Laboratoire de Conception de Systèmes Mécaniques

SECTION DE

Génie mécanique

Modélisation des procédés simplifiés de fabrication du verre, du

ciment, et des tuiles et briques en vue de l’intégration d’un

système de récupération de chaleur sur les fumées

Auteur

Xavier Bednarek

Superviseur

Pr. Marechal

Partenaire Industriel

Contexte & Objectifs Méthode

IPESE

Industrial Process and Energy

Systems Engineering

• Evolution thermique• Chauffage du cru (25 →

100°C)• Palier d’évaporation • Chauffage du cru(100 →

850°C)• Décarbonatation partielle

850°C• Formation du clinker

(850°C → 1450°C)• Refroidissement

Fabrication du verre Fabrication du ciment Fabrication des tuiles & briques

Conclusion

Rendement exergétique globale : 57 % Rendement exergétique globale : 83,6 % Rendement exergétique globale : 51 %

• La fabrication industrielle du verre, du ciment et des tuiles & briques nécessite une consommation d’énergie spécifique très importante du fait des transformations minérales à hautes températures qui ont lieu.

• La société Energy Research Innovation Engineering (EReIE) travaille avec les industriels du secteur pour optimiser leurs procédés de fabrication.

• Une étude énergétique et exergétique de ces 3 procédés est réalisée ainsi qu’une intégration énergétique dans le but de proposer des solutions d’optimisation de la consommation énergétique.

• La méthode du pincement (Pinch Analysis) sert de cadre à cette étude : il s’agit d’identifier les flux chauds et froids dans les procédés et les transformations physicochimiques qui s’opèrent pour ensuite construire les courbes composées caractéristiques permettant d’identifier les besoins minimums en chaleur à fournir aux procédés.

• Les transformations de la matière étant des transformations solides, elles sont suffisamment lentes pour qu’il soit indispensable de prendre en compte les aspects cinétiques en plus des aspects d’équilibres thermodynamiques purs.

Consommation spécifique : 0,658 (n°1) 0,823 (n°2) MWh/tonne

Chaleur perdue (n°1) : 12,15 MW Energie minimum requise (EMR) : 12,74 MW

• Production journalière : 500 tonnes

• Evolution thermique• Chauffage du mélange vitrifiable (25 → 100°C)• Palier d’évaporation • Chauffage du mélange vitrifiable (100 → 400°C)• Palier de fusion 1400°C• Chauffage (raffinage) (1400 → 1500°C)• Refroidissement

• Production journalière : 2400 tonnes

Modélisation cinétique de la formation du clinker

Consommation spécifique : 0,591 MWh/tonne Chaleur perdue : 14,34 MW EMR : 54,88 MW

• Evolution thermique• Séchage de la pâte (25 → 80 °C) • Refroidissement• Cuisson (25 → 1150 °C)• Refroidissement

• Production journalière : 500 tonnes

Hypothèse de chemin réactionnel :

0

50

100

150

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Tem

pé

ratu

re [

°C]

Longueur réduite du séchoir [-]

Ttuile [°C]

Tair [°C]

Séchage :

Extrait de : HM Zhou, XC Qiao, and JG Yu. Influences of quartz

and muscovite on the formation of mullite from kaolinite.AppliedClay Science, 80 :176-181, 2013.

Consommation spécifique : 0,37 MWh/tonne Chaleur perdue : 6,05 MW EMR : 8,04 MW

• Solution envisagée initialement : • Cycle de Rankine Organique (ORC) avec échangeur à contact indirect et avec échangeur à contact direct pour récupérer à la fois

la chaleur sensible et la chaleur latente présente dans les fumées. L’enjeu de dépollution des fumées est associé à cette option.• Pour la fabrication du ciment : possibilité de l’intégration d’un cycle vapeur sous 850°C.• Pour la fabrication des tuiles et briques : pompe à chaleur envisagée pour supprimer le pincement.

• Le travail réalisé permet de fournir une base théorique à une éventuelle modélisation plus fine nécessaire à la mise en place d’une optimisation multi objective (thermo-économique) des trois procédés présentés

ORC avec échangeur à contact direct sur les fumées

ORC avec échangeur à contact indirect sur les fumées

Remerciements

Denis Clodic

Samer Maaraoui