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Carte des flux énergétiques et des perspectives d'efficacité énergetique dans une fonderie d'aluminium: Cas d'Aluminium/SOCATRAL

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par Jean-aimé NGOLLO MATEKE
Université de Yaoundé I - DEA de physique option énergétique 2008
  

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II.1.2.9- Effets d'anodes

L'aluminium de première fusion est produit dans des usines d'électrolyse par un courant électrique traversant un bain électrolytique et un mélange d'alumine situés dans des contenants électrochimiques, les «cuves», reliés en série dans une «salle de cuves»

Pour assurer une bonne performance d'électrolyse, la teneur en alumine du bain électrolytique d'une cuve doit être optimisée et demeurer stable dans le temps. Ce facteur est difficile à contrôler et un «effet anodique» se produit périodiquement lorsque la teneur en alumine du bain électrolytique est trop faible.

Lorsque cela se produit, la conductivité électrique de l'électrolyte diminue énormément et celui-ci réagit avec l'anode, produisant ainsi des émissions gazeuses de perfluorocarbures (PFC), dont les effets sont très nocifs pour l'environnement. Par exemple, 1 kilo de PFC (composé à environ 90 % de CF4 et à 10 % de C2F6) a le même effet sur la couche d'ozone que 6 500 kilos de CO2 (CF4) et 9 200 kilos de CO2 (C2F6). Il détériore également l'anode.

Solutions :

Carte de flux énergétiques et perspectives d'efficacité dans une
fonderie d'aluminium: cas particulier d'alucam/socatral

Il faut donc réduire au maximum les effets d'anode en surveillant automatiquement la teneur en alumine dans le bain électrolytique.

II.2- Caractéristiques des combustibles

Dans les alumineries pour atteindre des fortes températures on a recourt à la combustion. Après l'obtention de l'aluminium liquide provenant de l'atelier d'électrolyse, on achemine cet aluminium dans l'atelier de fonderie pour la mise en forme de l'aluminium en lingots, pour ce fait on dispose des fours dans lesquels on brûle les combustibles qui ici sont des hydrocarbures le fuel lourd.

II.2.1 Définition de la combustion

La combustion est une réaction chimique dans laquelle un oxydant réagit avec un combustible pour libérer son énergie thermique emmagasinée sous forme de gaz à haute température. Cette réaction, lorsqu'elle est théoriquement optimale est appelée combustion stoechiométrique. Elle survient lorsque la quantité d'agent oxydent théoriquement nécessaire, sous forme d'oxygène dans l'air ou d'un mélange à base d'oxygène, est ajouté à un combustible.

II.2.2- Énergie dégagée et pouvoir calorifique

La quantité d'énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie de réaction. Dans les domaines d'application (fours, brûleurs, moteurs à combustion interne, lutte contre incendie), on utilise souvent la notion de pouvoir calorifique, qui est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg-1).

Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous forme de vapeur. Cette vapeur d'eau contient une grande quantité d'énergie. Ce paramètre est donc pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique, et l'on définit :

· le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : « Quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée »

· le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : « Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée »

La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l'eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m), qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg-1 (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température).

Carte de flux énergétiques et perspectives d'efficacité dans une
fonderie d'aluminium: cas particulier d'alucam/socatral

On a la relation PCS = PCI + m·Lv.

II.2.3 - combustion stoechiométrique

Une combustion est dite stoechiométrique lorsqu'elle se déroule sans excès d'air et sans imbrûlés. Lors d'une combustion stoechiométrique, le réactif brûlera en présence de dioxygène (comburant), ce qui limite les produits de la réaction. Quand un hydrocarbure brûle dans le dioxygène, les produits sont ainsi uniquement du dioxyde de carbone et de l'eau. Quand des éléments comme le carbone, l'azote, le soufre, et le fer sont brûlés, on remarque la production des oxydes les plus communs.

Réactifs

produits

Chaleur dégagée

Carbone

Dioxyde de carbone

81133 kcal//kg

Dihydrogène

De l'eau

34500 kcal/kg

Soufre

Dioxyde de soufre

2224 kcal/kg

 

Cette combustion théorique est cependant impossible à atteindre dans un appareil de combustion de type commercial où le mélange air/combustible n'est jamais parfaitement distribué. C'est pourquoi, en pratique, on ajoute toujours une quantité additionnelle d'air appelée « excès d'air ».

II.2.4 - combustion complète avec excès d'air

On s'assure ainsi que tous les éléments combustibles rencontrent l'oxygène excédentaire. Ce supplément d'air varie selon plusieurs facteurs et se situe généralement autour de 10 %. L'excès d'air peut varier également selon la modulation de production de chaleur demandée au brûleur du four. En général, un brûleur opérant à charge partielle a plus de difficultés à obtenir un mélange air/combustible adéquat. C'est pourquoi on ajuste souvent l'excès d'air à la hausse pour une faible charge. Par exemple, un brûleur ayant 10 % d'excès d'air à pleine capacité pourra en utiliser jusqu'à 30 % lorsqu'il fonctionnera à 25 % de sa capacité. Ce surplus de consommation énergétique, utilisé principalement comme sécurité, doit être optimisé et être vérifié sur une base régulière, afin d'assurer une saine gestion de la consommation énergétique du procédé de combustion.

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