Numéro du Projet LIFE : LIFE05ENV/F/000082

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1 Numéro du Projet LIFE : LIFE05ENV/F/ Amélioration des performances du séchage des Tuiles et Briques par récupération de la chaleur latente de condensation de l eau afin de réduire les émissions de Gaz à Effet de Serre - Responsible du projet: Patrick PERRIN Téléphone: Organisation: CTMNC, 17 rue Letellier PARIS Partenaire : CERIC - PARIS Date de démarrage: 01/11/2005 Date de fin 21/12/2007 (arrêt anticipé)

2 Résumé : Le C.T.M.N.C., en partenariat avec le CERIC, est subventionné par l organisme environnemental Life Environment pour étudier le procédé de séchage co-courant sur les produits de terre cuite. Ce procédé doit réduire les consommations d énergie en récupérant la chaleur latente des effluents du séchoir Dans le cadre de ce projet, le C.T.M.N.C., en partenariat avec l ENSCI, a conçu une enceinte climatique pour simuler, à l échelle laboratoire, le séchage co-courant de produits de terre cuite. Au lieu de faire évoluer l atmosphère en fonction de la distance parcourue dans le séchoir, elle varie en fonction du temps écoulé. Cette enceinte climatique, régulée en température et en humidité relative, est installée dans l un des laboratoires du C.T.M.N.C. Elle mesure le retrait linéaire, la perte de masse du produit et la vitesse d air dans l enceinte. La phase de validation du procédé est terminée. 1. enceinte climatique instrumentée Afin d'étudier la faisabilité du séchage en co-courant par l'utilisation d'air saturé en humidité, il était nécessaire de simuler ce séchage à l échelle laboratoire avant son industrialisation. Pour cela, il a fallu développer un prototype d enceinte climatique capable d atteindre cet objectif, c est-à-dire de réguler une atmosphère dans les conditions spécifiées précédemment de façon très précise Description générale du prototype La conception d un prototype est souvent délicate et le choix du fournisseur est déterminant. Dans notre cas, le choix était plutôt restreint puisque seulement trois fournisseurs étaient capables de concevoir une telle machine (Figure 1). C est avec l entreprise BIA Climatic que nous avons élaboré le cahier des charges (ANNEXE IV) servant à la fabrication de machine. la Figure 1: Prototype d enceinte climatique du C.TM.N.C. 2

3 Résultats obtenus Perte de masse de l'argile 1 perte de masse en % de la masse sèche 20% 15% 10% 5% T=95 et HR=85 T=95 et HR=85 T=95 et HR=85 T=95 et HR=80 T=95 et HR=80 T=95 et HR=20 T=95 et HR=20 T=90 et HR=80 T=90 et HR=70 T=90 et HR=60 T=90 et HR=40 T=90 et HR=40 T=90 et HR=20 T=90 et HR=20 0% temps en heures Figure 2 La Figure 2 représente les pertes de masse des échantillons d argile 1 dans les conditions de température et d humidité relative indiquées. Les échantillons des argiles 1 et 2 atteignent des pourcentages d humidité résiduelle proches des pourcentages industriels et sèchent sans défauts apparents. De plus, le temps de séchage de ces argiles dans ces conditions est comparable à leur temps de séchage en usine (courbes de retrait et de perte de masse des deux argiles, ANNEXE V)., la partie «Labo» concerne les essais présentés ci-dessus et la partie «Usine» reprend les résultats obtenus par le fabricant. Retrait Perte de masse Argile 1 Argile 2 Labo : retrait fini en moins de 5 h (1,5 à 5 h) pour tous les essais sauf à 90 C/(90, 85 et 80 % d HR) et à 95 C/90 % d HR (entre 8 et 10 h). Usine : retrait effectué en moins de 5 h. Labo : masse stabilisée après 5 à 10 h de séchage pour tous les essais pour des humidités résiduelles de 1,5 à 5,8 % sur sec. Usine : 7 h de séchage pour une humidité résiduelle de 3 %. Labo : retrait fini en moins de 5 h (1,5 à 5 h) pour tous les essais sauf pour ceux effectués à 90 C/80 % d HR (8 h 30). Usine : retrait effectué après 12 h de séchage. Labo : masse stabilisée en moins de 9 h avec une humidité résiduelle de 2 à 5,5 % pour tous les essais sauf à (95 et 90 C)/80 d HR (6,5 et 8,5 %). Usine : séchage en 15 h avec une 3

4 humidité résiduelle de 3 %. Etat de surface Labo : aucune fissure apparente Labo : aucune fissure apparente Tableau 1 : Bilan expérimental de la première étape de la phase de validation Bilan de la deuxième campagne d essais Hormis un temps de séchage en conditions co-courant un peu plus long qu en conditions industrielles pour l argile 1, les essais montrent que les deux procédés de séchage permettent d obtenir des produits aux propriétés similaires (Tableau 2). Argile et type de séchage Argile 1 ind Argile 1 Co-C Argile 2 ind Argile 2 Co-C Retrait Temps Séchage Eau résiduelle Temps Flexion 3 points (MPa) Gel Perte Etat de masse Porosité ouverte en cuit 4,5% 6h 3,0% 7h Cmoy=4,4 OK 0,1% 9,2% 4,5% 9h 2,5% 16h Cmoy=4,1 OK 0,1% 8,8% 3,1% 11h 3,0% 15h Cmoy=6,0 OK 0,1% 34,0% 3,0% 8h 3,5% 15h Cmoy=5,7 OK 0,1% 35,7% Tableau 2 : Bilan des propriétés des produits en comparant les deux modes de séchage 4

5 2. Bilan énergétique du procédé de séchage Extraire tout ou partie d un solvant d un matériau est énergétiquement coûteux. Le séchage thermique consomme 2,5 MJ (chaleur latente de vaporisation) pour évaporer un kilogramme d eau. Les séchoirs traditionnels peuvent utiliser jusqu à trois fois cette quantité d énergie. Le coût du séchage des produits de terre cuite est évalué à GJ d énergie primaire soit environ 15 % de l énergie industrielle consommée en Europe (source : ADEME) Principe du séchage contre-courant Deux types de séchoirs sont généralement observés dans la profession : les séchoirs à chambre (où les produits sont statiques) et les séchoirs tunnels (où les produits sont mobiles). Concernant les tuiles et briques, le séchoir tunnel est plus couramment utilisé et fonctionne généralement en contre-courant (Figure 3). De l'air chaud et sec (entre 100 et 110 C) est introduit sur les produits qui sortent du séchoir. A ce stade du séchage, les produits ont une teneur faible en eau (2 à 3 %) et peuvent, donc, supporter un air avec un pouvoir séchant assez important. L air, circulant dans le sens opposé aux produits, fournit aux produits la chaleur nécessaire à l'évaporation du liquide et entraîne la vapeur formée. Son humidité relative augmente et sa température diminue jusqu à son extraction. L air de sortie est à 40 C avec 85 % d humidité relative et rencontre les produits à l entrée du séchoir, la teneur en eau des produits avoisine 20 % de la masse sèche. En début de séchage, le produit ne peut pas supporter un pouvoir séchant (notion décrivant la capacité de l air à absorber de la vapeur d eau) de l air trop important au risque d observer un phénomène de croûtage, entraînant des gradients importants d humidité et de température dans le matériau. Air chaud Circulation d air Air humide Sortie des wagons Entrée des wagons Figure 3 : Schéma d un séchoir tunnel fonctionnant à contre-courant L air introduit est chauffé par des brûleurs alimentés en gaz naturel ou en GPL. Les produits sont disposés sur des wagons (ou balancelles ou châssis) comportant plusieurs étages et sont transportés de l entrée du séchoir à la sortie par ces mêmes wagons. Si le flux d évaporation entre l air et le produit est considéré constant, alors les variations d énergie de l air et du produit peuvent être schématisées par la Figure 4. 5

6 Energie τ 0 Air τ fin τ fin φ = C te Produit τ 0 Distance parcourue dans le tunnel Figure 4 : Evolution de l énergie de l air et du produit dans un tunnel fonctionnant à contre-courant 2.2. Principe du séchage co-courant Le séchage co-courant, contrairement au contre-courant, n est pas encore utilisé dans la fabrication des produits de terre cuite. La ci-dessous montre le principe d un séchoir tunnel à cocourant. La courbe correspond à un système similaire à celui du contre-courant mais, cette fois-ci, l air et les produits circulent dans le même sens. Les produits humides à l entrée du séchoir reçoivent un air à fort pouvoir séchant, puis celui-ci se charge en humidité tout en continuant à être chauffé jusqu à sa sortie par l autre extrémité du séchoir. Ce système pourrait fonctionner pour sécher des matières premières, car elles peuvent supporter un air à fort pouvoir séchant sans se détériorer. Ce n est pas le cas des produits argileux pour lesquels le séchage est une phase délicate. T entrée =40 C e entrée =70% échangeurs Air chaud et humide Circulation d air Air très chaud et humide T 1 =95 C e 1 =80% Entrée des wagons e produit =20% e produit =2% Sortie des wagons Figure 5 : Schéma d un séchoir tunnel fonctionnant à co-courant Des échangeurs (ou pompe à chaleur) récupèreront la chaleur latente de condensation de l eau contenue dans l air dont l humidité absolue est très élevée (0,77 kg d eau/kg d air sec associé (ASA) à 95 C et 80 % d humidité relative) et permettront ainsi de chauffer progressivement le produit lors de son entrée dans le séchoir. 6

7 2.3. Bilan énergétique Gain d'énergie thermique t = 10h ; r = 0.8 t = 10h ; r = 0.7 t = 10h ; r = 0.6 t = 10h ; r = 0.5 t = 5h ; r = 0.8 t = 5h ; r = 0.7 t = 5h ; r = 0.6 t = 5h ; r = 0.5 flux pour r = 0.8 flux pour r = 0.7 flux pour r = 0.6 flux pour r = Gain en % Flux échangeur en Watts Température sortie séchoir en C Figure 6 : Gain d énergie thermique et flux dans l échangeur en fonction de la température de fin de cycle Pour conclure, le gain d énergie est donc limité par le flux de l échangeur, par contre le flux d énergie dans l échangeur peut être optimisé en revoyant à la hausse les surfaces d échange entre les deux fluides (par exemple en envisageant une surface ondulée ou encore des ailettes). 7

8 Conclusion Le projet LIFE-DIDEM a pour objectif de définir la faisabilité du séchage co-courant sur les produits de terre cuite pour réduire les consommations d énergie en récupérant la chaleur latente de l eau d évaporation des effluents récupérer l eau de condensation. Pour cela, un prototype d enceinte climatique instrumentée a été conçue en partenariat avec les constructeurs et implantée au sein du CTMNC, coordinateur de ce projet. Cette étape, qui n aurait pu s effectuer sans une étude approfondie du mécanisme de séchage des terres cuites, a été rythmée par deux premiers temps forts : d une part, la conception de l enceinte permettant l écriture d un cahier des charges respectant les exigences du CTMNC et, d autre part, le choix d une instrumentation nécessaire à la validation du procédé testé. Cet équipement a permis d effectuer une campagne d essais comparant les propriétés d échantillons argileux séchés avec le procédé industriel avec d autres séchés en simulant un cycle co-courant. Les résultats obtenus en terme de flexion 3 points sur échantillons secs, résistance au gel sur échantillons cuits et porosité ouverte sur échantillons cuits se sont avérés équivalents, que les échantillons aient été séchés avec l un ou l autre procédé. De plus, le bilan énergétique prouve qu un gain peut être effectué. En effet, ce nouveau type de séchoir permet d envisager une consommation d énergie maximale équivalant à la moitié de celle d un séchoir performant traditionnel. Cette conclusion est d autant plus satisfaisante que, aujourd hui encore, très peu de séchoirs industriels sont équipés d un système de récupération d énergie, quel qu il soit. Ce gain pourrait être amélioré en augmentant la surface d échange de la double paroi du séchoir. 8

9 ANNEXE VI : phase de validation en laboratoire Séchage des produits à une température avoisinant 100 C Retrait de l'argile 1 retrait en % de la longueur sèche 5.0% 4.5% 4.0% 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% T=95 C et HR=90% T=95 C et HR=85% T=95 C et HR=80% T=95 C et HR=20% T=90 C et HR=90% T=90 C et HR=80% T=90 C et HR=70% T=90 C et HR=40% T=90 C et HR=20% T=95 C et HR=85% T=95 C et HR=85% T=95 C et HR=80% T=95 C et HR=20% T=90 C et HR=85% T=90 C et HR=80% T=90 C et HR=60% T=90 C et HR=40% T=90 C et HR=20% 0.0% temps en heures Figure 7 Perte de masse de l'argile 1 perte de masse en % de la masse sèche 20% 15% 10% 5% T=95 et HR=85 T=95 et HR=85 T=95 et HR=85 T=95 et HR=80 T=95 et HR=80 T=95 et HR=20 T=95 et HR=20 T=90 et HR=80 T=90 et HR=70 T=90 et HR=60 T=90 et HR=40 T=90 et HR=40 T=90 et HR=20 T=90 et HR=20 0% temps en heures Figure 8 9

10 Retrait de l' argile 2 retrait en % de la longueur sèche 5.0% 4.5% 4.0% 3.5% 3.0% 2.5% 2.0% 1.5% 1.0% 0.5% 0.0% T=95 et HR=80 T=95 et HR=70 T=95 et HR=60 T=95 et HR=20 T=90 et HR=80 T=90 et HR=70 T=90 et HR=60 T=90 et HR=40 T=90 et HR= temps en heures Figure 9 Perte de masse de l'argile 2 perte de masse en % de la masse sèche 25% 20% 15% 10% 5% T=95 et HR=80 T=95 et HR=70 T=95 et HR=60 T=95 et HR=20 T=90 et HR=80 T=90 et HR=70 T=90 et HR=60 T=90 et HR=40 T=90 et HR=20 T=90 et HR=80 0% temps en heures Figure 10 10

11 Résumé : Le C.T.M.N.C., en partenariat avec le CERIC, est subventionné par l organisme environnemental Life Environment pour étudier le procédé de séchage co-courant sur les produits de terre cuite. Ce procédé est testé dans l espoir de réduire les consommations d énergie et les émissions de gaz nocifs pour l environnement s il remplace le séchage à contre-courant, actuellement utilisé par les tuileries et briqueteries françaises. Dans le cadre de ce projet, le C.T.M.N.C., en partenariat avec l ENSCI, a conçu une enceinte climatique pour simuler, à l échelle laboratoire, le séchage co-courant de produits de terre cuite. Au lieu de faire évoluer l atmosphère en fonction de la distance parcourue dans le séchoir, elle varie en fonction du temps écoulé. Cette enceinte climatique, régulée en température et en humidité relative, est installée dans l un des laboratoires du C.T.M.N.C. Elle mesure le retrait linéaire, la perte de masse du produit et la vitesse d air dans l enceinte. De plus, une caméra numérique prend des photos du produit pendant le séchage à travers un hublot chauffé afin d observer les fissures éventuelles qui peuvent apparaître à sa surface. La phase de validation du procédé a commencé par une caractérisation de mélanges argileux provenant de différents sites industriels. Leurs propriétés ont pu être comparées après leurs avoir fait subir deux modes de séchage, industriel et co-courant. La validation s est à la fois basée sur les résultats de ces tests ainsi que sur un bilan énergétique simulant les dépenses des deux procédés à l échelle industrielle. 11