Présentation et évaluation du four tournant pilote

Présentation et évaluation du four tournant pilote

Le dispositif expérimental

Présentation du four tournant pilote

Une photographie du four tournant pilote utilisé pour les essais est présentée Figure 26. Ce four est constitué d’un cylindre en chromel (alliage nickel/chrome) dont la longueur 𝐿 est de 4,2 m, le rayon interne 𝑅𝑖 de 0,105 m et le rayon externe 𝑅𝑒 de 0,107 m. La paroi interne est recouverte d’une grille métallique amovible qui augmente l’adhérence de la charge. Un moteur électrique permet la mise en rotation du cylindre à des vitesses comprises entre 0,5 et 21 tr/min. L’ensemble du four peut être incliné de 0 à 7 °.Le matériau à traiter est introduit dans une trémie d’alimentation d’une contenance de 30 L fermée hermétiquement (voir Figure 27). Il est ensuite convoyé jusqu’à l’entrée du cylindre grâce à un couloir vibrant dont l’amplitude de vibration est réglable afin d’ajuster le débit. La liaison entre le couloir vibrant et la trémie est réalisée par un manchon souple. A l’autre extrémité du cylindre, le produit est récupéré dans des pots en métal fixés de manière étanche au caisson de sortie. Les gaz produits lors du traitement sont évacués vers un oxydateur thermique alimenté en propane qui permet leur combustion avant de les relâcher à l’extérieur.Une partie du cylindre est insérée dans une coquille chauffante présentée Figure 27. Cette coquille est divisée en 5 zones de longueur Lzone encadrées par 2 zones d’isolant de longueur Lisol(voir Figure 28a). Les principales dimensions sont récapitulées dans le Tableau 9. La chauffe de ces zones est assurée de manière indépendante par des résistances électriques englobées dans de la fibre d’alumine. Une couche d’air sépare le cylindre de cette fibre qui est entourée par une épaisse couche d’isolant thermique (voir Figure 28b). La régulation de chaque zone est basée sur des mesures de température réalisées par deux thermocouples positionnés dans la couche d’air au centre de chaque zone. La température de la coquille est assimilée à ces températures [134]. La puissance délivrable par les résistances des zones 1 et 5 est de 10,8 kW et celle des zones 2, 3 et 4 est de 5,4 kW. Le caisson de sortie ainsi que la liaison four tournant-oxydateur thermique sont tracés thermiquement à 200 °C afin d’éviter la condensation des matières volatiles.Des débitmètres à flotteurs permettent de gérer la répartition des gaz (air ou azote). Pour des raisons de sécurité, des disques de rupture sont positionnés aux deux extrémités du four afin d’éviter une montée en pression de l’installation. Enfin, la mesure de la température du lit de particules est réalisée grâce à 6 thermocouples :  3 sont insérés à l’entrée du cylindre (thermocouples 1, 2 et 3 Figure 28a) mais leur position exacte n’est pas connue et il est difficile d’accéder à cette extrémité pour les repositionner avec précision,  3 sont amenés via une canne fixe au niveau des zones de chauffe 3 et 4 et à la sortie du four. Leur position est connue précisément. 

Evaluation des faiblesses du dispositif et solutions proposées 

Ce pilote ayant été développé pour calciner des produits sous forme de poudre, certaines modifications ont dû être réalisées afin de l’adapter à la torréfaction de plaquettes de bois.

Régulation du débit d’alimentation

Initialement, le débit d’alimentation était réglé par étalonnage. Le signal électrique (0 – 20 mA) commandant l’amplitude de vibration du couloir vibrant était corrélé expérimentalement au débit d’alimentation avant chaque expérience. Il n’y avait donc pas de mesure ni de régulation continue du débit. Celui-ci était par conséquent soumis à des fluctuations comme présenté Figure 29.Un doseur pondéral a donc été installé. La précision de la balance est de 0,2 g pour une portée de 300 kg. La masse du système d’alimentation (trémie + couloir vibrant) est ainsi mesurée en continu et une boucle de régulation PID a été implémentée afin de commander l’amplitude de vibration du couloir vibrant. Le débit d’alimentation peut ainsi être régulé entre 0 et 10 kg/h avec une précision de 50 g/h. La régularité du débit obtenu est très satisfaisante, comme illustré Figure 29. Il faut également noter que la manipulation des plaquettes de bois implique l’apparition fréquente de voûtes (notamment à la base de la trémie). Lorsqu’un tel phénomène se produit, le débit d’alimentation diminue. Le système de régulation réagit alors en augmentant fortement l’amplitude de vibration ce qui permet l’élimination de la voûte sans intervention extérieure. Ceci contribue également à l’amélioration de la régularité du débit. 

Interface de commande

La mise en place du système de régulation du débit présenté précédemment a été accompagnée d’une refonte totale de l’interface de commande du four devenue obsolète. La nouvelle interface, implémentée sous Labview® (National Instruments, Austin, États-Unis) permet le contrôle des paramètres opératoires :  Vitesse de rotation du cylindre,  Débit d’alimentation (réglage manuel ou régulation automatique),  Température de consigne des différentes zones,  Température de traçage du caisson de sortie. Elle permet également l’acquisition des données expérimentales au cours du temps :  Débit d’alimentation réel,  Température de coquille des différentes zones,  Puissance consommée par les résistances de chaque zone,  Température du lit de particules. Cette acquisition s’accompagne d’un tracé en temps réel de l’évolution des températures et permet d’évaluer la mise en régime permanent.