1. Efficacité énergétique dans les industries de procédés

Les préoccupations environnementales deviennent de plus en plus pressantes alors que les manifestations du réchauffement climatique causent divers dégâts à travers le monde. De nombreuses entreprises ont accepté de jouer leur rôle et ont intégré la protection de l'environnement, souvent par le biais d'économies d'énergie, dans leurs politiques d'entreprise. Si, pour certaines activités, les principaux consommateurs d'énergie sont bien identifiés, les entreprises œuvrant dans le domaine de la manutention des solides en vrac peinent parfois à trouver des moyens évidents d'améliorer leur empreinte environnementale, d'évaluer l'impact des changements ou de construire des propositions d'investissement viables visant à économiser l'énergie.

Cet article vise à examiner les différents potentiels d'économies d'énergie que les entreprises exploitant ou concevant des procédés de manutention de poudres peuvent débloquer. Il se concentre sur les opérations unitaires courantes présentes dans presque tous les procédés de solides en vrac (transport pneumatique, mélange, filtres à impulsions, etc.). D'autres sources d'économies peuvent être trouvées, mais elles peuvent être plus spécifiques aux industries où le procédé est exploité et ne sont pas détaillées dans cet article (séchage par pulvérisation, traitement de l'air dans l'agroalimentaire ou les pharmaceutiques, etc.).

Des exemples de calculs d'économies sont donnés dans l'article. Ils visent à aider le lecteur à évaluer l'ordre de grandeur du gain pouvant être attendu et à le guider dans la construction d'un dossier destiné à la direction de l'usine pour mettre en œuvre les changements nécessaires.

2. Comment réduire la consommation d'énergie des procédés de solides en vrac ?

2.1 Transport pneumatique : Phase diluée

Le transport pneumatique constitue un pilier dans le traitement des solides en vrac, offrant des solutions polyvalentes pour le transport des matériaux. Le transport en phase diluée, caractérisé par des solides en suspension dans l'air de transport, représente une méthode répandue en raison de sa simplicité et de son adaptabilité. Cependant, l'optimisation des systèmes de transport en phase diluée est essentielle pour réduire la consommation d'énergie. Modifications à envisager : Pratiques opérationnelles améliorées : Collaborez avec des experts en transport pneumatique pour affiner les paramètres de transport, optimisant la vitesse du soufflante et le rapport de charge en solides pour une meilleure efficacité énergétique. Intégration de l'automatisation : Implémentez des minuteries et des variateurs de fréquence pour réguler le fonctionnement des soufflantes, réduisant ainsi le gaspillage d'énergie pendant les périodes d'inactivité.

Dans les industries de traitement des solides en vrac, le transport pneumatique est l'une des solutions privilégiées pour transférer les matériaux entre les opérations unitaires. Il peut s'adapter à toutes sortes de configurations et offre un bon confinement des matériaux. Le transport pneumatique en phase diluée, pour lequel les solides transportés sont en suspension dans l'air de transport, est l'un des procédés les plus répandus car il est assez simple à concevoir et à exploiter.

Le dispositif de déplacement d'air est généralement une soufflante Roots, qui peut être positionnée soit au début de la ligne (phase diluée sous pression), soit à la fin de la ligne (phase diluée sous vide).

L'expérience montre que l'exploitation de la ligne de transport n'est pas toujours bien maîtrisée par les opérateurs de l'usine. Ce qui est primordial pour les opérateurs, c'est que la ligne ne se bloque pas et atteigne un débit défini ; ils sont donc tentés de faire fonctionner la soufflante à grande vitesse, ce qui leur semble plus sûr (ce qui, en réalité, n'est pas tout à fait vrai). Ces soufflantes sont équipées de moteurs de plusieurs kW.

L'ingénieur recherchant des économies d'énergie peut alors effectuer un contrôle rapide en calculant la vitesse de l'air dans le tuyau de transport et le rapport de charge en solides. En effet, les lignes de transport en phase diluée ont généralement une vitesse de 20 à 30 m/s à la fin de la ligne et un rapport de charge en solides d'environ 5 à 10. Si les valeurs calculées pour la ligne sont significativement différentes, avec une vitesse de transport plus élevée et un rapport de charge en solides plus faible, il peut alors y avoir une possibilité de réduire la vitesse de la soufflante et d'économiser de l'énergie. Un essai peut être organisé (toujours effectuer une analyse des risques) avec l'aide d'un expert en transport pneumatique pour trouver les paramètres de transport optimaux.

Exemple

Une soufflante est utilisée pour transporter un produit à 4,5 t/h dans une usine, tandis que l'usine se plaint d'une forte casse du produit.

Conditions actuelles

• Soufflante à 100 %
• Les données de performance de la soufflante indiquent, sous une pression de refoulement de 520 mbar g, un débit de 1066 Nm³/h et une puissance sur l'arbre de 20,6 kW.
• La vitesse de l'air au point de prélèvement du produit est alors de 29,8 m/s dans les conditions de refoulement de la soufflante.
• Le rapport air/solides est de 4,5/1,3 = 3,46

Dans la plupart des cas, la vitesse de prélèvement requise est d'environ 16 à 20 m/s (elle peut être déterminée par l'expérience ou estimée grâce à des corrélations calculant la vitesse de saltation). Le rapport de charge en solides pour un transport en phase diluée peut être compris entre 5 et 10. L'ingénieur conseille un essai pour faire fonctionner la soufflante plus lentement, en visant 20 m/s au début de la ligne.

Nouvelles conditions

• Soufflante à 66 %, refoulant environ 700 Nm³/h d'air
• L'essai montre une chute de pression de 400 mbar g. Les données de performance de la soufflante sont utilisées pour calculer la puissance sur l'arbre pour cette vitesse et cette pression : 11 kW.
• Le rapport de charge en solides est de 4,5/0,858 = 5,2
• La pression est stable et l'ingénieur décide de continuer à faire fonctionner ces conditions.

Les économies peuvent être calculées de la manière suivante :

• La ligne fonctionne 8000 h/an
• Économies totales (20,6 - 11) * 8000 = 76 800 kWh
• Prix du kWh dans le pays = 10 centimes
• Économies = 7 680 USD/an

Il est intéressant de noter que l'optimisation de la vitesse de l'air présente également l'avantage de réduire l'attrition du matériau pendant le transport et l'usure des tuyaux, apportant ainsi des avantages en termes de qualité et de maintenance.

Un autre point intéressant concernant le transport en phase diluée est que, dans de nombreux cas, la ligne fonctionne... sans transporter de produit ! Pour simplifier l'automatisation et éviter les risques liés aux démarrages et arrêts fréquents de la soufflante, les opérateurs de l'usine peuvent être tentés de laisser simplement la soufflante fonctionner entre deux transferts de produit. Cela constitue un gaspillage d'énergie qui peut être facilement évité en implémentant une minuterie pour arrêter automatiquement le système après un certain temps et, pour les soufflantes à variateur de fréquence, réduire la vitesse de la soufflante pendant les temps d'attente. Cela peut rapidement générer des économies intéressantes pour l'usine, sans coût.

2.2 Transport en phase dense sous pression

Stratégies d'optimisation : Évaluation du régime de transport : Évaluez la vitesse de l'air et le rapport de charge en solides pour garantir un fonctionnement en mode phase dense, minimisant ainsi la consommation d'air comprimé. Réglage des paramètres : Affinez les minuteries et les réglages des vannes pour obtenir un transport efficace des matériaux tout en minimisant la consommation d'énergie. Élimination des opérations de rinçage : Évitez les opérations de rinçage inutiles de la ligne après le transfert pour réduire davantage la consommation d'énergie.

Le transport en phase dense sous pression peut également être une source importante de gaspillage d'énergie si le procédé n'est pas bien maîtrisé ou entretenu. Les solides sont transportés grâce à de l'air comprimé qui pressurise les cuves de soufflage et la ligne de transport. Comme l'air comprimé est en réalité coûteux à produire, toute surconsommation entraînera rapidement des coûts substantiels.

Vérifier les paramètres de transport et, en particulier, calculer le débit massique d'air effectivement utilisé pour transporter le produit est un bon réflexe. Le transport en phase dense sous pression doit être conçu pour fonctionner à basse vitesse, typiquement 3-8 m/s, et avec un rapport de charge en solides élevé, typiquement > 30. Si l'ingénieur conclut que la vitesse de l'air est significativement plus élevée et que le rapport de charge en solides est significativement plus faible que ces valeurs, il y a probablement une marge d'amélioration. Atteindre le bon régime de transport réduira la consommation d'air et générera des économies.

Exemple

Une usine transporte une matière première en phase dense. Lorsque l'ingénieur étudie les tendances du procédé, il réalise que la pression est assez faible, ce qui l'incite à calculer le rapport de charge en solides. La ligne transporte 4,5 t/h de produit et utilise environ 350 Nm³/h.

Conditions actuelles

• Rapport solides/air = 4500 / (350 * 1,2) = 10,7

10,7 est un faible rapport de charge en solides, le transport n'est probablement PAS en phase dense. L'ingénieur consulte le rapport des essais pilotes et obtient l'information que ce produit peut être transporté avec un rapport de 30.

Nouvelles conditions

• Le débit d'air de transport peut être calculé pour un rapport de 30 : 4500 / (30 * 1,2) = 125 Nm³/h
• Un essai est organisé. L'ingénieur ajuste les minuteries pour l'ouverture des différentes vannes d'air dans le système et obtient une pression stable. La pression de transport est plus élevée, car il y a plus de matière dans la ligne, mais le transport est effectué en phase dense.

Économies

• La ligne consomme 225 Nm³/h d'air comprimé en moins
• Coût de 1 Nm³ d'air comprimé dans l'usine = 1 centime

La ligne fonctionne environ 4000 h par an (transport par lots)

• Économies = 225 * 4000 * 0,01 = 9 000 USD

Les systèmes de transport en phase dense doivent être conçus pour éviter les rinçages intenses de la ligne à la fin d'un transfert (même si cela peut être nécessaire en raison de certaines spécificités du produit). Éliminer une telle opération de la séquence de transport peut également conduire à des économies.

2.3 Filtres

Efficacité opérationnelle : Optimisation des intervalles de pulsation : Déterminez les intervalles de pulsation optimaux en fonction de la charge de poussière et de la taille du filtre pour minimiser la consommation d'air comprimé. Surveillance de la perte de charge : Mettez en place une surveillance de la perte de charge pour affiner les intervalles de pulsation et garantir un nettoyage efficace des filtres sans dépense énergétique inutile. Utilisation de l'automatisation : Employez des systèmes d'automatisation pour réguler les intervalles de pulsation et synchroniser le nettoyage des filtres avec les exigences opérationnelles pour une efficacité énergétique accrue.

De nombreux filtres sont équipés d'un système de pulsation d'air comprimé pour les déboucher. C'est particulièrement le cas des filtres situés aux récepteurs des lignes de transport, qui sont généralement assez grands (plusieurs m²). Le système de pulsation est très souvent régi par une minuterie dont l'intervalle est très fréquent. En visitant une usine, on peut facilement entendre un filtre dont le système de pulsation n'est pas correctement réglé et qui gaspille donc de l'air comprimé.

Pour de tels filtres, une pulsation toutes les 30 s à 1 min est généralement un bon point de départ, qui peut être affiné en surveillant la perte de charge à travers le filtre et en ajustant en conséquence. Il n'est également pas nécessaire de faire fonctionner le rétro-lavage du filtre longtemps après la fin du transport. Les économies potentielles sont généralement plus significatives que prévu par les propriétaires d'usines lorsqu'ils considèrent tous les filtres présents dans un procédé.

Exemple

Un filtre de petite taille de 6 m² est équipé d'un système de pulsation avec un réservoir d'air de 10 litres comprimé à 4 bar g pour nettoyer le filtre. Le filtre est nettoyé toutes les 15 s, mais la charge de poussière est faible, ce qui incite l'ingénieur à essayer de modifier la pulsation à 1 min.

Conditions actuelles

• Consommation d'air / h = (3600/15) * 4 * 10 = 9600 l/h = 9,6 Nm³/h

Nouvelles conditions

• Consommation d'air / h = (3600/60) * 4 * 10 = 2400 l/h = 2,4 Nm³/h

Économies

• Fonctionnement de la ligne = 8000 h/an
• Économies = (9,6 - 2,4) * 8000 = 57 600 Nm³/an
• Avec un coût de 1 Nm³ à 1 centime, les économies s'élèvent à 576 USD/an
• Comme il y a de nombreux filtres de ce type dans une usine, les économies peuvent s'élever de centaines à milliers de dollars par an. Les économies seront plus ou moins importantes en fonction de la taille du filtre, car les grands filtres peuvent avoir des collecteurs d'air comprimé allant jusqu'à 30 l.

2.4 Mélange (par lots)

Les mélangeurs sont généralement équipés de moteurs de plusieurs kW. L'optimisation du procédé ici ne permet pas toujours de réaliser des économies très importantes, mais elle aide à instaurer une mentalité qui, appliquée à l'ensemble de la ligne de traitement des poudres, contribuera positivement aux économies de coûts et à la préservation de l'environnement.

L’objectif ici est d’optimiser le temps de mélange afin que le moteur du mélangeur ne fonctionne que lorsque cela est nécessaire. Les observations industrielles montrent en effet que les mélangeurs en discontinu (par lots) sont souvent exploités loin de leur point optimal. Réaliser une validation correcte du mélange permettra de définir le temps de mélange minimal nécessaire pour atteindre l’objectif d’homogénéité fixé par le fabricant. Économiser 1 à 5 minutes par lot peut être significatif lorsqu’un mélangeur est utilisé très fréquemment. Le calcul des économies potentielles est expliqué ci-dessous. Il convient cependant de noter que l’optimisation du temps de cycle du mélangeur aura pour conséquence principale d’augmenter la capacité de production, réduisant ainsi les coûts, évitant l’investissement dans de nouveaux équipements et générant des économies substantielles.

Exemple

Une usine exploite un mélangeur à pales à double arbre équipé d’un moteur de 15 kW

Situation actuelle

• Temps total de mélange = 4 min

L’ingénieur estime que les mélangeurs à pales à double arbre sont conçus pour des temps de mélange courts, de l’ordre de 1 à 2 min. Comme il existe un potentiel d’optimisation, une nouvelle validation de l’homogénéité est réalisée. Celle-ci montre que le mélange atteint l’objectif d’homogénéité après 2 minutes.

Nouvelle situation

• Temps total de mélange = 2 min

Économies

• 10 lots / h, 5000 h/an (en tenant compte des temps d’arrêt pour changement de série, etc.)
• 10 × 5000 = 50 000 lots / an
• Économies = 50 000 × 2 / 60 × 15 = 25 000 kWh
• Coût estimé à 10 centimes / kWh, économies = 2 500 USD / an

2.5 Conception

Principes de conception pour les économies d’énergie : Simplification de l’implantation : Privilégiez des configurations d’implantation simples pour minimiser les pertes de charge et la consommation d’énergie. Optimisation des équipements : Assurez-vous que le dimensionnement des équipements est adapté pour éviter une dépense énergétique inutile. Intégration de l’automatisation : Concevez des systèmes automatisés pour optimiser le fonctionnement des équipements et minimiser le gaspillage d’énergie pendant les périodes d’inactivité. Maximisation de l’écoulement par gravité : Privilégiez l’écoulement des matériaux par gravité pour réduire la dépendance aux convoyeurs mécaniques ou pneumatiques, économisant ainsi de l’énergie.

Bien que de nombreuses économies d’énergie puissent être réalisées en optimisant des installations existantes, les gains seront encore plus significatifs sur les plans environnemental et économique s’ils sont intégrés dès la phase de conception. Les conseils suivants doivent être appliqués pour concevoir une installation de manutention de produits en vrac compétitive :

• Conception simple des lignes de transport pneumatique : une longueur supplémentaire et des coudes entraînent des pertes de charge et donc une consommation énergétique accrue
• Déterminer expérimentalement la vitesse minimale de transport du matériau à convoyer. Comme le montre la pratique, une vitesse supérieure à celle requise entraîne une surconsommation énergétique importante
• Contrôler les marges considérées par le fabricant : les soufflantes sont parfois surdimensionnées
• Un refroidisseur final est souvent positionné après une soufflante dans les installations de transport pneumatique en phase diluée sous pression : cela n’est pas toujours nécessaire. Ne l’installez que si le système ou le produit ne supporte pas l’augmentation de température due à la compression de la soufflante.
• Pour la phase dense, réaliser des essais expérimentaux afin de concevoir une ligne capable de transporter le ratio solide/gaz le plus élevé possible
• Concevoir le système d’automatisation pour éviter qu’une ligne fonctionne sans produit. Prévoir une minuterie pour arrêter la ligne si aucune demande n’est effectuée pendant un certain temps.
• Privilégier l’écoulement des poudres par gravité, ce qui permet de réduire l’utilisation des lignes de transport, mécaniques ou pneumatiques
• Veiller à ce que l’air traité ne soit pas perdu mais recyclé

2.6 Maintenance

Maintien de l’efficacité : Inspections régulières : Effectuer des inspections périodiques des systèmes d’air comprimé pour détecter et corriger les inefficacités, garantissant ainsi un fonctionnement optimal. Détection des fuites : Utiliser des mécanismes de détection de fuites pour identifier et réparer rapidement les fuites d’air comprimé, évitant ainsi le gaspillage d’énergie. Formation des opérateurs : Fournir une formation complète aux opérateurs sur la maintenance et l’optimisation des systèmes d’air comprimé, favorisant une culture de conscience énergétique et d’efficacité.

S’assurer que le processus est économe en énergie dès sa conception est une première étape nécessaire. Cependant, à long terme, les économies se concrétiseront grâce à une maintenance rigoureuse des équipements. Cela est particulièrement vrai pour la consommation d’air comprimé, car les régulateurs de pression peuvent facilement être mal réglés ou les électrovannes tomber en panne avec le temps, entraînant une augmentation de la consommation d’air comprimé.

Tous les réglages d’air comprimé doivent être cartographiés et contrôlés régulièrement, au moins une fois par semaine, par les opérateurs. Ces inspections régulières sont également l’occasion d’identifier les fuites d’air comprimé qui surviennent de temps en temps au niveau des raccords et qui peuvent s’avérer très coûteuses si elles ne sont pas traitées immédiatement.

3. Conclusions

Il est possible d’identifier de nombreuses sources d’économies d’énergie dans un processus de manutention de produits en vrac ; cet article n’en aborde que certaines. Les économies ne sont pas toujours individuellement très élevées, mais une approche systématique permettra de cumuler les différentes sources d’économies, ce qui peut améliorer significativement la compétitivité d’un processus. Une instrumentation adaptée et une maintenance rigoureuse de l’installation garantiront qu’elle fonctionne proche de son optimum énergétique et contribueront à développer une conscience environnementale au sein de l’entreprise.

En résumé :

Tableau 1 : Conseils pour les économies d’énergie dans les industries de traitement des poudres

Domaine	Conception	Économies de	Exploitation
Transport pneumatique en phase diluée	Électricité	# Ne pas surdimensionner excessivement l’installation # Travailler sur la conception des canalisations pour la rendre aussi simple que possible, cela réduira les pertes de charge et la consommation d’énergie # Utiliser des outils de calcul de conception éprouvés pour optimiser la conception	# Prévoir des minuteries pour arrêter la soufflante si aucun transport n'a lieu pendant un certain temps # Ajuster la vitesse de la soufflante pour optimiser la vitesse de transport. Un transport à vitesse excessive consommera beaucoup d'électricité et risque d’endommager le matériau # Surveiller la pression pour s'assurer qu'il n'y a pas d'obstruction pouvant entraîner des taux de compression plus élevés et une surconsommation d’énergie
Transport pneumatique en phase dense	Air comprimé (Électricité)	# Réaliser des essais pilotes pour optimiser le ratio de charge solide, moins d’air par kg de produit transporté réduira la charge sur les compresseurs et générera des économies	# Éviter la purge en fin de transport lorsqu’elle n’est pas nécessaire, cela consomme beaucoup d’air comprimé # Vérifier les régulateurs de pression pour éviter une surconsommation d'air comprimé. Recalculer périodiquement le ratio de charge solide pour vérifier que la ligne fonctionne correctement
Mélange	Électricité	# Optimiser la conception pour que l’équipement soit utilisé au maximum de ses capacités	# Optimiser le temps de mélange pour éviter que le moteur de plusieurs kW du mélangeur ne tourne trop longtemps sans amélioration de l’homogénéité
Climatisation	Électricité, vapeur, eau glacée	# Réduire les fuites d’air du bâtiment # Recirculer l'air process propre chaque fois que possible, cela réduira le besoin de traitement de l'air externe. Le CTA doit être conçu à cet effet	# Suivre la température ambiante et l'humidité relative de l'air, vérifier qu'elles restent dans les spécifications
Maintenance générale	Air comprimé (Électricité)		# Établir une liste de contrôle pour l'inspection de tous les détendeurs dans les lignes de process, en particulier pour le soufflage d'air des garnitures mécaniques d'étanchéité, filtres des systèmes de nettoyage par impulsions d'air ou systèmes de fluidisation des trémies (lits fluidisés)