Rapport CMCP

1

Table des matires

Introduction gnrale ............................................................................................................................... 6

CHAPITRE I : INTRODUCTION GENERALE SUR LE GROUPE CMCP ................................... 7

Introduction .............................................................................................................................................. 8

I. Historique de la CMCP .................................................................................................... 8

II. Organisation actuelle de la CMCP ................................................................................... 9

III. Politique nergtique ..................................................................................................... 11

IV. Procd de fabrication du papier ................................................................................... 13

IV.1 Fabrication de la pte papier ......................................................................................... 15

IV.2 Fabrication de papier ....................................................................................................... 16

CHAPITRE II : ETUDE DES PERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CHAUFFERIE ... 25

I. Description de la chaufferie ...................................................................................................... 27

I.1 Les chaudires de la CMCP ................................................................................................. 27

I.2 Caractristiques et utilisation de la vapeur deau ................................................................ 31

II. Performances de la chaufferie .................................................................................................. 34

III. Campagne de mesures ............................................................................................................... 54

IV. Rsultats des calculs .................................................................................................................. 56

V. Bilans journaliers de la chaudire ............................................................................................ 61

VI. Estimation du prix de revient de la vapeur produite ............................................................. 63

VII. Conclusion .................................................................................................................................. 64

CHAPITRE III : ETUDE DESPERFORMANCES ENERGETIQUES DE LA CENTRALE

THERMIQUE ......................................................................................................................................... 66

I. Gnralits sur les turbines ...................................................................................................... 67

II. Turbine axiale SIEMENS 5 MW ............................................................................................. 69

III. Campagne de mesures ............................................................................................................... 80

IV. Rsultats et commentaires.........................................................................................................81

V. Evaluation conomique des pertes............................................................................................85

VI. Conclusion..................................................................................................................................88

CHAPITRE IV : CALCUL DU RENDEMENT DE LA DISTRIBUTION ET DE LA

CONSOMMATION DE VAPEUR ....................................................................................................... 89

I. Rendement de la distribution ................................................................................................... 90

I.1 Distribution de la vapeur : ............................................................................................................... 90

I.2 Chaleur dissipe entre la chaudire et la turbine........................................................................... 90

I.3 Chaleur dissipe dans les autres conduites de la distribution ....................................................... 92

I.4 Chaleur dissipe totale ...................................................................................................................... 92

I.5 Calcul du rendement de la distribution .......................................................................................... 93

2

II. Rendement de la consommation ............................................................................................... 93

CHAPITRE V : ACTIONS DAMELIORATION ............................................................................ 106

I. Amliorations dans la chaudire ............................................................................................ 107

I.1 Diminution de lexcs dair ............................................................................................................ 107

I.2 Rcupration de la chaleur des fumes ......................................................................................... 108

I.2.1 Echangeur de chaleur roue ...................................................................................................... 108

I.2.2 Gain de combustible .................................................................................................................... 111

I.2.3 Cot total dinvestissement ......................................................................................................... 111

I.2.4 Temps de retour de linvestissement .......................................................................................... 112

I.3 Rcupration de la chaleur des purges ......................................................................................... 112

I.3.1 Principe dun ballon Flash .......................................................................................................... 112

I.3.2 Quantit de vapeur Flash rcupre .......................................................................................... 112

I.3.3 Dimensionnement du Ballon Flash ............................................................................................. 115

I.3.4 Cot total dinvestissement ......................................................................................................... 115

I.3.5 Retour dinvestissement .............................................................................................................. 116

II. Amliorations dans la turbine ................................................................................................ 118

III. Amliorations dans le circuit de distribution ........................................................................ 118

Conclusion gnrale et recommendations .......................................................................................... 120

Bibliographie ......................................................................................................................................... 121

3

Liste des figures

Figure 1. Organigramme de la CMCP ...................................................................................................... 10

Figure 2. Structure microscopique des fibres dune feuille de papier ...................................................... 13

Figure 3. Schma gnral de la fabrication du papier .............................................................................. 14

Figure 4. Stock de vieux papiers .............................................................................................................. 16

Figure 5. Pulpeur ...................................................................................................................................... 17

Figure 6. Epurateur centrifuge de la pte ................................................................................................. 18

Figure 7. Dpastilleurs de la pte ............................................................................................................. 18

Figure 8. Action de raffinage de la pte ................................................................................................... 19

Figure 9. Caisse de tte ............................................................................................................................. 20

Figure 10. Machine double toile MK3 .................................................................................................. 21

Figure 11. Section de presse MK3 ........................................................................................................... 21

Figure 12. Scherie ................................................................................................................................... 22

Figure 13. Lisse et Calandre ..................................................................................................................... 23

Figure 14. Machine papier ..................................................................................................................... 24

Figure 15. Schma nergtique ................................................................................................................ 26

Figure 16. Schma dune chaudire tube deau ..................................................................................... 27

Figure 17. Ballon suprieur ...................................................................................................................... 29

Figure 18. Surchauffeur ............................................................................................................................ 29

Figure 19. Configuration dune chaudire tube deau ........................................................................... 30

Figure 20. Circuit de la vapeur deau ....................................................................................................... 33

Figure 21. Le triangle de la combustion ................................................................................................... 34

Figure 22. Evolution de la composition de fume humide en fonction de lexcs dair .......................... 45

Figure 23. Pertes par chaleur sensible de fume ...................................................................................... 46

Figure 24. Schma du bilan nergtique de la chaudire tube deau ..................................................... 48

Figure 25. Diagramme dvolution du rendement de la chaudire N4 ................................................... 58

Figure 26. Courbes dvolution des paramtres de la chaudire le jour 12/12/2012 ............................... 59

Figure 27. Evolution des pertes de fume sensible le jour 12/12/2012 .................................................... 59

Figure 28. Evolution des pertes par purge le jour 12/12/2012 ................................................................. 60

Figure 29. Evolution des pertes par parois le jour 12/12/2012 ................................................................. 60

Figure 30. Principe de la turbine contre pression .................................................................................. 69

Figure 31. Turbine SIEMENS de la CMCP ............................................................................................. 70

Figure 32. Principe de cognration ......................................................................................................... 72

Figure 33. Circuit dans une turbine vapeur ........................................................................................... 73

Figure 34. Cycle de RANKINE pour la turbine vapeur ........................................................................ 73

Figure 35. Diagramme de Molier reprsentant la dtente de vapeur ........................................................ 75

Figure 36. Schma des phnomnes visqueux dans une roue dune turbine axiale ................................. 80

Figure 37. Diagramme de Molier utilis pour le calcul de Wis ................................................................ 83

Figure 38. Courbes des performances de la turbine le 12/12/2012 .......................................................... 84

Figure 39. Disposition des cylindres scheurs et parcours de la feuille ................................................... 96

Figure 40. Principe du siphonage ............................................................................................................. 97

Figure 41. Disposition dun siphon fixe dans le cylindre ......................................................................... 97

Figure 42. Rgime des condensats dans un cylindre ................................................................................ 98

Figure 43. Schma reprsentant le systme cascade pr-scherie .......................................................... 100

Figure 44. Flowsheet reprsentant le systme hybride de la post-scherie ............................................ 102

Figure 45. Fonctionnement du thermocompresseur ............................................................................... 103

Figure 46. Echangeur de chaleur roue ................................................................................................. 109

Figure 47. Schma du Ballon Flash ........................................................................................................ 113

4

Liste des tableaux

Tableau 1. Fiche didentit du Groupe CMCP International Paper ......................................................... 11

Tableau 2. Caractristiques techniques des chaudires ............................................................................ 31

Tableau 3. Caractristiques de la combustion dans la chaudire 4........................................................... 36

Tableau 4. Caractristiques du Gaz Naturel ............................................................................................. 36

Tableau 5. Volumes stchiomtriques de combustion ............................................................................ 40

Tableau 6. Tableau des mesures effectues le 12/12/2012 dans le circuit eau-vapeur la CMCP .......... 55

Tableau 7. Rsultats du 12/12/2012 de la chaudire N4 la CMCP ...................................................... 57

Tableau 8. Analyse des eaux de chaudire N4 du 12/12/2012 ............................................................... 58

Tableau 9. Rendement de la chaudire 4 durant le mois de Novembre 2012 .......................................... 62

Tableau 10. Calcul du prix de revient de vapeur (Novembre 2012) ........................................................ 64

Tableau 11. Caractristiques de la turbine SIEMENS ............................................................................. 70

Tableau 12. Caractristiques de la turbine aprs modification ................................................................. 71

Tableau 13. Tableau des mesures de la turbine SIEMENS le 12/12/2012 ............................................... 81

Tableau 14. Calcul du bilan thermique de la turbine ................................................................................ 81

Tableau 15. Fiche technique des scheurs ................................................................................................ 94

Tableau 16. Avantages et inconvnients du systme cascade ................................................................ 101

Tableau 17. Avantages et inconvnients du systme hybride ................................................................ 103

5

Liste des abrviations

A Volume dair stchiomtrique

BP Basse pression

Cb Combustible

CMCP Compagnie Marocaine des Cartons et Papiers

CH4 Chaudire 4

CH3 Chaudire 3

Cs Consommation spcifique

e Excdent dair

GN Gaz naturel

GPL Gaz de ptrole liqufi

HP Haute pression

MP Moyenne pression

MK1 Machine carton 1

MK2 Machine papier 2

MK3 Machine papier 3

PCI Pouvoir calorifique infrieur

RAK

Rgie Autonome de Distribution d'Eau, d'Electricit et

d'Assainissement liquide de la province de KENITRA

Re Rendement du turboalternateur

Ris Rendement isentropique

Rmc Rendement mcanique

6

Introduction gnrale

La vapeur deau, utilise surtout pour le schage grce sa grande fonction thermique, est

lun des lments cruciaux dans lindustrie du papier et carton, et notamment dans la

Compagnie Marocaine des Cartons et des Papiers. Cest un paramtre stratgique sur lequel on

peut jouer pour augmenter la qualit de la production et diminuer son cot.

Notre travail consiste alors tudier les performances nergtiques de la chaudire gnrant la

vapeur deau dans lusine, celles de la turbine axiale contre pression assurant la cognration,

et dtudier le circuit de cette vapeur ainsi que sa consommation pour cerner le problme des

pertes de matire et chaleur dissipes.

Dans le premier chapitre, on prsentera lentreprise daccueil tout en dcrivant ses procds de

fabrication.

Dans les deuxime et troisime chapitres, on calculera le rendement de la chaudire tube

deau et de la turbine axiale Siemens respectivement, tout en sappuyant sur des mesures, quon

a effectues durant notre stage, afin de mettre en vidence ltat de fonctionnement des

machines.

Le chapitre quatre sera rserv pour taler notre tude sur les installations de distribution et de

consommation de la vapeur deau, afin dy valuer les diffrentes pertes nergtiques.

Enfin, le dernier chapitre amnera quelques actions damlioration et des recommandations

pour augmenter le rendement actuel des installations de vapeur.

7

Chapitre I

INTRODUCTION GENERALE SUR LE

GROUPE CMCP

8

Introduction

De nos jours, le papier et le carton sont devenus omniprsents dans notre vie par leurs

usages multiples. Leur consommation sest leve considrablement durant ces dix dernires

annes. En effet, grce ses avantages mcaniques, conomiques et esthtiques, le papier

simpose comme support indispensable de la communication dans l'entreprise constituant ainsi

un complment des quipements d'informatique et de bureautique, de plus le carton est un

matriau essentiel dans lemballage, le conditionnement et ldition.

Plusieurs entreprises Marocaines de transformation se sont intresses la fabrication du papier

et carton destins aux emballages, fournitures scolaires et quipements bureautiques comme

GPC, Embalcarton, Maroc Emballage... Pourtant, la plus ancienne est La Compagnie

Marocaine des Cartons et du Papier (CMCP) constituant ainsi un des piliers de l'conomie

nationale, et contribuant au dveloppement du secteur de lindustrie.

Cette premire partie sera consacre la prsentation de lusine de la CMCP en dcrivant

dabord lhistorique de lentreprise, son organisation actuelle, sa politique nergtique et enfin

le procd utilis pour la fabrication du papier.

I. Historique de la CMCP

Cre en Janvier 1949 par les groupes FERDINAND BEGNIN ; DARBLAY (OLMAC) et

(CELCO) prs de Oued Sebou KENITRA, la CMPC ntait quune caisserie cette poque,

elle connut plusieurs extensions :

1951 : Installation dune machine carton plat.

1952 : Installation dune machine papier.

1978 : Installation dun ordinateur (Systme MEASUREX).

1994 : Installation dune seconde machine papier.

2000 : Fusion avec deux autres caisseries (dAgadir et de Casablanca) et Certification

ISO 9001 par le cabinet TUV : Classement parmi les 30 premires entreprises

Marocaines et 7me

dans lactivit demballage en Afrique.

9

2003 : Rapprochement au FINPACK, do le groupe CMPC est devenu groupe

COFIPAC Leader du march Mditerranen de la production du papier, carton et

caisse demballage ; Trophe de lExportation grce un chiffre daffaire dpassant 20

millions de DH.

2007 : CMCP est devenue une filiale du Leader Amricain Mondial International

Paper .

Aujourdhui, International Paper dispose de 3 caisseries au Maroc, situes

CASABLANCA, KENITRA et AGADIR.

International Paper concentre ses activits dans deux filires : le carton ondul et le

papier et le carton recycl pour diverses applications demballage. En plus, la socit fabrique

des cornires de protection, mandrins et tubes base de papier.

CMCP KENITRA ne fabrique pourtant pas de carton ondul. Cest une papeterie avec 3

machines papier et carton dune capacit totale de production denviron 120 000 t/an.

II. Organisation actuelle de la CMCP

Lorganisation gnrale de la CMCP sarticule autour des directions suivantes :

- Direction Gnrale

- Direction Marketing et Communication

- Direction Commerciale Caisserie

- Direction Logistique

- Direction Ressources Humaines

- Direction Financire

- Direction Audit Interne et Contrle de Gestion

- Direction Achat

- Direction informatique

- Direction Audit interne et contrle de gestion

Lorganigramme de lusine est donn dans la figure 1 de la page suivante.

10

Figure 1. Organigramme de la CMCP

Prsident Directeur Gnral

Marketing et Communication

Direction

Commerciale

Caisserie

Ple

Caisserie

Ple

Papeterie

Direction

Logistique

Direction

R.H

Direction

Audit

Interne

Direction

Financire

Direction

Informatique

Direction

Achat

Service

Juridique

Contrle

De

Gestion

11

La fiche didentit du groupe CMCP International Paper est donne dans le tableau suivant :

Tableau 1. Fiche didentit du Groupe CMCP International Paper

Nom CMCP International Paper

Date de cration de la CMCP 1949

Activit Fabrication de papier et carton

Adresse Q.I BP 94 KENITRA

Chiffre daffaire International Paper 25 billions de dollars

Ventes lexport 22 %

Part du march de papeterie 65 %

Effectif CMCP 664 personnes

Production journalire CMCP - Machine papier 250 t/jour - Machine carton 140 t/jour

Production annuelle totale CMCP 140 000 t/an

III. Politique nergtique

La fabrication du papier et du carton est une industrie grande consommatrice de lnergie.

Dans le cas de la CMCP, cette nergie se rpartie en :

- Energie lectrique (20%) destine lalimentation des machines et ses auxiliaires.

- Energie thermique (80%) pour le schage et le conditionnement du papier fabriqu.

La consommation nergtique totale de la CMCP est de lordre de 694 386 kWh/j dont 168

000 kWh/j (10MW) de consommation lectrique.

La production dnergie lectrique est assure :

Par une turbine contre pression axiale du type SIEMENS ENG 25/20/50-3 :

Pnominale= 3200 kW

Vitessenominale=12587t/min

Padmission=40 bar

12

Pcontre-pression=2,3bar

T=440C

Production journalire : 1900 kw/heure

Elle est de lordre de (25%).

Par le groupe lectrogne :

2 moteurs Diesel de puissance chacun 3300 kW ; fonctionnant par le Fuel N2 (Un

seul en marche actuellement)


Par le rseau externe (RAK) :

Une puissance souscrite de 5800 kW


La production de lnergie thermique est assure :

Par une chaufferie fonctionnant soit au Fuel soit au gaz naturel :

1 chaudire N4 : P= 40 bar ; T = 420C ; QVapeur produite = 32 t/h (la plus utilise).

1 chaudire N3: 40 bar ; 420C ; 12 t/h (utilise juste en cas de besoin).

Il est noter que la centrale thermique de la CMCP dispose dune deuxime turbine contre

pression STAL qui ne fonctionne plus cause de son faible rendement (2400 kW ;

Padmission=38 bar ; P contre -pression=2.4 bar ; T=420C).

Dautre part, la CMCP dispose dune station de traitement des eaux alimentant la chaudire

N4 dune capacit de 200 m3/jour ; 2 chanes de dminralisation (capacit maximale 300m3/j

chacune) et une station dosmose inverse alimente directement par leau de ville.

Dans le cadre de sa politique nergtique, la CMCP dveloppe ses potentiels pour adopter une

autonomie nergtique permettant d'accrotre lefficacit et rduire le cot de production. Cest

dans cette perspective quelle utilise la turbine contre pression de 3200 kW avec un soutirage

15bar, et suit un programme qui a pour objectif dassurer une production nergtique 100%

partir du gaz naturel.

13

IV. Procd de fabrication du papier

Le papier est une matire invente premirement en Chine depuis le premier sicle. Il se

prsente sous forme de feuilles minces ou tissu continu. Il est fabriqu principalement partir

de fibres cellulosiques vgtales ou animales, dair et de leau. Les charges minrales et les

adjuvants peuvent tre ajouts pendant la fabrication pour amliorer les caractristiques du

papier.

Le papier est un matriau de base dans les domaines de lcriture, du dessin, de limpression,

de lemballage et de la peinture. Il est galement utilis dans la fabrication de composants

divers, comme les filtres. Les fibres de cellulose sont principalement extraites du bois ou des

papiers recycls qui sont appels les vieux papiers [1].

Figure 2. Structure microscopique des fibres dune feuille de papier

- Le bois utilis est gnralement pris des coupes d'claircies des forts et des chutes de

sciage du bois d'uvre destin la menuiserie, l'ameublement ou la construction.

- Les vieux papiers et cartons sont de vieux journaux ou papiers commerciaux,

emballages industriels et mnagers, chutes de transformation...

Le procd de fabrication du papier est donn dans la figure de la page suivante.

14

Dsintgration Discontinu Continu

Raffinage

Dsintgration

Raffinage

Epuration

Dosage Dilution

Eau dgouttage

Pte rcupre Boues

Eaux blanches Vers rivire

Figure 3. Schma gnral de la fabrication du papier

Balles Pte

neuve

Balles Vieux papier

Charges

Colorants...

Eau frache

dappoint

Machine papier

Cuviers de mlange

Rcupration

MES

Bobinage Lissage et Calandrage

Mise en format

Traitement des rejets

Produit chimique :

sulfate dalumine, CaCO3,Antimousses,

pigments...

15

IV.1 Fabrication de la pte papier

La pte papier reprsente la matire premire du procd de fabrication du papier. Les

fabricants du papier et du carton, comme la CMCP dailleurs, reoivent de la pte en balles

pour la transformer en diffrentes sortes de papier. Au niveau national, la matire premire est

monopolise par la socit Cellulose du Maroc, filiale de lONA, qui dispose dune unit de

production SIDI YAHYA Gharb. Sa capacit de production dpasse les 100.000 tonnes par

an, dont plus de 90% sont destins lexport.

La fabrication des ptes papier consiste diviser le bois en fibres primaires relies entre elles

par une substance appele lignine , tout en essayant de conserver leurs proprits

mcaniques, optiques et morphologiques [2]. Pour cela, il existe deux procds :

La voie mcanique : Les rondins sont rps par une meule ou les copeaux passent

travers des disques dfibreurs. La pte rsultante est essentiellement destine la

fabrication de produits ncessitant moins de rsistance, tels que le papier journal,

certains papiers de presse magazine et certains cartons [2].

La voie chimique : Cuisson du bois et ajout de produits chimiques pour dissoudre

la lignine et rcuprer les fibres de cellulose. On obtient ainsi les ptes chimiques : pte

sulfate (ou pte kraft), pte sulfite... utilises pour la fabrication de produits qui offrent

une grande rsistance comme les papiers dimpression et dcriture, les papiers usages

sanitaires et domestiques et certains papiers et cartons demballage [2].

Il existe plusieurs procds hybrides (mi- chimiques), combinant de faon variable la puret de

la pte chimique et le bon rendement de la pte mcanique.

16

IV.2 Fabrication de papier

Lusine de CMCP utilise comme matire premire entrante un mlange de la pte neuve

dite noble, achete, et les vieux papiers (journaux, magazines, caisses en carton ondul, chutes

de transformation). En effet, ces derniers peuvent tre utiliss soit seuls, soit en mlange avec

les ptes nobles, selon lexigence de la qualit du produit fini.

Lutilisation des vieux papiers souligne plusieurs avantages :

- Cot infrieur celui des diffrents types de ptes nobles achetes.

- Obtention de papiers plus opaques

- Meilleure stabilit dimensionnelle

- Qualit dimpression voisine de celle obtenue partir de ptes neuves.

Malgr la pluralit de leurs avantages, les ptes recycles nchappent gure aux

inconvnients :

- Production de papiers parfois rsistance faible et blancheur insuffisante (On peut

ajouter dans ce cas une certaine proportion de pte chimique afin damliorer la

solidit)

- Problme des contaminants: les encres, les particules lourdes (fils de fer, agrafes...) et

les particules lgres (plastiques, bois...).

Figure 4. Stock de vieux papiers

17

IV.2.1 Prparation des fibres (Trituration)

Un pulpeur -grand consommateur dnergie (35 70kWh/ tonne de papier)- constitu dune

cuve cylindrique dans laquelle un rotor dents ou ples cre de fortes turbulences, est utilis

pour dsintgrer les balles de vieux papiers dans leau, mettre les fibres en suspension et les

individualiser sans fragmenter les contaminants.

Figure 5. Pulpeur

IV.2.2 Epuration

Le but de cette tape est dliminer les impurets grossiers telle que : le sable, gravier, pices

mtalliques, fils de fer, ficelles, plastiques.

Deux types dpurateurs sont donc installs la sortie du pulpeur prcdent pour ce faire. Des

purateurs se basant sur la diffrence de taille entre les corps trangers et les fibres (tamis

vibrants et classeurs fentes ou trous). Et dautres purateurs agissant par voie

densitomtrique (Cleaners ou purateurs centrifuges).

18

Figure 6. Epurateur centrifuge de la pte

IV.2.3 Dpastillage

Aprs ltape dpuration, la pte passe par un dpastilleur tournant grande vitesse (1000

3000 tr/min) comportant deux disques dentels, lun fixe, lautre mobile, munis de lames

distantes de plusieurs millimtres (distance rglable). Cette phase permet datteindre la

dsagrgation totale des agglomrats fibreux subsistants.

Figure 7. Dpastilleurs de la pte

IV.2.4 Raffinage

Cette tape comporte une action mcanique sur les fibres en milieu aqueux par passage forc

de la suspension fibreuse entre deux disques garnis de lames dun raffineur, ce qui provoque :

19

- Une hydratation et donc un gonflement de la fibre par pntration deau, do une

meilleure souplesse chez celle-ci et une augmentation du nombre de liaisons interfibres

(papier plus solide).

- Une fibrillation externe rsulte de la friction entre fibres et entre fibres et lames. En

effet, des lments fins appels fibrilles , se dtachent de la paroi secondaire (paroi

primaire dj dtruite lors de la trituration) et augmentent la surface externe de la fibre,

et donc les couches internes de la fibre, plus riches en hmicelluloses, apparaissent,

do une augmentation de lnergie de liaison entre fibres.

Figure 8. Action de raffinage de la pte

IV.2.5 Machine papier

La suspension fibreuse, une concentration de 4 5%, est dirige aprs ltape de raffinage

vers des cuviers machine pour le stockage lgre agitation. Une autre puration est subie

par la pte avant darriver la machine pour liminer le maximum possible dimpurets

indsirables (corces, sables, agglomrats de fibres et de charges, plastiques...). Aprs

puration, la pte est dilue par les eaux blanches rcupres en dessous de la toile de la

machine pour favoriser lhomognit des fibres.

La machine papier est compose principalement des parties suivantes :

La partie humide :

- Caisse de tte

20

La caisse de tte reoit la suspension fibreuse pure et dilue la machine papier des

vitesses comprises entre 2.5 et 6 m/s. Elle dlivre ensuite la suspension la toile de table de

fabrication travers une section rectangulaire, trs allonge, en une lame, ayant une vitesse

proche de celle de la toile. La caisse de tte comprend donc: un rpartiteur, une capacit (la

caisse), et un convergent.

Figure 9. Caisse de tte

- Table de formation

La CMCP dispose dune machine formes rondes (MK1), et de deux machines table plate

(MK2 et MK3), cest le type dunit le plus rpandu dailleurs. Ce dernier type est constitu

dun chssis autour duquel tourne une toile sans fin fabrique en fils mtalliques ou

synthtiques et sur laquelle se forme la feuille. Les fibres longues se dposent sur les mailles de

la toile quand le jet sort de la caisse de tte puis, laide du colmatage, les fibres plus fines se

retiennent de mieux en mieux.

La CMCP utilise une machine double toile quipe dune deuxime table suprieure (MK3),

formant une deuxime feuille comme couche suprieure et de qualit meilleure que la feuille

infrieure. Les deux feuilles sont ensuite assembles par un essorage entre les deux toiles au

niveau des caisses humides, ce qui favorise lamlioration de la qualit du papier.

21

Figure 10. Machine double toile MK3

- La section des presses

Etant donn que la feuille quitte la toile de fabrication une siccit comprise entre 16 et 23%

suivant les papiers, une section de presse avant ltape de schage est ncessaire pour diminuer

lhumidit. Cette dernire qui est linverse de la siccit, dpend du degr de raffinage, du

grammage, de la composition fibreuse, des produits auxiliaires utiliss et des moyens

dgouttage. La section de presse permet donc de :

- Diminuer la quantit deau avant de lenvoyer la scherie par essorage de la feuille

supporte par une toile absorbante, entre deux rouleaux revtus de Caoutchouc, de

Stonite, ou de Microroc.

- Augmenter la rsistance de la feuille.

Figure 11. Section de presse MK3

22

La scherie :

Aprs lessorage subi la section des presses, la feuille atteint une siccit de 33 45%.

Leau libre tant pratiquement limine, il reste uniquement leau absorbe par les pores et

leau capillaire. Cest ltape de schage qui va favoriser lvaporation de leau restante par le

phnomne de transfert massique, et liminer ainsi la vapeur forme arrivant ainsi une siccit

entre 93% 95% en utilisant la chaleur et lair.

La scherie est constitue par plusieurs cylindres creux (55 cylindres dans la machine MK3 et

45 cylindres dans la machine MK1) de 1.5 de diamtre, en fonte ou en acier, ayant une rotation

continue des vitesses lentes, et regroups en batteries et aliments par la vapeur produite

par la chaudire N4 afin dlever la temprature de la feuille au contact. Cette dernire est

supporte par une toile base de fibres synthtiques, ayant une grande permabilit lair

souffl facilitant ainsi lvacuation de lhumidit et assurant un meilleur conditionnement du

papier. Les cylindres sont capables de supporter une pression de vapeur de 3 4bars.

Pour empcher lair humide de se propager dans la salle, la scherie est enveloppe par une

hotte qui permet une aration efficace de la scherie par soufflage dair chaud, tout en

amliorant le rendement calorifique du schage.

Figure 12. Scherie

Finition :

Comme finition de la fabrication des papiers, on tend assurer des surfaces unies, douces au

toucher et brillantes. On effectue les oprations suivantes pour ce faire :

23

- La lisse (Apprteur)

Cest la premire machine qui vient aprs la scherie. Elle est constitue de trois huit

rouleaux creux superposs, en fonte dure trempe, trs polis extrieurement, monts sur paliers

coulissants permettant lcartement entre les rouleaux pour varier la pression. La lisse sert

craser les crtes, et adoucir le papier sortant brut de la scherie.

- La calandre (Supercalandre)

Le principe de cette tape est de favoriser un micro-glissement entre des rouleaux en fonte

tremps qui sont alterns avec des rouleaux lastiques. Le but est de satiner le papier et de le

rendre brillant comme un tissu de satin.

Figure 13. Lisse et Calandre

Enfin, le papier est enroul par une bobineuse de 4 5 tonnes et il est, selon la demande, soit

envoy vers la dcoupeuse qui dcoupe en rames de feuilles, soit enroul en bobines plus

petites permettant sa transformation en caisse.

Le schma gnral rcapitulant les tapes de la machine papier est prsent dans la page

suivante.

24

Teneur en eau

A : La table de formation infrieure 1 : La caisse de tte 6: Les cylindres scheurs

B : La table de formation suprieure 2 : La toile sans fin 7: La lisse

C : Section de presse 3 : Pontuseaux 8: Capteur de contrle de qualit

D : La scherie 4 : Caisse humide (caisse aspirante) 9: Bobineuse

E : La finition 5 : Le bassin eaux blanches

Figure 14. Machine papier

97,5 % 84% 55 % 7%

25

Chapitre II

ETUDE DES PERFORMANCES

ENERGETIQUES DE LA CHAUFFERIE

26

Introduction

Lnergie est une entit qui suit la fameuse rgle de LAVOISIER Rien ne se perd, rien

ne se cre . En effet, lnergie peut se transformer en divers aspects. Les principales sources

de lnergie sont les nergies primaires (Mix ou bouquet nergtique) directement

accessibles dans la nature et qui comportent les nergies fossiles (Charbon, ptrole, gaz

naturel), les nergies nuclaires et les nergies renouvelables (hydraulique, biomasse, solaire,

olien, gothermie, nergie des mares) [3].

Dans le cas de la CMCP, on utilise de lnergie fossile pour la transformer en nergie

thermique (vapeur deau) laide dune combustion effectue dans une chaudire tube deau

(Chaudire N4), et en nergie lectrique par le biais dune turbine contre-pression. Ces

nergies sont utilises pour assurer lalimentation des machines dans lusine.

Le carbone et lhydrogne sont les principaux composants du combustile. Le procd de

combustion leur permet de se combiner loxygne apport par lair pour donner de la chaleur

et du pouvoir calorifique. Idalement, la combustion permet doxyder le carbone en gaz

carbonique (CO2) et lhydrogne en vapeur deau (H2O). Cependant, une combustion

incomplte cre des imbrls. Donc il faut faire passer plus dair (excs dair ayant environ 21

% doxygne par volume) par le brleur pour assurer une combustion complte. Toutefois,

cette opration contribue laugmentation des pertes de chaleur sensible des fumes et donc

la dissipation de lnergie et la pollution de lenvironnement .

Ceci nous ramne ltude du point optimal de fonctionnement de lusine par lvaluation des

performances nergtiques au niveau production, transformation, transport et stockage de

lnergie (figure 15), afin daugmenter la qualit de production et den minimiser le cot.

Figure 15. Schma nergtique

27

I. Description de la chaufferie

La chaufferie de la CMCP se compose de deux chaudires moyenne pression (40 bars) de

type tube deau fonctionnant soit au fuel soit au gaz naturel ou un mlange des deux pour la

chaudire N4.

I.1 Les chaudires de la CMCP

Une chaudire vapeur est llment le plus important dun rseau vapeur. Avant tout, cest

lendroit o se cre la vapeur, un rservoir dans lequel lnergie dun combustible est cde

un liquide permettant ainsi de changer ltat dune phase liquide une phase gazeuse [4].

Figure 16. Schma dune chaudire tube deau

On distingue dans une chaudire donc:

a) Les brleurs (haut et bas se trouvant gauche) :

Ce sont le moteur de la chaudire, ils permettent de raliser la combustion. Ils doivent crer

le maximum d'effet thermique , et ce par un mlange air/combustible le plus homogne

possible grce la meilleure proportion entre les deux constituants.

28

Le brleur est constitu de:

Un injecteur amenant le combustible.

Une amene d'air comburant.

Une tte de brleur ou gicleur

Il ya diffrents types de brleurs selon la nature du combustible utilis. Dans le cas du

combustible Fuel, le brleur assure :

La pulvrisation du combustible dans la chambre de combustion pour augmenter la

surface de contact avec l'air.

La distribution judicieuse du combustible pulvris dans l'air comburant afin de raliser

un meilleur mlange possible.

b) Le ballon deau suprieur et infrieur :

Ils permettent de sparer la phase liquide de la phase vapeur et de minimiser la temprature du

condensat avant rejet lgout. En effet, les gouttelettes d'eau se trouvant dans la vapeur

peuvent causer lendommagement de linstallation. Le ballon suprieur, au niveau duquel se

fait l'alimentation en eau de la chaudire assure une bonne sparation du mlange eau-vapeur

laide des chicanes canalisant le mlange vers les cyclones sparateurs. La vapeur passe par

des filtres de vapeur avant de quitter le ballon suprieur et darriver au surchauffeur.

Quant au ballon infrieur, il est constitu d'un dsurchauffeur de vapeur et d'une purge

extraction rapide.

Les deux ballons sont composs de tle et comportent tous les accessoires ncessaires tels que

le trou d'homme, la tubulure...

Les tubes constituants les murs de la chambre de combustion sont assembls par dudgeonnage

aux deux ballons.

29

Figure 17. Ballon suprieur

c) Vaporisateur

Le vaporisateur assure la fin de l'chauffement de l'eau (en cas de non vaporisation dans

lconomiseur) et la production de la vapeur. Il est constitu dcrans souds la chaudire et

est complt par des faisceaux.

d) Surchauffeur (rouge)

Ce sont des tubes de surchauffe de la vapeur produite. Ils reoivent de lextrieur les gaz

provenant de la chambre de combustion. La vapeur sature venant du haut du rservoir passe

dans les tubes des surchauffeurs, o sa temprature est leve pression constante.

Figure 18. Surchauffeur

e) Economiseur sur la conduite des fumes (vert)

Il permet de prchauffer leau alimentaire provenant du dgazeur laide des fumes dj

pralablement refroidies. Cest un changeur de chaleur circulation d'eau inverse par rapport

30

celle des gaz de combustion. L'change de la chaleur se ralise par convection, il a pour but

l'augmentation du rendement thermique.

Ces chaudires sont donc trs onreuses et permettent dobtenir des puissances importantes

avec des pressions leves ou de la vapeur surchauffe. Leau provenant de la bche

alimentaire circule lintrieur des tubes et les gaz de combustion lextrieur.

Le principe de ces chaudires se base sur la circulation naturelle de leau. En effet, leau froide

est introduite dans le ballon vapeur suprieur puis retombe dans le ballon infrieur (ballon des

boues) tant donn que sa densit est suprieure celle de leau chaude.

Quand leau est chauffe dans le tube soumis la chaleur, sa densit diminue. Leau chaude et

les bulles de vapeur remontent nouveau au ballon suprieur o la vapeur se spare

naturellement de leau et peut tre distribue, cest leffet thermosiphon.

Cependant lorsque la pression augmente, la diffrence entre la densit de leau et de la vapeur

sature diminue, ce qui entrane une diminution de la circulation. Pour garder le niveau deau

constant la pression de calcul, on doit augmenter la distance entre les 2 ballons [5].

La figure ci-dessous en rcapitule le fonctionnement :

Figure 19. Configuration dune chaudire tube deau

Les caractristiques des chaudires de la CMCP sont regroupes dans le tableau suivant :

31

Tableau 2. Caractristiques techniques des chaudires

Chaudire N Ch3 Ch4

Type Tube deau+ Economiseur Tube deau+Economiseur

Combustible utilis Fuel GN / Fuel

Capacit (t/h) 12 32

T (C) 420 420

P (bar) 40 40

Frquence de marche rarement frquemment

Analyseur de fume Aucun % O2

Compteur de Cb Aucun Aucun

Compteur de vapeur Existant Existant

Purge Extraction seule Extraction (6fois/jour suivant

la qualit de leau, avec

text8s) + purge continue

Analyse deau 1fois/jour 1fois/jour

A noter que la chaudire N3 nest pas utilise actuellement (utilise seulement pour lappoint)

et que seule la chaudire N4 est en marche. Donc on va travailler seulement sur la chaudire 4.

Cette dernire alimente en vapeur deau la centrale lectrique (turbine SIEMENS) et les

installations de production de papier et carton.

I.2 Caractristiques et utilisation de la vapeur deau

La vapeur deau est le fluide caloporteur le plus utilis dans lindustrie (ptrochimie, chimie,

agroalimentaire, bois, pneumatiques, blanchisseries) grce sa disponibilit dans la nature et

ses proprits thermo-physiques particulirement adaptes aux transferts de chaleur. En plus,

l'eau et sa vapeur qui constitue ltat intermdiaire entre le liquide et le gaz, ne sont ni

offensives ni toxiques.

32

A temprature leve et basse pression, la vapeur peut tre assimile un gaz parfait.

Cependant, dans les turbines vapeur et les changeurs de chaleur on utilise la vapeur des

pressions et tempratures qui ne permettent pas de lui appliquer la loi des gaz parfaits, do

lutilisation des abaques et des tables de vapeur.

Dans le cas de la CMCP, la vapeur d'eau produite par la chaudire N4 est le fluide porteur de

chaleur et fluide moteur de la turbine. En effet, cette vapeur est renvoye par des conduites

calorifuges la centrale thermique o elle est transforme pour produire travers la turbine de

l'nergie mcanique, elle mme transforme en nergie lectrique au moyen des

turboalternateurs. La vapeur basse pression est ensuite condense et renvoye dans

l'installation sous forme liquide (condensat), ou bien on l'utilise dans un rseau de chauffage

(distribution de chaleur).

Calorifugeage des conduites de vapeur :

La vapeur deau circule travers des conduites calorifuges avec de la laine de Roche

ou ligne de verre . En effet, la laine de roche prsente des proprits excellentes disolation

thermique grce au grand nombre de cellules dair concentr dans sa structure. Quant la ligne

de verre, elle se manifeste par un double vitrage thermique constitu de deux feuilles de verre

assembles et scelles, spares par un espace tanche renfermant de l'air, do sa rsistance

thermique importante.

Un schma simplifi dcrivant le circuit de la vapeur dans lusine est prsent dans la page

suivante.

33

Eau de ville

Retour condensat de MK1 et MK3

ARRET

MARCHE Dtente (40-> 15 bars)

Dtente (40-> 15 bars) Dtente (15->7bars)

Dtente (15-> 6 bars)

Turbo Turbo STAL SIEMENS 2.4 M 5 MW Dtente( 40->2 bars)

ARRET MARCHE Dtente (15->2bars)

Condensat Dtente (15->2.2bars)

Vapeur Dtente (15->2bars)

Dtente (15->2bars)

Figure 20. Circuit de la vapeur deau

Osmoseurs Bche

alimentaire

Dg

azeur

Chane de dminralisation

CH3

Barillet 40 bars

CH4

Barillet 15 bars

rs

Barillet 15 bars

rs

Eau dsurchauffe

Pulvrisations et

rchauffage Fuel

Groups lectrognes

MK3: Prp. amidon

MK3: Thermocomp

Dtente (15->8bars)

MK3 (20 t/h)

Dgazeur

MK1: Groupe

BRUNCHWEILER

MK1: Prp amidon

MK1: Arotherme

MK1 (15t/h)

34

II. Performances de la chaufferie

Pour vrifier les performances actuelles de la chaufferie de la CMCP, on va tudier dans

un premier temps quelques caractristiques essentielles de la combustion relle du gaz naturel

(Mthane), le Fuel ntant pas utilis en ce moment. Puis on va procder au calcul des pertes

par llaboration dun bilan thermique global de la chaufferie.

II.1. Combustion dans la chaudire

La combustion est une raction chimique exothermique d'oxydorduction. La raction

chimique de combustion ne peut se produire que si l'on runit trois lments: un comburant,

une nergie d'activation en quantits suffisantes et un combustible. La CMCP utilise le

gaz naturel (Gaz Mthane) et le Fuel N2 comme combustibles.

Figure 21. Le triangle de la combustion

Le gaz :

Combustible facilement brl avec trs peu dexcs dair comburant. Deux types de gaz sont

disponibles :

- Gaz naturel : produit en sous sol et utilis dans son tat naturel mis part les

impurets liminer, il contient du mthane sous sa forme la plus commune.

- Gaz liqufis : produits aprs raffinage du ptrole et stocks ltat liquide sous

pression tel que le Propane et le Butane [4].

35

Le gaz naturel prsente des rendements avantageux par rapport aux autres combustibles

(solides ou liquides), grce son homognit intime avec lair de combustion qui lui permet

de brler facilement avec trs peu dexcs dair comburant. Cest la raison pour laquelle le

gaz naturel est le pus utilis pour la combustion la CMCP.

Le fuel :

Cest un rsidu de ptrole. Aprs diffrents tages de distillation, on retrouvera le fuel lger,

la paraffine, le krosne et le gas oil. Il existe diffrents grades de fuel :

- Classe D : gas oil

- Classe E : fuel lger

- Classe F : fuel moyen ou peu lourd

- Classe G : fuel lourd

En gnral, la combustion dun litre de Fuel produit 14 kg de vapeur [4].

Dans le cas de la CMCP, la consommation en fuel ne dpasse pas 2% de la consommation

annuelle de combustible (daprs les bilans tablis par lusine), il est utilis seulement en cas

de manque de gaz naturel ou chute de pression dans la conduite de transport, prsence de

leau ou des impurets.

Le mthane est utilis dans la chaudire avec un taux de 98%/an, soit environ 60.000

Nm3/jour. Il provient des forages qui se trouvent dans les rgions de GHARB (SOUK TLAT,

DAR ELGADARI) travers une conduite de diamtre 10cm et dune pression au point

darrive de 30-35 bars.

Le tableau suivant regroupe les caractristiques de combustion dans la chaudire N4 :

36

Tableau 3. Caractristiques de la combustion dans la chaudire 4

Paramtre Fuel N2 Gaz naturel

Mthane

Air comburant

Dbit max de

consommation

3 020 kg/h 3 620 Nm3/h 38 000 Nm

3/h

T (C) 120 20 20

P (bar) 20 30-35 20-22 mbar

Brleurs /

Ventilateur dair

4 brleurs, Marque

Pillard ZV2/56 AS

Rf 5314

4 brleurs gaz

pieuvre 5314

Ventilateur dair

Type MA 36

Ventimeca

Dans la suite, on va se focaliser sur la combustion du gaz naturel qui est le plus utilis la

CMCP.

II.1.1 Caractristiques du gaz naturel

Les caractristiques du gaz naturel sont donnes dans le tableau suivant :

Tableau 4. Caractristiques du Gaz Naturel

Composition

chimique

T dinflammation (C)

PCI

(kcal/m3)

PCI

(kcal/kg)

%CH4 %N2

99.468 0.532 650 8043.98 11261,6

II.1.2 Raction de combustion

Daprs le tableau ci-dessus montrant la composition chimique du gaz naturel, nous

pouvons considrer que le combustible utilis est compos totalement de Mthane, donc nous

allons ngliger lAzote dans les calculs qui suivent.

La raction de combustion est :

37

-PCI

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

II.1.3 Volume dair stchiomtrique

Cest le volume d'air ncessaire et suffisant pour assurer une combustion complte sans excs

dair, de lunit de gaz naturel.

Donc, on a :

n(O2) = 2 n(CH4) = 2 n(CO2) = n(H2O)

Donc :

V(O2)

22.4 = 2

V(CH 4)

22.4

Avec 22.4 l/mol : volume molaire du gaz aux conditions normales.

Do :

V(O2) = 2 V(CH4)

Si on pose :

A = V(O2)

0,21

Alors on a : A = ()

,

Avec :

A : Volume dair stchiomtrique

38

II.1.4 Fume sche et humide

a) Fume sche :

Volume de fume sche

Le volume de fume stchiomtrique est donn pression constante par la relation:

22 NCO

st VVF

Fst

: Volume de fume sche stchiomtrique

Donc :


Soit :

AFst

2

21.079.0

Donc

Fst = 0.895 A

Composition de fume sche

La fume sche est compose de CO2 et dAzote donc :

% CO2 + % N2 = 100 %

AV

F Ost 79.02

2

39

Soit st + st = 100%

Avec :

st : % de CO2 dans la fume sche

st : % de N2 dans la fume sche

%73.11%895.0*2

21.0%2

A

A

F

Vst

COst de CO2

%27.8873.11100 st dAzote

b) Fume humide

Volume de fume humide

- La fume humide peut tre calcule suivant la relation :

Fh st = F

st + V (H2O)

Fh st : Volume de fume humide stchiomtrique

F st : Volume de fume sche stchiomtrique

Donc :


Composition de fume humide

La composition de la fume humide tient compte du volume deau, donc :

%5.9%105.1*2

21.0%2

A

A

Fh

Vst

COst de CO2

Fh st = 1,105 A

40

%19%105.1

21.0%2

A

A

Fh

Vst

OHst de H2O

%5,71%105.1

79.0%2

A

A

Fh

Vst

Nst de N2

En appliquant les relations prcdentes V = 1 m3 de gaz naturel, on trouve :

Tableau 5. Volumes stchiomtriques de combustion

V air (m

3/m

3GN)

Fst

(m3/m

3GN) Fh

st (m

3/m

3GN)

11.73 %CO2 88.27 %N2 9.5%CO2 19%H20 71.5%N2

9.52 8.52 10.52

II.1.5 Excs dair

On sait que la fume comporte la fume sche et lexcs dair non ragi, donc :

AeFF st

F : Volume de fume avec excs dair

F st : Volume de fume sche stchiomtrique

e : Coefficient dexcdent dair.


Et on a :

22O

FF

O

: % O2 dans la fume donn par lanalyseur de fume.

Do

AeFAe st

21.0 et

A

Fe

st

)121.0

(

41

%21.0

895.0

e

Et puisque Fst = 0.895 A, on a :

895.0)121.0

( e

Donc lexcdent est donn par :


II.1.6 Composition de fume en prsence dexcs dair

Fume sche :

On trouve les compositions de la fume avec excs dair (prsence doxygne) en appliquant

le mme raisonnement du paragraphe ( II.1.4), soit :

: % CO2 dans la fume sche avec excs dair


e : Coefficient dexcdent dair

st : % de CO2 dans la fume sche stchiomtrique

: % N2 dans la fume sche avec excs dair

A noter que daprs la relation prcdente, on a :

(f)

st

e

895.0

895.0 )(100

42

1

stst

A

Fe

Donc

121.0

st

Fume humide

Dans le cas de la prsence de vapeur deau, les quations sont :

Avec :

: % CO2 dans la fume humide avec excs dair

: % O2 dans la fume donn par lanalyseur de fume

: % O2 dans la fume humide sans excs dair

e : Coefficient dexcdent dair

st : % de CO2 dans la fume humide stchiomtrique

st: % H2O dans la fume humide stchiomtrique sans excs dair

: % H2O dans la fume humide avec excs dair

: % N2 dans la fume humide avec excs dair

Une courbe dvolution de la composition de fume humide en fonction de lexcs dair a t

trace dans la figure 22 suivant les quations ci-dessus.

II.1.7 Pertes par chaleur sensible de fume

Cest la chaleur emporte par les gaz de combustion la sortie de la chemine, elle est donne

par la relation :

121.0

st

st

e

105,1

105,1

st

e

105,1

105,1

)(100

'105.1

895.0

e

e

43

100)1(

PCI

HAeHFP

afh

f

Soit :

Avec :

aH : Cest lenthalpie de lair dentre (dpend seulement de la temprature), elle est

donne par la relation suivante :

kgkcalTTaCpH aaa /22.0)(

fH : Cest lenthalpie de la fume aprs la dernire surface dchange (conomiseur) :

Avec :

Cp (CO2) = 0.19 + 0.61 10-4

*T

Cp (H2O) = 0.457 + 0.83 10-4

*T (T en Kelvin)

Cp (O2) = 0.185 + 0.81 10-4

*T

Cp (N2) = 0.232+ 0.36 10-4

*T

La masse volumique de la fume est donne par :

3/100*4.22

28321844

4.22mkg

M ff

100t

f

fQ

QP

kgkcalTiCpiTfCpH fff /*)(*%*)(

44

Conclusion

Daprs lquation des pertes par chaleur sensible de fume, on conclut que ces derniers sont

fonction de la temprature dentre de lair, celle de sortie de la fume et du coefficient

dexcdent (e). Ainsi, pour diminuer ces pertes il faut :

Augmenter la temprature dentre dair par linstallation dun rchauffeur dair qui

change la chaleur des fumes en chauffant lair comburant (conomise 5% du

combustible)

Diminuer la temprature de sortie de fume par installation des changeurs de

rcupration : Economiseur gnralement en fonte, qui rchauffe leau dalimentation de

la chaudire (conomise 5% du combustible)

Limiter lexcs dair une valeur optimale

Une courbe des pertes de fume a t reprsente en fonction de lexcs dair et de la

temprature de sortie, pour une temprature dair ambiant de 30C (figure 23).

45

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

18,00

20,00

22,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

excs d'air

%

CO2

H2O

O2

Fum hum

Vair

Figure 22. Evolution de la composition de fume humide en

fonction de lexcs dair

46

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

11,00

12,00

13,00

14,00

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

%excs d'air

%pert

es

T=115 C

T=120C

T=125 C

T=130C

T=135 C

T=140C

T=110C

Figure 23. Pertes par chaleur sensible de fume

47

II.1.8 Rendement de la combustion

Le rendement de combustion est l'image de la qualit de la combustion et de l'change

thermique entre les fumes et le fluide caloporteur [6]. Il se dfinit par :

comb = (Pa - Pertes fumes) / Pa

Pa = puissance contenue dans le combustible = dbit de combustible x PCI (combustible)

En pratique, le rendement de combustion peut tre exprim par la formule de SIEGERT [6]:

comb = 100 - f x (Tfumes - Tamb) / %CO2

Tfumes = la temprature des fumes la sortie de la chaudire [C]

Tamb = temprature ambiante de la chaufferie [C]

%CO2 = la teneur en CO2 des fumes [%]

f = facteur dpendant principalement du type de combustible (gaz naturel : f = 0,47)

II.2. Bilan thermique de la chaudire

Le bilan thermique de la chaudire tube deau comprend les entres sorties suivantes :

Entres :

Eau alimentaire

Combustible (Mthane)

Air comburant

Sorties :

Vapeur produite

Pertes par purges

Pertes fumes

Pertes par rayonnement

Autres pertes

48

Le schma suivant reprsente clairement le bilan nergtique de la chaudire :

Le bilan thermique scrit :

Ee + Ec = Ev + Pp +Pf + P(R) + Pa

Ee : Lnergie apporte par leau : Ee = De * He

De : Dbit massique moyen de leau lentre de la chaudire (kg/s)

He : Enthalpie de leau lentre de la chaudire (kJ/kg)

Ec : Lnergie dgage par la combustion : Ec = Dc * PCI

Fum

e

(Q

f, F

)

Combustible

(PCI,Dcb)

Eau (Qe, De)

Air (Qa, (1+e)A)

Pu

rge (H

p,D

p)

Vapeur (Dv, H

v)

Rayonnement

Autres pertes

Extraction

Les pertes Energie utile Energie fournie

Figure 24. Schma du bilan nergtique de la chaudire tube deau

49

)( evvu HHDQ

PCICQ cbt

Dc : Dbit massique du combustible lentre de la chaudire (kg/s)

PCI : Pouvoir calorifique infrieur du mthane (KJ/kg)

Ev : Lnergie transporte par la vapeur deau : Ev = Dv * Hv

Dv : Dbit de la vapeur la sortie de la chaudire (kg/s)

Hv : Lenthalpie de la vapeur la sortie de la chaudire ( kJ/kg)

Pp : Pertes par purge

Pf : Pertes par chaleur sensible de fume

P(R) : Pertes par parois

Pa : Autres pertes

II.3. Rendement de la chaudire

Cas du combustible GAZ NATUREL

Le rendement utile d'une chaudire est son rendement instantan lorsque le brleur est en marche :

utile = (Qu/ Qt) 100 [%]

Avec :

Qu : Quantit de chaleur rellement utilise pour la transformation

Qt : Quantit de chaleur totale fournie par le combustible

On a :

Avec

He : Enthalpie deau dalimentation : eee TCpH *

Hv : Enthalpie de vapeur dtermine par les tables (ou logiciel STEAM) suivant la pression et la

temprature.

50

Cas du combustible FUEL

Dans le cas de lutilisation du Fuel comme combustible, la consommation nergtique

augmente cause de la vapeur ncessaire pour le rchauffage et la pulvrisation de Fuel dans la

chaudire. Donc la quantit de chaleur utile produite diminue. Le rendement de la chaudire

est donc:

Avec :

Q : Chaleur ncessaire additionnelle pour le Fuel :

),(

' *'PTvv

hDQ

Le rendement varie en fonction des conditions d'exploitation de la chaudire (temprature de

l'eau, puissance du brleur par rapport la puissance de la chaudire...).

II.4. Evaluation des pertes de chaleur

Les pertes dans la chaudire reprsentent la diffrence entre la puissance utile fournie l'eau

alimentaire (Pu) et la puissance contenue dans le combustible (Pt). La nature et le volume de la

chaleur perdue sont fonction de la capacit et de ltat de la chaudire, du type de combustible

et de leau dalimentation. Ces informations nous permettent dvaluer les pertes maximales

admissibles et doptimiser lutilisation de la chaudire.

Les types de pertes thermiques sont :

a) Les pertes par imbrls

b) Les pertes par les fumes (les plus significatives)

c) Les pertes par purge

d) Les pertes par les parois

100'

t

un

GQ

QQ

51

Dans ce qui suit, on valuera chaque type de perte avec plus de dtail.

a) Les pertes par imbrls

Les imbrls sont les mauvais mlanges dair comburant-combustible (cas des solides et

liquides). Les pertes quils engendrent sont faibles dans le cas du gaz Mthane en condition de

marche normale.

b) Les pertes par les fumes

Ces pertes ont dj t values pour le cas du Gaz Naturel Mthane.

Les pertes engendres dans le cas de lutilisation du Fuel peuvent tre values suivant la

composition de la fume dans ce cas (S, CO, H2, NOx), et la temprature de rose qui est trs

leve (>160C).

c) Les pertes par purge

Une purge est un robinet ou une valve qui permet de vider le contenu de la chaudire

contenant leau. On distingue la purge de dconcentration et la purge dextraction.

La purge de dconcentration de la chaudire N4 permet de maintenir une concentration de

sels totaux infrieure au seuil de saturation pour viter la cristallisation des sels sur les tubes de

la chaudire, la purge est ouverte en continu.

La purge dextraction permet dextraire les condensats de la vapeur. Cette opration est faite

la CMCP six fois par jour suivant la qualit de leau avec un temps de purge text8s.

Ces deux purges causent alors des pertes par chaleur sensible qui peuvent tre rduites par un

traitement adquat de l'eau d'alimentation et un bon retour de condensat. Ces pertes sont

fonction de la temprature et du taux de purge qui peut tre dduit des bilans de matire et des

mesures du taux de salinit de l'eau d'alimentation de la chaudire et de l'eau de purge.

La formule donnant les pertes par purge est la suivante :

100**

)(PCIC

HHDpP

cb

Te

e

Ts

p

P

Ts

pH = Enthalpie des fumes la temprature de saturation Ts

52

Te

eH = Enthalpie de l'air la temprature dentre Te

Dp = Dbit de purge

Ou plus simplement :

P (p) = Dp * Hp

Dp : Dbit massique des purges en Kg/s

Hp : Enthalpie de leau sortant des purges la pression P de la chaudire (conditions de

saturation), dans notre cas : Hp = 1087,31 kj/kg

Pour calculer le dbit de purge :

On suppose que les vapeurs sont exemptes de sel et que la conductivit d'eau est

proportionnelle la salinit pour un mme mlange de sels [7].

Par la loi de conservation de la masse, on a :

Masse (sels entrant avec l'eau d'alimentation) = Masse (sels sortant par la purge)

Donc :

(Le dbit deau dalimentation) (la conductivit deau dalimentation) = (le dbit deau

de purge) (conductivit deau de purge)

Soit :

Dpurge = dbit de vapeur concentration en sel d eau alim

concentration en sel eau alim + concentration en sel eau de purge

Donc :

Dpurge = dbit de vapeur conductivit deau alim

conductivit eau alim + conductivit eau de purge

53

Lanalyse de la conductivit des eaux des chaudires est ralise par des conductimtres.

Le taux de purge est donn par la relation suivante [8] :

Taux de purge (%) = Dbit de la purge/ Dbit de la vapeur

Taux de purge (%)= (A/(P-A))100

Tel que :

A : Taux de salinit de leau alimentaire

P : Taux de salinit de leau de purge

d) Les pertes par les parois

La chaudire contient une masse beaucoup plus chaude que son extrieur, en plus elle peut

contenir des parties non irrigues (parois sches) qui s'chauffent directement sous le

rayonnement de la flamme, ce qui produit un change thermique par rayonnement et

convection entre la chaudire et son environnement. Ce sont des pertes de chaleur.

Les pertes par les parois dpendent de la temprature moyenne de l'eau dans la chaudire, de la

configuration de cette dernire et de son isolation. En effet, ces pertes diminuent quand le dbit

relatif de linstallation augmente. Gnralement, ces pertes sont comprises entre 0.5 et 3.5%

[6].

On calcule ces pertes par :

100**5.0)(m

nomR

D

DP

Avec :

D nom et Dm : respectivement le dbit nominal et le dbit actuel de la chaudire.

54

III. Campagne de mesures

Pour lvaluation du rendement thermique de la chaudire, nous nous sommes focaliss dans

notre analyse sur la chaudire N4 qui est la seule en marche actuellement, et sur le

combustible gaz naturel Mthane qui est aussi le seul tre utilis pour la combustion.

Afin de pouvoir calculer le rendement journalier moyen de la chaudire, on a t amen durant

notre tude relever tout dabord des mesures dans le circuit de leau et de la vapeur de :

Dbits avec des dbitmtres

Tempratures avec un thermocouple

Pressions avec un manomtre

Et ce, durant toute la journe du 12/12/2012 avec une frquence dune heure.

Les mesures effectues sont regroupes dans le tableau suivant :

55

PARAMETRE Point de

mesure

10h45 11h45 12h45 13h45 14h45

Eau d'appoint venant de la station de traitement

Q (m3/h) Entre

bche

alimentaire

5,78 5,1 5,2 5,51 6,05

T (C) 25 25 25 25 25

P (bar) 1 1 1 1 1

Eau alimentaire Q (m3/h)

Entre

chaudire

34,31 30 30,8 32,42 35,61 Vta(t) 2697427 2697487 2697527 2697557 2697626 T (C) 99 99 99 99 99 P (bar) 51 50 49 52 50

Consommation de gaz mthane

Q (Nm3/h) Entre

chaudire

2808 2712 2698 2702 2634,8

Vca (Nm3) 735970 736620 736957 737322 738036

T (C) 12 12 12 12 12

P (bar) 1 1 1 0,9 1,1

Production de vapeur

Q (t/h) Sortie

chaudire

30 27 29 29 27

Vt (t) 144 192 228 259 320

T (C) 413 413 419 422 423

P (bar) 35 37 36 37 39

% O2 dans les fumes

% Sortie chemine

4,9 5 4,6 4,9 5,4

Air comburant de la chaudire

Q (Nm3/h) Entre

chaudire

32000 31941 30739 30835 27681

Vt (m3) 152752 202440 240974 273081 337183

T (C) 32 35 35 36 36

P (bar) 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1

Temprature de fume

T (C) Sortie chemine

134 133 132 132 131

Tableau 6. Tableau des mesures effectues le 12/12/2012 dans le circuit eau-vapeur la CMCP

56

Avec :

Vt : Volume total consomm ou produit durant la journe depuis 5h du matin jusqu lheure

de mesure.

Vta : Volume consomm depuis le dbut de la premire utilisation de leau alimentaire.

Vca : Volume consomm depuis le dbut de la premire utilisation du gaz Mthane.

On a utilis la relation suivante pour le calcul des dbits de leau dappoint :

IV. Rsultats des calculs

En utilisant les relations et quations cites auparavant ( II), on a pu calculer le rendement

de la combustion, le rendement de la chaudire, et on a pu valuer les pertes de chaleur pour la

journe du 12/12/2012.

N.B :

On a obtenu lenthalpie de la vapeur partir du logiciel STEAM en entrant les donnes de

la pression et de la temprature de vapeur.

Qeau appoint = 17 % Qeau alimentaire

57

Paramtre Unit 10h45 11h45 12h45 13h45 14h45 Moyenne

Excdent dair (e) % 27,23913043 27,96875 25,1036585 27,2391304 30,9807692 27,8731643

%CO2 dans la fume () % 7,621291035 7,58113293 7,74131031 7,62129104 7,41973631 7,58761004

%H2O dans la fume() % 15,24258207 15,1622659 15,4826206 15,2425821 14,8394726 15,1752201

%N2 dans la fume () % 72,23612689 72,2566012 72,1760691 72,2361269 72,3407911 72,2538366

Pertes par fume (Pfume) KW 3329,020701 3054,40382 1668,51147 1715,28183 1490,60525 2149,22473

Pertes par purge (Ppurge) KW 1744,2427 1569,8185 1686,1013 1686,1013 1569,8185 1627,9599

Pertes par parois (P(R)) kW 53,33333333 59,2592593 55,1724138 55,1724138 59,2592593 57,2891902

Autres pertes (Pa) kW 2659,616287 1294,60008 594,336979 3705,26395 233,72731 1905,2657

Enthalpie de vapeur (Hv) kJ/kg 3253,99 3250,83 3266,14 3271,48 3270,73 3262,705

Energie utile (Qu) kW 23593,916 21210,825 22905,327 22948,344 21360,075 22088,675

Energie fournie (Qf) kW 30857,057 26821,877 26683,404 29692,234 23689,440 26307,315

combustion % 93,27804177 93,3044308 93,5036837 93,4013805 93,2854757 93,3714499

chaudire % 76,67182382 79,2974916 86,0760732 77,4986796 90,4136447 81,9825674

Dbit de purge t/h 5,775054074 5,19754867 5,58255227 5,58255227 5,19754867 5,39005047

Taux de purge % 19,25018025 19,2501802 19,2501802 19,2501802 19,2501802 19,2501802

Energie apporte par leau (Qe)

kW

4028,7564 3522,6666 3616,6044 3806,8284 4181,4053 3813,0909

Energie de combustion (Qc) kW 30874,04 26836,64 26698,09 29708,58 23702,48 26321,7967

Energie transporte par la vapeur (Qv)

kW

27116,5833 24381,225 26310,5722 26353,5889 23530,475 25376,4981

Tableau 7. Rsultats du 12/12/2012 de la chaudire N4 la CMCP

58

Remarque :

Le dbit de purge a t calcul sur la base des analyses des eaux de chaudire faite au

laboratoire de la CMCP ce jour l. Les rsultats des analyses sont les suivantes :

Tableau 8. Analyse des eaux de chaudire N4 du 12/12/2012

PH Us/cm TH (F)

v,msure norme v,msure norme v,msure

Bche alimentaire 8,05 9-9,2 26,7 12 0

CH4 8,65 9,8-10,4 112 254 0

Condensat PM1 8,2 9-9,2 24,3 ***** 0

Condensat PM3 8,06 9-9,2 23,1 ***** 0

Le diagramme suivant reprsente lvolution du rendement de la chaudire durant la journe.

Figure 25. Diagramme dvolution du rendement de la chaudire N4

En plus du rendement de la chaudire, on a prsent la variation du rendement de la

combustion, ainsi que dautres paramtres, en fonction du temps. Ces courbes sont tablies

selon le bilan du jour 12/12/2012.

59

Figure 26. Courbes dvolution des paramtres de la chaudire le jour 12/12/2012

Figure 27. Evolution des pertes de fume sensible le jour 12/12/2012

60

Figure 28. Evolution des pertes par purge le jour 12/12/2012

Figure 29. Evolution des pertes par parois le jour 12/12/2012

Commentaires

Les courbes prcdentes de lvolution des paramtres de la chaudire durant la journe du

12/12/2012 montrent que:

Le rendement de la chaudire varie remarquablement cause de la variation de la charge

(demande au niveau de la fabrication instable) avec un rendement moyen de 81,98%.

Le rendement moyen de la chaudire durant la journe est autour de 81,98%. Ceci montre que

les performances de la chaudire ne sont pas trs bonnes en comparaison avec le rendement

donn par le constructeur qui est de 97%.

61

Sachant que le changement des quipes de travail se fait 5h, 13h, et 21h, on remarque

qu 13h il se produit de grandes variations des paramtres de la chaudire (charge,

rendement, excs dair...), do limpact du changement de personnel sur le rendement.

En ce qui concerne les pertes par chaleur sensible de fume, on remarque daprs la courbe

quelles ont diminu au long de la journe cause de la diminution de la consommation en

gaz Mthane.

Par contre, les pertes par purge sont variables durant la journe. Ceci est peut tre du la

manire avec laquelle les eaux sont purges et aux pertes accidentelles causes par la purge

continue connecte au ballon suprieur.

On remarque que les pertes par parois subissent des variations qui dpendent du dbit de

vapeur produite. En effet, elles augmentent quand le dbit de vapeur diminue et vice-versa.

Les autres pertes ont t dduites laide du bilan thermique. on a trouv une moyenne de

1905,26 kW de pertes autres que celles dj calcules, soit :

% Autres pertes =

+ = 6,32 %

V. Bilans journaliers de la chaudire

Dans cette partie, on va essayer de comparer le rendement de la journe du 12/12/2012

quon a trouv avec celui des jours du mois de Novembre 2012, et qui sera calcul sur la base

des consommations et des productions enregistres dans les bilans de lusine.

La temprature et pression moyennes de la vapeur produite sont respectivement: 380C et

40bar

Lenthalpie de vapeur est donne par le logiciel STEAM : Hv = 3164.81 kj/kg

La temprature deau dalimentation est de 100C donc He = 100kcal/kg.

Le tableau suivant regroupe les rsultats trouvs du rendement de la chaudire pour le mois de

Novembre 2012.

62

Tableau 9. Rendement de la chaudire 4 durant le mois de Novembre 2012

Date Vap prod(T/jour) Qu (Kcal/j)

Conso GN(t/jour) Qt (Kcal/j) Rch4 (%)

01/11/2012 615 404134950 59195 476163396 84,8731661

02/11/2012 640 420563200 61783 496981216 84,6235604

03/11/2012 606 398220780 58228 468384867 85,0199927

04/11/2012 615 404134950 59154 475833593 84,9319922

05/11/2012 594 390335220 57260 460598295 84,7452595

06/11/2012 651 427791630 63685 512280866 83,5072434

07/11/2012 659 433048670 64278 517050946 83,7535784

08/11/2012 539 354193070 51505 414305190 85,49086

09/11/2012 655 430420150 63531 511042093 84,2240112

10/11/2012 644 423191720 61919 498075198 84,9654273

11/11/2012 618 406106340 58965 474313281 85,6198543

12/11/2012 615 404134950 58646 471747251 85,6676852

13/11/2012 27 17742510 3412 27446059,8 64,645017

14/11/2012 428 281251640 41298 332200286 84,6632745

15/11/2012 690 453419700 67123 539936070 83,9765531

16/11/2012 579 380478270 56532 454742277 83,6689899

17/11/2012 618 406106340 59597 479397076 84,7118934

18/11/2012 626 411363380 60031 482888163 85,1881266

19/11/2012 647 425163110 62070 499289839 85,1535676

20/11/2012 615 404134950 58658 471843779 85,6501597

21/11/2012 675 443562750 65001 522866744 84,832848

22/11/2012 652 428448760 62551 503158993 85,1517643

23/11/2012 643 422534590 62147 499909225 84,522263

24/11/2012 663 435677190 64357 517686421 84,1585123

25/11/2012 627 412020510 61237 492589203 83,6438369

26/11/2012 666 437648580 65088 523566570 83,5898632

27/11/2012 650 427134500 62626 503762291 84,7888989

28/11/2012 667 438305710 64280 517067034 84,7676763

29/11/2012 641 421220330 61336 493385557 85,3734617

30/11/2012 644 423191720 61452 494318659 85,6111159

Cumul 18209 1,1966E+10 1756945 1,4133E+10 84,665844

Commentaires

Daprs le tableau prcdent, on constate que le rendement moyen de la chaudire au mois

de Novembre 2012 est de 84,66 %, un rendement qui est trs proche de celui trouv le

12/12/2012, qui est de 81,98 %.

Ce rendement est considr assez bas par rapport au rendement nominal donn par le

constructeur qui est de 97%. Cette dgradation est peut tre due une mauvaise manipulation

63

des pertes thermiques, cest dire les pertes par chaleur sensible de fume, les pertes par purge

et les pertes par parois de la chaudire. Nous suggrons alors une minimisation de ces pertes

par loptimisation de la consommation en eau, en gaz naturel et en air comburant.

VI. Estimation du prix de revient de la vapeur produite

La chaufferie utilise la CMCP a pour but dassurer les ressources en nergie utile sous

forme de vapeur pour lusine, et den minimiser le cot. La bonne gestion de lnergie doit

saccompagner donc dune estimation du prix de revient de la vapeur produite pour vrifier cet

objectif. Le prix de revient dpend de :

- Consommation en combustible (Gaz Naturel).

- Consommation en eau alimentaire.

- Consommation en produits chimique.

- Frais de maintenance et dintervention.

On a :

Prix de revient =

Avec :

Dpenses = Consom(GN)*prix unitaire + Consom(H2O)*prix unitaire + Produits

chimiques *prix unitaire + Maintenance (cot des pices consommes)

Production = Vapeur produite

Le prix de revient de vapeur sera calcul pour le mois de Novembre 2012 en se rfrant aux

consommations releves, et aux enregistrements des achats de la CMCP. La production totale

de vapeur durant ce mois a t de 18209 tonnes de vapeur.

Le tableau suivant donne lestimation du prix de revient de vapeur produite:

64

Tableau 10. Calcul du prix de revient de vapeur (Novembre 2012)

Consommation

(Novembre2012) Prix unitaire Total (MAD)

GN (Nm3) 1756945 1,6 2811112

Eau alimen (m3) 21183 4,5 95323,5

Maintenance

887,66

Intervention

1544

Permat191 (l) 26,27 96,7 2540,309

Mutabisulfit (kg) 33,09 5 165,45

Nalco72350 (l) 120,6 45,79 5522,274

Hydrazine (l) 117,75 17 2001,75

Phosph_TS (kg) 112 6,6 739,2

A.sulfurique (kg) 700 0,7913 553,91

Soude (kg) 250 1 250

TOTAL

2920640,05

Vapeur produite (t)

18209

Cot (MAD/Tv)

160,395412

VII. Conclusion

Cette tude nous permet de dire que le rendement global de la chaudire qui est de 81,98%,

est faible par rapport au rendement prescrit par le constructeur qui est de 97%. En effet, ce

rendement subit des variations brutales de la charge qui causent ainsi des pertes thermiques

importantes.

Par contre, le rendement de la combustion de la chaudire N4 est de lordre de 93,37%, un

rendement qui est plutt stable par rapport au rendement global.

Dautre part, lexcs dair (27,87 %) dpasse les valeurs recommandes (5-15% pour le cas du

combustible mthane), ce qui cause des pertes par chaleur sensible de fume trs importantes

dpassant les 7%. Aussi, llvation du dbit dair dans le foyer de la chaudire produit des

flammes trs longues nuisibles la scurit des tubes cran deau, et provoque une

diminution de la temprature du foyer ainsi quune augmentation de la consommation

nergtique des ventilateurs, do plus de pertes nergtiques.

On a trouv un cot de revient de la vapeur de 160,39 DH/tv, une valeur qui est assez proche

du cot estim par lusine (145 DH/tv).

65

Enfin, on propose une intervention au niveau de la chaudire N4 par llaboration dune

courbe dvolution de la chaudire (excs dair, consommation de combustible en fonction de

la charge), afin doptimiser le fonctionnement. On a remarqu aussi un mauvais

fonctionnement des appareils de mesure lusine (Thermocouple, dbitmtre...) on propose

alors de les rparer et de les talonner pour des mesures plus fiables.

66

Chapitre III

ETUDE DES PERFORMANCES

ENERGETIQUES DE LA CENTRALE THERMIQUE

67

Introduction

La vapeur utile gnre par la chaudire N4 est transmise par le biais des conduites

calorifuges un barillet 40 bars duquel on reprend de la vapeur et on la transmet la turbine

SIEMENS 5 MW installe la centrale thermique. Lnergie thermique de cette vapeur fait

tourner un arbre solidaire des pales de la turbine, ce qui provoque la conversion partielle de

cette nergie en nergie mcanique puis lectrique, do le phnomne de cognration.

Cependant, il se produit l encore des pertes de chaleur lors de la conversion selon ltat de la

turbine et les paramtres du fluide moteur. En effet, des dpts peuvent se produire sur les

aubages provoquant lendommagement de la turbine cause dune vapeur motrice de mauvaise

qualit.

Le but de cette partie est de calculer les performances de la turbine axiale contre pression tout

en valuant ses pertes en termes nergtiques.

Pour cela, on prsentera dabord le fonctionnement de la turbine en question, ainsi que ses

principales caractristiques. Ensuite, on va faire un rappel de son cycle thermodynamique qui

sera exploit pour valuer sa performance nergtique.

I. Gnralits sur les turbines

Une turbine est un dispositif rotatif pouvant transformer partiellement lnergie cintique

d'un fluide liqu

Documents

Rapport CMCP