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&é UNIVERSITÉ MOHAMMED V de RABAT ECOLE MOHAMMADIA D’INGÉNIEURS THÈSE DE DOCTOR

&é UNIVERSITÉ MOHAMMED V de RABAT ECOLE MOHAMMADIA D’INGÉNIEURS THÈSE DE DOCTORAT EN SCIENCES APPLIQUEES Préparée au Laboratoire d'Analyse et Synthèse des Procédés Industriels (LASPI) Centre d’Etudes Doctorales « Sciences et Techniques pour l’Ingénieur » Ecole Mohammadia d’Ingénieurs Spécialité : Génie des Procédés Présentée et soutenue le 1 Décembre 2018 par : Soukaina FELLAOU Contribution à l’amélioration des performances énergétiques de l’industrie : Analyse énergétique et exergétique avancée d’une cimenterie marocaine Membres du jury Pr. Mohamed TAHIRI PES, Ecole Mohammadia d’ingénieurs, Rabat. Président Pr. Tijani BOUNAHMIDI PES, Ecole Mohammadia d’ingénieurs, Rabat et UEMF, Fès. Directeur de la thèse Pr. Abdellatif TOUZANI PES, Ecole Mohammadia d’ingénieurs, Rabat. Rapporteur Pr. Mostafa MAÂLMI PES, Ecole Nationale Supérieure des Mines, Rabat. Rapporteur Pr. Mohamed MADA PES, Ecole Mohammadia d’ingénieurs, Rabat. Rapporteur Pr. Souad ABDERAFI PES, Ecole Mohammadia d’ingénieurs, Rabat. Examinateur Pr. Hamza KETTANI Professeur émérite et Président de la Fondation scientifique Kettani, Rabat. Invité Mme. Mina OUATTASSI Chef de division « Efficacité énergétique », Ministère de l’Energie, des Mines, de l’Eau et de l’Environnement, Rabat. Invitée I “Energy efficiency is truly fundamental to the world’s economy. It is the basic, fundamental building block of the world’s economy. It is unlike any other commodity.” Dick Cheney, 46th US Vice-President (speaking as the CEO of Halliburton in 1999) II Dédicaces À la mémoire de mon défunt père Mohammed FELLAOU. À ma mère Hakima BELHORMA qui m’a toujours garanti un cadre d’études convenable. A tous les membres de ma famille je dédie cette thèse... III Remerciements La réalisation d'une recherche n'est toujours pas d'un maniement facile. Elle nécessite la persévérance de l'étudiant (e) mais aussi la disponibilité et le soutien des uns et des autres. Qu'il me soit permis d'exprimer ma gratitude à tous ceux qui ont apporté leur précieuse contribution à l'élaboration de ce mémoire. Je tiens tout d'abord à adresser mes vifs remerciements à mon directeur de recherche, le Professeur Tijani BOUNAHMIDI pour sa supervision, ses conseils et surtout pour sa patience. Nous avons ensemble parcouru un cheminement entravé d'embûches mais sa compétence et sa bienveillante attention accordée aux différentes étapes de la recherche m'ont conduit à renforcer davantage ma conviction dans la réalisation du travail. Mes plus sincères remerciements à mon examinatrice le Professeur Souad ABDERAFI et mes trois rapporteurs, les Professeurs Abdellatif TOUZANI, Mostafa MAALMI et Mohamed MADA, pour le temps qu’ils ont accordé à la lecture de cette thèse et à la rédaction de leur rapport. Je tiens à remercier le Professeur Mohamed TAHIRI pour avoir accepté la présidence de mon jury, cela a été un honneur. Je le remercie pour ses conseils et pour l’intérêt porté à mes travaux de recherche. Enfin, j’exprime toute ma gratitude envers Mina OUATTASSI, nos discussions ont toujours été d’une grande richesse et ont contribué au développement de mes travaux. Un grand merci au professeur Hamza KETTANI, ce fut un réel plaisir de vous compter parmi les membres du jury. Que mon beau frère Houssaine EL GHAYATI trouve ici l’expression de ma profonde reconnaissance pour les précieux conseils qu’il m’a prodigués et pour son soutien moral au cours de tout mon parcours académique. Je n’oublie évidemment pas mes amis et camarades doctorants pour toutes ces tranches de vie partagées, pour ces moments de soutiens tant scientifiques que moraux. Je remercie également ma famille, et plus particulièrement ma grand-mère Zoubida, mon frère et beaux frères : Mohammed, Khalid et Badr, mes sœurs et belles sœurs : Laila, Mounia, Sarra, Khouloud et Hassnae, pour m’avoir encouragé et permis d’arriver jusqu’ici dans la sérénité. Je réserve le meilleur remerciement à mon mari Aziz pour m’avoir si bien soutenu et parfois supporté, pour m’avoir encouragé et écouté ! IV Résumé L’industrie cimentière est le secteur industriel le plus consommateur d’énergie au Maroc (69 kep pour chaque tonne de production en 2015). Pour faire face à cette hausse, les industriels ont donc tout intérêt à réduire leur consommation énergétique pour des économies financières importantes et évitement de quantités de gaz à effet de serre considérables, répondant ainsi aux exigences de la stratégie nationale d’efficacité énergétique. La présente thèse vise à contribuer à l’amélioration des performances énergétiques d’une cimenterie marocaine dans sa globalité. Dans une première partie, une élaboration de l’analyse détaillée des bilans de matière par rapport aux substances et aux atomes a été effectuée. Une analyse des mesures collectées pour ce faire a été menée. Des mesures redondantes ont été validées par la technique des multiplicateurs de Lagrange avant d’être employées pour le calcul des variables non mesurées. Ensuite, une analyse détaillée des bilans énergétiques a été développée. Ceci a permis d’évaluer les enthalpies des courants d'entrées et de sorties, ainsi que celles liées à la fragmentation de la matière, au niveau des broyeurs, et aux réactions chimiques (combustion, calcination, clinkerisation), au niveau du précalcinateur et du four, de même que les pertes thermiques. L’efficacité énergétique de la cimenterie étudiée a été ainsi évaluée à 55%. Dans une seconde partie, une analyse exergétique à l'échelle de cette cimenterie a été effectuée. Celle-ci a permis de déterminer les sources d’irréversibilités intervenant au sein de chaque sous- système et de définir des objectifs à atteindre pour améliorer l’efficacité énergétique de la cimenterie analysée. L’efficacité exergétique du procédé a été évaluée à 41%. Les résultats des bilans exergétiques sont représentés graphiquement dans le diagramme ternaire exergétique. Celui-ci permet de visualiser tous les aspects de l’analyse exergétique, à savoir l’irréversibilité, les pertes externes et les efficacités exergétiques des unités composant le procédé. Il a permis ainsi de faire apparaître deux sources principales d’inefficacité : le préchauffeur /calcinateur et les deux broyeurs cru. Ceci est dû essentiellement aux irréversibilités des réactions chimiques et aux écarts de température importants entre les courants d'entrée et de sortie. Une analyse exergétique avancée a été menée pour obtenir des informations sur le caractère évitable ou non des irréversibilités. Cette analyse a montré notamment que 81%, 13 % et 6% des irréversibilités des systèmes de préchauffage /calcination et de broyage cru, respectivement, sont inévitables. En revanche, des améliorations peuvent être effectuées pour réduire la part évitable de ces irréversibilités. Les potentiels d’amélioration de l’efficacité énergétique ont été ensuite examinés à la lumière de la littérature scientifique. L’implantation d’une unité de récupération de la chaleur résiduelle reliée au système de traitement des gaz d'échappement du four a été proposée dans ce sens sur la base d’une étude de faisabilité technico-économique. Mots-clés. Efficacité énergétique, Efficacité exergétique, Economie d’énergie, Industrie cimentière. V Abstract The cement industry is the most energy-intensive industrial sector in Morocco (69 kep for each ton of production in 2015). To cope with this increase, industrialists have every interest in reducing their energy consumption for significant financial savings and avoidance of significant quantities of greenhouse gases, thus meeting the requirements of the national strategy of energy efficiency. The present thesis aims to contribute to improving the energy performance of a Moroccan cement plant as a whole. In the first part, a detailed analysis of the material balance with respect to substances and atoms was carried out. An analysis of the measurements collected for this purpose was conducted. Redundant measurements were validated by the Lagrange multiplier technique before being used for the calculation of unmeasured variables. Then, a detailed analysis of energy balances was developed. This made it possible to evaluate the enthalpies of the input and output currents, as well as those related to the fragmentation of the material, in the mills, and to the chemical reactions (combustion, calcination, clinkerisation), in the precalciner and the rotary kiln, as well as heat losses. The energy efficiency of the cement plant studied was thus evaluated at 55%. In the second part, an exergy analysis across the studied cement plant was performed. It has identified sources of irreversibility occurring within each subsystem and set targets for improving the energy efficiency of the analyzed cement plant. The exergy efficiency of the process was evaluated at 41%. The results of the exergy balances are graphically represented in the exergetic ternary diagram. This one allows visualizing all the aspects of the exergy analysis, namely the irreversibility, the external losses and the exergetic efficiencies of the units composing the process. It has thus revealed two main sources of inefficiency: the preheater / calciner and the two raw mills. This is mainly due to the irreversibilities of the chemical reactions and the large temperature differences between the input and output currents. An advanced exergy analysis was conducted to obtain information on the avoidability or otherwise of irreversibilities. This analysis showed in particular that 81%, 13% and 6% of the irreversibilities of the preheating / calcination and raw milling systems, respectively, are unavoidable. On the other hand, improvements can be made to reduce the avoidable share of these irreversibilities. Energy efficiency potential improvements were then examined in the light of the scientific literature. The implantation of a waste heat recovery unit connected to the kiln exhaust gas treatment system has been proposed in this sense on the basis of a technical-economic feasibility study. Keywords: Energy efficiency, exergy efficiency, energy uploads/Management/ these 3 .pdf