................................................. 1 Chapitre 1 ................................................................................................................................................................ 2 Présentation générale du groupe O.C.P ................................................................................................................... 2 I- Historique .................................................................................................................................................... 3 II-L’OCP et le phosphate dans le monde ........................................................................................................ 4 III-Description de l’unité Béni-Idir ................................................................................................................. 6 Chapitre 2 ................................................................................................................................................................ 8 Description des fours sécheurs ................................................................................................................................ 8 I-Rappel sur l’opération de séchage des phosphates ........................................................................................... 9 I-1-Définition du séchage ................................................................................................................................ 9 I-2-Transferts de chaleur ................................................................................................................................. 9 I-2-1-Séchage par convection.......................................................................................................................... 9 I-2-2- Séchage par conduction ........................................................................................................................ 9 I-2-3-Séchage par rayonnement .................................................................................................................... 10 II- Le four rotatif de l’unité Beni-Idir ........................................................................................................... 10 II-1- Les différents constituants du four sécheur ........................................................................................... 10 II-2- Principe de fonctionnement du four sécheur ........................................................................................... 15 II-3- Le système de sécurité des fours sécheurs ................................................................................................ 16 Chapitre3 ............................................................................................................................................................... 18 Optimisation de la consommation du fuel ............................................................................................................. 18 I-Méthodes et matériels ..................................................................................................................................... 19 I-1-Définition et identification du problème ................................................................................................. 19 I-1-1-Problématique ...................................................................................................................................... 19 I-1-2 La variation de la consommation spécifique du fuel ........................................................................... 22 I-1-2-1- Test de normalité et l’indépendance ................................................................................................ 22 I-1-2-2- Les cartes de contrôle ...................................................................................................................... 25 I-1-2-3-Identification du problème ................................................................................................................ 26 I-2-Analyse et identification des causes ........................................................................................................ 26 I-2-1- Brainstorming ..................................................................................................................................... 26 I-2-3- Diagramme Pareto .............................................................................................................................. 28 I-2-4- Air parasitaire ..................................................................................................................................... 30 I-2-5- Etude de combustion ........................................................................................................................... 33 I-2-5-1-Qualité d’une bonne flamme ............................................................................................................ 34 I-2-5-2-Les conditions d’une bonne combustion ........................................................................................... 34 I-2-6-Bilan thermique : ................................................................................................................................. 35

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Projet de fin d’études I-2-7-L’air de pulvérisation ........................................................................................................................... 37 II-Résultats et discussions ................................................................................................................................. 40 II-1- les données des calculs : ....................................................................................................................... 41 II-2- Calcul d’étude de combustion : ............................................................................................................. 42 II-3- L’air parasitaire : ................................................................................................................................... 43 II-4- Calcul bilan thermique : ........................................................................................................................ 44 II-5- Dimensionnement d’une gaine rectangulaire ........................................................................................ 46 II-5-1 Calcul de flux total : ............................................................................................................................ 46 II-5-2- Calcul de la longueur de la gaine :.................................................................................................... 46 Conclusion ............................................................................................................................................................ 49 Références bibliographiques ................................................................................................................................. 50

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Projet de fin d’études

Liste des figures Figure 1:Réserves en minerais de phosphates du globe ........................................................................................ 4 Figure 2: La répartition des exportations de l'OCP ................................................................................................. 4 Figure 3: La répartition des chiffres d'affaire de l'OCP .......................................................................................... 5 Figure 4: Le four sécheur ..................................................................................................................................... 10 Figure 5: Photo du foyer ....................................................................................................................................... 11 Figure 6: Photo de la buse ..................................................................................................................................... 12 Figure 7: Photo de la virole ................................................................................................................................... 13 Figure 8: La chambre de détente .......................................................................................................................... 14 Figure 9: Photo des postes réchauffeurs ................................................................................................................ 15 Figure 10: La répartition des charges de Béni-Idir en 2016 ................................................................................. 19 Figure 11: La répartition des dépenses énergétiques en 2016 ............................................................................... 20 Figure 12: La répartition de la consommation de fuel par stade de production .................................................... 21 Figure 13: PP-plot et Histogramme de Cs du fuel ................................................................................................. 23 Figure 14: Auto corrélation de la Cs du fuel ......................................................................................................... 24 Figure 15: Box-plot de la Cs ................................................................................................................................. 24 Figure 16:La carte de contrôle .............................................................................................................................. 25 Figure 17: diagramme d'Ishikawa ......................................................................................................................... 28 Figure 18: Diagramme de Pareto .......................................................................................................................... 30 Figure 19:les endroits d’entré d’air parasitaire ...................................................................................................... 31 Figure 20:Liaison foyer-virole .............................................................................................................................. 32 Figure 21:Alimentation du produit ........................................................................................................................ 32 Figure 22:Gicleur (MEPA) ................................................................................................................................... 38 Figure 23:Transfert par convection ....................................................................................................................... 39 Figure 24: Vue de face du four sécheur avec la gaine ........................................................................................... 47 Figure 25:Vue perspective du four sécheur avec la gaine ..................................................................................... 47 Figure 26:Vue de gauche du four sécheur avec la gaine ....................................................................................... 48

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Projet de fin d’études Liste des tableaux Tableau 1: Caractéristiques de brique réfractaire ................................................................................................. 12 Tableau 2:Les grandeurs moyennes et sécurité des fours sécheur ....................................................................... 17 Tableau 3:Evolution des consommations de l’année 2016 ................................................................................... 20 Tableau 4: Consommation du fuel au niveau de la production ............................................................................ 21 Tableau 5:la consommation spécifique journalière pour les deux mois Avril et Mai 2017 .................................. 22 Tableau 6: La méthode QQOQCP pour identification du problème ..................................................................... 26 Tableau 7: Les causes de la Cs fuel ...................................................................................................................... 29 Tableau 8: Les données des calculs ..................................................................................................................... 41 Tableau 9: Calcul de l'air parasitaire ..................................................................................................................... 43 Tableau 10: Les entrées du bilan thermique .......................................................................................................... 44 Tableau 11: Les sorties du bilan thermique ........................................................................................................... 45 Tableau 12:Calcul des pertes par paroi du foyer ................................................................................................... 46

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Projet de fin d’études

Introduction Dans cette conjoncture le groupe OCP «Office Chérifien des Phosphates », en tant que premier producteur et exportateur de phosphate dans le monde a orienté ses objectifs vers l’amélioration et la réalisation des projets pour atteindre un meilleur rendement au niveau de la productivité. Dans ce cadre, on a effectué un stage au sein de ce groupe et précisément à l’unité de BENIIDIR à Khouribga, Cette unité s’occupe de sécher le phosphate grâce aux fours sécheurs ; le séchage de phosphate est basé sur un processus thermodynamique qui consiste à évaporer la quasitotalité de l’eau contenue dans le phosphate par un apport énergétique obtenue à l’intérieur du four par la combustion du fuel-oil n°2. La consommation du fuel oïl n°2, représente 50% du coût du revient de la tonne du phosphate séché, dans ce cadre cette étude a été menée en vue de minimiser les pertes en fuel. Les causes de ces pertes sont subdivisées en deux grandes familles de cause : -Causes extrinsèques (indépendante du processus de séchage) à titre d’exemple : humidité de produit à l’entrée des fours changement de qualité arrêt des installations en amont et en aval du processus …etc. -Causes intrinsèques (liées au processus lui-même).Parmi les causes intrinsèques on site : pertes thermiques au long des fours sécheurs… Sur la base de cette cause intrinsèque j’ai réalisé : Une méthodologie de réalisation d’un bilan thermique du four sécheur Beni-Idir ainsi un modèle de calcul des pertes thermiques au niveau du four et à la fin des modèles d’optimisation de la consommation du fuel. Notre rapport est réparti en 3 chapitres : 

Le 1er chapitre est consacré à une présentation général du groupe OCP et une bref description de l’unité Beni-Idir.



Le 2ème chapitre décrit les fours sécheurs, leurs fonctionnements ainsi leurs constituants.



Ce 3ème chapitre a pour but d’optimiser la consommation du fuel en se basant sur les bilans massiques et thermiques ainsi que les calculs des pertes thermiques.

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Projet de fin d’études

Chapitre 1 Présentation générale du groupe O.C.P

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Projet de fin d’études I- Historique Le groupe Office Chérifien des Phosphates (OCP) est un opérateur international dans le domaine de l’industrie du phosphate et des produits dérivés. Le phosphate brut extrait du sous-sol marocain est exporté tel quel ou livré aux industries chimiques du groupe à SAFI ou à JORF LASFAR pour être transformé en produits dérivés commercialisables : acide phosphorique de base, acide phosphorique purifié, engrais solides. Le groupe OCP livre aux cinq continents de la planète, ses exportations représentent 25% à 30% du commerce international du phosphate et ses dérivés. En effet c’est le premier exportateur et troisième producteur mondial après les Etats-Unis et l’exURSS. C’est en février 1912 qu’on a découvert les premiers gisements dans la zone de KHOURIBGA et plus précisément dans la région d’OULED ABDOUNE, mais l’exploitation effective n’a commencée qu’en février 1921 dans la région d’OUED ZEM. Ce n’est qu’en 30 juin 1921 que le premier train sur voie large de 1.60 m a été chargé est dirigé vers le port de CASABLANCA. Un mois après l’exploitation a commencée par voie maritime. En 1930 un nouveau centre de production de phosphate est ouvert à

YOUSSOUFIA

connu sous le nom de LOUIS GENTIL(1931). La méthode d’extraction en découverte à KHOURIBGA n’est mise en œuvre qu’en 1952 suivie de la création d’un centre de formation professionnel en 1958, en renforcement des efforts menés, depuis des décennies sur ce plan ; puis création par la suite d’autres unités de formation / perfectionnement : Ecole de maîtrise de BOUJNIBA (1965). Vers l’année 1975 l’OCP s’est organisé en groupe qui comporte l’OCP et les filiales. Depuis lors, les besoins mondiaux en phosphates ont fait de l’OCP une entreprise qui jusqu’à nos jours n’a cessé de grandir et pour se maintenir face à la concurrence des autres pays producteurs des phosphates et dérivés, il se modernise, se développe continuellement et s’affirme comme le leader du marché mondial des phosphates. Ce groupe est géré par plusieurs directions coiffées par une direction générale dont le siège social à CASABLANCA.

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Projet de fin d’études II-L’OCP et le phosphate dans le monde Le phosphate est la principale ressource minière du MAROC, lui permet d’acculer la troisième place de la production du phosphate derrière la Chine et les Etats unies, ceci grâce à l’étendu des gisements et l’importance des tonnages.

Figure 1:Réserves en minerais de phosphates du globe [2]

-Les exportations de l’OCP :

Figure 2: La répartition des exportations de l'OCP[2]

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Projet de fin d’études -La répartition de chiffre d’affaire de l’OCP :

Figure 3: La répartition des chiffres d'affaire de l'OCP [2] 

La prospection : Elle consiste à faire le forage pour délimiter le gisement, s’informer sur l’épaisseur des couches et leur teneur.



L’extraction : Elle s’effectue de deux manières qui dépendent du site, puisque le phosphate se présente sous forme de couches quasi-horizontales séparés par des intercalaires stériles soit par voie souterraine.



Le Traitement : Le phosphate extrait subit un enrichissement de façon à éliminer la gangue et réduire la teneur de certaines impuretés.



La valorisation : Suivant l’évolution du continu du marché mondial des phosphates de la matière brut vers l’acide phosphorique et les engrais, le groupe OCP a Concentré ses efforts sur la transformation sur place des phosphates en produit semi-fini (acide phosphorique) ou fini (les engrais).



la commercialisation : Le phosphate est vendu selon la demande des clients aux cinq continents de la planète soit brut soit après traitement, les exportations représentent 15 à 30% du commerce international du phosphate et de ses dérivés.

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Projet de fin d’études L’OCP maîtrise toute la chaîne de création de valeur de l’industrie phosphatée : extraction et traitement du minerai, transformation de cette matière première en un produit liquide intermédiaire, l’acide phosphorique, et fabrication des produits finis par concentration et granulation de cet acide ou par purification : engrais, acide phosphorique purifié.  Le phosphate brut : Le phosphate brut est exploité pour son contenu en phosphore. La teneur du phosphate en phosphore, mesurée en pourcentage de P2O5 (pentoxyde de phosphore), détermine sa qualité. Elle varie de 5 % à 45 %. A moins de 30 %, le plus gros de la production, le minerai subit un premier traitement sous forme de lavage, séchage ou enrichissement à sec.  L’acide phosphorique : Il est obtenu par réaction de l’acide sulfurique avec le calcium de phosphate. La teneur moyenne du produit intermédiaire ainsi obtenu après concentration est de 52 % de P2O5. L’acide phosphorique purifié est destiné à des applications alimentaires et industrielles.  Les engrais : OCP produit quatre types d’engrais à partir de l’acide phosphorique : le DAP (qui est l’engrais le plus courant), le TSP (engrais exclusivement phosphaté), le MAP (engrais binaire à deux éléments fertilisants : phosphore et azote) et le NPK (engrais ternaire à base d’azote, de phosphore et de potassium). Pour ce faire, l’OCP s’est doté de : 

3 pôles mines : englobe la direction des exploitations minières de Khouribga (PMK), la direction des exploitations minières des Gantour (PMG) et la direction de Phosboucraâ (PMB.



2 centres de transformation chimique Safi et JorfLasfar.



4 ports d’embarquement Casablanca, Safi, JorfLasfar et Laayoune.

III-Description de l’unité Béni-Idir L’unité de BENI-IDIR a démarrée en 1965 dans le but de traiter les phosphates fournis par les unités d’extractions (DAOUI, ZONE CENTRAL et PARC EL WAFI …). Elle est constituée d’une station de chargement et trois usines de traitement : 

Usine d’enrichissement à sec.



Usine de séchage.



Station de chargement.

Il y’a plusieurs qualités des phosphates : FST Fés

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Projet de fin d’études 

K00 : teneur en phosphate de 62% à 56% provient du DAOUI et la ZONE CENTRAL c’est une qualité pauvre elle est argileuse.



K10 : teneur en phosphate de 62% provient du DAOUI et LAMRAH LAHRACH.



K20 : teneur en phosphate de 71% provient du DAOUI et LAMRAH LAHRACH et ZONE CENTRAL. K40 : teneur en phosphate de 74% à 80% provient de LA RECETTE4.



L’enrichissement à sec consiste à améliorer la teneur des phosphates à 70% en passant par les étapes suivantes : -

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Séchage. Elimination des particules fines inférieures à 40 microns. Criblage à 3 mm. Broyage à 1 mm pour éclater les engouements mixtes (phosphate Gange). Elimination des refus de 360 microns.

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Projet de fin d’études

Chapitre 2 Description des fours sécheurs

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Projet de fin d’études I-Rappel sur l’opération de séchage des phosphates I-1-Définition du séchage Le séchage est l’opération unitaire ayant pour but d’éliminer par évaporation un liquide imprégnant un solide. Le terme déshydratation a un sens plus restrictif : il ne concerne que l’élimination de l’eau dans un solide ou dans un liquide. Il est courant de faire une distinction entre séchage par ébullition et séchage par entraînement : - Pour le séchage par ébullition, la pression de vapeur du solvant est égale à la pression régnant dans le sécheur. La température du liquide est donc déterminée par la pression d’ébullition. -Pour le séchage par entraînement, le produit à sécher est mis en contact avec un gaz en mouvement. Ce gaz est en général conditionné de manière à ce que sa température soit supérieure à celle du produit et la pression de vapeur du solvant inférieure à la pression dans l’enceinte de séchage. [5] I-2-Transferts de chaleur Le séchage fait appel aux trois modes de transfert de chaleur : convection-conductionrayonnement, ceux-ci sont utilisés seuls ou combinés entre eux. [5] I-2-1-Séchage par convection En séchage industriel, il s’agit probablement du mode de transfert d’énergie le plus courant .il consiste à mettre en contact un gaz (air) s’écoulant en régime généralement turbulent autour du corps à sécher qui peut se présenter sous forme de particules, de gouttelettes, de films ou de plaques. [5] I-2-2- Séchage par conduction L’énergie thermique nécessaire au séchage est apportée non pas par un gaz en mouvement autour du produit à sécher, mais par un contact direct entre le produit et une paroi chauffée. Les vapeurs libérées par le séchage sont soit aspirées (séchage par ébullition), soit entrainées par un gaz de balayage dont le débit est toujours faible en comparaison de celui nécessaire à un séchage convectif. [5]

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Projet de fin d’études I-2-3-Séchage par rayonnement Ce mode de séchage est destinées aux produits en plaque (carton,) Ou en film (tissu, papier), mais aussi aux produits granulaires de faible épaisseur (1à2cm).l’énergie est apportée au produit à sécher par les ondes électromagnétique, générées soit par des dispositifs électroniques, soit par élévation de la température d’un émetteur infrarouge. [5] II- Le four rotatif de l’unité Beni-Idir Le four sécheur comprend essentiellement les six parties suivantes : -

Le foyer ou la chambre de combustion. La buse. Le tube sécheur ou la virole. La chambre de dépoussiérage. Les ventilateurs de tirage. La cheminée.

Figure 4: Le four sécheur [2] II-1- Les différents constituants du four sécheur 

Le foyer :

Le foyer est constitué d’une enveloppe cylindrique en tôle d’acier équipé intérieurement de trois couches des briques réfractaires afin de limiter les déperditions de chaleur vers l’extérieur, ces briques résistent à une température qui ne dépasse pas 1400 °c. Le foyer joue le rôle du générateur des gaz chauds obtenus par la combustion du fuel suivant la procédure suivante : FST Fés

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Projet de fin d’études L’air primaire injecté par un ventilateur apporte l’oxygène nécessaire à la combustion, le fuel est pulvérisé en fines gouttelettes par l’adjonction d’un jet d’air comprimée. La flamme d’excitations données par le conducteur du four pour déclencher la combustion dans le foyer. La façade du foyer comporte : -Les conduites du fuel avec l’air de pulvérisation qui se fait au niveau du bruleur. -La conduite d’air primaire -La conduite d’air secondaire : permet l’entrée d’air secondaire qui constitue la masse gazeuse, il sert à sécher le phosphate et de guider la flamme vers le sens de déplacement du produit. -Un déflecteur qui peut se déplacer horizontalement suivant l’axe du four en permettant le réglage de la flamme. -Un détecteur de flamme (cellule photoélectrique) : sert à indiquer la présence de la flamme dans le foyer. -Les appareils de contrôle

Figure 5: Photo du foyer

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Projet de fin d’études -Les briques réfractaires : Le tableau suivant présent les caractéristiques de brique réfractaire sont : Couche Couche 1 (Réfractaire) Couche 2 (Réfractaire isolant) Couche 3 (Couche isolante)

Epaisseur (m)

Température (oC)

Conductivité (Kcal/m.K)

0.22

1250

1.63

0.11

911

0.31

0.06

575

0.075

Tableau 1: Caractéristiques de brique réfractaire [2]

a) La buse : C’est un élément intermédiaire entre le foyer et la virole d’une structure géométrique conique permettant la liaison entre le foyer et la virole, au niveau de la buse se fait le premier contact du phosphate avec la masse gazeuse, cet élément est porté à une température d’environ 900 °c.

Figure 6: Photo de la buse

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Projet de fin d’études b) La virole ou le tube sécheur : La virole est un tube cylindrique de 25 m de longueur et de 2.5 m de diamètre, elle est animée d’un mouvement de rotation constante (8tr/min autour de son axe) au moyen d’un moteur électrique .elle est équipé de 366 augets et 66 palettes : -les augets : permettent de faire tomber le produit en pluie pour augmenter la surface d’échange thermique entre ce dernier et la masse gazeuse. -les palettes : permettent l’acheminement du produit vers l’extérieur.

Figure 7: Photo de la virole c) La chambre de dépoussiérage: Le rôle de la chambre de dépoussiérage est de récupérer le phosphate sec entrainé par le mouvement de la masse gazeuse, elle se compose de deux parties ; une chambre de détente et une chambre de filtre à manche. -

La chambre de détente : c’est une enceinte située juste à la sortie de la virole, la section de la chambre est plus grand que le diamètre du tube sécheur (virole), la vitesse des gaz poussiéreux baisse brusquement, les grosses perdent l’altitude et finissent par tomber dans une goulotte afin d’être récupérer dans des convoyeurs à bandes et les autres particules non récupérables continuent leur mouvement vers les sasseurs et les convoyeurs à vis et la poussière mélangé par les fines se récupère au niveau de la chambre de filtre à manche.

-

chambre de filtre à manche : son rôle est l’extraction de la poussière (les grains fins), le ventilateur de tirage crée une dépression à l’intérieur des manches, ce qui amène les particules à se déposer sur les manches (dépression entre 3 bar et 5 bar).

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Projet de fin d’études Chaque four est équipé de 1400 filtres dont le filtre est un tissu spécial sous forme cylindrique d’un diamètre de 16 cm et une longueur de 5 m. Apres le bouchage des filtres une carte électronique donne un signal à une vanne d’air qui permet le passage d’air dans le sens inverse à une pression de 6 bars, cette opération permet le secouage des filtres. Les fines particules sont récupérées et évacuée vers des convoyeurs à vis ensuite par des sasseurs qui ont pour rôle le réglage de débit du produit et pour assurer l’étanchéité. d) Les Sas et les Vis : Les Sas : ressemble à un moulin, cette architecture n’est pas un fruit du hasard, en effet on a choisi cette structure afin de ne pas laisser l’air parasitaire entrer et ce pour ne pas affecter l’humidité du phosphate. Les Vis : leur système ressemble à celui de la virole, ils permettent de déplacer le phosphate en un mouvement hélicoïdal (rotation translation). Leur importance s’exhibe dans la diminution de la poussière ce qui diminue par conséquent les pertes.

Figure 8: La chambre de détente [2] e) La cheminée : C’est un cylindre d’une hauteur de 30 m qui a pour rôle d’évacuer : -Les gaz de combustion -La vapeur d’eau due au séchage - les particules extra-fines non récupérables. f) Les ventilateurs de tirage : Chaque four sécheur est équipé de deux ventilateurs de tirage qui permettent la création d’une dépression tout le long du four sécheur en assurant : FST Fés

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Projet de fin d’études -l’aspiration de la masse gazeuse existante dans le foyer -le déplacement du phosphate vers la chambre à poussière. -l’évacuation des gaz de combustion -l’évacuation de la vapeur d’eau due au séchage. -l’évacuation de la poussière irrécupérable du phosphate à travers vers la cheminée -l’orientation de la flamme dans le sens de déplacement du produit pour éviter le retour de flamme vers l’entrée du four ce qui provoque des dégâts.

g) Les postes réchauffeurs de fuel : Chaque four est équipé par un réchauffeur de fuel essentiellement constitue par deux échangeurs avec vannes de sélection à l’entrée et à la sortie de chaque échangeur, le fuel arrivant aux réchauffeurs à 50 °C est réchauffé par un courant thermique de 180 °C à 200 °C , qui permet le chauffage final jusqu’à la température 120 °C.

Figure 9: Photo des postes réchauffeurs

II-2- Principe de fonctionnement du four sécheur Le four sécheur est un système à plusieurs entrées et plusieurs sorties, il est alimenté par : -le combustible : fuel -l’air de combustion et de séchage -le phosphate humide. 

L’alimentation par produit :

Le phosphate humide est repris du parc de stockage de l’humide par des roues pelles, il est transporté par une série de convoyeurs vers les fours sécheurs, des extracteurs à débit

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Projet de fin d’études réglable introduisent le phosphate issu des trémies dans les fours, ce phosphate entre en contact avec la masse gazeuse chaude venant du foyer. 

L’alimentation par fuel :

Le fuel est stocké dans des grands tanks, chacun est de capacité 2400 m3, la vapeur chaude venant de la chaudière sous une pression de 7 bar, une température entre 185 – 200 °C permet de : -Réchauffer le fuel dans les conduites : ceci facilite l’écoulement du fuel dans la canalisation car il est visqueux à l’état naturel. -Réchauffer le fuel à l’entrée du foyer : ceci pour que le fuel atteint son degré d’inflammation (120 °C). -pulvériser le fuel au niveau du foyer du four pour que la combustion soit rapide et efficace. 

L’alimentation par l’air :

L’air constitue un élément essentiel dans le processus de séchage, il est indispensable pour avoir une combustion et pour la création de la masse gazeuse chaude, le four est alimenté en air à travers deux sources : - l’air primaire : il est assuré par un ventilateur de vitesse constante, les volets de la turbine qui commande la quantité d’air entrante dans le foyer sont commandés manuellement, l’excès d’air conduit à refroidir le foyer qui n’est pas souhaitable et le manque d’air conduit à une combustion incomplète, par conséquence une perte en combustible et pollution de l’environnement. - L’air secondaire : sur la façade du foyer on dispose de carneaux distribués sur une couronne de diamètre légèrement inférieur à celui de la façade.

II-3- Le système de sécurité des fours sécheurs Pour l’installation des fours sécheurs, on ajoute un système de sécurité pour assurer la protection de l’installation.

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Projet de fin d’études Le tableau suivant présente les grandeurs de sécurité du four sécheur : Paramètre

Grandeur moyenne

Grandeur de sécurité

Débit fuel

2800 l/h

3500l/h

T° Buse

900 °C

980 °C

Débit produit

240 t/h

Dépression

-3 mbar

-1.6 mbar

T° Brique

150 °C

400 °C

T° Tôle

60 °C

120°

T° chambre de détente

80 °C

105°

Tableau 2:Les grandeurs moyennes et sécurité des fours sécheur [2]

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Projet de fin d’études

Chapitre3 Optimisation de la consommation du fuel

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Projet de fin d’études I-Méthodes et matériels I-1-Définition et identification du problème I-1-1-Problématique Le but de cette étape consiste à identifier l’origine du problème principal à résoudre.

Figure 10: La répartition des charges de Béni-Idir en 2016 [1] On remarque que l’énergie présente une charge importante (58%) sur le coût de revient.

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Projet de fin d’études Le tableau suivant représente l’évolution des consommations au cours de l’année 2016 :

Mois

Fuel en Kg

Energie électrique en KWh

Autres charges en Kg

Janvier

4 832 000,00

533 950,00

744 810,00

Février

4 266 000,00

708 894,00

702 589,02

Mars

4 168 000,00

430 773,00

607 271,30

Avril

4 711 000,00

670 987,00

770 295,30

Mai

4 231 000,00

800 795,00

366 761,80

Juin

4 711 000,00

903 112,00

691 739,50

Juillet

5 075 000,00

873 003,00

514 748,70

Août

5 667 000,00

846 478,00

514 748,70

Septembre

6 238 000,00

633 933,00

703 616,90

Octobre

7 016 000,00

813 925,00

689 004,60

Novembre

7 360 000,00

868 168,00

618 666,70

Décembre

9 200 000,00

761 379,00

814 110,10

Total

68 475 000,00

8845397,00

8 345 633,92

Tableau 3:Evolution des consommations de l’année 2016[1]

Figure 11: La répartition des dépenses énergétiques en 2016 On remarque que Le fuel représente la part la plus importante (86%) des dépenses énergétiques. FST Fés

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Projet de fin d’études Le tableau suivant représente la consommation du fuel au niveau de la production en 2016 :

Jours

Fuel au niveau de séchage (Kg/T)

Fuel au niveau de la chaudière (Kg/T)

01/04/2017

13.72

2.744

02/04/2017

13.04

2.45

03/04/2017

13.55

2.67

04/04/2017

12.85

2.24

05/04/2017

13.01

2.30

06/04/2017

11.99

2.7

07/04/2017

10.92

2.01

08/04/2017

10.29

2.11

09/04/2017

11

2.19

10/04/2017

11

2.24

Tableau 4: Consommation du fuel au niveau de la production [1]

Figure 12: La répartition de la consommation de fuel par stade de production D’après le graphe précédent on conclut que le maximum du fuel consommé est au niveau de séchage.

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Projet de fin d’études I-1-2 La variation de la consommation spécifique du fuel La consommation spécifique Cs est la masse de fuel nécessaire pour sécher une tonne de phosphate. Elle s'exprime par :

𝐶𝑠 = mf/mph [Kg/T]

I-1-2-1- Test de normalité et l’indépendance Lors du procédé de séchage de phosphate, nous avons essayé de diagnostiquer la stabilité de la consommation spécifique du fuel journalière des deux mois Avril et Mai 2017, en prélevant 60 valeurs Date

Csf (Kg/T séché)

01/04/2017

13,72

02/04/2017 03/04/2017 04/04/2017 05/04/2017 06/04/2017 07/04/2017 08/04/2017 09/04/2017 10/04/2017 11/04/2017 12/04/2017 13/04/2017 14/04/2017 15/04/2017 16/04/2017 17/04/2017 18/04/2017 19/04/2017 20/04/2017

13,04 13,55 12,85 13,01 11,99 10,92 10,29 11 11 12,48 12,58 13,07 13,28 13,35 13,37 11,43 12,43 11,06 12,32

Date

Csf (Kg/T séché)

Date

Csf (Kg/T séché)

21/04/2016

12,33

11/05/2016

12,54

22/04/2016

12/05/2016

12,98 23/04/2016 13/05/2016 12,41 24/04/2016 14/05/2016 13,5 25/04/2016 15/05/2016 11,78 26/04/2016 16/05/2016 12,63 27/04/2016 17/05/2016 12 28/04/2016 18/05/2016 11,7 29/04/2016 19/05/2016 11,68 30/04/2016 20/05/2016 12,11 01/05/2016 21/05/2016 12,58 02/05/2016 22/05/2016 12,58 03/05/2016 23/05/2016 11,39 04/05/2016 24/05/2016 10,54 05/05/2016 25/05/2016 13,98 06/05/2016 26/05/2016 12,88 07/05/2016 27/05/2016 13,6 08/05/2016 28/05/2016 12,23 09/05/2016 29/05/2016 11,8 10/05/2016 30/05/2016 10,25 31/05/2016 13,45 Tableau 5:la consommation spécifique journalière pour les deux mois Avril et Mai 2017[1]

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11,7 13,07 11,7 11,11 12,65 13,5 15 12,5 12,36 11,94 12,31 13,78 13,17 14,04 12,37 12,48 12,77 12,89 11,89

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Projet de fin d’études - Avant d’établir une carte au mesures de Schwartz il faut que :  Les données soient distribuées selon une loi normale de moyenne 𝜇 et de variance 𝜎2 constante dans le temps.  Les observations soient indépendantes - Il existe des outils statistiques qui permettent de tester la normalité, la constance de la variance, et l’indépendance qui sont : 1- PP-plot pour la Normalité. 2- L’autocorrélogramme pour Indépendance des données. 3- Box plot pour la Constance de la variance. Pour tester la normalité on utilise le PP-Plot et l’histogramme juxtaposé à la courbe normale.

Figure 13: PP-plot et Histogramme de Cs du fuel D’après le PP-Plot nous remarquons que les données suivent l’allure de la droite d’Henri, ce qui montre qu’elles suivent approximativement une loi normale.

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Projet de fin d’études -L’indépendance :

Figure 14: Auto corrélation de la Cs du fuel Nous remarquons qu’il existe une pique qui sort de l’intervalle de tolérance, mais nous pouvons accepter que les données soient indépendantes.

-Constance de la variance :

Figure 15: Box-plot de la Cs D’après ce Box Plot nous avons constaté que la variance des données n’est pas constante ; mais puisque certains incidents (changement d’opérateur ou de consigne de fonctionnement des fours …) influencent sur le procédé de fabrication, nous avons supposé donc que la variance est constante dans le temps.

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Projet de fin d’études Donc on peut établir les cartes de contrôle. I-1-2-2- Les cartes de contrôle C’est une carte qui permet de visualiser en parallèle l’évolution et la tendance centrale et la dispersion du procédé sur deux cartes :  La carte X̅ : cette carte mesure la variabilité entre les échantillons.  La carte R : cette carte mesure la variabilité dans l’échantillon. -

La Carte X̅ -R

C’est une carte qui permet de visualiser en parallèle l’évolution et la tendance centrale et la dispersion du procédé sur deux cartes : La carte X̅ : cette carte mesure la variabilité entre les échantillons La carte R : cette carte mesure la variabilité dans l’échantillon.

Figure 16:La carte de contrôle 

La carte R est hors contrôle car il y a un point hors limite



La carte Xbar est hors contrôle car il y a un point hors limite

Alors Le procédé n’est pas sous contrôles statistique.

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Projet de fin d’études I-1-2-3-Identification du problème Pour identifier notre problème en utilisant la méthode de questionnement ou bien méthode de QQOQCP : QQOQCP

Réponses

Quoi ?

Le non maitrise de la consommation du fuel.

De quoi s’agit-l ? Qui ?

Unité de séchage.

Qui est concerné par ce problème ? Ou ?

Fours sécheurs.

Ou apparait le problème ? Quand ?

Le problème existe toujours.

Quand apparait le problème ? Recherche des actions d’amélioration.

Comment ? Comment mesurer le problème ? Pourquoi ?

-

Réduire le cout de séchage ;

Pourquoi résoudre ce problème ?

-

Amélioration continue ;

Quels enjeux qualifiés

-

Amélioration de la productivité

Tableau 6: La méthode QQOQCP pour identification du problème I-2-Analyse et identification des causes I-2-1- Brainstorming Le brainstorming est une technique de créativité qui facilite la production d’idées d'un individu ou d'un groupe. L'utilisation du brainstorming permet de trouver le maximum d’idées originales dans le minimum de temps grâce au jugement différé. Le jugement différé consiste à énoncer d'abord un grand nombre d’idées et de les évaluer uniquement dans un deuxième temps ou lors d'une autre rencontre. Nous avons utilisé cet outil pour identifier les causes de la consommation élevée du fuel. Les causes de la consommation élevée du fuel sont les suivants :

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Projet de fin d’études -

Mauvaise conditions de stockage de produit humide.

-

Dégradation du matériel dû aux arrêts répétitifs de la production.

-

Changement du climat.

-

Vapeur : un problème au niveau de la chaudière, température très basse, pression insuffisante ou une fuite.

-

Non-respect des mesures des paramètres (étalonnage et vérification non correctes).

-

Non maitrise de processus soit pour les conducteurs ou pour les opérateurs de la salle de contrôle.

-

Mode opératoire non respectés et non affichés.

-

Mauvaise manipulation.

-

Mauvaise conduite.

-

L’air de pulvérisation dû à la présence des gouttelettes d’eau.

-

Mauvais fonctionnement des bruleurs.

-

Les arrêts répétitifs des fours.

-

l’air parasitaire.

-

L’absence de réglage de l’air dans le VRB.

-

L’air de pulvérisation entre à une température moyennement basse.

-

Dégradation des briques réfractaires.

-

Changement des bruleurs

-

Arrêt circuit en aval

-

Arrêt circuit en amont

I-2-2- Diagramme Ishikawa Les causes sont les facteurs susceptibles d’influer le problème, ces causes sont regroupées classiquement par familles, autour des 5 M : 

Milieu : environnement physique et humain, conditions de travail, aspect relationnel…



Main d’œuvre : les professionnels de toute catégorie, en y incluant la hiérarchie.



Matériel : l’équipement, les machines, les locaux…



Matière : tout ce qui est consommable ou l’élément qui est à transformer par le processus.



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Méthode : correspond à la façon de faire, orale ou écrite (procédures, instructions…).

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Projet de fin d’études

Figure 17: diagramme d'Ishikawa I-2-3- Diagramme Pareto Le diagramme de Pareto est un graphique représentant l'importance de différentes causes d'un phénomène. Ce diagramme permet de mettre en évidence les causes les plus importantes sur le nombre total d'effet.

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Projet de fin d’études Le tableau suivant représente les causes de la consommation de fuel et leurs effectifs Effectif

Fréquence Fréquence cumulé 10% 10% 10% 21%

Changement du climat, 10 mauvaise réglage de l'air dans la 10 VRB Humidité du phosphate 9 9% 30% Changement de la Te 8 8% 38% L’excès d’Air parasitaire 8 8% 46% l’air de pulvérisation basse 7 7% 54% Mauvais fonctionnement 7 7% 61% Non maitrise des procédés 6 6% 67% Non-respect des mesures 5 5% 72% Vapeur 5 5% 77% Modes opératoires 4 4% 81% Mauvaise conduite 3 3% 85% Arrêt circuit en aval, 3 3% 88% conditions de stock 2 2% 90% Les arrêts répétitifs d 2 2% 92% Introduction d’air 2 2% 94% Changement des brûleurs 2 2% 96% Arrêt circuit en amont, 1 1% 97% Air de pulvérisation 1 1% 98% Mauvaise manip 1 1% 99% dégradation des briques 1 1% 100% Total 97 100% Tableau 7: Les causes de la Cs fuel [1]

Ce diagramme de Pareto permet de déterminer les causes les plus importantes qui influencent sur la consommation du fuel.

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Projet de fin d’études 12% 10%

FREQUENCE

8% 6% 4% 2%

99% 100% 120% 92% 94% 96% 97% 98% 85% 88% 90% 100% 81% 72% 77% 67% 80% 61% 54% 46% 60% 38% 30% 40% 21% 10% 20%

0%

0%

cumulé Series1

Series2

Figure 18: Diagramme de Pareto On remarque que les causes sont plusieurs mais les plus importantes sont le mauvais réglage de l’air primaire, l’excès d’air parasitaire et l’air de pulvérisation qui entre à une température basse. I-2-4- Air parasitaire -Bilan sur le foyer : Pour déterminer le débit massique de l’air parasitaire, on établit un bilan massique sur le foyer et on calcule les débits massiques des gaz chauds à la sortie du foyer.

Equation global du foyer : 

mg1 = mf + ma1 + ma2 + ma3

Débit du fuel : mf = ρf×qv Débit d’air primaire :

ma1 = S×Vb×ρ Avec: S=

𝝅×𝑫𝟐

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𝟒

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Projet de fin d’études 

Débit d’air secondaire : ma2 = S×Vs×ρ Avec : S = N×H× (petite base + grande base)/2



Débit d’air de pulvérisation : ma3 =qa×ρ

-les endroits d’entré d’air parasitaire :

Figure 19:les endroits d’entré d’air parasitaire

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Projet de fin d’études

Figure 20:Liaison foyer-virole

Figure 21:Alimentation du produit

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Projet de fin d’études Alors il faut établir un bilan sur le tube sécheur. Bilan partiel sur l’air :

On calcule aussi les débits massiques des gaz chauds à la sortie de tube sécheur. mg2 = mSO2 + mN2 + mCO + mCO2 Avec: %𝑆

mSO2=100 ×

𝑀𝑆𝑂2 𝑀𝑆

×mf

et %𝐶

mCO2=100 ×

𝑀𝐶𝑂2 𝑀𝐶

×mf

et mN2 = τ N2×mair avec et

mair = ma1 + ma2

mH2O = W×mair

Le débit massique de l’air parasitaire et la différence des débits des gaz chauds au niveau de la virole m(air parasitaire)=mg2 –mg1 I-2-5- Etude de combustion Le processus de combustion commence par le réchauffement du combustible au-dessus de sa température de combustion en présence d'oxygène. Sous l'effet de la température, les composés qui constituent le carburant sont séparés. Si la combustion est complète, les éléments de carbone (C), d'hydrogène (H) et de soufre (S) réagissent avec l'oxygène contenu dans l'air pour former respectivement du dioxyde de carbone, CO2, de la vapeur d'eau H2O et de dioxyde de soufre SO2. S'il n'y a pas assez d'oxygène, si le mélange air carburant est insuffisant ou si les gaz brûlés sont partiellement sous le seuil de la température d'ignition (trop d'air froid ou température des parois froides), la combustion sera incomplète. Dans ce cas les gaz de combustion contiennent

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Projet de fin d’études encore des composés combustibles comme le monoxyde de carbone (CO), le carbone C (suie) et divers hydrocarbonés CxHy. [3] I-2-5-1-Qualité d’une bonne flamme La flamme doit être stable à toute allure de fonctionnement. Sa forme est très importante, elle doit être équitable à toutes les façades. Elle ne doit donc être ni trop longue, ni trop courte; c’est aussi à ce stade que la technologie des brûleurs, le mode de pulvérisation, le réglage de débit d’air devient très important. [3] Caractéristiques de la flamme dans un four sécheur - Flamme allongée au 2/3 du foyer. - Ne doit pas lécher les parois. - Doit avoir une couleur jaunâtre brillante. - Pas d’effet chalumeaux. I-2-5-2-Les conditions d’une bonne combustion Pour que le rendement de la combustion soit élevé il faut respecter les conditions suivantes : 

T° fuel : 120°C. Si cette température est basse, la viscosité du fuel augmente, donc il y’ aura une mauvaise pulvérisation et par conséquent une mauvaise combustion. Si cette température est haute, la fluidité du fuel augmente mais il y a le risque de l’auto- inflammation (140° à 145°).



Le débit du fuel : En manuel lorsque le four est froid ce débit est réglé entre 1500 à 1600 l/h puis il augmente suivant les consignes de marche jusqu'à la stabilité au four, en automatique le réglage du débit fuel se fait grâce à une chaine de régulation.



Débit d’air primaire : ce débit est réglé en fonction de l’aspect de la flamme, et de la fumée à la sortie de la cheminée.



Pression de fuel : Cette pression est mesurée à 2 endroits : Au niveau du réchauffeur (26 à 28 bars). Au niveau de la façade (10 à 18 bars) Ces pressions sont réglées en fonction du gâteau et de la qualité du phosphate séché (humidité débit) :

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Projet de fin d’études 

Pression de vapeur de pulvérisation : Normalement elle est réglée en automatique en fonction de débit.



Qualité d’une bonne flamme : la flamme doit être stable a toute allure du fonctionnement.sa forme est très importante aussi car elle doit amener une équitable répartition de l’énergie à toutes les façades. Elle ne doit être ni très longue ni très large.

I-2-6-Bilan thermique : - Principe de bilan : Le bilan énergétique consiste à établir l’égalité entre les quantités de chaleur entrantes et les quantités de chaleur sortantes d’un système. C’est l’application de premier principe de la thermodynamique à un système ouvert. Dans le cas d’un four sécheur; on doit prendre en considération les différentes chaleurs nécessaires à l’évaporation de l’eau contenue dans le minerai de phosphate et celle apportées par les différentes matières (fuel ; minerai de phosphate ; air primaire ; air secondaire …) ainsi que la quantité de chaleur emportée par les fumées et le produit séché. Ces différentes quantités de chaleur peuvent varier en fonction de plusieurs paramètres tels que :

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

Débit du minerai de phosphate à traiter.



Débit de fuel consommé.



Ouverture ou fermeture des Carneaux du four.



Vitesse de rotation de la virole.



Température ambiante.



Etat des équipements du four-sécheur.

Page 35

Projet de fin d’études

Flux entrée =Flux sortie QD+QA+QPe=QU+Qf+QPs+QP -

Chaleur fournie :

Elle est constitué de: -

La chaleur apportée par le fuel à sa température d’utilisation.

-

Energie fournie par l’air.

- Pouvoir calorifique inférieur PCI du combustible. Chaleur utile :

-

C’est l’énergie nécessaire à l’évaporation de l’eau contenue dans le produit humide. -

Chaleur perdue :

C’est l’énergie emportée par : -

Evaporation de l’eau dans l’air ambiant entrant dans le four sécheur.

-

Chauffage des matériaux en contact (briques réfractaires, tôles..).

-

Les gaz secs évacués par la cheminée (fumée).

-

L’excès d’air primaire.

-

Le phosphate séché set évacué.



La chaleur apportée par le produit humide :

QPe = (msec×Cpsec + meau×Cpeau)*T produit humide Avec :

mp = H×lg×Ve×ρp

meau = mp×he

msec = mp - meau

- La chaleur apportée par le fuel : FST Fés

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Projet de fin d’études La chaleur latente :QLatente=mf×PCI La chaleur sensible :Qsensible = mf×Cpfuel×Tfuel Donc la chaleur apportée par le fuel :QD= Qlatente+Qsensible Alors : QD= mf×Cpfuel×Tfuel+mf×PCI 

la chaleur apportée par l’air atmosphérique :

QA = mair×Cpair×Ta Avec : 

mair = ma1+ma2 La chaleur apportée par l’air de pulvérisation :

QA=ma3 *Cp air *Ta 

La chaleur apportée par l’air parasitaire

QA= mair parasitaire*Cpair*Ta 

l’énergie nécessaire à l’évaporation :

Qu= mnécessaire à l’evapo×Lv 

L’énergie transportée par le produit séché (fines) est :

Qps1 = msec fine×Cpsec×Tphosphate + me×Cpeau×Tphosphate Avec :

msec fine = Psec fine× Vsec fine

De même manière on calcul l’énergie transportée par le produit séché (gros) : Qps2 = msec gros×Cpphosphate×Tphosphate + me×Cpeau×Tphosphate Avec : 

msec gros = Psec gros× Vsec gros L’énergie transportée par les fumées :

Qf = ∑Cpi×mfumée×Tcheminée 

Calcul des pertes par les parois :

Les pertes= les entrées – les sorties I-2-7-L’air de pulvérisation Il est nécessaire d’avoir une idée sur la technologie des brûleurs avant de commencer l’étude des paramètres qui influencent le profil de la consommation excessive du fuel.

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Projet de fin d’études Un brûleur se compose de plusieurs parties dont la plus sensible se situe à l’extrémité qui porte le nom gicleur. Le gicleur du brûleur que nous traiterons se compose de quatre parties rassemblées dans le terme MEPA : -

M : Multi buse E : Émulseur P : Pastille A : Atomiseur

Toutes les pièces citées sont réuni à l’aide d’un écrou de serrage

Figure 22:Gicleur (MEPA) Les besoins énergétiques des fours sont satisfaits en brûlant le Fuel lord N°2, qui nécessite une température de pulvérisation aux alentours de 120 °C, elle à son tour demande une quantité de chaleur délivrée par flux de vapeur d’eau provenant de la chaudière. L’opération de pulvérisation requis la prise en charge d’air comprimé qui entre à 7 bars et la pression d’injection du Fuel qui est 30 bars environ.

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Projet de fin d’études La température de l’air comprimé 20°C influence sur le fuel qui entre à 120 °C, pour cela on va accéder à un chauffage d’air comprimé pour minimiser la consommation spécifique du fuel. Alors pour le chauffage l’air de pulvérisation, on va exploiter les pertes par parois du foyer. -Calcul des pertes par les parois du foyer : Qp= ∑Kfi×Sfi×(Tfi-Ta) en Kcal/h Avec : 𝑇𝑓𝑖

𝑇𝑎

Kfi= 4.42 [(100)4-(100)4](Tfi-Ta)-1+1.58(Tfi-Ta)0.25 -Dimensionnement d’une gaine rectangulaire : Supposant que le collage entre la paroi du foyer et la gaine rectangulaire est parfait. Donc on a un transfert par convection ; Lorsque le transfert de chaleur s’accompagne d’un transfert de masse, il est appelé transfert par convection. Ce mode d’échange de chaleur existe au sein des milieux fluides ou lorsque un fluide circule autour d’un solide.

Figure 23:Transfert par convection La quantité de chaleur Q qui traverse La section S peut s’écrire : ɸ = h×Sg×ΔT

Loi de newton ɸ

Donc : Sg = ℎ×ΔT On fixe la largeur et la hauteur à 5 cm

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Projet de fin d’études Alors :

ɸ

L×l = ℎ×ΔT ɸ

L = 𝑙×ℎ×ΔT II-Résultats et discussions Durant cette étape on a effectué une étude de combustion et un bilan thermique du four sécheur ainsi les pertes et le rendement thermique. Vue que les causes sont nombreuses mais les plus importantes sont l’accès d’air parasitaire ainsi la température basse d’air de pulvérisation, dans cette partie on va proposer des solutions pour éliminer ces problèmes.

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Projet de fin d’études II-1- les données des calculs : Le tableau suivant présente les données : Phosphate humide

Fuel

Air primaire

Air secondaire

Produit séché

Fumée

Air de pulvérisation

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Données Température (oC) Humidité (%) Largeur de gâteau (m) Vitesse d’extracteur (m/s) Masse volumique (Kg/l) Cp Produit sec (Kcal/kg.oC) Hauteur de gâteau (m) Température (oC) PCI (Kcal /kg de fuel) Masse volumique (Kg/l) Débit volumique (L/h) Cp (Kcal / kg. °C) Pression (bar) Vitesse d’injection (m/s) Diamètre de la vanne (m) Température (oC) Humidité relative Humidité absolue (Kg e/Kg a) Masse volumique (Kg/m3) Cp (Kcal / kg. °C) Vitesse d’injection (m/s) Surface d’un carneau (cm2) Nombre des carneaux Grande base (m) Petite base (m) Hauteur (m) Cp (Kcal / kg. °C) Masse volumique (kg/m3) Température de produit fines (oC) Température de produit gros (oC) Humidité de produit fines % Humidité de produit gros % Pesée des gros grains (Kg/m) Pesée des fins grains (kg/m) Vitesse de la bande des fines (m/s) Vitesse de bande des gros Température (oC) Diamètre de cheminée (m) Vitesse des gaz (m/s) Débit (Kg/h) Température (oC) Tableau 8: Les données des calculs [1]

Valeurs 17 13.6 1 0.23 1.3 0.24 0.31 120 9839.88 0.91 3306 0.48 30 11 1.28 21 43 0.00289 1.2 0.24 4.29 808.5 24 0.21 0.175 0.42 0.24 1.2 58.4 58.4 2.5 3.6 24.9 5.6 2.18 2.74 79 2 12.76 126 20

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Projet de fin d’études II-2- Calcul d’étude de combustion : Le groupe OCP utilise le fuel comme combustible dans le séchage de phosphate, la composition massique du fuel est la suivante : 

84 % de carbone



12% d’hydrogène



4% de soufre

La composition massique de l’air est : 

23% d’oxygène



77% d’azote

Les réactions de la combustion du fuel sont les suivantes : 

C

+

1kg 0.84kg 

H2

O2 2,66kg

3,66kg

2.24kg

3,08kg

+

1kg 0,12kg 

S

+

1kg 0,04kg

CO2

1

O2

H2O

8kg

9kg

0,96kg

1,08kg

2

O2

SO2

1kg

2kg

0,04kg

+

97,6

+

69,2

+

58,2

Kcal/mol

Kcal/mol

Kcal/mol

0,08kg

-Calcul de pouvoir calorifique du fuel: C’est la quantité d’énergie dégagée par la combustion neutre et complète d’1 kg de combustible avec l`eau formée est à l`état liquide. [7] Il est définit par : PCS=84*C+277.65*H+25*S74 PCS=84*84+277,65*12+25*4 Donc :

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PCS =10487,8 Kcal/Kg de fuel

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Projet de fin d’études -

Calcul de pouvoir comburivore : C’est la quantité d’air nécessaire pour bruler un 1 Kg de fuel dans les conditions normales de pression et de température.  Il est défini sous la forme : 1

8

Va = 23 (3 × 𝐶 + 8 × 𝐻 + 𝑆 − 𝑂) Avec C, H, S et O les teneurs en % du combustible en carbone, en hydrogène, en soufre et en oxygène. D’après la composition du combustible : C = 84 % H = 12 % S=4% 1 8 Ce qui donne : Va = 23 (3 × 84 + 8 × 12 + 4 − 0) Va = 14,09 kg d’air II-3- L’air parasitaire : Le tableau suivant présente le calcul de débit d’air parasitaire : mg1 (kg/h)

mg2 (kg/h)

mf

3008,46

m (co2)

9266,0568

ma1

40000,000

m (co)

7416,76

ma2

35091,987

m(N2)

57820,8296

ma3

126

m (o2)

12017,0624

m (so2)

240,6768

Total

86761,3857

78226,447

Total

Tableau 9: Calcul de l'air parasitaire m (air parasitaire) = mg2 - mg1 = 86761,3857-78226,447 m (air parasitaire) = 8534,939 Kg/h  Interprétation des résultats : D’après les calculs on constante que la quantité de l’air parasitaire introduite dans l’installation par les endroits tel que les jonctions, l’alimentation du produit est d’une valeur énorme. Ainsi, l’air parasitaire engendre des pertes importantes d’énergie, ceci est dû à l’évaporation contenue dans cet air ce qui consomme plus d’énergie. FST Fés

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Projet de fin d’études Donc ce dernier a des conséquences néfastes sur le bon fonctionnement des fours à savoir: Une consommation supplémentaire en fuel.  Proposition des solutions : Au niveau de la jonction foyer-virole, l’étanchéité est mécanique assuré par une ceinture métallique en deux parties, mais cette ceinture n’as pas de position stable pendant la marche, il recule er laisse entrer l’air ambiant. Pour pallier à ce problème, il est recommandé de faire du joint intègre dans le foyer pour éviter l’entré d’air parasitaire ou de refaire ces ceintures en les équipant par des ressorts de rappel pour éviter leur recule et reprendre leur position initiale.. Au niveau de l’alimentation du produit on suggère une vanne rotative qui règle le débit du phosphate ainsi l’étanchéité. II-4- Calcul bilan thermique : Les tableaux suivant présentent le bilan thermique Les entrées Eléments

Kcal/h

Pourcentage

Produit humide

2132908,13

6,56%

Fuel

29776172,68

91,58%

Air de pulvérisation

628,99

0,002%

Air primaire

201600,00

0,62%

Air secondaire

176863,61

0,01

Air parasitaire

98110,86

0,30%

Total

32386284,27

100 %

Tableau 10: Les entrées du bilan thermique

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Projet de fin d’études Les sorties Eléments

Kcal/h

Pourcentage

CO2

146403,6974

0,51%

SO2

2661,885408

0,01%

CO

146481,01

0,51%

N2

1141961,385

3,95%

O2

207907,1973

0,72%

Eau évaporé

22603240,8

78,21%

Produit séché (gros+fine)

4650524,946

13,86%

Total

28899180,9

100,00%

Tableau 11: Les sorties du bilan thermique -les pertes par parois : Les pertes =Les entrés –les sorties= 3487103,35 kcal/h Les pertes représentent 10.77 de l’énergie entrante η=

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𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 𝐟𝐨𝐮𝐫𝐧𝐢𝐞 𝐩𝐨𝐮𝐫 𝐥′ é𝐯𝐚𝐩𝐨𝐫𝐚𝐭𝐢𝐨𝐧 𝐝𝐞 𝐥′𝐞𝐚𝐮 𝐜𝐡𝐚𝐥𝐞𝐮𝐫 𝐟𝐨𝐮𝐫𝐧𝐢𝐞

= 69,79%

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Projet de fin d’études II-5- Dimensionnement d’une gaine rectangulaire II-5-1 Calcul de flux total : Le tableau suivant présente calcul des pertes par paroi du foyer : Points 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 16,5 Total

l (m) 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0,5

D(m) 4,480 4,420 3,940 3,940 3,940 3,940 3,940 3,940 3,940 3,860 3,140 2,750 2,630 2,630 2,630 2,630 2,630

s(m²) 14,067 13,879 12,372 12,372 12,372 12,372 12,372 12,372 12,372 12,120 9,860 8,635 8,258 8,258 8,258 8,258 4,129

Tc° 106,000 50,000 105,000 105,000 90,000 96,000 106,000 104,000 80,000 90,000 87,000 91,000 56,000 60 66,000 60,000 50

t(OK) 299,000 323,000 378,000 378,000 363,000 369,000 379,000 377,000 353,000 363,000 360,000 364,000 329,000 333,000 339,000 333,000 323,000

Ta (K 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293 293

Kfi 7,058495 8,875763 11,58127 11,58127 10,88004 11,1612 11,62792 11,53463 10,40664 10,88004 10,73881 10,92701 9,206194 9,417073 9,723169 9,417073 8,875763

Qpf (Kcal/h) 12371,61 3695,548 12178,71 12178,71 9422,245 10494,22 12371,61 11986,96 7724,806 9230,93 7093,983 6699,183 2736,957 3110,723 3693,61 3110,723 1099,467 129153.1

Tableau 12:Calcul des pertes par paroi du foyer ɸTotal = 129153.1 Kcal/h II-5-2- Calcul de la longueur de la gaine : Le flux calculé du foyer est un flux total ; alors pour dimensionner cette gaine on va prendre qu’une mètre de surface et on fera les calculs sur le premier mètre de surface. Flux pour le premier mètre du foyer : ɸ = 12371,61 Kcal/h ɸ = 14378.56 J/s On fixe la largeur 5 cm h : coefficient d’échange thermique égale à 100 w/m2.oK ɸ

L = 𝑙×ℎ×ΔT Alors

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14378.56

L = 0.05×100×46

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Projet de fin d’études Donc

L = 62.51 m

Figure 24: Vue de face du four sécheur avec la gaine

Figure 25:Vue perspective du four sécheur avec la gaine

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Projet de fin d’études

Figure 26:Vue de gauche du four sécheur avec la gaine

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Projet de fin d’études

Conclusion Depuis sa création, l’usine de séchage est construit à fin de répondre à certains objectifs essentiels ; rendre le minerai sec et marchant c’est-à-dire de répondre au contrat signée, diminution du cout de transport que l’OCP paye à l’ONCF. Le présent travail consiste à étudier l’influence de l’air de pulvérisation et l’air parasitaire sur la consommation du fuel, Donc on a essayé de déterminer les principaux facteurs qui influent d’une façon ou d’une autre sur la consommation du fuel et de rechercher tous les moyens permettant de réduire ce coût, et de proposer les solutions qui s’imposent Ce projet m’a permis d’acquérir des connaissances théoriques sur le fonctionnement d’un four sécheur. Je suis convaincu d’avoir résolu les difficultés que j’ai recensés dans ce projet cependant, il serait erroné de considérer mon travail comme une œuvre entièrement finie; Comme tout mémoire scientifique, ça reste améliorable et perfectible.

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Projet de fin d’études Références bibliographiques 

Document interne :

[1] Donnée OCP. [2] Les archives des rapports d’OCP. 

Articles:

[3] C.K.Law, C.H.lee, N. scrinivasan, combustion Characteristic of Water-in-oil emulsion droplets, Combustion and flame, 37(1980), P.125-143. [4] Dominique Tarlet, jérôme Bellettre, Mohand Tazerout, Camal Rahmouni, simulation numérique de la combustion d’une gouttelette d’émulsion de l’eau dans l’huile, congrès société Française de Thermique, Reims (France) 2005, P.349-354. [5] André CHARREAU et Roland CAVAILLÉ, technique de l’ingénieur, séchage : théorie et calculs



Site web :

[6] https://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/phosphate_rock/mcs2015-phosp.pdf. [7] http://fr.wikipedia.org/wiki/Pouvoir_calorifique_inférieur

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