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Chapitre II

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée

1. Introduction : Le ciment est la matière de Construction la plus essentiel et indispensable dans la maçonnerie. Pour la fabrication de cette matière il faut passer par plusieurs étapes à fin de produire une bonne matière finale et prête à être utilisé. Mais avant il faut connaitre les matières premières qui constituent ce produit essentiel. Les nouvelles législations sur l’environnement imposent de nouvelles installations de dépoussiérage plus performantes. La cimenterie de Saida a procédé à la réalisation du système de dépoussiérage du Four et du Broyeur cru afin d’assurer les résultats compatibles avec ces exigences qui ont un impact sur l’environnement et afin de remédier à la perte du produit fini et semi-fini pour une meilleure optimisation de la production. Afin de connaitre ce système nous allons dans ce chapitre parlé sur le dépoussiérage et le filtre à manches et ses éléments pour la partie mécanique, instrumentation et processus.

2. Le système automatisé étudié : 2.1.

Processus de fabrication du ciment :

Le processus de fabrication du ciment passe par plusieurs étapes suivantes : 2.1.1 Carrières : Les matières premières sont extraites des carrières. Elles sont généralement concassées puis transportées par bandes ou par camions.

Figure II. 1. Carrière ciment

a) Concasseur : Un concasseur est une machine conçue pour réduire les grosses roches en petites pierres, gravier, ou poussière de roche. Les concasseurs peuvent être utilisés pour réduire la taille ou changer la forme des déchets afin qu'ils puissent être plus facilement éliminés ou recyclés.

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Figure II. 2. Un concasseur mobile b) Transporteurs : les transporteurs sont des tapis motorisés gérés depuis la salle de contrôle pour transporter les matières utilisées dans la production de ciment.

Figure II 3. Transporteurs matières 2.1.2.

La fabrication du cru :

a) Le hall de stockage : La matière première (calcaire, argile, fer) est transporté et stocké dans des halls de stockage pour former des tas prêt à l’utilisation.

Figure II. 4. Halls de stockage Page | 30

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b) Broyeur et sécheur du cru : Les matières de calcaire et d’argile sont intimement mélangés par broyage dans les proportions définies par le laboratoire, en un mélange très fin appelé le ‘’cru’’. Le sécheur est utilisé pour éliminer l'humidité résiduelle. Le broyeur permet d'obtenir une poudre d’une finesse appropriée.

Figure II. 5. Broyeur c) Silo d’homogénéisation et de stockage farine : Après broyage cette matière est stockée et mélangée (homogénéisée) en permanence dans des silos d’homogénéisation avant d’être envoyée au four pour la cuisson. [1]

Figure II. 6. Silos d’homogénéisation d) Les cyclones échangeurs : Après homogénéisation la matière est introduite dans les cyclones de la tour pour séchage et déshydratation par les gaz de four.

Figure II. 7. Cyclones échangeurs Page | 31

Chapitre II 2.1.3.

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée La cuisson :

a) Le four rotatif : La matière préchauffée pénètre à l'amont du four où s'achève la décarbonatation et progresse jusqu'à la zone de clinckerisation (1450 °C).

Figure II. 8. Four rotatif b) Refroidisseur : La matière sortie du four (clinker) doit ensuite être rapidement refroidie. Pour cela, on pulse de l'air tiré de l'atmosphère à travers la grille du refroidisseur par six ventilateurs de soufflage, sur laquelle passe le clinker. Ce même air, ainsi préchauffé, alimentera le four en oxygène. Une telle récupération de chaleur assure l'utilisation optimale de l'énergie consommée, et l’excès d’air est tiré par un moteur exhausteur conçu avec un filtre de dépoussiérage pour être filtré et évacuer vers l’extérieur. Le clinker quitte, à quelque 60° C, le refroidisseur sur un transporteur à plaques métallique.

Figure II. 9. Refroidisseur c) Silo à clinker : Le clinker refroidi fait l'objet d'un stockage intermédiaire en silo pour être broyer et stocker à nouveau dans des silos ciments.

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Figure II.10. Silos à clinker 2.1.4.

Zone ciment :

a) Broyeur à ciment : Un mélange de clinker et d’additifs (gypse et calcaire ou pouzzolane) sont broyés très finement pour obtenir un «ciment pur». b) Silos de stockage du ciment : Les ciments stockés dans des silos sont expédiés en vrac ou en sacs par des machines rotatifs de remplissage.

Figure (II, 11). Processus de fabrication ciment Les cimenteries modernes sont aujourd’hui fortement automatisées, les ordinateurs analysent en permanence les données transmises par les capteurs disposés en différents points de l’unité de production. De la salle de contrôle, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, les techniciens supervisent l’ensemble des processus de fabrication et de production, de la carrière jusqu’à l’ensachage. [19] Notre étude est basée sur le dépoussiérage par un filtre à manches dans la zone Cru entre le broyeur cru et le four. Le ventilateur de tirage final après broyeur cru aspire les gaz chauds issus du four à travers le broyeur cru et les évacuer vers l’extérieur après dépoussiérage et récupération de la matière vers silo farine afin de préserver la nature et optimiser le coût de production. Tout cela en adaptant la dépression dans les cyclones et le four. Page | 33

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2.2.

Le système de dépoussiérage :

2.2.1.

Définition :

Un système de collecte de la poussière est un système d’amélioration de la qualité de l’air environnemental, il est utilisé surtout dans la production industrielle, il peut même être utilisé dans les maisons pour améliorer la qualité de l’air respirable.

Tout d’abord, la poussière doit être capturée. Deuxièmement, la poussière doit être acheminée. Cela se fait via un système de transport matière par des vis, de taille appropriée et assemblée pour maintenir une vitesse minimale d’air nécessaire. Enfin, la poussière est collectée. Cela se fait via une variété de moyen, en fonction de l’application et la poussière à manipuler, Il peut être, un séparateur cyclonique, ou une chicane. Il peut aussi être complexe qu’une précipitation électronique, un filtre à manches à plusieurs chambres comme dans le cadre de notre étude qui est basé sur un filtre à manches. [8(23)] [15(24)]

2.2.2.

Application :

Les systèmes de suppression de la poussière sont principalement utilisés dans l’industrie du tri de déchets et de recyclage, plus particulièrement dans les secteurs suivant :    

Déchets commerciaux et industriels. Déchets de construction et décombres. Déchets d’équipements électriques et électroniques. Recyclage de la biomasse/du bois. [25] 2.2.3.

Les différents genres de système de dépoussiérage :

 dépoussiéreurs à voie humide.  Aspiration centralisée.  Cyclo-filtres.  Dépoussiéreurs à voie sèche : à manche, à poche, à cartouche, à décolmatage manuel. [25] [23] 2.2.4.

Dépoussiérage à sec à la place du dépoussiérage humide :

Le dépoussiérage humide est habituellement utilisé lors de la production de laine de verre en différentes phases de processus. Un concept innovant a permis de remplacer le dépoussiérage humide par des systèmes de dépoussiérage par voie sèche. Il en résulte de nombreux avantages :  la perte de pression (consommation d’énergie) est moins importante pour l’installation à filtre que pour les dépoussiéreurs hydraulique.  Avec le dé-colmatage par voie sèche, les poussières récupérées peuvent être utilisées de nouveau dans le produit. [23] [24]

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2.3. Le dépoussiéreur fabri-pulse : 2.3.1. Définition : Le Fabri-Pulse est un dépoussiéreur à couche poreuse dont les principales caractéristiques sont : • Décolmatage pneumatique qui assure la régénération du média filtrant. • haute efficacité de filtration. • perte de charge faible et constante. • fonctionnement automatique. 2.3.2.

Les composants du dépoussiéreur :

Le dépoussiéreur se compose de parties distinctes :    

La charpente qui supporte le dépoussiéreur et ses accessoires. La trémie qui collecte les poussières pour les acheminer vers le transporteur. Le caisson qui renferme la gaine centrale de répartition des gaz. La tête qui renferme la plaque support des manches et le système de décolmatage pneumatique. [17]

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Figure II.12. Filtre à manche fabri-pulse Page | 36

Chapitre II 2.3.1

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée Fonctionnement du filtre à manche :

a) La phase filtration : Le mélange gazeux chargé en poussières et à une température moyenne de 200°C est introduit dans la gaine centrale pour être réparti dans le caisson de filtration, au bas des éléments filtrants. Les éléments filtrants sont constitués d’une manche en feutre aiguilletée maintenue en forme par une cage métallique. Ces éléments filtrants sont suspendus dans les caissons du dépoussiéreur au travers d’une « plaque à trous », tôle soudée étanche et raidie, qui sépare l’air « sale» de l’air « propre ». L’étanchéité au travers de cette plaque à trous est assurée par un simple bourrelet associé à un collier métallique en acier à ressort, le « Snap-Band Ring », cousus en haut sur chacune des manches. Les fumées traversent la couche poreuse en feutre aiguilleté des manches filtrantes de l’extérieur vers l’intérieur. Les poussières sont ainsi collectées sur la surface externe des éléments filtrants pour former un « gâteau » de poussières. Il est important de comprendre que cette couche de poussières appelée « gâteau » participe pour une large part à l’efficacité globale de la filtration et qu’elle protège en outre la surface du média filtrant contre les phénomènes d’abrasion. L’épaisseur du gâteau de poussières sur la surface des manches augmente au fur et à mesure du passage des gaz et avec elle la perte de charge globale du filtre. Afin de maintenir constante cette perte de charge du dépoussiéreur, un séquenceur, asservi à la mesure de pression différentielle du filtre, déclenche la phase décolmatage. [1]

Figure II.13. Schéma de la phase filtration

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b) La phase décolmatage : Le Fabri-Pulse B est un type de dépoussiéreur à décolmatage « ON LINE » : les manches filtrantes sont décolmatées alors que la filtration se poursuit. Sur ordre du pressostat différentiel intégré au séquenceur de décolmatage et qui mesure la perte de charge entre l’entrée et la sortie du dépoussiéreur, le cycle de décolmatage est activé. L’excitation successive des pilotes des vannes à membranes selon un cycle programmé assure l’injection d’un volume d’air comprimé à l’endroit des éléments filtrants, au travers d’un venturi intérieur intégré sur la cage de maintien via un tube de soufflage, (rampe de décolmatage). 48 vannes de décolmatage, réparties sur 2 lignes de 24, équipent le dépoussiéreur. Chaque sortie du séquenceur excite simultanément 2 vannes de décolmatage ,1 par ligne de chaque côté de la gaine centrale. Chaque rampe de décolmatage, 1 par vanne de décolmatage, alimente 1 rangée de 15 manches filtrantes. L’énergie libérée par la détente d’air comprimé provoque une induction d’air secondaire. Une onde de pression est engendrée et se déplace rapidement vers le bas de la manche. Les poussières sont alors éjectées de l’épaisseur et de la surface du feutre pour tomber dans la trémie avant d’être reprises par le transporteur. [17]

Figure II. 14. Schéma de phase décolmatage

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Chapitre II 2.4.

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée Le séquenceur SFX+ :

Le SFX+ est un séquenceur compact et modulaire dédié au décolmatage, au contrôle et à la surveillance de processus de filtration / dépoussiérage. Sa conception modulaire hard et soft permet de le configurer rationnellement pour répondre aux applications les plus diverses. • 512 sorties par module de 8 sorties. • 256 entrées TOR par module de 8 entrées. • 16 entrées ANA par module de 4 entrées. • Tous types d’alimentation générale / sortie. 2.4.1. Le fonctionnement du SFX+ : Le SFX+ gère : • Les cycles de décolmatage. • Les contrôles associés. • Surveillances / enregistrement de paramètres sensibles (Historique, Température, Rejet, Perte de charge, etc.). Le SFX+ intègre d’origine le programme fonctionnel. Seuls les paramètres d’utilisation sont accessibles et réglables par l’utilisateur. Convivialité des réglages mis au point par menu déroulant, afficheur graphique ou PC avec le logiciel SFXSVx.x. • Facilement intégrable à tout procès, le SFX+ peut dialoguer de différentes façons . • Par PC via interface physique RS 232 / RS 485 et BUS sécurisé. • Par protocole MODBUS. • Par carte PCMCIA II dédiée. • En télésurveillance pour interrogation / accès à distance. [22]

Figure II. 15. Séquenceur SFX+

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Chapitre II 2.5.

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée Le moteur asynchrone :

Le moteur asynchrone, connue également sous le terme « anglo-saxon » de machine à induction, est une machine électrique à courant alternatif sans connexion entre le stator et le rotor. Les machines possédant un rotor « en cage d'écureuil » sont aussi connues sous le nom de machines à cage ou machines à cage d'écureuil. Le terme asynchrone provient du fait que la vitesse de rotation du rotor de ces machines n'est pas exactement déterminée par la fréquence des courants qui traversent leur stator. [22]

Figure II. 16. Moteur asynchrone 2.6.

Ventilateur de tirage du filtre :

Le ventilateur de tirage est essentiellement un moteur asynchrone basé d’un ventilateur qui permet d’assurer le tirage suffisant sur le FILTRE pour le maintenir en dépression. Une régulation sur la vitesse motrice est étudiée pour ajuster le débit à traiter, fonction de la température et de la production. [17]

Figure II. 17. Ventilateur tirage

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Le moteur utilisé dans le filtre à manches est alimenté par un variateur de fréquence de siemens : SINAMICS G150.

2.7.

Variateur de fréquence :

2.7.1.

Définition :

Le variateur de fréquence est destiné à commander des moteurs asynchrones à cage d’écureuil pour des puissances de 0,18 kW jusqu’à 15kW sous tension d’alimentation de 600V AC. Les filtres atténuateurs de radio-perturbations sont incorporés. Une console de programmation et paramétrage intégrée se trouve en face avant le convertisseur et contient les menus suivants : • Fréquence nominale du moteur. • Affichage de l’état du variateur. • Visualisation des paramètres de fonctionnement ou de défaut. • Les réglages et configurations du convertisseur. • La mise en mémoire des paramètres réglés, permettant la configuration de convertisseurs identiques. Le variateur de fréquence lit la consigne en courant venant de l’automate du filtre en (4/20 mA), ensuite il gère une fréquence variable de (0 à 50 Hz) pour varier la vitesse du moteur. L’affichage de la vitesse est donné en pourcentage (0 à 100%) qui représente 0 à 1500 tr/mn. [20] 2.7.2.

Variateur de fréquence SINAMICS par siemens :

SINAMICS est le nom générique d'une nouvelle gamme très étendue d'entraînements à vitesse variable de moteurs asynchrones ou synchrones. Le modèle SINAMICS G150 est une armoire électrique renfermant un variateur de vitesse pour moteurs asynchrones. Il représente, dans la gamme des solutions en basse tension. Cette armoire sert à entraîner tout type d'applications. Elle est utilisée avec des moteurs asynchrones standards. On trouvera le SINAMICS G150 partout où l'on a besoin de pomper, comprimer, ventiler ou transporter des substances solides ou liquides servant à la fabrication d’acier, de papier, de produits chimiques. [21]

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Figure II. 18. Variateurs de fréquence sinamics 150 G

2.7.3.

Contrôle de la vitesse du ventilateur :

La sélection du ventilateur intègre un certain air faux à l’aspiration estimé à 3%. Le tableau suivent nous fait voir la variation de la vitesse par rapport à la fréquence du ventilateur tirage La vitesse maximale acceptée permet de plus de conserver une certaine réserve de marche.

Tableau II.1.Variation fréquence par rapport à la vitesse : Fréquence (Hz) Vitesse (tr/min)

15.64 0

16.04 275

17.14 550

18.70 825

20.45 1100

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Figure II. 19. Courbe de contrôle de la vitesse du ventilateur 2.8.

Le système de nettoyage :

Dans le procédé de filtration par filtre à manches, la poussière est séparée de l’air en faisant passer le flux d’air à travers un matériau poreux qui retient les particules de poussière à sa surface. Ce système de nettoyage consiste en une partie pneumatique d’action et une partie électrique de commande, ils composent des éléments suivants : 2.8.1.

Partie pneumatique :

 La gestion du décolmatage pneumatique est confiée au séquenceur de décolmatage SFX + qui associe un transmetteur de pression différentielle.  Collecteurs d’air comprimé raccordés à une installation de compression, chaque collecteur est équipé de vannes pneumatiques pour le nettoyage des manches.  Vannes pneumatique.  Conduites de distribution aux manches du filtre.  Assemblage pneumatique des vannes et des électrovannes pilotes au moyen de tuyaux flexibles.  Electrovannes situées dans des boites étanches appelées « box », c.à.d. installées à bord des vannes pneumatique. 2.8.2.  

Partie électrique :

Connexions électrique entre les électrovannes et le pupitre, au moyen de câbles multipolaires. Pupitre QE.

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Dans les filtres, le nettoyage se fait en injectant une certaine quantité d’air comprimé pendant une très brève période pour provoquer une onde de choc à l’intérieur de la manche et ‘secouer’ violemment le tissu. L’air comprimé, qui provient d’un système externe avec pression de nettoyage de 6 bar, alimente les poumons d’accumulation (dits ‘collecteurs’) installés sur le filtre puis est convoyé vers une série de tubes (dits ‘distributeurs’). Des trous percés sur ces derniers pour laisser sortir l’air comprimé, à raison d’un par manche ; chaque tube distributeur alimente un nombre de rampes variable en fonction de typologie du filtre, 15 maximum.

Figure II.20. Système de nettoyage Page | 44

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Le contrôle de quantité d’air introduit dans les rampes est assuré par une vanne pneumatique d’un petit tube de matière plastique. Les électrovannes pilotes sont commandées à partir d’un panneau électronique qui contrôle la fréquence de nettoyage (20 cycle/heure) max et le temps d’excitation (2.5s/10s).[17] 2.9.

Avantage du filtre à manche :

Nouveaux modèles avec des entrées d’air qui permettent une vitesse de filtration plus élevée sur des poussières plus fines :      

Accès aux médias du côté air propre pour un entretien plus facile. décolmatage pneumatique qui assure le gain du produit fini. haute efficacité de filtration. perte de charge faible et constante. fonctionnement automatique. environnement propre.

3. La commande du système actuel : 3.1.

Boucle ouvert :

Toutefois, dans le cas de notre étude du système de commande présente des perturbations car des fois les manches du filtre ont une pression élevée et d’autres fois elles ont une pression très basse ce qui perturbe le processus vu la variation de la dépression de la line (four- tour- broyeur), les signaux de sortie ne seront pas ceux souhaités. On comprend facilement la nécessité d’une régulation à travers des paramètres tel que la dépression entrée filtre ou sortie four afin qu’on puisse corriger cet écart, il existe plusieurs techniques pour réguler la vitesse par rapport à d’autre paramètres dans notre cas on a choisi la variation de la vitesse par rapport à un seul paramètre c’est la dépression sortie four d’où la nécessité d’une mesure de la dépression par un système bouclé.

Perturbations

Consigne

Sortie

(Pression désiré)

Système de filtration

(Pression réelle)

Figure II. 21. Système de filtration boucle ouverte

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Chapitre II 3.2.

Présentation du système exploité et de la problématique étudiée Boucle fermée :

Afin d’automatiser le système (supprimé l’action humaine), l’introduction d’un retour d’information sur les sortie mesurées s’avère alors nécessaire. On introduit alors une boucle de retour (ou rétroaction), le système est alors appelé système à retour ou système bouclé.  La boucle de retour, constituée de capteur, permet d’évaluer la situation à l’instant et fournit un état de sortie à la partie commande.  Cet état de la sortie est analysé et comparé à celui de la sortie attendue (liée à la consigne).  La partie commande dispose alors des éléments pour élaborer un signal qui permet de commander la partie opérative afin de corriger l’écart réel mesuré.

Figure II. 22. Système de filtration boucle fermé

4. Les objectifs de l’étude :  Un système bouclé vérifie en quelque sorte que la réponse du système correspond à l’entrée de référence tandis qu’un système en boucle ouverte commande sans contrôler l’effet de son action.  Les systèmes de commande en boucle fermée sont ainsi préférables quand des perturbations non modélisable en boucle fermée et de variations imprévisibles des paramètres sont présentes.  Cette structure de commande permet ainsi d’améliorer les performances dynamiques du système commandé (rapidité, rejet de perturbation, meilleur suivi de consignes, moindre sensibilité aux variations paramétriques du modèle, stabilisation de systèmes instables en boucle ouverte). Il est toutefois important de remarquer que cette structure de commande ne présente pas que des avantages. Elle nécessite l’emploi de capteurs qui augmentent le coût d’une installation. D’autre part, le problème de la stabilité et de la précision des systèmes à contreréaction se pose de manière plus complexe. Le concept de rétroaction est toutefois à la base de tous les développements théoriques de l’automatique moderne et constituera donc le pivot central autour duquel les notions développées dans ce mémoire. Page | 46

Chapitre II

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5. Conclusion : Nous avons étudié dans le chapitre précédent le système de filtration et tous ce qui le concerne, ce système est le plus répondu dans le domaine industriel car il assure un travail bien amélioré par rapport aux autres systèmes de filtration, vu les avantages conclus vis-àvis du gain en énergie, récupération matière, protection de l’environnement du point de vu santé et milieu, facilité d’entretien. La commande en boucle fermée assure à la fois un système stable, précis et rapide avec l’introduction des capteurs pour la mesure. L’application des variateurs de vitesse a aussi un rôle bénéfique dans l’industrie à travers leurs applications dans les systèmes automatisés vu leurs rendements en matière d’énergie et de protection des moteurs vis-à-vis des risques.

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