Le ciment est l’un des produits les plus utilisés au monde. Mais la demande est particulièrement forte en Chine, qui est le premier producteur mondial de ciment. Le ciment est un ingrédient essentiel pour les infrastructures et les logements qui soutiennent la population de plus en plus urbaine du pays et les mégapoles en pleine croissance.
Si une demande constante est une bonne nouvelle pour les producteurs chinois, l’industrie du ciment est énergivore et dépend fortement du charbon comme combustible.
« Le charbon est une source majeure de gaz à effet de serre », a déclaré Alessandro Masiello, directeur, Rockwell Automation. « Les producteurs de ciment chinois cherchent des moyens non seulement de réduire les coûts de carburant, mais aussi de respecter les réglementations environnementales. »
Récemment, le principal producteur de ciment du pays s’est tourné vers Rockwell Automation pour trouver une meilleure façon d’optimiser ses procédés, de réduire la consommation de carburant – et de maîtriser les coûts.
Variables complexes
La production de ciment est un processus complexe qui commence dans le broyeur de matières premières, où le calcaire et d’autres matériaux sont pulvérisés et mélangés. Dans le four, les matières premières sont soumises à des températures élevées et transformées en clinker. Le clinker est transféré au broyeur de finition, où il est broyé et mélangé avec du gypse pour produire le produit final.
Bien que la production de ciment consomme de l’énergie à chaque étape, le four est l’une des étapes les plus difficiles à optimiser.
Les cimenteries modernes utilisent généralement des fours rotatifs à sec avec des calcinateurs. Le calcinateur préchauffe la matière première à environ 900 °C (1650 °F). Le processus de calcination est terminé dans le four, qui chauffe le matériau à environ 1200 °C (2200 °F). Pour atteindre ces températures, du combustible est ajouté au brûleur principal du four – et au niveau du calcinateur.
« En raison de la variabilité de la qualité des matières premières et de la valeur calorifique du charbon, les conditions de procédé dans le four sont en constante évolution », explique Tiger Xiaohu He, consultant pour l’industrie du ciment, Rockwell Automation.
De plus, des ventilateurs refroidissent le clinker lorsqu’il sort du four – et le système recircule l’air chaud résultant vers le calcinateur. Bien que l’air recirculé améliore l’efficacité énergétique, il ajoute une autre variable au processus.
De plus, pour maintenir la qualité du produit, le matériau est testé périodiquement pour s’assurer que la teneur en chaux libre reste dans une plage de 1–2 %. La quantité de chaux libre est directement liée à l’énergie fournie au four.
Le problème de la commande conventionnelle
« La cimenterie utilisait des boucles PID standard pour contrôler un nombre limité de variables », explique Tiger Xiaohu He. « Mais compte tenu du nombre élevé de variables dans une cimenterie, les boucles PID ne peuvent pas vraiment optimiser le procédé. »
Bien que le producteur de ciment ait été confronté à des défis similaires dans l’ensemble de son vaste réseau d’usines, il a choisi de se concentrer d’abord sur son site de Yiyang.
L’usine de Yiyang produisait 5000 tonnes de clinker par jour, en utilisant environ 500 tonnes de charbon. Chaque année, l’usine consommait environ 165000 tonnes de charbon pour un coût de USD 16500000,00 par an. Pour réduire la consommation de charbon, l’entreprise savait qu’elle devait mieux contrôler la consommation d’énergie des fours.
« Les températures fluctuaient largement dans le four », explique Tiger Xiaohu He. « Pour contrôler les températures, les opérateurs surveillaient le processus et réagissaient manuellement à toute fluctuation. »
Par exemple, dans le brûleur principal, les opérateurs surveillaient les caméras thermiques – puis ajustaient le débit de combustible pour augmenter ou diminuer la température. Dans le calcinateur, les opérateurs modifiaient les points de consigne de température de la boucle PID pour déclencher des ajouts de combustible selon les besoins.
« Les opérateurs passaient 50–70 % de leur temps à surveiller et à ajuster les températures et les ajouts de combustible », explique Tiger Xiaohu He. « Mais malgré leurs meilleurs efforts, ils n’ont pas réussi à améliorer le rendement thermique du système. »
Plus de stabilité du four avec MPC
Pour obtenir un fonctionnement plus stable du four, Rockwell Automation a recommandé une solution basée sur FactoryTalk Analytics PavilionX, une plateforme logicielle de commande prédictive par modèle (MPC).
« FactoryTalk Analytics PavilionX MPC peut être intégré à n’importe quel système de commande préexistant », a déclaré Jingkun Tang, responsable du développement commercial Pavilion, Rockwell Automation. « Il améliore le processus en faisant des prévisions sur les résultats de l’usine – et en répondant aux variables d’entrée et aux perturbations du processus. »
FactoryTalk Analytics PavilionX La MPC exploite les technologies d’apprentissage automatique supervisé pour construire des modèles dynamiques et robustes de procédés multivariables. Elle analyse les données historiques et les tendances de production – ainsi que les données de procédé et de laboratoire actuelles – et prend le contrôle pour optimiser les performances.
Par exemple, le logiciel peut modéliser et prédire l’impact de la recirculation de l’air chaud sur la température du calcinateur. Il peut ensuite manipuler automatiquement les ajouts de charbon pour obtenir un produit de haute qualité en utilisant la quantité idéale de combustible.
« Dans une application comme celle-ci, tout est lié », a déclaré Alessandro Masiello. « FactoryTalk Analytics PavilionX MPC vous permet de mieux contrôler la qualité du produit, ce qui vous permet de réduire la consommation d’énergie – et, à terme, d’augmenter la capacité. »
Étendre les gains aux opérations de broyage – et à l’ensemble de l’entreprise
L’optimisation des performances du four était une façon pour l’usine de Yiyang d’optimiser la consommation de charbon. Mais l’usine espérait également réduire la consommation d’énergie dans un autre processus à forte intensité énergétique – leurs applications de broyage.
En appliquant FactoryTalk Analytics PavilionX MPC dans les broyeurs de cru et de finition, l’usine a pu mieux contrôler des variables telles que l’incohérence des matières premières et la broyabilité du clinker – et optimiser la consommation d’énergie.
« Dans l’ensemble, la solution a permis de stabiliser le fonctionnement du four et du broyeur », a déclaré Jingkun Tang. « Le système plus stable a considérablement réduit la charge de travail de l’opérateur – et a permis des économies d’énergie impressionnantes. »
Avec FactoryTalk Analytics PavilionX MPC, l’usine de Yiyang a réduit la consommation de charbon et d’énergie dans le four jusqu’à 2 % – et a réalisé des économies supplémentaires dans les broyeurs. La diminution de la consommation de charbon représente des économies annuelles pouvant atteindre USD 330000,00 et a permis à l’usine de réduire deux sous-produits de la consommation de charbon : le dioxyde de carbone (CO2) et les oxydes d’azote (NOx) émis.
« Le projet pilote à l’usine de Yiyang a été un grand succès », a déclaré Jingkun Tang. « L’entreprise a déjà étendu la solution FactoryTalk Analytics PavilionX MPC à cinq usines supplémentaires – et au moins cinq autres sont en cours d’installation. »
