BE1021960B1 - Procede de traitement de boues - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement de boues comportant les étapes suivantes : (i) mise à disposition de boues ayant un taux d'humidité résiduelle supérieure à 70 %, (ii) traitement de ces boues par injection d'oxygène dans le milieu réactionnel sous une pression de l'ordre de 3 à 30 15 bars, et à une température comprise entre 190 et 900 °C, de manière à former un gaz de synthèse et des minéraux réutilisables et de générer de l'énergie calorifique.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT DE BOUES

La présente invention est relative à un procédé de traitement de boues, notamment de boues provenant de l'épuration de l'eau.

Suite à l'augmentation générale du niveau d'épuration, la production des boues de station d'épuration est en constante augmentation. Rien qu'en Europe, 10 millions de tonnes de MS ont été produites en 2005. On estime à plus de 13 millions de tonnes la production de MS en 2020.Par ailleurs, des contraintes de plus en plus sévères sont associées à l'épandage de ces boues en agriculture et des solutions alternatives de valorisation doivent être développées. La valorisation de ces boues comprend : un assainissement de celles-ci, une récupération de leur contenu énergétique ou la valorisation des matières organiques et une valorisation des minéraux les constituant, y compris les composés azotés.

Arrière-plan technologique

Il est connu d'incinérer les boues de station d'épuration dans des incinérateurs d'ordures ménagères. Il est également connu de les incinérer dans des fours à clinker (voir notamment Pavel Stasta et al. « Thermal Processing of sewagesludge » Applied Thermal Engineering 26 (2006) 14201426. Les boues sont séchées à un taux d'humidité d'environ 30 % et sont incinérées à des températures de l'ordre de 1450 °C. Les minéraux sont essentiellement inclus dans le clinker produit et les matières volatiles évacuées avec les gaz. Le séchage constitue toutefois une étape onéreuse à moins que l'on puisse récupérer de l'énergie thermique perdue dans le procédé de fabrication de clinker. P. Manara et al, « Towardssewagesludgebasedbiofuels via thermochemical conversion - A review » Renewable and SustainableEnergyReviews 16 (2012) 2566-2582, mentionnedivers procédés de traitement de boues séchées, à des températures élevées de 800 - 1400 °C, ou à des températures modérées, sous pression atmosphérique.

On connaît également le procédé FLETGAS qui intègre une gazéification à l'air avec séchage préalable des boues, sous pression atmosphérique et à des températures élevées, c.-à-d. supérieures à 800 °C. Les procédés classiques dénommés ETVS et NTVS sont similaires.

On connaît encore le procédé ATHOS qui est une oxydation par voie humide sous haute pression comprises entre 40 et 250 bar, et à température modérée inférieure à 300 °C de boues épaissies. Ou encore le procédé Isotherm PWR (dénomination commerciale), qui consiste en une oxycombustion sans flamme, à pression modérée, à savoir inférieure à 25 bar, mais à température élevée, supérieure à 1000 °C, d'une boue pouvant contenir jusqu'à 70% d'humidité.

Le document JP2007031492 décrit le traitement dans un four d'une boue séchée à 25 - 50 % d'humidité résiduelle, dans une atmosphère partiellement oxydante formée par la vapeur d'eau contenue dans la boue, l'air de transport pneumatique et de l'oxygène pur, à une température de gazéification de l'ordre de 1100 à 1600 °C.

Le document WO2012/059938 décrit un procédé de génération de produits pétrochimiques à partir d'une matière première sèche qui peut être de la biomasse. La matière première est finement broyée et pyrolysée à une température de 700 à 1000 °C, sous une pression de 2 à 25 bar pendant 2 à 10 secondes. Les exemples ne concernent toutefois pas des boues, mais plus particulièrement du charbon.

Buts de l'invention

Undes buts de l'invention consiste à fournir un nouveau procédé de traitement thermique de boues, notamment de boues provenant de stations de traitement ou épuration des eaux.

Un autre but consiste à fournir un procédé thermique durable pour la valorisation énergétique et matérielle des boues, notamment de boues de stations de traitement ou d'épuration des eaux.

Description de l'invention L'invention consiste en un procédé de traitement de boues comportant les étapes suivantes : (i) mise à disposition de boues ayant un taux d'humidité résiduelle supérieure à 60 %, de préférence compris entre 70 et 90%, plus particulièrement entre 70 et 85%, ou encore entre 70% et 80%, toutparticulièrement de l'ordre de75%, (ii) traitement de ces boues par injection d'oxygènedans le milieu réactionnel sous une pression de l'ordre de 3 à 30 bars, de préférence 5 à 25 bars, et à une température comprise entre 190 et 900 °C, de préférence entre 200 et 850 °C, plus particulièrement entre 350 et 850, tout particulièrement entre 450 et 800 °C, ou encore entre 550 et 800 °C ou entre 580 et 780 °C, de manière à former un gaz de synthèse et des minéraux réutilisables et de générer de l'énergie calorifique.

Le taux d'humidité est un rapport pondéral de l'eau sur le poids total de la matière en question. L'utilisation d'oxygène pur s'est avérée être particulièrement adéquate pour la conversion énergétique d'une matière à faible contenu énergétique, comme les boues qui, par ailleurs, présentent une teneur en eau très élevée. On peut ainsi omettre les opérations de séchage qui sont habituellement appliquées pour amener la teneur en eau à un taux d'humiditéinf érieur à 40 %. Le rendement énergétique global du procédé en est amélioré puisqu'on peut omettre une étape gourmande en énergie et donc coûteuse.

De plus, l'utilisation d'oxygène pur et sous pression diminue les volumes de gaz produits tout en favorisant les opérations de purification.

Les réactions partielles de l'oxygène avec le carbone sont connues C + ½ 02- CO CO + h 02- C02

Elles fournissent la chaleur nécessaire à la réaction endothermique de vapogazéification du carbone avec l'eau. C + H20 — CO + H2

La réaction « water gas shift » peut naturellement prendre place : CO + H20 - C02+ H2

Présente en quantité excédentaire dans les boues, la vapeur d'eau favorise ces deux dernières réactions de vapogazéification. Toutes ces réactions ont lieu à pression et température modérées, notamment à moins de 25 ou même moins de 20 bars, ou encore moins de 15 bar, et moins de 900 °C. On fonctionnera néanmoins à plus de 3 bar ou plus de 5 bar ou plus de 10 bar.

Le gaz de synthèse produit contient essentiellement de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène. Il est également susceptible de contenir des polluants à déterminer au cas par cas, tels que le HCl, le NH3 et l'H2S.

Vu l'utilisation de températures et pressions modérées, les investissements en matériels sont également réduits, notamment par rapport au matériel nécessaire pour supporter de hautes températures et/ou pressions.

Grâce au procédé de l'invention, on peut théoriquement produire de l'ordre de 330 grammes de gaz combustible (Pouvoir calorifique inférieur (PCI) sec égal à 5,7 MJ/Nm3) à partir d'un kilogramme de boue de compositionmoyennedéshydratée à 70% humidité (70% massique eau, 9,2 %m C, 1,5 %m H, 1 %m N, 6,5%m O, ll,7%m cendres).

Le procédé de l'invention génère un gaz qui peut atteindre un PCI sec proche de 8 MJ/Nm3, tout en restant globalement exothermique, la chaleur dégagée valant 1,4 MJ par kilogramme de boue brute transformée.

Il est bien entendu que l'on peut prévoir une étape d'élimination au moins partielle de composés polluants qui pourraient se trouver dans le gaz de synthèse produit, comme des composés azotés ou soufrés. Une telle étape peut consister en une étape de condensation des gaz ou en un lavage du gaz de synthèse produit.

Il y a lieu de noter que les boues peuvent avoir un contenu organique (énergétique) différent selon les traitements effectués au sein de la station d'épuration ; notamment selon le fonctionnement en régime aérobie ou anaérobie. Il est évident qu'à partir d'une boue provenant d'une station d'épuration conçue et/ou réglée pour conserver autant que possible l'énergie contenue dans l'eau contaminée, le gaz produit sera de meilleure qualité.

La technologie est applicable aux boues de stations d'épuration produites actuellement et présente des bilans énergétiques nettement supérieurs à ceux des techniques existantes.

Le procédé de l'invention permet le traitement des boues sans séchage thermique préalable. Un séchage dit mécanique, comme une filtration et/ou une centrifugation, qui porte le taux d'humidité à 70 ou 80 % suffit. Le bilan énergétique globalest amélioré et la pollution de l'air, les odeurs et les risques d'incendies sont réduits.

La vapeur est produite in situ dans le réacteur à partir de l'humidité intrinsèque des boues.

Par ailleurs, l'utilisation d'oxygène plutôt que d'air facilite l'épuration du gaz de synthèse et améliore le bilan énergétique.

Il y a encore lieu de noter que les cendres produites sont valorisables, notamment dans la fabrication de clinker ou ciment, dans la fabrication de verre, en tant que charge dans la fabrication de bétons ou de matériaux composites.

Parmi les avantages du procédé de l'invention, on peut encore citer laconversion totale des matières organiques et la réduction de la consommation de combustibles fossiles et une réduction des émissions de gaz à effet de serre (C02 et CH4) par rapport aux techniques classiques.

Le procédé de l'invention permet d'assainir les boues tout en réduisant les risques sanitaires dus à l'accumulation des polluants liée à l'épandage. Dans la même foulée, il permet encore de réduire le charroi.

Il est bien entendu que le procédé décrit ci-dessus peut être considéré comme un procédé de génération de gaz de synthèse comportant le traitement de boues, notamment de boues provenant de l'épuration des eaux, ayant un taux d'humidité résiduelle supérieure à 60 %, ou même 70% ou 80%, à l'aide d'oxygène sous une pression de 3 à 30 bars et à une température comprise entre 190 et 900 °C.De ce point de vue, il constitue une manière de stocker l'énergie.

Description des figures L'invention sera décrite plus en détails ci-dessous, en référence au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une représentation schématique du procédé de l'invention.

Description détaillée de l'invention

Le procédé de l'invention consiste en un procédé de traitement de boues comportant les étapes de mise à disposition de boues ayant un taux d'humidité résiduelle supérieure à 60 %, traitement de ces boues par injection d'oxygènedans le milieu réactionnel sous une pression de l'ordre de 3 à 30 bars, de préférence 5 à 15 bars, et à une température comprise entre 190 et 900 °C, de manière à former un gaz de synthèse et des minéraux réutilisables et de générer de l'énergie calorifique. Comme on peut le voir à la figure, on alimente un réacteur adéquat avec les boues et de l'oxygène, on permet la réaction aux températures et pressions susmentionnées et on en retire un gaz de synthèse et des matières solides résiduelles, ainsi que de l'énergie calorifique. L'oxygène assure une conversion énergétique de la boue à teneur élevée en eau, qui présente un faible contenu énergétique. On peut ainsi se contenter d'un séchage dit mécanique généralement à un taux d'humidité de l'ordre de 70% ou 80% et omettre les opérations de séchage plus poussé qui sont habituellement appliquées pour amener la teneur en eau à un taux d'humidité inférieur à 40%, généralement de l'ordre de 30 à 40 % et qui sont coûteuses et réduisent le rendement énergétique global du procédé.

Comme déjà mentionné, les réactions de l'oxygène avec le carbone C + ½ 02- CO CO + ^ 02- C02 fournissent la chaleur nécessaire à la réaction endothermique de vapogazéification du carbone avec l'eau C + H20 -<· CO + H2 pour former de l'hydrogène. La réaction « water gas shift » peut se dérouler selon : CO + H20 - C02+ H2

Grâce à la présence en quantité excédentaire dans les boues, la vapeur d'eau favorise ces deux dernières réactions de vapogazéification. Toutes ces réactions ont lieu à pression et température modérées, notamment à moins de 25 ou même moins de 20 bars, ou encore moins de 15 bar, et moins de 900 °C.

Le gaz de synthèse produit contient essentiellement de la vapeur d'eau, du dioxyde de carbone, du monoxyde de carbone et de l'hydrogène.

Selon la composition des boues de départ, le gaz produit peut contenir des composés polluants tels que le HCl, le NH3 et l'H2S. On peut alors combiner le procédé décrit ci-dessus avec une étape de purification, telle une étape de lavage ou condensation des gaz afin de permettre l'élimination au moins partielle de ces polluants.

Il est bien entendu que la description ci-dessus est relative au procédé en état de fonctionnement normal et qu'il y a lieu de prévoir une injection de combustible pour démarrer le procédé et préchauffer les matières entrantes et/ou les divers éléments de l'installation.

Exemple

On a déposé 1kg de boue sans traitement préalable, provenant d'une station d'épuration des eaux uséesayant la composition suivante -79,8 %massique eau -6,5 %m C (carbone) -1,0 %m N (azote) -0,2 %m S (soufre) -4,7 %m O (oxygène) -6,8 %m cendres dans un réacteur à lit fixe d'un volume d'environ 1,5 litre. Le contenu organique représente seulement 13% du total. Le réacteur est chauffé par des résistances électriques externes réglables. Un panier permet de disposer un lit fixe de matière à l'intérieur. Une sonde de température à trois points est placée dans le réacteur. L'oxygène est introduit par le bas du réacteur et le gaz produit s'échappe par le haut. L'oxygène est injecté en excès. C'est le débit de gaz extrait à la sortie qui est déterminant et il se situe entre 1 et 3 Nl/min. Les caractéristiques de l'installation et le mode opératoire de l'essai permettent une observation assez progressive des phénomènes d'oxy-combustion et de gazéification. La température du milieu réactionnel reste inférieure à 650°C, et la pression est maintenue entre 10 et 15 bars.

La composition du gaz de sortie est déterminée en ligne suivant l'avancement de réaction et les modifications opératoires. Ses constituants majeurs sont CH4, CO, C02, H2, H20, 02, C2H4 et C2H6.

Cet essai a permis de produire 171 grammes de gaz combustible (de PCI sec égal à 4,05 MJ/Nm3) en générant 1,7 MJ de chaleur.

Claims (8)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de traitement de boues comportant les étapes suivantes : - mise à disposition de boues ayant un taux d'humidité résiduelle supérieure à 60 %, - traitement de ces boues par injection d'oxygène dans le milieu réactionnel sous une pression de l'ordre de 3 à 30 bars, et à une température comprise entre 190 et 900 °C, - de manière à former un gaz de synthèse et des minéraux réutilisables, et de générer de l'énergie calorifique.
2. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le taux d'humidité des boues est compris entre 70 et 90 %.
3. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le taux d'humidité des boues est compris entre 80 et 90 %.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la réaction est effectuée sous une pression de 5 à 25 bar, de préférence de 10 à 20 bar.
5. 5. Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce quela réaction est effectuée sous une pression de 10 à 15 bar.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la réaction est effectuée à une température de 350 à 850 °C, de préférence de 450 à 800 °C, plus particulièrement de 550 à 800 °C.
7. 7. Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que la réaction est effectuée à une température de 580 - 780 °C.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une étape de purification du gaz de synthèse obtenu.