Ce travail consistait à la mise en place d’un procédé de décontamination du fioul léger, résolvant efficacement le retrait des cendres et cokes produits dans le carburant.
Dans l’optique de satisfaire en besoin en énergie électrique et à l’analyse des besoins et services énergétiques des populations pauvres, les représentants des Pays membres de la CEMAC se sont rencontrés pour valider le processus de formulation du Livre Blanc de politique régionale d’accroissement aux services énergétiques.
La Communauté Économique et Monétaire de l’Afrique Centrale (CEMAC) a organisé avec l’appui du Programme des Nations Unies pour le Développement (PNUD) à travers son Projet Régional Energie-Pauvreté (PREP), un atelier de validation du processus de formulation du Livre Blanc de politique régionale d’Accroissement aux Services Énergétiques (ASE) ; cet atelier qui s’est tenu du 10 au 12 avril 2012 à Douala.
TABLE DE MATIERE
DEDICACE
REMERCIEMENTS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SIGLES ET DES ABREVIATIONS
RESUME
ABSTRACT
INTRODUCTION
CHAPITRE I : CADRE THEORIQUE ET REVUE DE LA LITTERATURE
1.1.1. Historique
1.1.2. Missions
1.1.3. Fiche d'identification de l'entreprise
1.1.4. Situation geographique et localisation des installations
1.1.4.1. Situation geographique
1.1.4.2. Localisations des installations
1.1.5. Organisation de l'entreprise
1.1.5.1. Presentation des differentes divisions
1.1.5.1.1. Division de l'Hygiene Securite et Environnement (HSE)
1.1.5.1.2. Division ressources humaines
1.1.5.1.3. Division des achats et approvisionnements
1.1.5.1.4. Division des exploitations
1.1.5.1.5. Division de la Maintenance
1.1.5.2. Organigramme
1.2. GENERALITES SUR LE FIOUL
1.2.1. Definition
1.2.2. Origine du fioul leger
1.2.2.1. Mode de formation du petrole brut
1.2.2.2. Procede d'obtention du fioul leger
1.2.3. Proprietes caracteristiques du fioul leger
1.2.3.1. Definition sommaire de chaque propriete
1.2.3.2. Proprietes du fioul leger non contamine et celles admises par le fabricant du moteur WARTSILA
1.2.4. Contamination et denaturation du fioul
1.2.4.1. Differentes causes de la contamination
1.2.4.2. Principe de fonctionnement du moteur WARTSILA
1.2.4.3. Differentes consequences issues de l'utilisation d'un fioul denature
1.2.4.3.1. Sur le moteur
1.2.4.3.2. Sur l'environnement
1.2.5. Morphologie et proprietes des composes presents dans le tank : des cokes, cendres, mousse
CHAPITRE 2 : MATERIEL ET METHODES
2.1. Presentation du site d'etude
2.2. Analyse et identification des impuretes
2.2.1. Normes et methodes de mesure de la teneur en carbone de Conradson et en cendre dans un echantillon de fioul leger
2.2.2. Identification des causes de la contamination et de la degradation du LFO
2.2.3. Strategie mise en reuvre pour l'elimination des impuretes
2.2.4. Mise en place du procede de traitement du LFO degrade
2.2.4.1. Conception du procede de decontamination du fioul leger
2.2.4.2. Retrait de la grande quantite d'eau du fond du tank 1
2.2.4.3. Reduction de la viscosite et destruction des asphaltenes formes
2.2.4.4. Retrait d'eau et des cendres
2.2.4.4.1. Systeme de purge
2.2.4.4.2. Le filtre rotatif
2.2.4.4.3. Filtre secondaire
2.2.4.4.4. Controleur de filtration automatique
2.2.5. Reactivation des proprietes du fioul decontamine
2.2.6. Procede pour traitement du fioul sortant du moteur
CHAPITRE 3 : RESULTATS ET DISCUSSIONS
3.1. Caracteristique physico-chimique du fioul contamine etudie
3.1.1. Propriete physique
3.1.2. Propriete chimique
3.2. Impact de corrosion sur l'augmentation des particules de coke et cendre
3.2.1. Dans le bac de stockage
3.2.2. Pendant le fonctionnement du moteur
3.3. Impact du temps sur la contamination du fioul
3.4. Effet de la strategie mise en reuvre le choix de la priorite a resoudre
3.5. La quantite d'eau retire par purge
3.6. Impact de la reduction de la viscosite et destruction des asphaltenes formes
3.7. Impact melange du demulsifiant
3.8. Impact du filtre rotatif
3.9. Impact du filtre secondaire
3.10. Effet du traitement combine
3.11. resultat de la simulation globale
3.12. Presentation globale du procede
3.13. Evaluation economique et effet sur l'environnement
3.13.1. Estimation economique
3.13.2. Effet sur l'environnement
CONCLUSION
Bibliographies
Annexe 1 : caracteristique du Fioul leger recommande par le fabricant du moteur WARTSILA
Annexe 2 : Principe de fonctionnement et proprietes du filtre primaire
Annexe 3 : programme Arduino pour la purge
LISTE DES FIGURES
Figure 1 : localisation geographique de la centrale a gaz de Kribi (source : realise par le logiciel Qgis)
Figure 2 : Maquette de la centrale a gaz de Kribi (source : document de construction de la centrale)
Figure 3 : Organigramme de la KPDC
Figure 4 : Formation du petrole (Source : https://www.formation_petrole.com/)
Figure 5 : Circulation du fioul leger vers les salles machine (realise par Edraw Max)
Figure 6 : Appareillage (source document laboratoire Hydrac)
Figure 7 : Balance
Figure 8 : Appareil et materiel de mesure (source : document laboratoire Hydrac)
Figure 9 : Diagramme causes-effets de la degradation du carburant (realise par le logiciel Edraw Max)
Figure 10 : LFO non contamine
Figure 11: LFO contamine
Figure 12 : Interface du logiciel permettant de parametres les constituants (source : logiciel Oli Analyzer system)
Figure 13 : Interface permettant la lecture des resultats de la simulation (source : logiciel Oli Analyzer system)
Figure 14 : Couronne sortie du moteur (source : cliche Haoulassa,2020) .
Figure 15 : Particules retenues (source : cliche Haoulassa,2020)
Figure 16 : Photographie illustrant un LFO qui a absorbe l'humidite (source : cliche Haoulassa,2020)
Figure 17 : Interface du tableur Excel
Figure 18 : Regulateur de niveau pour le retrait de l'eau accumule (realise par Edraw Max)
Figure 19 : Organigramme du programme de regulation du capteur
Figure 20: Conditionneur LG-X 3000 (source : http://www.diesel-fuels.com/algae- x/magnetic-fuel-conditioning.php)
Figure 21 : Photographies illustrant les emulsions dans le LFO
Figure 22 : Photographie illustrant la separation.
Figure 23 : Decanteur (realise par le logiciel SolidWorks)
Figure 24 : Flowchart du retrait des cendres ( realise dans Edraw Max)
Figure 25 : Interface permettant l'entree des composantes.
Figure 26 : Intervalle des tailles des particules des cendres.
Figure 27 : Filtre rotatif
Figure 28 : Parametrage des composantes
Figure 29 : Parametrage des fractions massiques en fonction de l'intervalle des tailles de particules
Figure 30 : Parametrage du filtre a particule
Figure 31: Melangeur du fioul leger traite avec l'addictif (Realise par SolidWorks )
Figure 32 : Installation du conditionneur et des filtres sur le tank journalier (realise par AutoCad plant 3D)
Figure 33 : Flowsheet global de la simulation dans ASPEN Plus
Figure 34 : L'evolution de la teneur en residu de carbone dans le LFO de la centrale a gaz de Kribi
Figure 35: Evolution de la teneur en cendre dans le LFO de la KPDC au fil du temps
Figure 36 : Zone potentielle de corrosion
Figure 37 : Polarisation du tank (zone des reactions causant la corrosion)
Figure 38: Vitesse de corrosion dans le tank suite aux variations de temperatures (realise par Oli analyzer system)
Figure 39 : Vitesse de corrosion a l'interieur du moteur (realisee avec le logiciel Oli Analyzer system)
Figure 40 : Zone potentiel de corrosion (realise par le logiciel Oli Analyzer system)
Figure 41 Diagramme de Pareto (source donnee analyse realise par Excel)
Figure 42 : Circuit electronique permettant d'effectuer la regulation (realise par Proteus). ..
Figure 43 : Efficacite sortant du filtre secondaire
Figure 44 : Distribution des particules de cendres lors du traitement
Figure 45 : Efficacite de la retention des filtres secondaires en fonction de la taille
Figure 46 : Consommation mensuelle de LFO
Figure 47 : Resultat de la simulation montrant la quantite de solide retire
Figure 48 : Schema global du traitement du LFO contamine (realise avec le logiciel Edraw Max)
Figure 49 : SEPAR 2000/40
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 : Fiche signaletique de KPDC
Tableau 2 : composition elementaire du Fioul leger
Tableau 3 : Proprietes chimiques du fioul domestique
Tableau 4 : Proprietes physiques du LFO (source : Document KPDC)
Tableau 5 : Fioul leger sortant de la SONARA (source Document controle technique SONARA)
Tableau 6 : Composition chimique moyenne des cokes
Tableau 7 : Composition chimique moyenne des cendres inorganiques
Tableau 8 : consommation mensuelle de LFO
Tableau 9 : Distribution en fonction des tailles
Tableau 10 : mesures effectuees sur le LFO non contamine
Tableau 11 : mesures effectuees sur le melange du LFO non contamine avec de l'eau
Tableau 12 : mesures effectuees sur le LFO non contamine avec de l'eau apres avoir ete stocker 28 jours
LISTE DES SIGLES ET DES ABREVIATIONS
ASE: Accroissement aux Services Energetiques
ASTM: American Standard Methods and Testing
AFFF: Agent Formant un Filtre Flottant
AFNOR: Agence Frangaise de Normalisation
AXI: Algae-X International
CEMAC: La Communaute Economique et Monetaire de l'Afrique Centrale
CEMS: Cerex Multi-gas analyzers Systems
DPDC: Dibanba Power Development Company
DSV: Distillat Sous Vide
FMIP : Faculte des Mines et des Industries petrolieres
FPS: Fuel Polishing System
GPRS: Gas Pressure Regulating System
INEEL: Idaho National Engineering and Environmental Laboratory
KPDC: Kribi Power Development Company
KPP: Kribi Power Plant
LFO: Light Fuel Oil
OMD: Objectifs du Millenaire pour le Developpement
PNUD: Programme des Nations Unies pour le Developpement
PREP: Projet Regional Energie-Pauvrete
SA: Societe Anonyme
RESUME
Ce travail consistait a la mise en place d'un procede de decontamination du fioul leger, resolvant efficacement le retrait des cendres et cokes produits dans le carburant. Ce procede resulte des differents travaux menes traitant distinctement chaque probleme en fonction de la priorite que le diagramme du Pareto nous a donne. Apres la decontamination, un traitement permettant l'en richement du fioul a ces proprietes qui ont ete deteriorer pendant le traitement sont reactive par l'addictif de marque AFC. De plus un systeme de recirculation du fioul sortant du moteur a ete mis en place traitant directement le surplus du carburant sortant du moteur avant d'etre de nouveau stocke dans le tank journalier.
Mots cles: carburant, diagramme du Pareto, tank journalier, decontamination.
ABSTRACT
Keywords: fuel, combustion, degradation, tanks, storage, decontamination.
INTRODUCTION
Dans l'optique de satisfaire en besoin en energie electrique et a l'analyse des besoins et services energetiques des populations pauvres, les representants des Pays membres de la CEMAC se sont rencontres pour valider le processus de formulation du Livre Blanc de politique regionale d'accroissement aux services energetiques. La Communaute Economique et Monetaire de l'Afrique Centrale (CEMAC) a organise avec l'appui du Programme des Nations Unies pour le Developpement (PNUD) a travers son Projet Regional Energie-Pauvrete (PREP), un atelier de validation du processus de formulation du Livre Blanc de politique regionale d'Accroissement aux Services Energetiques (ASE) ; cet atelier qui s'est tenu du 10 au 12 avril 2012 a Douala. La majeure partie de cette population cible se trouve dans les zones rurales et periurbaines, lieux de concentration des strategies nationales d'accroissement de l'acces aux services energetiques axes sur l'atteinte des Objectifs du Developpement Durable (ODD) (Gabriel, 2014). La demande croissante en energie electrique, due au boom demographique au taux de 2,6% et aux nombreux besoins en energie pour le fonctionnement des entreprises et industries et les divers delestages survenus, ont eu un impact sur les entreprises a cause des manques a gagner considerables. Ces coupures repetees ont par consequent affecte negativement l'economie Camerounaise entre les annees allant de 2001 a 2004. Il etait donc indispensable pour pallier a ce probleme de mettre en place une politique d'appoint en energie electrique. L'Etat camerounais avec le soutien de la Banque Africaine de Developpement a mis sur pieds la centrale thermique a gaz pour la production en electricite. Afin de produire cette energie, il etait important que les moteurs et les alternateurs puissent etre en activites (HASSAN, 2007) . Le fonctionnement de la partie moteur est base sur le principe d'une combustion a quatre temps dans une chambre de combustion d'un combustible, d'un comburant et d'une source de chaleur permettant la production d'explosion. Il faut pour cela s'assurer de maniere permanente de la bonne qualite de ces matieres pour un meilleur fonctionnement des moteurs et la protection de l'environnement. Le fioul leger (LFO) est l'une des matieres utilisees au sein de la centrale pour alimenter le moteur dit WARTSILA utilise par l'entreprise. Le LFO joue le role de combustible lors du fonctionnement en mode diesel, comme source de chaleur pour le fonctionnement du moteur en mode gaz et egalement pour le nettoyage des pieces mecaniques pendant les activites de maintenance au sein de la structure.
Depuis le mois de juillet 2016, une quantite considerable du combustible (LFO) soit un volume de 2 500 m3 a subi une degradation provoquant de nombreuses consequences sur les composantes du moteur WARTSILA (injecteurs et filtres) ainsi que sur les performances de production. Les dirigeants ont pris la decision de mettre le LFO degrade en quarantaine en raison des travaux sans succes ayant ete menes par le passe pour le retrait de l'eau, des cendres et l'amelioration de sa couleur. Il est donc urgent, de mettre en place un procede ameliorant la qualite du carburant achemine dans les moteurs. Selon OLUTOYE et ses collaborateurs (OLUTOYE et al, 2008), le retrait des contaminants dans le fioul domestique s'effectue en melangeant dans un reacteur a agitation l'acide sulfurique et le LFO, a 45°C pour une duree de 4 heures. L'acide et les dechets sont purge et le fioul leger est neutralise a base de l'hydroxyde de sodium (Majid et al, 2007), demineralise le fioul leger en dissolvant les cendres minerales avec de l'acide. Keiichi et al. (2014), ont mis un procede, separant le fioul de ces impuretes en le melangeant avec de l'ammoniac afin d'effectuer par la suite une extraction du vanadium, du nickel et autres element mineraux.
L'enjeu de cette etude est de redonner au fioul ces proprietes initiales, en reduisant la teneur en cendre et en coke en dessous du seuil maximal admis, respectant les recommandations prescrites par le fabricant du moteur WARTSILA afin de le rendre reutilisable tout en limitant les risques de contamination et en ameliorant sa qualite pour une utilisation saine, sans impact negatif sur l'environnement.
Afin d'aborder la problematique, une etude composee de trois (03) chapitres est proposee. Le premier presente d'abord la structure d'accueil, ensuite introduit les generalites sur le fioul leger, les differentes causes de la degradation du fioul, les consequences de l'utilisation du LFO denature et en fin les morphologies des cendres et cokes. Le second decrit les mises en reuvre des diverses methodologies employees dans cette etude. Le troisieme a pour but de presenter des resultats et leurs interpretations.
CHAPITRE I : CADRE THEORIQUE ET REVUE DE LA LITTERATURE
1.1- PRESENTATION DE LA CENTRALE A GAZ DE KRIBI
1.1.1- Historique
Vu les delestages reguliers dans notre pays, le gouvernement camerounais dans ses grandes realisations a entrepris de mettre sur pied la centrale a gaz de Kribi pour accroitre l'offre energetique par le comite de pilotage de l'energie de la republique du Cameroun. C'est ainsi que AES Sonel s'etait attele au developpement du projet mais suite aux contraintes regulieres et financieres une autre entite juridique va poursuivre le projet de realisation de la centrale a la demande du gouvernement camerounais qui lui-meme a participe a toutes les planifications. Le 18 mars 2010, le Premier Ministre lance le chantier et en mars 2013, le jet de gaz combustible est propre. La centrale a donc la particularite d'etre tres peu polluante, respectueuse des exigences du developpement durable. En mai 2013, la centrale a gaz est officiellement en exploitation, date a laquelle le constructeur finlandais WARTSILA cede le fonctionnement de la centrale a la Kribi Power Development Company (KPDC). La centrale electrique alimentee au gaz de Kribi, avec une production de 216 MW, situee pres de la ville cotiere de Kribi fournit de l'electricite a la societe nationale de production, transport et de distribution, ENEO, grace a un contrat d'achat d'energie de 20 ans.
1.1.2- Missions
KPDC est une societe au capital de 13 milliards 64 millions de francs CFA dont 44 % supporter par l'Etat Camerounais et 56 % par son partenaire Globeleq. Le siege social de KPDC est situe a Bali, dans la ville de Douala Cameroun. Elle est la seconde societe productrice independante d'electricite au Cameroun apres la Dibanba Power Development Company (DPDC).Elle a pour missions :
- la construction et l'exploitation des centrales de plusieurs natures ;
- la production, le transport, l'importation et la vente de l'energie electrique ;
- la formation des jeunes camerounais sur la production de l'energie electrique a base du gaz ou du LFO ;
- la reduction de la regularite des delestages au Cameroun ;
- la fourniture d'une capacite supplementaire de l'energie au reseau national du Cameroun.
1.1.3- Fiche d'identification de l'entreprise
Le tableau 1, nous renseigne sur les informations permettant d'identifier la structure.
Tableau 1 : Fiche signaletique de Kribi Power Development Company (KPDC)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1.1.4- Situation geographique et localisation des installations
1.1.4.1- Situation geographique
La KPDC est situe dans la region du sud Cameroun, a 9 kilometres de la ville de Kribi, au village dit « Mpolongwe ». La centrale a gaz occupe 5 hectares, a l'interieur d'une superficie totale de 16,5 hectares qui lui appartient. Les coordonnees geographiques sont : 3°01'34''N et 9°58'36''E.
La figure1 presente la carte permettant d'effectuer une localisation geographique du lieu ou se situe exactement la centrale a gaz de Kribi.
Pour des raisons de copyright, cette illustration a ete retiree par l'equipe editoriale.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Figure 1 : Localisation geographique de la centrale a gaz de Kribi (source : realise par le logiciel Qgis).
1.1.4.2- Localisations des installations
Les installations a l'interieur du site sont reparties comme suit :
- au Nord-ouest, nous avons les transformateurs, le batiment administratif, la salle moyenne tension ;
- a l'Est, nous avons la voie qui mene vers le depotage du LFO, le stockage de l'huile neuve et usee, le stockage des boues et eau huileuses, le reservoir d'eau traitee, le tank d'eau incendie et la salle des ateliers (workshop) ;
- au centre, la centrale dispose des salles des machines (salle A et B), la salle des compresseurs (compressors room), les groupes de secours (Black Start), la salle de control (control room) ;
- au sud sont implantes les tanks de LFO, la zone d'empotage et de depotage (unloading station) et la salle GPRS.
La figure 2 presente la maquette donnant une localisation exacte des installations.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Figure 2 : Maquette de la centrale a gaz de Kribi (source : document de construction de la centrale)
1.1.5- Organisation de l'entreprise
1.1.5.1- Presentation des differentes divisions
1.1.5.1.1- Division de l'Hygiene Securite et Environnement (HSE)
La division HSE est supervisee par un chef de division qui rend compte au directeur de la centrale. Cette division a pour responsabilite de maintenir un haut niveau de securite a la centrale conformement aux meilleurs standards nationaux et internationaux et egalement de s'assurer en tout temps que la sante, la securite, la surete et le respect de l'environnement sont conformes aux lois et reglements en vigueur.
1.1.5.1.2- Division ressources humaines
Le service de gestion des Ressources Humaines est anime par un chef de service des ressources humaines qui depend hierarchiquement du Directeur de la centrale. Les Ressources Humaines ont essentiellement la charge d'assurer la gestion administrative du personnel ; la collecte des requetes du personnel et le suivi de leur resolution ; la promotion des relations sociales et professionnelles ; Le suivi du recrutement du personnel selon les procedures en vigueur ; l'appui a l'elaboration et la mise en reuvre du plan de formation ; la gestion du personnel temporaire en conformite avec les contrats y relatifs.
1.1.5.1.3- Division des achats et approvisionnements
Elle est supervisee par un chef de division (Procurement Manager) qui rend compte au directeur de la centrale. Cette division a pour principale mission de mener et superviser avec diligence les processus d'achat et d'approvisionnement de tous le materiel et fourniture requis par la centrale en fonction du cahier de charge etablit au prealable.
1.1.5.1.4- Division des exploitations
Chapeaute par un chef de division qui rend compte au Directeur de la Centrale, elle a pour principales missions, la conduite et l'exploitation des equipements de production ainsi que la maintenance de premier niveau afin de s'assurer que la centrale remplisse adequatement ses objectifs contractuels. Le Chef de Division est assiste par un chef de Departement ; ce dernier est assiste par quatre Chefs de quarts et d'un Superviseur de performance. Chaque quart est compose de : deux operateurs seniors ; trois operateurs ; et un chauffeur/assistant operateur.
1.1.5.1.5- Division de la Maintenance
La Division maintenance assure l'entretien de tous les equipements mecaniques et electriques du site suite a la requete de la division exploitation et suivant les recommandations du fabricant ou du constructeur de la centrale.
Elle est subdivisee en deux Departements a savoir : le Departement mecanique et le Departement electrique.
- Departement mecanique
La maintenance mecanique est placee sous la responsabilite d'un Chef de Departement maintenance mecanique qui rend compte au Chef de la Division maintenance. Elle a pour responsabilite la maintenance predictive, preventive et curative de l'ensemble des equipements mecaniques de la centrale afin de garantir un niveau de disponibilite eleve compatibles avec les objectifs contractuels.
- Departement electrique
Le Departement de maintenance electrique est place sous l'autorite d'un Chef de Departement electrique qui rend compte au Chef de la Division maintenance. Il a pour missions principales la maintenance predictive, preventive et curative de l'ensemble des equipements electriques de la centrale et du poste de transformation HTB/MT, afin de garantir un niveau eleve de disponibilite des equipements compatibles avec les objectifs contractuels. Le chef de departement de maintenance electrique a sous sa responsabilite un chef de service electricite, qui coordonne les activites de deux sections, la section Automatisation et la section electricite.
1.1.5.2- Organigramme
Il est judicieux d'effectuer une representation pour mieux apprehender la hierarchisation de l'entreprise. Son organigramme est presente a la figure 3.
Figure 3 : Organigramme de la KPDC
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1.2- GENERALITES SUR LE FIOUL
1.2.1- Definition
Le fioul encore appele mazout ou fuel, est un combustible obtenu lors de la distillation atmospherique et de la distillation sous vide du petrole brut apres les operations de conversion, et de melange de la coupe du gazole et celle fuel et/ou du distillat lourd. Cet hydrocarbure est destine notamment a la production de chaleur dans les installations de combustion (pour le chauffage) et sous certaines conditions d'emploi a l'alimentation des moteurs a combustion interne.
On distingue deux types de fioul :
- Le fioul domestique (FOD), fioul leger ou Light Fuel oil (LFO) est un produit moyen du point de vue technique. Il est issu de la coupe du gazole et du fuel. C'est un combustible a faible viscosite vendu pour les usages domestiques (chauffage) ou divers engins (moteur thermique).
- Le fioul lourd (FL ou FOL) ou Hight Fuel Oil (HFO) est issu des coupes lourdes de la distillation du petrole brut (distillat lourd), c'est un combustible tres visqueux. Il est utilise pour les chaudieres industrielles, pour la production d'electricite ainsi que pour les carburants des bateaux.
1.2.2- Origine du fioul leger
Le fioul leger provient de la transformation du petrole brut. La comprehension du mode de formation du petrole brut et du procede d'obtention du fioul leger est d'une importance capitale.
1.2.2.1- Mode de formation du petrole brut
- Matieres Organiques, Source du petrole
L'origine des hydrocarbures decoule directement de la matiere organique, c'est-a-dire que le petrole et le gaz naturel naissent de la decomposition et de la transformation d'elements de la biosphere (residus heterogenes de la biocenose vegetale et animale) dans des zones sedimentaires en cours de formation. Les principaux organismes vivants qui sont a l'origine de la matiere organique sont le phytoplancton, le zooplancton, les vegetaux et les bacteries. Ces elements entrent dans le processus de sedimentation, sont transformes et, pour certains, assimiles dans la roche sedimentaire se constituant peu a peu. Ainsi, « L'essentiel des gisements derive, directement ou non, de la substance des etres vivants incorporee dans les sediments lors de leur depot » (Al Darouich, 2005).
- Formation du Kerogene a partir de la Matiere Organique (Diagenese)
Deux elements s'averent determinants dans le processus de constitution des hydrocarbures. La matiere organique subit d'une part des transformations du fait d'une activite microbiologique bacterienne et, d'autre part, certains de ses elements solubles sont assimiles par la roche en cours de constitution et de solidification : c'est la diagenese qui, a lieu a faibles temperatures (<60°C) et a faible profondeur (dans le premier kilometre de l'enfouissement). Certaines roches sedimentaires ont plus que d'autres la capacite d'incorporer la matiere organique et de favoriser les processus de genese des hydrocarbures. On les designe sous le vocable de roches meres. A la fin de la diagenese la matiere organique sedimentaire est transformee en bitume et en kerogene. Le bitume etant la partie soluble de la matiere organique sedimentaire et le kerogene sa partie insoluble. Le kerogene est une geo macromolecule organique tres complexe insoluble dans les solvants usuels (Tissot et al, 1984).
- Maturation du kerogene en petrole
Elle se deroule en deux phases principales il s'agit ainsi, d'une part, de la catagenese et, d'autre part, de la metagenese.
- Catagenese
Avec l'augmentation de l'enfouissement, le kerogene subit des temperatures et des pressions de plus en plus elevees. Dans cette deuxieme etape de l'evolution de la matiere organique sedimentaire, et a temperature superieure a 60°C, le kerogene va subir la catagenese que nous pouvons definir comme un processus de craquage thermique du kerogene (pyrolyse) conduisant a la formation de petrole et de gaz. La catagenese se produit en deux etapes ; Le craquage primaire du kerogene qui mene a la formation de petits acides, de resines et d'asphaltenes jusqu'a epuisement des atomes d'oxygene (O) et d'azote (N), formation des hydrocarbures lourds et liquides (petrole). Le craquage secondaire de l'huile et du kerogene menent aux hydrocarbures legers et gazeux (methane) et aux residus carbones de plus en plus aromatiques.
- La metagenese
C'est la phase ultime de transformation de la matiere organique sedimentaire. Il s'agit du craquage thermique du kerogene a haute temperature. Le methane est quasiment le seul produit forme et sa production diminue au cours de la metagenese. Les residus solides commencent a prendre une structure graphitique. La metagenese a lieu a des temperatures superieures a 150 °C. Neanmoins le methane contenu dans les reservoirs petroliers ne vient pas uniquement du craquage du kerogene. L'huile en place peut generer du gaz par craquage secondaire si elle est portee a une temperature suffisante (Hunt, 1996).
Le petrole ainsi forme regagne la roche reservoir en 2 etapes (Figure 4) :
- Expulsion du petrole de la roche mere : migration primaire.
- Transfert vers la roche-reservoir : migration secondaire.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Figure 4 : Formation du petrole (Source : https://www.formation petrole.com/)
1.2.2.2- Procede d'obtention du fioul leger
Apres production, le petrole brut est achemine dans une raffinerie pour subir divers traitements, en vue de valoriser les differentes coupes qu'elles regorgent. Le fioul est un produit issu du procede de raffinage du petrole brut. Ce dernier est un melange de differents produits hydrocarbones notamment le LFO, et doit subir une serie de traitements divers pour etre utilisable dans les moteurs a combustion et dans les differentes branches de l'industrie.
Ainsi, les differentes etapes du raffinage du petrole permettant la production du fioul sont les suivantes : le fractionnement, la conversion par transformation moleculaire, l'amelioration et le melange .
- Fractionnement
Cette operation est constituee de l 'unite de distillation atmospherique et celle sous vide. L'unite de distillation atmospherique est generalement composee d'un dessaleur (pour l'elimination des sels et sediments), d'echangeurs de prechauffe du brut, d'un four de distillation et d'une colonne de distillation. Elle separe le brut en differentes fractions en fonction de leur point d'ebullition. Le brut est pompe depuis le bac de stockage, dessale, prechauffe par une serie d'echangeurs puis chauffe dans un four jusqu'a une temperature desiree de 390°C. Le petrole brut vaporise (90%) arrive dans la colonne de distillation ou les differentes coupes sont separees en fonction de leur difference de volatilites (difference de temperatures d'ebullition). Les coupes les plus volatiles (les plus legeres) se retrouvent en tete de la colonne et les coupes les moins volatiles (les plus lourdes) se retrouvent vers le bas de la colonne. Ici le LFO est au plateau ou la temperature est d'environ 370°C.
Le residu issu de la colonne de distillation atmospherique va dans l'unite de distillation sous vide. Ce dernier est complementaire a l'unite de distillation atmospherique. La distillation sous vide permet d'abaisser les temperatures d'ebullition separant ainsi le residu atmospherique (residu long dont la temperature d'ebullition est de l'ordre de 550°C) en un residu sous vide (residu court) et des produits plus legers intermediaires entre le residu court et le fioul leger. Les unites les plus simples de distillation sous vide permettent d'avoir un produit intermediaire appele distillat sous vide (DSV) ou l'on trouve dans cette coupe le fioul domestique.
- Conversion par transformation moleculaire
Cette operation a pour but de briser les molecules lourdes d'hydrocarbure afin d'obtenir les produits legers. Elle peut etre thermique ou catalytique, la finalite de toutes ces transformations etant de produire en grande quantite des essences, du kerosene et surtout du fioul leger. Les procedes utilises sont : la viscoreduction (pour la reduction de la viscosite), le craquage catalytique sur lit fluidise (FCC) (qui consiste a casser les hydrocarbures lourds et plus complexe en de plus legers), l'hydrocraquage (consiste a hydrogener les molecules insaturees en presence d'un catalyseur).
- Amelioration
Cette etape permet d'enlever les impuretes qui peuvent entrer en reaction avec les equipements et polluer l'environnement lors de leur utilisation. Elle est tres importante dans le processus de production du fioul, car elle permet entre autres d'ameliorer ses caracteristiques telles les teneurs en soufre, en aromatiques et en plomb. Comme exemple, le procede d'hydrotraitement.
- Melange
Debarrassees de leurs impuretes, les differentes bases ainsi obtenues sont melangees soit entre elles ; soit avec des additifs afin d'obtenir les produits finis propres a la consommation. Il s'agit de travailler sur les specificites techniques, reglementaires et environnementales des produits ainsi que sur leur securite. C'est a cette etape que l'on ameliore l ' anti-inflammabilite des produits issus du petrole. Une fois cette etape terminee, le processus de fabrication du fioul s'acheve et on obtient alors une energie propre pour le chauffage et le fonctionnement des moteurs.
1.2.3- Proprietes caracteristiques du fioul leger
Les caracteristiques du fioul leger sont proches de celles du gazole. Il est issu des coupes (ou fractions) moyennes. La composition moleculaire du fioul est tres variee et depend de l'origine du petrole dont il est issu. Toutefois, la composition elementaire varie peu (Tableau 2).
Tableau 2 : Composition elementaire du Fioul leger
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1.2.3.1- Definition sommaire de chaque propriete
-I- Proprietes chimiques du fioul leger
Les proprietes chimiques du fioul domestique sont resumees dans le tableau 3.
Tableau 3 : Proprietes chimiques du fioul domestique
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Tableau 4 : Proprietes physiques du LFO (source : Document KPDC)
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1.2.3.2- Proprietes du fioul leger non contamine et celles admises par le fabricant du moteur WARTSILA
Les proprietes caracteristiques du fioul leger non contamine qui est approvisionne au sein de la KPDC respect la reglementation de l'Etat camerounais. Cette reglementation est regie selon l'arrete conjoint numero N°002360 MINEE /MINMIDT Du 01 Avril 2015 portant modification et homologation de certaines specifications des produits petroliers fabriques, importes et mis en consommation au Cameroun. Le tableau 5 presente les caracteristiques du fioul leger sortant de la Societe Nationale de Raffinage (SONARA).
La seule difference avec les caracteristiques du fioul leger approvisionne a la centrale et celui recommande par le fabriquant reside au niveau de la tolerance a la teneur en cendre. Le moteur admet une teneur en cendre allant jusqu'a 0,05 alors que celui livree est de 0,01 (les caracteristiques du fioul recommande par le fabriquant du moteur WARTSILA en annexe 1).
Tableau 5: Fioul leger sortant de la SONARA (source Document controle technique SONARA)
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1.2.4- Contamination et denaturation du fioul
La contamination du carburant peut etre ressentie de plusieurs fagons, en particulier dans l'operabilite mecanique du moteur ou de l' equipement. Certains de ces symptomes passent souvent inapergus, ou ignores, tandis que d'autres symptomes peuvent etre graves et impossibles a ignorer. Les defaillances causees peuvent etre extremement couteuses a reparer, catastrophiques, dangereuses, surtout lorsqu'elles se produisent sur le moteur fonctionnant en plein temps (Moore, 2019).
1.2.4.1- Differentes causes de la contamination
- Contamination due a la formation et a l'entree de l'eau dans le reservoir de stockage
Le carburant Diesel est un fluide hygroscopique, ce qui signifie qu'il est capable d'absorber l'humidite de l'air qui l'entoure. La “respiration” des cuves de stockage est a l'origine de l'apparition d'eau, car l'air aspire par des bouches d'aeration ou les events sont parfois humides. Cet air, apres diverses variations du gradient de temperature a l'interieur du bac de stockage se condense en des gouttelettes sur les parois interieures qui vont s'accumuler progressivement. Cette eau est a l'origine de l'apparition et de la proliferation des micro-organismes. Ces derniers vont alors trouver, a l'interface eau-hydrocarbure, les trois elements necessaires a leur developpement : l'eau, les sels mineraux et le carbone contenu dans le fioul (Kaufman, 1996).
Au fur et a mesure que les micro-organismes croient, certaines bacteries produisent un gaz, du sulfure d'hydrogene, qui est a l'origine de phenomenes de corrosion de l'acier constituant les cuves de stockage. La concentration et la composition du contaminant (eau) augmentent l'impact sur les proprietes materielles, et la temperature et la pression sur la surface du bac. Deux mecanismes de concurrence sont impliques : la condensation des depots corrosifs est accrue par une plus basse temperature et une pression plus elevee et les taux de reaction chimique sont augmentes a temperature elevee. Cette corrosion va augmenter la teneur en cendre inorganique, la composition en cendre du fioul va considerablement augmenter.
Il est a noter qu‘un incident est survenu au sein de la centrale a gaz de Kribi en 2017 ; les mousses ayant pour role d'eteindre le feu de classe B (feux de liquides ou de solides liquefiables) se sont retrouvees accidentellement a l'interieur du tank 1 de 5000 m3 qui a contribue a la degradation du carburant. Cette mousse est constituee en partie d'eau, qui aurait augmente la quantite d'eau contenu dans le tank et ainsi favorise la proliferation des microorganismes .
- Contamination pendant le fonctionnement du moteur
Pendant son fonctionnement, le moteur Diesel n'utilise qu'une partie du carburant qu'il tire du reservoir tampon. Ce combustible passe par une pompe haute pression et vers les injecteurs fonctionnant sous pression et temperatures elevees. L'excedent du carburant que le moteur n'a pas utilise retourne au reservoir. Ce carburant continuellement recycle est expose a des pressions et a une chaleur extreme. Ces parametres vont modifier la qualite du carburant favorisant l'agglomeration des asphaltenes (molecules de carburant lourd a haute teneur en carbone en solution) dans le carburant et la production des cendres de carburant. Ces asphaltenes conduisent a la formation des solides de plus en plus grands, qui sont tres difficiles a bruler completement, necessitant plus de temps, plus d'energie pour provoquer la combustion (Kaufman, 1996). Au fur et a mesure que le moteur est alimente par ce carburant la combustion incomplete a l'interieur de la chambre a combustion du moteur prend place, ce qui se manifestera par une fumee noire qui s'echappe. Les particules solides croient au point de boucher les elements filtrants. Ce carburant non brule est riche en particules de metal dues a l'usure du moteur, en additifs d'huile lubrifiant et en particules de Carbone .
Le fioul leger qui a ete expose a des temperatures elevees dans le moteur sera tres riche en cendres organique et inorganique liees a la corrosion des cendres de carburant (corrosion a haute temperature).
- Degradation au fil du temps dans le reservoir de stockage
Lors d'une livraison de fioul, il n'y a aucune indication concernant la date limite de consommation comme cela existe pour certains produits de consommation courante. En effet, le distributeur ne nous donne pas d'information sur la duree de conservation car elle depend en majorite des conditions de stockage. Les carburants entreposes dans les mauvaises conditions de stockage dans les cuves, meme pendant des periodes relativement courtes, vont au fur et a mesure s'assombrir. La plupart du carburant Diesel est consomme quelques mois apres sa sortie de la raffinerie, mais lorsqu'il est stocke, par exemple pour le service de groupe electrogene auxiliaire, ou par des entreprises ou des exploitations agricoles pour etre utilise dans des equipements dont les reservoirs ne sont remplis que tous les quelques mois (ou moins), il souffre de l'assombrissement. Au fur et a mesure que le temps passe, les carburants vieillissent et s'oxydent. Une etude recente de l'INEEL (Idaho National Engineering and Environmental Laboratory) de l'Universite de l'Idaho aux Etats Unis a montre que le carburant Diesel pouvait se degrader jusqu'a 26% apres seulement 28 jours de stockage en fonction de la qualite du carburant, et des conditions de stockage le carburant ne contenant pas suffisamment les adjuvants dedies a une meilleure conservation, meme en veillant a empecher l'entree d'eau dans le reservoir, le carburant se degradera et noircira. Cela se produit naturellement, car les composants d'asphaltene dans le carburant en solution attirent d'autres asphaltenes et grossissent jusqu'a ce que le carburant soit noir et que ces grappes tombent au fond du reservoir. Cela se traduit par le fond de reservoir de carburant ressemblant a du goudron de couverture (AMIR KHALID, 2013).
Ces asphaltenes representent la fraction contenant les composes les plus polaires et de plus hautes masses moleculaires. Ils sont constitues d'une accumulation de feuillets polyaromatiques condenses relies par des chaines saturees. Ce sont des solides noirs dont la masse moleculaire peut varier de 1000 a 100000 g/mol. Ils sont tres concentres en hetero-elements (soufre, nickel, azote, vanadium) et leur teneur est variable dans les petroles bruts (Wauquier, 1994).
1.2.4.2- Principe de fonctionnement du moteur WARTSILA
Le moteur utilise a la centrale a gaz de Kribi est de marque WARTSILA. Ce moteur est dote de la technologie Dual Fuel, car permet de combiner le fonctionnement au gaz naturel comme au diesel. Le gaz etant choisi en premier pour des raisons de cout d'exploitation. La particularite de ces moteurs en matiere de combustibles, c'est leur capacite a passer du gaz au diesel sans une variation de charge, permettant ainsi de maintenir l'equilibre du reseau. Cette alliance du gaz naturel au fuel leger permet de reduire l'ensemble des polluants dus aux gaz d'echappements. L'injection de gaz est pilotee par l'injection de diesel (LFO).
Le moteur WARTSILA fonctionne comme un moteur a 4 temps avec les phases tels que :
- Premier temps : L'Admission, ou l'Aspiration
La soupape d'admission (qui introduit l'essence dans le moteur), est ouverte, tandis que celle d'echappement (qui evacue les gaz) est fermee. En descendant dans le cylindre, le piston aspire un melange d'air et de carburant (gaz ou LFO), qui se place au-dessus de lui, a pression atmospherique.
- Deuxieme temps : la Compression
Les deux soupapes sont fermees, le piston remonte dans le cylindre et comprime le melange d'air et de carburant (gaz ou LFO) avec elevation de la temperature et de la pression et injection du LFO a haute temperature.
- Troisieme temps : l'Explosion ou la Combustion
Les deux soupapes restent fermees. L'injection du diesel a haute temperature (900bar) au moment de la compression auto-enflamme ainsi le melange. C'est la combustion du gaz par le diesel avec elevation rapide de la temperature et de la pression dans la chambre de combustion. L'explosion provoque le deplacement du piston vers le bas du cylindre. C'est le seul temps « moteur » du systeme, celui qui produit l'energie de mouvement.
- Quatrieme temps : l'echappement
La soupape d'admission reste fermee, la soupape d'echappement s'ouvre. Le piston remonte et repousse les produits de la combustion (principalement gazeux), hors du cylindre par l'ouverture de la soupape.
1.2.4.3- Differentes consequences issues de l'utilisation d'un fioul denature
L'utilisation d'un fioul degrade produirait une panne moteur prejudiciable, cela pourrait etre juste une question de temps transformant une reparation de quelques centaines de dollars en un qui pourrait rapidement engager des couts profondement dans les milliers. L'utilisation du fioul leger degrade stocke dans le tank 1 a eu des impacts negatifs sur le fonctionnement des moteurs de la centrale. Ces impacts ont produit diverses consequences nefastes irreversibles qui ont pousse les dirigeants a mettre ce bac de stockage en stand-by contre toute utilisation. Le remplacement regulier des filtres du a leur encrassement, car ils reduisaient et empechaient a la limite le passage du carburant. Le circuit de circulation de carburant au sein de la centrale comporte deux filtres avant d'etre achemine dans les moteurs. Il s'agit des filtres duplex et pilote qui ont subi un remplacement regulier de certains de leur composant du fait de la mauvaise qualite du carburant. Nous pouvons enumerer les differentes consequences enregistrer a la centrale pendant cette periode ou l'on utilisait ce carburant degrade :
- la combustion incomplete de ce carburant de mauvais etat a contribue a la production d'une quantite non negligeable des fumees noires du aux faites que le carburant n'a pas totalement brulees ; ainsi que des gaz d'echappement tres nocifs pour l'environnement ;
- l'augmentation de la consommation de carburant, du au blocage du filtre par des particules de cendre qui ne peuvent pas etre enlevees par regeneration du filtre car elles ne sont pas combustibles.
1.2.4.3.1- Sur le moteur
- Filtres a carburant obstrues
L'utilisation du carburant degrade entraine le remplacement regulier des filtres du a leur encrassement, reduisant et empechant a la limite le passage du carburant. Le filtre est congu pour capturer les particules dans le carburant avant qu'elles ne passent dans le moteur, et ces morceaux de matiere peuvent etre constitues de touffes de boues de carburant, de particules metalliques ou d'autres particules indesirables. Ce probleme produit une augmentation de la consommation de carburant, du au blocage du filtre par des particules de cendre qui ne peuvent pas etre enlevees par regeneration du filtre car elles ne sont pas combustibles.
- Pompe a carburant defaillante
Avec l'engorgement frequent du filtre a carburant, la defaillance de la pompe a carburant est souvent a suivre. En raison de la restriction causee par les filtres obstrues, la pompe a carburant pourrait travailler plus dur que prevu pour livrer le carburant du reservoir au moteur. Quand une pompe a carburant est defaillante, elle ne sera pas en mesure de fournir un flux regulier de carburant, interrompant la course mecanique et la fonction du moteur. Cela peut etre particulierement perceptible sous l'acceleration, ou la demande de carburant est augmentee mais la pompe a carburant n'est pas en mesure de livrer le carburant au taux demande. Lorsqu'une pompe a carburant tombe en panne, la pression de la conduite de carburant est perdue, ce qui n'est pas en mesure de fournir du carburant pour que le moteur s'allume. Ce probleme va orchestrer les problemes de demarrage ; probleme de perte de puissance.
- Defaillance partielle de l'injecteur
Malheureusement, une defaillance fonctionnelle partielle d'un moteur passera souvent inapergue jusqu'a ce qu'il soit trop tard. Les inefficacites du moteur sont rarement ressenties par un utilisateur, mais peuvent entrainer de graves pertes d'operabilite et de revenus. L'une des principales raisons de l'inefficacite du moteur provient d'une defaillance partielle du systeme d'injection de carburant d'un moteur. L'insuffisance fonctionnelle partielle d'injecteur n'est pas un point d'echec qui est bien documente dans beaucoup d'industries, laissant une lacune dans la comprehension des symptomes qui viennent avec ce genre d'echec. Bien que l'equipement soit encore utilisable, la defaillance fonctionnelle partielle d'un systeme d'injection de carburant est generalement une defaillance qui reduit l'efficacite ou les performances du moteur (Moore, 2019). On assiste a la perte de puissance ; suite a l‘utilisation de LFO degrade notamment une production totale allant autour de 50 MW contre 216 MW. En outre, dans le souci de mettre en marche les moteurs pour la production d'energie electrique, des difficultes de demarrage se sont presentees du fait de cette qualite de carburant mediocre.
[...]
- Quote paper
- Fabrice Haoulassa Haman (Author), 2020, Une décontamination du fioul leger par réduction des cendres et cokes. Mise en place du procédé, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1025317
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