Mémoire (M.Eng.)-- Universite du Québec à Chicoutimi, 1992. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Mémoire (M.Eng.)--Université du Québec à Chicoutimi, 1996. / Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

La combustion est utilisé dans l’industrie chimique et du traitement des minéraux dans le but de produire de la vapeur dans les chaudières, de sécher les concentrés dans les fours rotatifs, et d’appliquer des traitements thermiques dans les fours pyrométallurgiques. Le contrôle serré de la combustion dans ces fours est très important parce que les conditions de combustion affectent directement la qualité du produit fini. Arriver à un contrôle serré de la combustion n’est pas facile à cause du fait que les flammes qu’on retrouve dans ces industries sont obtenues avec des combustibles non pré-mélangés et aussi parce que la combustion est affectée par des perturbations non-mesurées comme l’utilisation fréquente de plusieurs combustibles, certains étant des sous-produits de l’usine, et de débit et composition variables. Une nouvelle méthode est proposée dans cette étude afin d’améliorer le contrôle de la qualité des produits de ces fours tout en réduisant la consommation de carburants. Cette méthode s’appuie sur l’extraction d’information provenant d’images de flammes. La méthode d’analyse et de régression sur les images multivariées est utilisée pour l’extraction des caractéristiques de couleur de la flamme qui sont ensuite utilisées pour prédire la température de décharge des solides d’un four rotatif (qualité). Cette étude démontre que cette méthode est capable de très bien prédire la température de décharge du solide 20, 40, et jusqu’à 80 minutes dans le futur. Ceci devrait permettre une réduction substantielle de la variabilité de la qualité du produit et de la consommation de combustible. / Combustion is used throughout the mineral processing industry to produce steam in boilers, to dry concentrates in rotary dryers, and to apply heat treatments in pyrometallurgical furnaces. Tight combustion control is very important in the latter type of furnace since the combustion conditions directly affect final ore quality. However, achieving tight combustion control is not straightforward since most of the flames encountered in industry are turbulent non-premixed flames, they are affected by several unmeasured disturbances, various flow rates, continuous variation in the mix between fuels since they are often produced by simultaneously burning several types of fuel, some of them coming from other parts of the plant. A novel method is proposed in this study to improve process and product quality control as well as to optimize the combustion conditions based on digital flame color images. Multivariate Image Analysis and Regression is used to extract the flame color characteristics from images to predict the solids discharge temperature of an industrial rotary kiln related to product quality. It is shown that this method yield extremely good 20 minutes, 40 minutes as well as 80 minutes ahead forecasts of the discharge temperature of mineral ore. This should lead to a substantial reduction in product quality variability as well as in fuel consumption.

Cette étude développe une plate-forme mathématique allant de la création d’une base de connaissances à la mise en place d’un modèle adaptatif. Une nouvelle approche en ce qui concerne la modélisation du four rotatif du clinker a été nécessaire pour mener à bien notre étude. Ainsi, un modèle d’état du système aux paramètres repartis, à la base des phénomènes physico-chimiques, a été conçu à l’aide d’équations aux dérivées partielles. La structure du modèle est basée sur trois variables d’état qui peuvent décrire correctement les principaux phénomènes (diffusions, déplacements, transferts et échanges thermiques, etc.) qui se déroulent dans le four rotatif de clinker. En outre, ces variables d’état sont accessibles à travers des paramètres mesurables tels que les températures de la surface extérieure du four et de l’air ambiant. Les paramètres du modèle proposé sont des fonctions de trois variables d’état, qui tout en remplaçant les paramètres mal connus et inaccessibles, décrivent les phénomènes physicochimiques qui caractérisent la complexité du système et sont définis comme des fonctions opératoires. Cette approche permet non seulement de minimiser les erreurs (hypothèse de simplification) mais aussi permet un accès facile et aisé des paramètres. Nous avons élaboré une procédure d’identification basée sur des analyses phénoménologique et dimensionnelle. Ainsi, à partir de données issues d’un complément d’instrumentation associé à la base de connaissances, l’identification des fonctions opératoires (paramètres) a été effectuée à partir d’un état stationnaire du système qui représente notre condition initiale. Cette opération est importante dans la mesure où elle donne aux paramètres du modèle les propriétés de la dynamique du système. Ces résultats sont corroborés par les estimations des variables d’état dont les valeurs et évolutions sont acceptables. Après l’évaluation de l’influence des fonctions opératoires sur les variables d’état, une modélisation des paramètres (fonctions opératoires) du modèle a été proposée à la base d’une décomposition physique à la lumière des connaissances fournies dans la littérature. Une procédure d’ajustement a été également développée afin de pouvoir fournir des variables d’état optimales. Ainsi, l’erreur peut être compensée par ajustement des fonctions opératoires. Par conséquent, à travers la rapidité de la procédure d’ajustement et l’adaptation des paramètres du modèle dans un horizon de temps bien déterminé, le modèle renferme les caractéristiques d’un modèle adaptatif qui pourra être un support essentiel dans la commande automatique du système. / This study develops a mathematical platform going from the establishment of a knowledge database to the setting up of an adaptive model. This has required a new approach of modeling of the clinker rotary kiln (CRK). Thus, a state model of distributed parameter systems, based on physico-chemical phenomena, was designed using partial differential equations. The model structure is based on three state variables which are: the gas, clinker temperatures and the clinker mass distributions, and are elaborated with the help of heat, pressure and mass balance equations. The model parameters are defined by the functions of three state variables. Moreover, the resulting state model, decomposed into five phenomenological zones of CRK, is used as a first step to define a set of Operating Functions (OFs). These OFs has also been decomposed into longitudinal distribution of CRK to replace the constant, unknown or unmeasured parameters. We develop an identification procedure based on phenomenological and dimensional analysis where the identification of operational functions (model parameters) was performed from a stationary state of the CRK. Once the restores state variables have been evaluated, the desired input (which is treated as the control of the CRK) can be more easily found by the proposed model than by simple trial and error. Moreover, the fact that the computation time, to estimate-calibrate the OFs above-mentioned, is very short, then this dynamic computation works faster than real-time. In summary, the cooperation and coordination in real-time between industrial computers and the CRK allows for an adaptable model, where each specific set of the OFs must be analyzed by its accuracy.

Ce projet vise à développer les outils et les relations pour modéliser le procédé d'enrichissement du minerai du Havre-Saint-Pierre par Rio Tinto, Fer et Titane. Ce procédé magnétise le minéral d'hémo-ilménite en le grillant dans des fours rotatifs et en l'enrichissement par des séparateurs à tambours rotatifs magnétiques. Une série de lots expérimentaux à des niveaux de magnétisation différents a été produite. Un classificateur de particules en fonction de leur susceptibilité magnétique spécifique effective a été conçu et fabriqué. Chacun des lots expérimentaux a été caractérisé par ce nouvel appareil et analysé pour la chimie pour développer le modèle mathématique de magnétisation du minerai par le grillage. Des essais ont été effectués sur un tambour magnétique rotatif pilote pour modéliser le procédé de séparation. Les équations des deux modèles ont été implantées à un simulateur d'usine présentant un bon potentiel comme outil d'optimisation et de développement de nouvelles configurations du procédé.