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Rcents Progrs en Gnie des Procds Numro 96 2007

ISBN 2-910239-70-5, Ed. SFGP, Paris, France

11me

Congrs de la Socit Franaise de Gnie des Procds, Saint Etienne, 9-11/10/07

Modlisation dun prchauffeur cyclones dune cimenterie et analyse

des pertes physico-chimiques dexergie

Touil Djamel a, Belaadi Salaha, BoughedaouiMnouar b, Chikhi Saadane b, Frances Christine c1a Laboratoire Gnie de la Raction, FGMGP, Universit Houari Boumediene, Alger, Algrie

b Laboratoire Energie et Pollution de lair, FSI, Universit Saad-Dahleb, Blida, AlgriecLaboratoire de Gnie Chimique, UMR CNRS 5503, Universit de Toulouse, France

RsumUn modle du prchauffeur cyclones dune unit de ciment est dvelopp sur la base de donnes

recueillies sur une installation industrielle comprenant quatre tages de cyclonage avec des alimentations

contre-courant de gaz chaud et de farine crue servant la fabrication de clinker. La division du

prchauffeur est modlise par une cascade de mlangeurs parfaits avec reflux de solide afin dvaluer la

quantit de poussires quittant chaque tage. Les pertes dexergie associes au transfert thermique et la

raction principale lie la dcomposition du CaCO3 sont analyses sous diffrentes conditions

opratoires. Les rsultats montrent que la temprature du gaz lentre du prchauffeur et le nombre dtages

des cyclones ont une influence trs significative sur les pertes physico-chimiques dexergie. Lintensit de

lirrversibilit de la raction de dcarbonatation reste peu significative compare celle de lchange thermique.

Mots-cls : Exergie, prchauffeur cyclones, cimenterie, modlisation

1. Introduction

Lindustrie cimentire est un grand secteur consommateur d'nergie et une source fortement mettrice de

gaz effet de serre (CO2, NOx et les imbrls), du aux besoins en nergie calorifique pour la cuisson du

clinker, la calcination du calcaire et la consommation lectrique. La rduction des missions de gaz effet

de serre dans ce secteur doit porter sur la matrise de lnergie par des actions en faveur de

laccroissement de lefficacit nergtique.

Lanalyse thermodynamique des procds, par lapproche exergtique, est essentielle en vue de

loptimisation nergtique des procds (Szargut et al., 1988, Brodayanski et al., 1994). Si lensemble des

rsultats de lanalyse exergtique, applique lindustrie de ciment cits dans la littrature (Appelbaum et

Lannus, 1978, Gharsalli et al., 1999, Schijndel et al., 2000, Touil et al., 2005, Rasul et al. 2005) tend

identifier le procd de cuisson du clinker (constitu par le prchauffeur cyclones, le four rotatif et le

refroidisseur grilles) comme tant le plus dgradant dnergie, la comprhension et lidentification des

mcanismes et des causes qui prsident leur imperfection thermodynamique restent inconnues.

Le procd du prchauffeur cyclones, faisant lobjet de cette tude, met en uvre un prchauffage

accompagn de diffrentes ractions chimiques ncessaires la dcarbonatation partielle de la farine

crue. Ltude ncessite sa modlisation afin dexaminer lintensit des pertes dexergie thermique

associes lchange thermique entre la farine et le gaz, et des pertes dexergie chimique lies la

raction de dcarbonatation, sous diffrentes conditions opratoires. Le modle repose sur une

reprsentation macroscopique des coulements gaz-solide avec la connaissance des cintiques de

ractions pour ce type de procd.

[email protected]

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2. Description du prchauffeur cyclones

Le prchauffeur est de type F. L. Smith, constitu par deux divisions 4 tages de cyclones. Il permet le

traitement dun dbit de farine de 60.83 kg/s, dune humidit de 0.33%. Un dbit spcifique dair de

transport de 0.027 kg/kg farinepermet lintroduction de la farine dans le premier cyclone ltage suprieur(figure 1). Un ventilateur daspiration assure la circulation ascendante des gaz chauds provenant du four,

produite par la combustion de 2.52kg/s de gaz naturel. Le courant gazeux provenant du cyclone infrieur

entrane cette matire vers le cyclone suprieur laide dune gaine de grandes dimensions. Le processus

dchange thermique, s'effectuant par contact intime entre la matire et les gaz, est suivi par la sparation

des gaz qui se reproduit chaque tage. Le prchauffage permet le dgagement de leau rsiduelle, la

dshydratation et la dcomposition complte de largile et du carbonate de magnsium, et enfin la

dcarbonatation partielle de CaCO3.

gaz

Figure 1. Division 4 tages de cyclones du prchauffeur

2.1 Analyse et mesures exprimentales

Les tableaux 1 et 2 donnent les rsultats de mesures exprimentales effectues sur la farine la sortie des

tages et des gaz lentre et la sortie de la division tudie du prchauffeur. Lanalyse de lO 2et de

CO2 permet le calcul des dbits du gaz lentre de la division et de lair infiltr (air faux) par les

intanchits des cyclones. La temprature et lhumidit relative de lair ambiant sont 25C et 70%.

Tableau 1. Analyse des gaz et mesures exprimentales

Farine Gaz Gaz

Temprature (C) Temprature (C) Pression (bar) O2 (%) CO2 (%)

Cyclone 1 352 350 0.953 2.47 36.24

Cyclone 2 579 570 0.965 - -

Cyclone 3 721 720 0.974 - -Cyclone 4 820 822 0.982 - -

Entre division 63 1080 0.989 1.27 27.99

Tableau 2. Analyse de la farine la sortie des tages

Elements (%) Alimentation Cyclone 1 Cyclone 2 Cyclone 3 Cyclone 4

SiO2 13.22 14.20 13.58 13.88 16.04

Al2O3 3.84 3.18 3.91 3.72 4.65

Fe2O3 1.95 1.96 1.90 1.85 2.42

MgO 1.55 1.62 1.78 1.64 1.71

CaO 42.32 42.11 43.39 45.58 50.87

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Na2O 0.14 0.12 0.12 0.12 0.11

K2O 0.62 0.67 0.77 1.11 1.63

SO3 0.97 0.76 0.52 1.00 1.80

Perte au feu 35.16 34.54 33.63 24.20 19.54

Plusieurs auteurs admettent, sans constat exprimental, que la dcarbonatation de CaCO 3 dbute dans lequatrime tage du prchauffeur (Appelbaum et Lannus, 1978, Belot et al., 1993 et Zhirong et Zeping,

1995). Lanalyse exprimentale montre, du fait de la prsence des diffrents oxydes, que la raction de

dcomposition dbute lgrement dans le 3eme

et se poursuit dans le 4eme

tage. On note aussi que la

deshydroxylation de la Kaolinite (Al2O32SiO22H2O) assimile largile et la dcomposition de MgCO3

sachvent totalement dans le deuxime et le troisime tage.

3. Modelisation de la division du prchauffeur

Les modles du procd de cette installation rapports par la littrature (Belot et al., 1993 et Zhirong et

Zeping, 1995) utilisent des rendements de dpoussirage des cyclones mesurs sur des installations pilotes ou

fournis par le constructeur. Lefficacit de dpoussirage des cyclones industriels dpend des conditions de

fonctionnement. Le modle propos est une cascade de mlangeurs parfaits avec reflux du solide (Rs)suppos constant, permettant lvaluation de la quantit de poussires entrane par le gaz. Cette

configuration (figure 2) semble la plus recommande cette division du prchauffeur, compte tenu de

luniformit du mlange entre le gaz (G) et la farine (S) dans les tages. Le cyclone et sa conduite de

liaison du gaz ascendant forment ltage " K ". Lensemble de la boite fume comprenant la zone de

calcination, situe dans la partie amont du four, est considr comme tant ltage (N+1). AT, AF et Wo,

sont respectivement les dbits massiques de lair de transport, les dbits dair faux (considrs identiques

tous les tages) et lhumidit contenue dans la farine.

Figure 2. Cascade de mlangeurs parfaits de la division du prchauffeur

3.1 Formulation des quations du modle

Les diffrentes espces chimiques du gaz, de lair humide et celles de la farine sont affectes dun indice

spcifique i :

i = 1: CaCO3 i = 2: MgCO3 i = 3: (Al2O3 2SiO2 2H2O) i =4: Al2O3

i = 5: SiO2 i = 6: CaO i =7: MgO i = 8: CaSO4

i =9: K2O i=10: Fe2O3 i = 11: Na2O i = 12: CO2

i = 13: O2 i = 14: N2 i =15: H2O

SK-1

SK

S1

GK

GK+1

G1

G2

AT1

K

R S2

R SK

R SK+1

SN-1

AF

RSN

W0S0RS1

AF

R SN+1SN GN+1

G

AF

N

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Pour un tage K (1 K N), et pour une espce i donne, le bilan de matire de la farine scrit :

Ks,Ki,iKi,sK1Ki,1K1Ki,1Ks Mr)XR(1SXSXSR (1)

Le bilan de matire du gaz est :

Ks,Ki,iKi,k1Ki,1Ki,0 MrXGXGXAF (2)

Le bilan massique de leau donne :

Ks,KiiKikKiiK MrXGXGWXATAF K ,,1,100,)( (3)

i et Xi,Ksont le coefficient stchiomtrique et la fraction massique de lespce i.

Ms,K est la masse de la farine retenue dans chaque tage, donne par (4) :

sKKs, t.SM (4)

Le temps de sjour moyen de la farine dans ltage (t S)est calcul par la corrlation de Ld et al.(1989)

propose pour des particules solides dans un racteur cyclone.

Les vitesses (ri,K) de dcomposition de la Kaolinite et de MgCO3 sont approches par lquation cintiqueci-aprs. Les paramtres cintiques Ai et Eai sont fournies par Mac Kenzie (1973) et Bhattacharya (1993).

)(exp,, KiiKi

Ki RTEaAdt

dXr (5)

La dcomposition de CaCO3est dcrite par lquation (6), propose par Muller et al (cit par Seidel et al.,

1980)

)RTEa(expP

1

P

1

d

1A

dt

dXr Ki

KeK,COp

i

Ki,

Ki,

2

(6)

La pression partielle de CO2dans ltage et celle de lquilibre scrivent :

K + 1 K2,KCO ,K 2

COP = X P - P (7)

r

S

rT

HexpP

K

eK (8)

H et S sont les variations denthalpie et dentropie de la raction, r est la constante massique des gaz

parfaits, PKest la pression du gaz dans ltage, PK est la perte de charge, calcule par la corrlation de

Casal et Martinez (1983), et dp est le diamtre moyen des particules de la farine, estime par analyse

granulomtrique 30m.

Le bilan thermique sur ltage K donne lquation (9) suivante :

K

i

Ki,Ki,K

i

Ki,Ki,Ks

i i

1Ki,1Ki,1K1Ki,1Ki,1Ks

i

1Ki,1Ki,1K

QhXGhX)SR(1

hXGhXSRhXS

(9)

hiest lenthalpie spcifique du compos i, calcule par lquation (10) :

T

T0

i(T0)

o

ii dT(T)Cphh (10)

La chaleur spcifique moyenne Cpi (T), fonction de la temprature, est calcule par lquation (11).

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2

iiii TcTba(T)Cp (11)

Les constantes ai, bi,ciet lenthalpie de rfrence h0i (T0) sont fournies par Barin et al. (1977).

La conservation du flux thermique traversant la surface de ltage donne lgalit suivante :

)( 0KpK

K TTR

1Q (12)

Tp,Ket T0 sont les tempratures de la paroi interne de ltage et du milieu extrieur.

La rsistance thermique globale RKest donne par :

ctle

tle

br

br

K

Kh

1

e

e

A

1R (13)

AK est la surface moyenne de ltage, (ebr

, etle

, br

, tle

) sont les paisseurs et les conductivits

thermiques des briques rfractaires et de la tle du cyclone. hc est le coefficient de convection entre la

paroi externe de ltage et le milieu extrieur.

3.2 Rsolution et rsultats

Afin de simplifier le calcul, le dbit du CO2 libr dans ltage est suppos ngligeable devant celui de la

farine, et la composition des poussires provenant du four est prise gale celle de la farine sortant du

4emetage. Le procd tant contre courant, la composition du gaz la sortie de la division est connue et

permet la rsolution du systme dquations compos par compos. Les tempratures des tages sont

initialises, puis recalcules par rsolution du bilan thermique de ltage. Le taux de reflux est initialis

zro pour estimer les fractions massiques dans chaque tage lors de la premire itration. Il est introduit

ds la deuxime itration jusqu convergence des fractions massiques des farines et des gaz. Les

tempratures des parois sont initialises lors de la rsolution du bilan thermique de ltage et recalcules

par la rsolution du bilan thermique sur la paroi de ltage. Le tableau 3 donne une comparaison des

valeurs mesures et calcules de la temprature de la farine et son degr de dcarbonatation, qui est dfini

comme tant la quantit de CaCO3 dcompose par rapport la quantit initiale introduite dans ladivision. Les carts moyens observs de 5% pour la temprature et 13%, pour le degr de dcarbonatation,

montrent que le modle rend bien compte de lchange thermique et de la raction de dcarbonatation.

Tableau 3: Comparaison des paramtres mesurs et calculs

Etages

Temprature

mesure

(C)

Temprature

calcule

(C)

Degr de

dcarbonatation

mesure (%)

Degr de

dcarbonatation

calcule (%)

1 352 380 0 0

2 579 540 0 0

3 721 750 7.6 8.7

4 820 835 35.8 40,5

4. Analyse des pertes physico-chimiques dexergie

En ngligeant les nergies cintique et potentielle, la perte dexergie (Pex) de la division du prchauffeur

exprime par unit de CaO, comme produit utile (Leites et al., 2003) est donne par lquation (14).

0 So AF N +1 G H O AT N +1 RS N +1 2 N +1

N N SN G 1 RS1 1

x x x 2 x x x

x 1 x x

ex.6,N

S AF G H O AT RS

X S S G RS

e + e e + e + e + e

e + e + e

. . + . . . .1P =

- . . . (14)

Lexergie spcifique (ex) est exprime par les quations (15-17) pour le calcul de la perte dexergie physique,

associe lchange thermique, dpendant de la temprature et de la pression (Kotas, 1985). Elle est

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exprime par les quations (18-20), dans le cas de la perte dexergie chimique, essentiellement lie la

dcarbonatation de CaCO3. Lexergie standard est fournie par Szargut et al. (1988).0

i,chxe

i

T

T

i

T

T

0ifarine00

dlnT(T)CpTdT(T)CpXe iphx (15)

i 0i

0

T

T

i

T

T

0iigazphx P

Pln

M

RTdlnT(T)CpTdT(T)CpXe

00

(16)

T

T

OH,

T

T

0OH,O2Hph

0

2

0

2

dlnT(T)CpTdT(T)Cpex (17)

i

0

ich,xifarinex

eXech

(18)

i i

ii

i

i

i

00

ich,xigazchx MX

M

Xln

M

RTeXe (19)

H O H O2 2

0

x xch che = e (20)

4.1 Influence de la pression du gaz et du nombre dtages

Les pertes dexergie en fonction de la pression du gaz, pour diffrents nombres dtage, sont reprsentes

en figure 3. La perte dexergie physique est dautant plus importante que la pression du gaz est infrieure

0,94 bar, ce qui engendre une grande perte de charge dans linstallation. Pour des valeurs suprieures, ce

paramtre na pas dinfluence notable. La dcarbonatation de CaCO3 est une raction avec une

augmentation de volume due lapparition du CO2 o laugmentation de la pression est dfavorable

lavancement de cette raction. Ceci explique, une diminution trs prononce de la perte dexergiechimique pour des valeurs de la pression suprieure 0,94 bar. Le procd ayant une cintique dans un

temps fini, laugmentation de lefficacit thermique entre le gaz et la farine par laugmentation du nombre

dtages de 4 6 attnue lirrversibilit du transfert thermique.

0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

Pexphysique

(kJ/kgCaO)x10-3

N = 4

N = 6

PGN+1

(bar)

N = 5

TGN+1= 1080 C Ts0= 63 C

dp= 30 m AF=1,29 kg/s

Rs=15% AT=0,82 kg/s

S0=30,41 kg/s GN+1= 26,85 kg/s

0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 1,15 1,20

200

250

300

350

Pexchim

ique

(kJ/kgCaO)

PGN+1

(bar)

N = 4

Figure 3. Effet de la pression du gaz et du nombre dtages sur la perte dexergie

4.2 Influence de la temprature du gaz et de la farine

La figure 4 montre lvolution de la perte dexergie en fonction de la temprature du gaz pour diffrentes

tempratures dalimentation de la farine. La perte dexergie physique tend au dpart vers un palier autour de

927C (1200 K), pour crotre ensuite significativement. Bien que les calories du gaz chaud sont rcupres par

la farine, cet effet entrane une diffrence de temprature trs prononce la sortie froide de cette installation ce

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qui affecte la qualit de lchange thermique. On peut observer aussi que lirrversibilit thermique est

abaisse par laugmentation de la temprature dalimentation de la farine. Ce qui confirme le fait que plus

lcart de temprature entre la farine et le gaz est grand, plus la perte exergtique est importante. La

cintique de dcomposition de CaCO3est une raction fortement endothermique, laugmentation de la

temprature du gaz engendre une augmentation dans le degr de dcarbonatation ainsi que dans la perte

dexergie chimique. Ces deux effets opposs montrent quil existe ncessairement tenant compte des

contraintes du procd une temprature optimale du gaz pour laquelle la perte dexergie est minimale.

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

1,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

Pexphysiq

ue

(kJ/kgCaO)x10-3

TGN+1

(K)

Ts0= 40C

Ts0= 50C

Ts0= 60C

Ts0= 100C

1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

120

130

140

150

160

170

180

190

200

Pexchimique

(kJ/kgCaO)

TGN+1

(K)

Figure 4. Effet de la temprature du gaz et de la farine sur la perte dexergie

4.3 Influence de la composition et du diamtre moyen des particules de la farine

Le degr de dcarbonatation de CaCO3 est dautant plus important que la taille moyenne des particules est

faible. Dautre part, comme le montre la figure 5, la perte dexergie chimique diminue avec laugmentation

du diamtre moyen. Ces deux effets opposs impliquent aussi lexistence dune taille optimale des particules

correspondant une perte dexergie chimique minimale. Cette reprsentation, montre aussi que la perte

dexergie chimique est fortement attnue par une fraction massique de CaCO3 de 69.79 % dans la farine. En

effet, dans les conditions retenues de ce procd, laugmentation de la fraction massique de CaCO3 conduit

une raction incomplte traduite par laugmentation de lexcs de ce ractant qui freine lirrversibilit

ractionnelle. La perte dexergie totale tant beaucoup plus affecte par lchange thermique que par la raction

chimique (figures 3 et 4), son volution en fonction de la temprature de la farine pour un nombre dtages

gal 6 est reprsente en figure 6. La dcroissance de la perte dexergie avec laugmentation de la

temprature de la farine, entrane laugmentation de la temprature du gaz sortant du prchauffeur. Le

potentiel thermique rsultant de ce gaz permet ainsi de contribuer significativement dans la rcupration

dnergie.

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10 20 30 40 50

160

200

240

280

320

360

400

4 2 ,7 9 %

6 9 ,7 8 %

Pexchimique

(kJ/kgCaO)

dp(m)

XC a C O 3

40 50 60 70 80 90 100

600

620

640

660

1,8

2,0

2,2

2,4

2,6

,

Pextotale(kJ/kgCaO)x10-3

TG1

(K)

Ts0(C)

TG1

Pextotale

Figure 5. Effet de la composition et

du diamtre moyen des particules

de la farine sur la perte dexergie

Figure 6. Effet de la perte dexergie sur

la temprature dexhaure du gaz5.

Conclusion

Les rsultats obtenus montrent que le modle dvelopp pour le procd de ce systme est valid par

lanalyse et les mesures exprimentales. Il a permis le calcul des changes de matire, dnergie et dexergie.

Les principaux rsultats de simulation ont permis de tirer les conclusions suivantes :

La temprature du gaz et le nombre dtages ont une influence trs significative sur les pertes dexergie physique

et chimique. Il existe une temprature optimale correspondant une perte dexergie minimale.

Laugmentation du nombre dtages 6 conduit une diminution des pertes dexergie. Leffet de ce paramtre

peut tre expliqu par lefficacit de transfert thermique qui samliore, en raison de laugmentation du temps de

sjour de la farine, et qui favorise en consquence lattnuation de lirrversibilit thermique.

La pression du gaz a un effet sur les pertes dexergie lorsque sa valeur est infrieure 0.94 bar.

Bien que ces paramtres aient une influence sur lintensit de lirrversibilit de la raction chimique, la perte

exergtique correspondante reste peu significative compare celle de lchange thermique.

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