EP2978715A1 - Procédé et dispositif d'hydrolyse thermique en continu - Google Patents

Procédé et dispositif d'hydrolyse thermique en continu

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Publication number
EP2978715A1
EP2978715A1 EP14709237.3A EP14709237A EP2978715A1 EP 2978715 A1 EP2978715 A1 EP 2978715A1 EP 14709237 A EP14709237 A EP 14709237A EP 2978715 A1 EP2978715 A1 EP 2978715A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reactor
sludge
thermal hydrolysis
mixture
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP14709237.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Cédric CRAMPON
Malik Djafer
Julien Chauzy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cambi Technology AS
Original Assignee
Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS filed Critical Veolia Water Solutions and Technologies Support SAS
Publication of EP2978715A1 publication Critical patent/EP2978715A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/18—Treatment of sludge; Devices therefor by thermal conditioning
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00—Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02—Biological treatment
    • C02F11/04—Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/02—Treatment of water, waste water, or sewage by heating
    • C02F1/025—Thermal hydrolysis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
    • C02F2201/002—Construction details of the apparatus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/02—Temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2209/00—Controlling or monitoring parameters in water treatment
    • C02F2209/03—Pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2301/00—General aspects of water treatment
    • C02F2301/06—Pressure conditions
    • C02F2301/066—Overpressure, high pressure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2303/00—Specific treatment goals
    • C02F2303/06—Sludge reduction, e.g. by lysis
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for the continuous thermal hydrolysis of sludges containing organic matter, mixed or not with other liquid waste containing organic matter.
  • This sludge can for example be derived from the treatment of domestic wastewater (sewage sludge, grease resulting from pretreatment), or from the treatment of industrial wastewater, or from waste materials, grease traps.
  • the term "sludge” will subsequently be used in the document. Such sludge has a dryness of between 10 and 50% by weight.
  • Sludges from the treatment of wastewater can be treated biologically, including anaerobic digestion.
  • the hardly biodegradable organic material is degraded into compounds which can then be more easily degraded biologically.
  • this subsequent biological degradation can be done by digestion in a closed reactor operating in anaerobic called digester.
  • anaerobic digesters can only function properly if they operate at a suitable and constant temperature, generally requiring a heating system, and only if they are properly stirred. This mixing is all the easier as the incoming sludge in the digester is fluid, that is to say of low viscosity.
  • thermal hydrolysis processes are known in the prior art, some being implemented by treating one by one, that is to say discontinuously, given amounts of sludge to be hydrolysed (operation in "batch” mode). ) While other processes are designed to allow a continuous treatment, or at least semi-continuously, the sludge to be hydrolysed.
  • thermal hydrolysis treatment techniques for continuous or semi-continuous sludge mention may be made of the techniques described in EPI patent document 198424 and those described in patent document WO2009 / 121873.
  • the sludge is fed to a reactor where it passes for a period of 5 to 60 minutes at a temperature between 130 ° C and 180 ° C.
  • the sludge hydrolyzed by such treatment is then cooled by means of a heat exchanger to ensure that the temperature thereof is low enough to prevent the biomass of a digester to be destroyed.
  • the energy thus recovered makes it possible to preheat the sludge before entering the thermal hydrolysis reactor.
  • This technique uses re-vaporization steps whose management can in practice be difficult and constraining for the user. In addition these re-vaporization steps give the process in question a semi-continuous character rather that continuous.
  • This method has the advantage of being a truly continuous process. However, although it has considerably improved the treatment of sludge by thermal hydrolysis that existed on the market, it does have some disadvantages.
  • the critical phase of the process corresponds to the transfer and condensation of steam in the sludge. Indeed, if this step is not performed correctly, the performance of the thermal hydrolysis process can be considerably degraded both in terms of chemical reaction in economic terms, the amount of steam to be used is then greater.
  • the thermal hydrolysis processes on dewatered sludge are therefore hampered by the difficulty of effectively injecting the sludge into the sludge and, consequently, the difficulty of ensuring their mixing, as soon as the sludge is too viscous. Since sludge is viscous by nature, the greater the dryness, the more difficult it is for the steam to be injected into the sludge, to be mixed with it and to give up its energy to cause the thermal hydrolysis of the compounds which are not readily biodegradable.
  • the hydrolysis reactors have a significant length. At this important length corresponds a residence time of sludge and steam in the important reactor. Thus, it is possible to optimize the energy transfer coefficient of the steam to the sludge. However, such large reactor lengths involve high manufacturing costs.
  • the objective of the present invention is to propose a method, and a device associated with the implementation of this method, making it possible to improve the performance of the technology disclosed in WO2009 / 121873, considered here as the closest prior art. of the invention which will be described below.
  • an object of the present invention is to describe such a method and such a device that allow the treatment of sludge intended to be thermally hydrolyzed and having dryness rates higher than the maximum dryness rate that can be hitherto actually implemented. by the prior art, and without degrading the performance of digestion conventionally following the thermal hydrolysis of sludge.
  • An object of the present invention is also to provide such a method and such a device for obtaining homogeneous temperatures of the mixture of sludge and steam inside the reactor in order to achieve high thermal hydrolysis performance and to overcome the mechanical constraints on reactors related to inhomogeneous temperatures.
  • Yet another object of the invention is to describe such a method and such a device which allow the sludge to be sanitized.
  • dynamic injector-mixer in the present description is intended to mean any mixer consisting of a chamber, preferably cylindrical, continuously receiving said sludge, steam injection means directly in said chamber and means for causing vigorous stirring, thanks to motorized mechanical means, the different phases entering the room.
  • the stirring is strong enough to obtain a monophasic mixture of sludge and steam.
  • such means may advantageously consist of blades mounted on an axis of rotation mu by a rotor rotating at a speed greater than 500 rpm, preferably between 1000 rpm and 2000 rpm.
  • mechanical stirring means are not intended to push the material into the chamber but only to agitate it. Thus, when they include pale, they are shaped, according to the knowledge of those skilled in the art, so that their setting in motion does not cause advance of the material in the room.
  • the residence time of the material in the dynamic injector-mixer is short.
  • the preferably cylindrical chamber of the injector-mixer therefore advantageously has a small volume. Corollary the loss of load of this material during its passage in it is weak. In practice this pressure drop must be less than 10%.
  • the injector-mixer implemented in the context of the invention is thus different from simple mixers constituted by a tank provided with stirring means in which the residence time of the material is long and which makes it possible to treat only a given amount of it at a time.
  • This injector-mixer is also distinguished from simple sludge conveying devices, for example auger.
  • the invention proposes mixing the pressurized water vapor with the sludge to be hydrolysed in order to obtain a perfect monophasic mixture of heated sludge upstream of the thermal hydrolysis step subsequently carried out in a reactor. tubular.
  • the phases of mixing the sludge with the pressurized water vapor is clearly distinct from the thermal hydrolysis phase, one and the other of these phases being moreover carried out in separate equipment.
  • the monophasic mixture produced prior to the thermal hydrolysis allows the water vapor to condense in the sludge at the level of the dynamic injector-mixer.
  • This homogeneous mixture is then conveyed to the reactor in which it can flow in a piston stream.
  • Presenting itself in a monophasic liquid phase it enters the reactor at a uniform or almost uniform temperature in the reactor, at which temperature the thermal hydrolysis of the biologically degradable compounds can be effected efficiently and optimized.
  • this monophasic mixture which contains the hydrolysed organic matter is brought to a temperature and a concentration, by dilution if necessary, allowing its subsequent digestion.
  • the invention clearly differs from the prior art and in particular from patent document WO20069 / 121873 by the characteristic that the mixture of the sludge to be hydrolysed with the steam is upstream of the thermal hydrolysis reactor and not within this one.
  • the perfect mixture of steam and sludge makes it possible to uniformly reduce the viscosity thereof and thus to overcome the mechanical effects associated with sludge shearing.
  • Obtaining a homogeneous single-phase mixture of heated sludge upstream of the reactor, obtained from sludge to be hydrolysed and steam, in a dynamic injector-mixer has the advantage of being able to treat sludge to be hydrolyzed. having a high dryness, and especially a dryness greater than 20% by weight.
  • said single-phase mixture has, at the outlet of said injector-mixer, a temperature of between 100 ° C. and 200 ° C. (ie the temperature in the reactor allowing the thermal hydrolysis of the organic matter present in said sludge) and a pressure of between 1 bar a and 25 bar a. It will be noted that in the context of the present description the unit of pressure is the absolute bar (bar a).
  • said single-phase mixture has, at the outlet of said injector-mixer, a temperature of between 150 ° C. and 170 ° C. (ie the temperature in the reactor allowing the thermal hydrolysis of the organic material present in said sludge) and a pressure comprised between between 5 bar a and
  • the water vapor that will be used to produce the single-phase mixture of steam and sludge will have a temperature of between 100 ° C. and 220 ° C. and a pressure of greater than 1 bar. 23 bar a. Most preferably, a temperature of this water vapor of between 180 ° C and 200 ° C and a pressure of between 10 bar and 16 bar a.
  • the amount of steam thus provided to the sludge will depend on the one hand on the dryness of the latter and on their concentration of organic matter to be hydrolysed.
  • the residence time of the single-phase mixture within the reactor will, as indicated below, be sufficient to allow the thermal hydrolysis of the organic material to be carried out, but in principle will preferably be between 10 minutes and 2 hours, and preferably between all, between 20 and 40 minutes.
  • the residence time of said single-phase mixture in the reactor will be at least 20 minutes, and the temperature of said mixture in the reactor will be at least 100 ° C so that the method according to the invention will also allow sanitizing said sludge, all of them then seeing the steam for a sufficiently long time and at a sufficiently high temperature.
  • a temperature above 70 ° C for at least 20 minutes applied to the sludge is necessary to sanitize them.
  • the step of cooling the single-phase mixture at its outlet from the tubular reactor to a temperature allowing the subsequent digestion of the hydrolysed organic matter it contains will be carried out by adding water and / or sludge and / or through the use of heat exchanger, which will also dilute this monophasic mixture.
  • Such a dilution is indeed necessary to allow a good subsequent digestion of these thermally hydrolyzed sludge.
  • This mixture will then reach a sufficiently low temperature and be sufficiently diluted to respect the biology of the digester.
  • the method according to the invention comprises prior steps of dehydration and homogenization of the sludge with a view to their transport to the dynamic injector-mixer, these preliminary steps leading to sludge having a dryness of between 10 and 50% by weight, advantageously between 20% and 35% by weight, of dry matter.
  • these preliminary steps leading to sludge having a dryness of between 10 and 50% by weight, advantageously between 20% and 35% by weight, of dry matter.
  • the method comprises a step consisting in adapting the conditions of implementation of the dynamic mixture as a function of the dryness of the sludge.
  • the dynamic mixing injector includes a rotor with blades
  • the speed of rotation of these blades can be modified according to this dryness so as to allow the realization of a monophasic mixture even when this dryness will be high.
  • this also covers any device for implementing the previously described method comprising: means for supplying sludge containing organic matter, means for supplying water vapor under pressure, a tabular thermal hydrolysis reactor, means for injecting water and / or dilution sludge provided downstream of said tubular reactor cooling means provided downstream of said tubular reactor, characterized in that it comprises at least one dynamic injector-mixer provided upstream of said tubular thermal hydrolysis reactor and depressurizing means provided downstream of said cooling means.
  • Such a device according to the present invention is clearly distinguished from the prior art disclosed in WO2009 / 121873 by the characteristic that a dynamic injector-mixer is provided upstream of the tubular reactor of technical hydrolysis and not integrated into the hydrolysis reactor thermal.
  • a dynamic injector-mixer is provided upstream of the tubular reactor of technical hydrolysis and not integrated into the hydrolysis reactor thermal.
  • Such a device according to the invention therefore makes it possible to treat sludge in a smaller reactor volume by thermal hydrolysis, which has a significant economic advantage compared to the prior art.
  • the device according to this will advantageously be provided with a dynamic injector-mixer which has a chamber provided with a blade rotor whose rotational speed can be adapted according to the dryness of the sludge as indicated above and in practice rotating at more than 500 rpm and preferably between 1000 rpm and 2000 rpm. It will be noted that the geometry of the blades can itself be adapted as a function of the dryness and the viscosity of the sludge.
  • the embodiments of this technique given in this patent document recommend carrying out this reactor horizontally.
  • a sludge inlet at one end of the tubular reactor is provided, with an injection of steam in the vicinity of this end, an outlet of the hydrolysed sludge being provided at the other end. end of this tubular reactor, cooling water injection means being provided at this second end.
  • the tubular thermal hydrolysis reactor has a first vertical portion extended by a second horizontal part longer.
  • each of these preferred embodiments has a relatively long horizontal part results from the need to bring the sludge into contact with the steam for a sufficiently long residence time so that not only the thermal hydrolysis occurs but beforehand thereto, within the tubular reactor, the water vapor injected at the beginning of the reactor can condense in the sludge in order to transfer thereto the energy necessary for their hydrolysis.
  • the steam injection taking place upstream of the reactor is, thanks to the use of the dynamic mixer injector, a perfectly mixed monophasic mixture which arrives therein; so that the reactor in question no longer has to act as a condenser but only a thermal hydrolysis reactor. Its volume can therefore be reduced compared to the prior art. Indeed, in it, the reactor must act as both a condenser and a reactor which gives it a volume and in particular a long length.
  • the thermal hydrolysis reactors implemented may have various forms.
  • the tubular thermal hydrolysis reactor will be vertical and will have an inlet at its lower end and an outlet at its upper end.
  • this tubular thermal hydrolysis reactor will have a first vertical section directly extended by a second vertical section, the inlet of the reactor being provided at the foot of the first vertical section and the outlet of the reactor being provided at the foot of said second vertical section.
  • first vertical section directly extended by a second vertical section
  • first vertical section covers achievements that there is no straight horizontal section provided between the first vertical section and the second section vertical. Indeed, such a horizontal section is useless in the measure wherein the tubular reactor of the device according to the invention is a thermal hydrolysis reactor and not a reactor also acting as a condenser.
  • said tubular thermal hydrolysis reactor has a first vertical section connected to a second vertical section, the inlet of the reactor being provided at the head of said first vertical section and the outlet of said reactor being provided at the foot of said second vertical section.
  • the device according thereto also comprises a heat exchanger provided downstream of the reactor.
  • the device comprises a pump or a valve, preferably an eccentric screw pump, intended to maintain the pressure in the tubular thermal hydrolysis reactor.
  • FIG. 1 represents a schematic view of a device for the thermal hydrolysis of sludge according to the invention (surrounded by a dotted line) integrated in an installation including a digester provided downstream thereof;
  • FIG. 2 represents a tubular thermal hydrolysis reactor form that can be placed within the scope of the present invention;
  • FIG. 3 represents another form of tubular thermal hydrolysis reactor that can be placed within the scope of the present invention;
  • FIG. 4 represents another form of tubular thermal hydrolysis reactor that may be used in the context of the present invention;
  • FIG. 1 represents a schematic view of a device for the thermal hydrolysis of sludge according to the invention (surrounded by a dotted line) integrated in an installation including a digester provided downstream thereof;
  • FIG. 2 represents a tubular thermal hydrolysis reactor form that can be placed within the scope of the present invention;
  • FIG. 3 represents another form of tubular thermal hydrolysis reactor that can be placed within the scope of the present invention;
  • FIG. 4 represents another form of tubular thermal hydrolysis reactor that may be used in the
  • FIG. 5 represents a graph showing firstly the evolution of the temperature in the tubular reactor of a prior art installation in accordance with the patent documents WO2009 / 121873 not integrating a dynamic mixer injector but in which the steam and the sludge are fed to the reactor head, and on the other hand the change in temperature in the tubular reactor of an installation corresponding to the invention integrating a dynamic mixer injector in which the steam and the sludge are mixed and then transported as a homogeneous single-phase mixture at the top of the reactor.
  • a device according to the invention is described schematically.
  • This device 1000 is integrated in an installation including a digester 9 which is not part as such of the device according to the invention.
  • Such an installation can be used to implement a lysis-digestion (LD) process, but it will be noted that it will also be possible to integrate the method according to the invention in known configurations of the prior art called digestion-lysis. (DL) or digestion-lysis-digestion (DLD), knowing that in the so-called DL configuration a portion of the sludge is hydrolysed and then returns to the digester.
  • DL digestion-lysis-digestion
  • DLD digestion-lysis-digestion
  • centrifuged sludge is conveyed by a pipe 1 to a hopper 2 provided with two worm to homogenize. These two worm screws are also used to feed the feed pump 3 supplying the sludge to the dynamic injector-mixer 4.
  • the dehydrated and homogenized sludge from the hopper 2 are thus pumped through the pump 3 in a pipe serving as means for feeding these slurries to the dynamic injector-mixer 4.
  • This dynamic injector-mixer 4 is also provided with steam injection means 100 generated by a steam generator not shown in FIG. 1.
  • the injector-mixer comprises a cylindrical chamber provided with stirring means consisting of blades mounted on an axis of rotation mu by a rotor rotating at a speed between 1000 rpm and 2000 rpm, this speed being adjustable according to the dryness of the sludge .
  • the residence time of the material transiting continuously in the mixer injector is short and in practice less than 10 minutes.
  • the blades do not advance the material in the chamber but only shake it vigorously
  • a washing water inlet 200 is provided upstream of the dynamic injector-mixer 4. With such water supply means 200, the dynamic injector-mixer can be cleaned if necessary.
  • a pipe is used to convey the single-phase mixture produced therein to a thermal hydrolysis reactor 5.
  • the treatment in this thermal hydrolysis reactor 5 is carried out at a temperature of between 165 ° C and 180 ° C, the inside of the reactor being maintained at a pressure of between 8 bar and 10 bar a (in this respect, it will be noted that lower or higher temperatures and pressures may be in particular according to the dryness of the sludge).
  • a water inlet 101 located at the inlet of the reactor 5 is provided to be able to bring cleaning water into the reactor during cleaning phases that can be performed at the start of the installation or during maintenance phase of it.
  • a purge 102 is provided for evacuating any incondensable gases.
  • the hydrolysed sludge in the reactor 5 is then conveyed via a pipe to a heat exchanger 7. Before reaching this heat exchanger 7 cooling and dilution water is fed into the hydrolysed sludge by means of injection 201. If necessary, this dilution can also be done after the exchanger 7.
  • the depressurizing member 8 which, by definition, generates a pressure drop, makes it possible to maintain the pressure prevailing in the thermal hydrolysis reactor 5.
  • This body is, in the context of this example, constituted by an eccentric screw pump provided between the heat exchanger and the digester. In other embodiments it may be constituted by a valve or any other member to perform this function.
  • the thermally hydrolyzed sludge is sent to the digester 9 where they can be easily digested because they have undergone thermal hydrolysis.
  • FIG. 1 of an installation incorporating a device according to the invention is a schematic representation.
  • the form of the reactor 5 in which the thermal hydrolysis of the monophasic mixture of sludge and steam is performed may take different forms. Three of these forms are given with reference to FIGS. 2, 3 and 4.
  • the reactor 5 has a vertical shape.
  • the reactor is provided in its lower part with a feed of single-phase mixture of sludge heated with steam 501 and in its upper part with an outlet of the reactor 502.
  • a purge 503 is provided to evacuate any incondensable gases and means for measuring the pressure of the temperature inside the reactor are also provided in the upper part thereof.
  • the thermal hydrolysis reactor has a first vertical section provided at its base with a single-phase mixture of sludge and steam 401, connected directly to a second vertical part provided at its foot with a evacuation 402 of hydrolysed sludge.
  • a purge 403 is provided at the junction between these two vertical parts to evacuate any incondensable gases.
  • Means for measuring the pressure and the temperature in the reactor are also provided. Note that in this configuration, the second vertical section portion is directly connected to the first vertical section without horizontal section between the two.
  • the thermal hydrolysis reactor has a first vertical section provided at its head with a single-phase mixture of sludge and steam 601, connected directly to a second vertical part provided at its foot with a evacuation 602 of hydrolysed sludge.
  • a purge 603 is provided at the junction between these two vertical parts to evacuate any incondensable gases.
  • Means for measuring the pressure and the temperature in the reactor are also provided. Note that in this configuration, the second vertical section portion is directly connected to the first vertical section without horizontal section between the two.
  • FIG. 5 shows the evolution over time of the temperature prevailing inside the thermal hydrolysis reactor: on the one hand in the context of the invention implementing a dynamic injector-mixer planned upstream of the reactor thermal hydrolysis; and, - On the other hand in the context of a similar installation according to the prior art in which dynamic injector-mixer is not used, the steam being injected at the bottom of the reactor.
  • the temperature prevailing inside the reactor increases progressively until reaching and maintaining the set temperature allowing the optimized thermal lysis of the hydrolyzable organic compounds. contained in the treated sludge.
  • the temperature observed in the reactor is immediately that of the injected steam. It then undergoes significant variations. This reflects the fact that, in the art according to this prior art, it does not systematically occur intimate mixture of steam with the sludge. On the contrary, the temperature fluctuations observed in the reactor reflect the existence of poly-phase flows within it. In the example described here, the steam being injected at a speed (in practice greater than
  • the mixture reaching this reactor is perfectly monophasic liquid and homogeneous. It can therefore flow in piston flow in it.
  • the set temperature is maintained throughout the residence time in the reactor. The energy of the steam is therefore optimally transferred to the sludge and the hydrolysis of the hardly biodegradable compounds can be carried out efficiently.
  • the quantity of theoretical energy for hydrolyzing a given quantity of sludge corresponds more or less to the quantity actually used to obtain this hydrolysis.
  • the calculation of the energy necessary to increase the temperature of a fluid of a temperature A at a temperature B is easy to achieve.
  • the calculated theoretical vapor flow rate was 25 kilograms of steam at 13 bar per hour and the tests showed that it was exactly this steam flow that was actually necessary to hydrolyze effectively. sludge.
  • the invention makes it possible to use reactors having a volume between 20 and 25% less than the reactor volumes of the prior art.

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Abstract

Procédé, et dispositif associé, d'hydrolyse thermique en continu de boues contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : réaliser simultanément l'injection de vapeur (100) sous pression dans lesdites boues et le mélange desdites boues avec ladite vapeur au moyen d'un injecteur-mélangeur dynamique (4) de façon à obtenir un mélange monophasique, acheminer ledit mélange monophasique vers un réacteur tubulaire (5) sous pression et provoquer l'écoulement en flux piston de ce mélange dans ledit réacteur selon un temps de séjour suffisant et à une température suffisante pour permettre l'hydrolyse thermique de la matière organique présente dans lesdites boues, refroidir ledit mélange monophasique à sa sortie dudit réacteur tubulaire à une température permettant la digestion ultérieure de la matière organique hydrolysée qu'il contient.; dépressuriser ledit mélange monophasique refroidi.

Description

Procédé et dispositif d'hydrolyse thermique en continu.
1. Le domaine de l'invention
La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour l'hydrolyse thermique en continu de boues contenant de la matière organique, mélangées ou non avec d'autres déchets liquides contenant de la matière organique. Ces boues peuvent par exemple être issus du traitement des eaux usées domestiques (boues d'épuration, graisses issues du prétraitement), ou issus du traitement des eaux usées industrielles, ou être issus de matières de vidange, de bac à graisses. Le terme « boues » sera par la suite utilisé dans le document. De telles boues ont une siccité comprise entre 10 et 50 % en poids.
2. Art antérieur
Les boues provenant du traitement des eaux usées, quelles soient d'origine domestique ou industrielle, peuvent être traitées par voie biologique, notamment par digestion anaérobie.
L'objectif des traitements biologiques est de dégrader la matière organique contenue dans ces boues. Cette dégradation peut avoir pour but de stabiliser les boues, de permettre la production d'énergie et / ou encore de réduire le volume des boues. Toutefois certains composés organiques sont plus difficiles à dégrader par voie biologique que d'autres et il est connu qu'un pré-traitement par hydrolyse thermique permet d'accélérer le processus de dégradation biologique. Ce traitement thermique est généralement effectué sous pression à une température supérieure à 100°C, et en pratique pouvant aller jusqu'à 220°C, pendant une période de temps prédéterminée, en pratique généralement d'une demi-heure.
Grâce à un tel traitement d'hydrolyse thermique, la matière organique difficilement biodégradable est dégradée en composés qui peuvent être ensuite plus facilement dégradés biologiquement.
D'une façon classique cette dégradation biologique ultérieure peut se faire par digestion au sein d'un réacteur fermé fonctionnant en anaérobie appelé digesteur. De tels digesteurs anaérobiques ne peuvent fonctionner correctement que s'ils opèrent à une température adéquate et constante, nécessitant généralement un système de chauffage, et que s'ils sont correctement brassés. Ce brassage est d'autant plus aisé que les boues entrantes dans le digesteur sont fluides, c'est-à-dire de faible viscosité.
On connaît dans l'art antérieur différents types de procédés d'hydrolyse thermique, certains étant mis en œuvre en traitant une par une, c'est-à-dire de façon discontinue, des quantités données de boues à hydrolyser (fonctionnement en « batch») tandis que d'autres procédés sont conçus pour permettre un traitement en continu, ou à tout le moins de façon semi-continue, des boues à hydrolyser.
Parmi l'art antérieur relatif à ces dispositifs et procédés d'hydrolyse thermique, on peut citer notamment les documents de brevets WO96/09882 et WO2006/027062 qui concernent tous les deux des procédés en batch.
De tels procédés en batch présentent l'inconvénient de nécessiter la gestion des cycles de traitement des différents lots de boues devant être traités.
Parmi les techniques de traitement par hydrolyse thermique des boues en continu ou semi-continu, on peut citer les techniques décrites dans le document de brevet EPI 198424 et celles décrites dans le document de brevet WO2009/121873.
Dans la technique décrite dans EPI 198424 les boues sont amenées dans un réacteur où elles transitent pendant une période de 5 à 60 mn à une température comprise entre 130°C et 180°C. Les boues hydrolysées grâce à un tel traitement sont ensuite refroidies au moyen d'un échangeur de chaleur de façon à s'assurer que la température de celles-ci est suffisamment basse pour éviter à la biomasse d'un digesteur d'être détruite. L'énergie ainsi récupérée permet de préchauffer les boues avant leur entrée dans le réacteur d'hydrolyse thermique. Cette technique met toutefois en œuvre des étapes de re-vaporisation dont la gestion peut en pratique s'avérer difficile et contraignante pour l'utilisateur. De plus ces étapes de re-vaporisation confèrent au procédé en question un caractère semi-continu plutôt que continu.
Dans la technique décrite dans le document de brevet WO2009/121873, les boues sont traitées en continu dans un réacteur d'hydrolyse thermique se présentant sous une forme tubulaire dans lequel de la vapeur d'eau est directement injectée.
Ce procédé présente l'avantage d'être un procédé réellement continu. Toutefois, bien qu'ayant considérablement amélioré les traitements des boues par hydrolyse thermique qui existaient sur le marché, il n'en présente pas moins certains inconvénients.
En premier lieu, si la viscosité des boues à hydrolyser introduites dans le réacteur est trop élevée l'injection de la vapeur dans celles-ci peut s'avérer difficile. En pratique, ce procédé peut traiter des boues qui présentent un taux de siccité élevée. Au-delà de certaines siccités, l'hydrolyse thermique pourrait s'avérer incomplète ou non optimale, ce qui limiterait les performances de la digestion anaérobie placée en aval de l'hydrolyse thermique.
En deuxième lieu, les expériences menées par la Déposante ont montré que les contraintes thermiques et mécaniques observées au sein du réacteur d'hydrolyse thermique mis en œuvre dans le cadre du procédé décrit dans le WO2009/121873 pouvaient nécessiter des dispositions constructives particulières. II a été observé que l'intégralité de la vapeur injectée n'était pas totalement condensée dans les boues au-delà de certaines siccités. En pratique, la vapeur injectée dans le réacteur peut connaître des chemins préférentiels. Ce problème est d'ailleurs identifié dans le brevet WO2009/121873, notamment au premier paragraphe de la page 5 de ce document qui précise que lorsque le réacteur présente une partie horizontale la vapeur et les boues peuvent avoir tendance à se séparer en deux couches, à savoir une couche supérieure contenant la vapeur et une couche inférieure contenant les boues.
Or, pour tous les procédés d'hydrolyse thermique et en particulier pour ceux qui fonctionnent en continu, la phase critique du procédé correspond au transfert et à la condensation de la vapeur dans la boue. En effet, si cette étape n'est pas effectuée correctement, les performances du procédé d'hydrolyse thermique peuvent être considérablement dégradées que ce soit en terme de réaction chimique qu'en termes économiques, la quantité de vapeur devant être utilisée étant alors plus importante.
Les procédés d'hydrolyse thermique sur boues déshydratées se heurtent donc à la difficulté d'injecter la vapeur dans les boues de façon efficace, et corollairement à la difficulté d'assurer leur mélange, dès lors que ces boues sont trop visqueuses. Les boues étant par nature visqueuses, plus leur siccité est grande plus la vapeur a du mal à être injectée dans la boue, à être mélangée à celle-ci et lui céder son énergie pour provoquer l'hydrolyse thermique des composés difficilement biodégradables.
Dans les procédés en batch, il est préconisé de mettre en œuvre une agitation dans les cuves de traitement pour favoriser le mélange intime de la vapeur avec des boues à traiter. Grâce à un tel mélange agité effectué dans les cuves de traitement, le mélange de boues et de vapeur devient intime et la vapeur finie par céder son énergie en se condensant dans les boues. Toutefois, tant dans le cadre des procédés fonctionnant en continu que dans ceux fonctionnant en batch, le problème constitué par la limitation de la siccité des boues est un problème majeur et en pratique les boues, à tout le moins dans la transposition industrielle qui est faite des techniques décrites et revendiquées dans les documents de brevet cités ci-dessus, doivent être limité à 25 % de matière sèche en poids.
Le document de brevet WO2009/121873 préconise la mise en œuvre de mélangeurs statiques ou dynamiques dans le réacteur de façon à améliorer le mélange de cette vapeur avec les boues. Ceci est exposé au dernier paragraphe de la page 5 de WO2009/121873. De tels mélangeurs sont particulièrement préconisés lorsque la vapeur est injectée dans une partie horizontale du réacteur, puisqu'une telle partie horizontale est identifiée, comme déjà indiqué ci-dessus, comme une zone dans laquelle la vapeur a une propension particulière à se trouver un chemin d'évacuation préférentiel et à ne pas se mélanger complètement à la boue, donc à ne pas lui céder son énergie correctement, cette propension conduisant donc à diminuer les performances du réacteur d'hydrolyse thermique. On notera toutefois qu'aucune réalisation industrielle mettant en œuvre de tels mélangeurs dynamiques ou statiques n'a effectivement été mise en œuvre, à la connaissance de la demanderesse, sur les installations commercialisées jusqu'ici.
Par ailleurs dans ces installations, les réacteurs d'hydrolyse présentent une longueur importante. A cette longueur importante correspond un temps de séjour des boues et de la vapeur dans le réacteur important. Ainsi, il est possible d'optimiser le coefficient de transfert d'énergie de la vapeur à la boue. Toutefois, de telles longueurs importantes de réacteurs impliquent des coûts élevés de fabrication.
3. Objectifs de la présente invention
L'objectif de la présente invention est de proposer un procédé, et un dispositif associé à la mise en œuvre de ce procédé, permettant d'améliorer les performances de la technologie divulguée dans WO2009/121873 considérée ici comme l'art antérieur le plus proche de l'invention qui sera décrite ci-après.
Notamment, un objectif de la présente invention est de décrire un tel procédé et un tel dispositif qui permettent le traitement de boues destinées à être hydrolysées thermiquement et présentant des taux de siccité supérieurs au taux de siccité maximal pouvant être jusqu'ici mis effectivement en œuvre par l'art antérieur, et ce sans dégrader les performances de la digestion suivant classiquement l'hydrolyse thermique des boues.
Un objectif de la présente invention est aussi de proposer un tel procédé et un tel dispositif permettant l'obtention de températures homogènes du mélange de boues et de vapeur à l'intérieur du réacteur afin d'atteindre des performances d'hydrolyse thermique élevées et de s'affranchir ainsi des contraintes mécaniques sur les réacteurs liées à des températures inhomogènes.
Encore un autre objectif de la présente invention est de divulguer un tel procédé et un tel dispositif qui permettent de réduire la consommation de vapeur nécessaire à l'hydrolyse des boues. Encore un autre objectif de l'invention est de décrire un tel procédé et un tel dispositif pouvant mettre en œuvre des réacteurs de plus faibles volumes, notamment de plus faibles longueurs, que dans l'art antérieur tout en assurant une condensation optimisée de la vapeur dans les boues.
Encore un autre objectif de l'invention est de décrire un tel procédé et un tel dispositif qui permettent l'hygiénisation des boues
4. Exposé de l'invention
Tout ou partie de ces objectifs sont atteints grâce à l'invention qui concerne, en premier lieu, un procédé d'hydrolyse thermique en continu de boues contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant les étapes consistant à :
réaliser simultanément l'injection de vapeur sous pression dans lesdites boues et le mélange desdites boues avec ladite vapeur au moyen d'un injecteur- mélangeur dynamique de façon à obtenir un mélange monophasique, acheminer ledit mélange monophasique vers un réacteur tubulaire sous pression et provoquer l'écoulement en flux piston de ce mélange dans ledit réacteur selon un temps de séjour suffisant et à une température suffisante pour permettre l'hydrolyse thermique de la matière organique présente dans lesdites boues, refroidir ledit mélange monophasique à sa sortie dudit réacteur tubulaire à une température permettant la digestion ultérieure de la matière organique hydrolysée qu'il contient. ; dépressuriser ledit mélange monophasique refroidi.
On notera que l'on entend dans la présente description les termes « injecteur- mélangeur dynamique » comme visant tout mélangeur constitué d'une chambre, préférentiellement cylindrique, recevant en continu lesdites boues, de moyens d'injection de vapeur directement dans ladite chambre et de moyens permettant de provoquer une agitation vigoureuse, grâce à des moyens mécaniques motorisés, des différentes phases entrant dans cette chambre. L'agitation est suffisamment forte pour permettre l'obtention d'un mélange monophasique de boues et de vapeur. En pratique, de tels moyens peuvent avantageusement être constitués de pales montées sur un axe de rotation mu par un rotor tournant à une vitesse supérieure à 500 tr/min, préférentiellement entre 1000 tr/min et 2000 tr/min. On notera que de tels moyens mécaniques d'agitation n'ont pas vocation à pousser la matière dans la chambre mais seulement à l'agiter. Ainsi, lorsqu'ils incluent des pâles, celles-ci sont conformées, selon les connaissances de l'homme de l'art, pour que leur mise en mouvement ne provoque pas d'avancée de la matière dans la chambre.
Dans le cadre du procédé d'hydrolyse thermique en continu selon l'invention, le temps de séjour de la matière dans l'injecteur- mélangeur dynamique est court. La chambre, préférentiellement cylindrique de l'injecteur- mélangeur présente donc avantageusement un faible volume. Corolairement la perte de charge de cette matière lors de son passage dans celui-ci est faible. En pratique cette perte de charge doit être inférieure à 10%.
L'injecteur-mélangeur mis en œuvre dans le cadre de l'invention se distingue donc des simples mélangeurs constitués par une cuve muni de moyens d'agitation dans lesquels le temps de séjour de la matière est long et qui ne permettent de ne traiter qu'une quantité donnée de celle-ci à la fois.
Cet injecteur-mélangeur se distingue aussi de simples dispositifs d'acheminement de boues, par exemple à vis sans fin.
Ainsi, l'invention propose de procéder au mélange de la vapeur d'eau sous pression avec les boues à hydrolyser afin d'obtenir un mélange parfait monophasique de boues chauffées, en amont de l'étape d'hydrolyse thermique effectuée subséquemment dans un réacteur tubulaire.
Ainsi, selon l'invention les phases de mélange de la boue avec la vapeur d'eau sous pression est clairement distincte de la phase d'hydrolyse thermique, l'une et l'autre de ces phases étant d'ailleurs menées à bien dans des équipements distincts. Le mélange monophasique réalisé préalablement à l'hydrolyse thermique permet à la vapeur d'eau de se condenser dans les boues au niveau de l'injecteur- mélangeur dynamique. Ce mélange homogène est ensuite acheminé vers le réacteur dans lequel il peut s'écouler en flux piston. Se présentant sous une phase liquide monophasique il rentre dans le réacteur à une température uniforme ou quasiment uniforme dans le réacteur, température à laquelle l'hydrolyse thermique des composés difficilement dégradables biologiquement peut être effectuée de façon efficace et optimisée.
D'une façon classique, à la sortie du réacteur tabulaire, ce mélange monophasique qui contient la matière organique hydrolysée est ramené à une température et à une concentration, par dilution si nécessaire, permettant sa digestion ultérieure.
Ainsi, l'invention se démarque nettement de l'art antérieur et notamment du document de brevet WO20069/121873 par la caractéristique selon laquelle le mélange des boues à hydrolyser avec la vapeur d'eau se fait en amont du réacteur d'hydrolyse thermique et non pas au sein de celui-ci.
Une telle option est en rupture par rapport à l'enseignement de ce cet art antérieur qui indiquait la possibilité d'utiliser un mélangeur statique ou dynamique intégré au réacteur. Cet art antérieur ne permettait pas toutefois l'obtention d'un mélange suffisamment homogène pour permettre une optimisation de l'hydrolyse thermique. La présente invention résout ce problème en réalisant ce mélange en amont du réacteur de façon telle que la phase qui entre dans ce dernier soit complètement homogène et que l'énergie fournie par la vapeur d'eau au sein de ce mélange puisse être transférée à la boue de façon telle que toute la matière pouvant être hydrolysée thermiquement puisse l'être en prévoyant un temps de séjour, c'est à dire une longueur de réacteur, suffisante.
Grâce à l'homogénéité du mélange de boue et de vapeur transitant dans le réacteur, une homogénéité de température de ce mélange peut être obtenue dans celui-ci. Une telle homogénéité de température permet de s'affranchir de l'apparition de chemins préférentiels de cheminement de la vapeur au sein du réacteur et, corolairement, de s'affranchir des contraintes thermiques et mécaniques inhérentes à l'apparition de tels chemins préférentiels d'écoulement.
Notamment, le mélange parfait de la vapeur et des boues permet de diminuer uniformément la viscosité de celles-ci et donc de s'affranchir des effets mécaniques liés au cisaillement des boues.
L'obtention d'un mélange homogène monophasique de boues chauffées en amont du réacteur, obtenu à partir de boues à hydrolyser et de vapeur, au sein d'un injecteur-mélangeur dynamique présente en effet l'avantage de pouvoir traiter des boues à hydrolyser présentant une siccité élevée, et notamment une siccité supérieure à 20% en poids.
Selon une variante préférentielle de l'invention, ledit mélange monophasique présente, en sortie dudit injecteur-mélangeur, une température comprise entre 100°C et 200°C (soit la température dans le réacteur permettant l'hydrolyse thermique de la matière organique présente dans lesdites boues) et une pression comprise entre 1 bar a et 25 bar a. On notera que dans le cadre de la présente description l'unité de pression est le bar absolu (bar a).
Avantageusement, ledit mélange monophasique présente, en sortie dudit injecteur-mélangeur, une température comprise entre 150°C et 170°C (soit la température dans le réacteur permettant l'hydrolyse thermique de la matière organique présente dans lesdites boues) et une pression comprise entre 5 bar a et
20 bar a.
Selon une variante préférentielle de l'invention, la vapeur d'eau qui sera utilisée pour réaliser le mélange monophasique de vapeur et de boues présentera une température comprise entre 100°C et 220°C et une pression comprise entre plus de 1 bar a et 23 bar a. De façon préférée entre toutes, on privilégiera une température de cette vapeur d'eau comprise entre 180°C et 200°C et une pression comprise entre 10 bar a et 16 bar a. La quantité de vapeur ainsi apportée aux boues dépendra d'une part de la siccité de ces dernières ainsi que de leur concentration en matière organique à hydrolyser.
Le temps de séjour du mélange monophasique au sein du réacteur sera, comme indiqué ci-dessous, suffisant pour permettre la réalisation de l'hydrolyse thermique de la matière organique mais en principe sera préférentiellement compris entre 10 minutes et 2 heures, et de façon préférée entre toutes, entre 20 et 40 minutes.
Avantageusement, le temps de séjour dudit mélange monophasique dans le réacteur sera d'au moins 20 minutes, et la température dudit mélange dans le réacteur sera d'au moins 100°C de façon telle que le procédé selon l'invention permettra aussi l'hygiénisation desdites boues, l'intégralité de celles-ci voyant alors la vapeur pendant un temps suffisamment long et ce, à une température suffisamment élevée. Une température supérieure à 70°C pendant au moins 20 minute appliquée aux boues est nécessaire pour les hygiéniser.
Selon une variante préférentielle de l'invention, l'étape consistant à refroidir le mélange monophasique à sa sortie du réacteur tubulaire à une température permettant la digestion ultérieure de la matière organique hydrolysée qu'il contient sera effectuée par apport d'eau et/ou de boues et/ou par l'utilisation d'échangeur thermique, ce qui permettra également de diluer ce mélange monophasique. Une telle dilution est en effet nécessaire pour permettre une bonne digestion ultérieure de ces boues hydrolysées thermiquement. Ce mélange atteindra alors une température suffisamment basse et sera suffisamment diluée pour respecter la biologie du digesteur. Egalement préférentiellement, le procédé selon l'invention comprend des étapes préalables de déshydratation et d'homogénéisation des boues en vue de leur acheminement vers l'injecteur-mélangeur dynamique, ces étapes préalables conduisant à des boues présentant une siccité comprise entre 10 et 50 % en poids, avantageusement comprise entre 20 % et 35 % en poids, de matières sèches. Pour mémoire on rappellera qu'en pratique les dispositifs de l'art antérieur ne permettaient pas d'hydrolyser efficacement des boues présentant une siccité supérieure à 25 % en poids.
Selon une variante avantageuse du procédé selon l'invention, celui-ci comprend une étape consistant à adapter les conditions de mise en œuvre du mélange dynamique en fonction de la siccité des boues. Ainsi, lorsque le injecteur mélangeur dynamique inclura un rotor à pâles, la vitesse de rotation de ces pâles pourra être modifiée en fonction de cette siccité de façon à permettre la réalisation d'un mélange monophasique même lorsque cette siccité sera élevée.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci couvre également tout dispositif pour la mise en œuvre du procédé précédemment décrit comprenant : des moyens d'amenée de boues contenant de la matière organique, des moyens d'amenée de vapeur d'eau sous pression, un réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique, des moyens d'injection d'eau et/ou de boues de dilution prévus en aval dudit réacteur tubulaire des moyens de refroidissement prévus en aval dudit réacteur tubulaire, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un injecteur- mélangeur dynamique prévu en amont dudit réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique et, des moyens de dépressurisation prévus en aval desdits moyens de refroidissement.
Un tel dispositif selon la présente invention se distingue clairement de l'art antérieur divulgué dans WO2009/121873 par la caractéristique selon laquelle un injecteur-mélangeur dynamique est prévu en amont du réacteur tubulaire d'hydrolyse technique et non pas intégré au réacteur d'hydrolyse thermique. Comme précisé ci-dessus, l'utilisation d'un appareillage pour mélanger les boues à hydrolyser thermiquement et la vapeur d'eau, à savoir le mélangeur dynamique, et d'un appareillage distinct pour réaliser l'hydrolyse thermique des composés hydrolysables thermiquement contenus dans ces boues, à savoir un réacteur tubulaire, permet d'optimiser le fonctionnement de ce réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique. Cette optimisation se traduit par l'obtention de boues hydrolysées présentant une teneur plus élevée en composés hydrolysés facilement digestibles au sein d'un digesteur et par la possibilité de pouvoir donner à ce réacteur tubulaire un volume plus faible.
Un tel dispositif selon l'invention permet donc de traiter par hydrolyse thermique des boues dans un volume de réacteur moindre, ce qui présente un avantage économique non négligeable par rapport à l'art antérieur.
Comme déjà précisé, on pourra utiliser différents types de mélangeurs dynamiques dans le cadre de la mise en œuvre de la présente invention. Toutefois le dispositif selon celle-ci sera avantageusement pourvu d'un injecteur-mélangeur dynamique qui présente une chambre munie d'un rotor à pâles dont la vitesse de rotation pourra être adaptée en fonction de la siccité des boues comme indiqué précédemment et en pratique tournant à plus de 500 tr/mn et préférentiellement entre 1000 tr/mn et 2000 tr/mn. On notera que la géométrie des pâles pourra elle- même être adaptée en fonction de la siccité et de la viscosité des boues.
L'art antérieur selon le brevet WO2009/121873 prévoit dans sa partie descriptive générale à peu près toutes les formes de réacteur tubulaire possible.
Toutefois les modes de réalisation de cette technique donnée dans ce document de brevet préconisent de réaliser ce réacteur horizontalement. Selon un mode de réalisation décrit dans ce document de brevet WO2009/121873, une entrée de boues à une extrémité du réacteur tubulaire est prévue, avec une injection de vapeur à proximité de cette extrémité, une sortie des boues hydrolysées étant prévue à l'autre extrémité de ce réacteur tubulaire, des moyens d'injection d'eau de refroidissement étant prévus au niveau de cette deuxième extrémité. Dans un autre mode de réalisation décrit dans ce document de brevet WO2009/121873, le réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique présente une première partie verticale prolongée par une seconde partie horizontale plus longue. La raison pour laquelle chacun de ces modes de réalisations préférentielles présente une partie horizontale relativement longue résultent de la nécessité de mettre en contact la boue avec la vapeur pendant un temps de séjour suffisamment long pour que non seulement l'hydrolyse thermique se produise mais que préalablement à celle-ci, au sein du réacteur tubulaire, la vapeur d'eau injectée en début de réacteur puisse se condenser dans les boues afin de transférer à celles-ci l'énergie nécessaire à leur hydrolyse.
Grâce à l'invention, l'injection de vapeur ayant lieu en amont du réacteur, c'est, grâce à l'utilisation de l'injecteur mélangeur dynamique, un mélange monophasique parfaitement mélangé qui arrive dans celui-ci ; si bien que le réacteur en question n'a plus à faire office de condenseur mais seulement de réacteur d'hydrolyse thermique. Son volume peut donc être réduit par rapport à l'art antérieur. En effet, dans celui-ci, le réacteur doit faire office à la fois de condenseur et de réacteur ce qui lui confère un volume et notamment une longueur importante.
Selon l'invention, les réacteurs d'hydrolyse thermique mis en œuvre pourront présenter des formes variées. Toutefois, selon une variante préférentielle, le réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique sera vertical et présentera une entrée à son extrémité inférieure et une sortie à son extrémité supérieure.
Selon une autre variante préférentielle, ce réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique présentera une première section verticale directement prolongée par une deuxième section verticale, l'entrée du réacteur étant prévue au pied de la première section verticale et la sortie du réacteur étant prévue au pied de ladite deuxième section verticale. On notera que dans le cadre de la présente description on entend par première section verticale "directement prolongée par une deuxième section verticale" comme couvrant les réalisations selon laquelle il n'existe pas de section horizontale droite prévue entre la première section verticale et la deuxième section verticale. En effet, une telle section horizontale est inutile dans la mesure où le réacteur tubulaire du dispositif selon l'invention est un réacteur d'hydrolyse thermique et non un réacteur faisant également office de condenseur.
Selon encore une autre variante, ledit réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique présente une première section verticale reliée à une deuxième section verticale, l'entrée du réacteur étant prévue en tête de ladite première section verticale et la sortie dudit réacteur étant prévue au pied de ladite deuxième section verticale.
Selon une variante intéressante de l'invention, le dispositif selon celle-ci comprend aussi un échangeur de chaleur prévu en aval du réacteur. Egalement avantageusement, le dispositif comprend une pompe ou une vanne, préférentiellement une pompe à vis excentrée, destinée à maintenir la pression dans le réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique.
5. Liste des figures
L'invention ainsi que les différents avantages qu'elle présente seront plus facilement compris grâce à la description de modes de réalisation donnés en référence aux figures dans lesquelles : la figure 1 représente une vue schématique d'un dispositif pour l'hydrolyse thermique de boues selon l'invention (entourée d'une ligne pointillée) intégré dans une installation incluant un digesteur prévu en aval de celle-ci ; la figure 2 représente une forme de réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique pouvant être mise dans le cadre de la présente invention ; la figure 3 représente une autre forme de réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique pouvant être mise dans le cadre de la présente invention ; la figure 4 représente encore une autre forme de réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique pouvant être mise dans le cadre de la présente invention ; la figure 5 représente un graphe montrant d'une part l'évolution de la température au sein du réacteur tubulaire d'une installation de l'art antérieur conforme aux documents de brevet WO2009/121873 n'intégrant pas d'injecteur mélangeur dynamique mais dans lequel la vapeur et la boue sont amenées en tête de réacteur, et d'autre part l'évolution de la température au sein du réacteur tubulaire d'une installation correspondant à l'invention intégrant un injecteur mélangeur dynamique dans lequel la vapeur et la boue sont mélangés puis acheminées sous forme de mélange homogène monophasique en tête du réacteur.
6. Description de modes de réalisation
En référence à la figure 1 , un dispositif selon l'invention est décrit de façon schématique. Ce dispositif 1000 est intégré à une installation incluant un digesteur 9 qui ne fait pas partie en tant que tel du dispositif selon l'invention. Une telle installation peut être utilisée pour mettre en œuvre un procédé de lyse-digestion (LD) mais on notera qu'il sera également possible d'intégrer le procédé selon l'invention dans des configurations connues de l'art antérieur dites digestion-lyse (DL) ou digestion-lyse-digestion (DLD), sachant que dans la configuration dite DL une partie de la boue est hydrolysée et retourne ensuite dans le digesteur.
En référence à la figure 1 , des boues centrifugées sont acheminées par une canalisation 1 vers une trémie 2 pourvue de deux vis sans fin permettant de les homogénéiser. Ces deux vis sans fin servent aussi à gaver la pompe d'alimentation 3 alimentant les boues vers l'injecteur-mélangeur dynamique 4. Les boues déshydratées et homogénéisées provenant de la trémie 2 sont ainsi pompées grâce à la pompe 3 dans une canalisation servant de moyens d'amenée de ces boues à Γ injecteur- mélangeur dynamique 4. Cet injecteur- mélangeur dynamique 4 est également pourvu de moyens d'injection de vapeur 100 générée par un générateur de vapeur non représenté sur la figure 1. L'injecteur-mélangeur comprend une chambre cylindrique pourvue de moyens d'agitation constitués de pales montées sur un axe de rotation mu par un rotor tournant à une vitesse entre 1000 tr/min et 2000 tr/min, cette vitesse pouvant être réglée en fonction de la siccité des boues.
Le temps de séjour de la matière transitant en continue dans Γ injecteur mélangeur est court et en pratique inférieure à 10 mn. Les pales ne font pas avancer la matière dans la chambre mais ne font que l'agiter vigoureusement
Une arrivée d'eau de lavage 200 est prévue en amont de l'injecteur- mélangeur dynamique 4. Grâce à de tels moyens d'amenée d'eau 200, l'injecteur- mélangeur dynamique pourra être nettoyé en cas de besoin.
A la sortie du mélangeur dynamique, une canalisation permet d'acheminer le mélange monophasique réalisé au sein de celui-ci vers un réacteur d'hydrolyse thermique 5. Le traitement au sein de ce réacteur d'hydrolyse thermique 5 est effectué à une température comprise entre 165°C et 180 °C, l'intérieur du réacteur étant maintenu sous une pression comprise entre 8 bar a et 10 bar a (à ce sujet, on notera que des températures et des pressions plus faibles ou plus fortes pourront être mises en œuvre en fonction notamment de la siccité des boues). Une entrée d'eau 101 située à l'entrée du réacteur 5 est prévue pour pouvoir amener de l'eau de nettoyage au sein du réacteur lors de phases de nettoyage pouvant être effectuées lors du démarrage de l'installation ou lors de phase de maintenance de celle-ci. En sortie du réacteur 5, une purge 102 est quant à elle prévue pour évacuer d'éventuels gaz incondensables.
Les boues hydrolysées dans le réacteur 5 sont ensuite acheminées par une canalisation vers un échangeur de chaleur 7. Avant de parvenir à cet échangeur de chaleur 7 de l'eau de refroidissement et de dilution est amenée dans les boues hydrolysées par des moyens d'injection d'eau 201. Si besoin, cette dilution pourra aussi se faire après l'échangeur 7.
A la sortie de l'échangeur 7, les boues diluées sont acheminées vers le digesteur 9. L'organe déprimogène 8 qui, par définition, génère une chute de pression, permet de maintenir la pression régnant dans le réacteur d'hydrolyse thermique 5. Cet organe est, dans la cadre du présent exemple, constitué par une pompe à vis excentrée prévue entre l'échangeur de chaleur et le digesteur. Dans d'autres modes de réalisation il pourra être constitué par une vanne ou tout autre organe permettant d'effectuer cette fonction.
A la sortie du dispositif selon l'invention, les boues hydrolysées thermiquement sont envoyées vers le digesteur 9 où elles peuvent être, du fait qu'elles ont subies une hydrolyse thermique, facilement digérées.
Il est bien précisé que la représentation faite à la figure 1 d'une installation intégrant un dispositif selon l'invention est une représentation schématique. Notamment, la forme du réacteur 5 dans lequel l'hydrolyse thermique du mélange monophasique de boues et de vapeur est réalisée pourra revêtir différentes formes. Trois de ces formes sont données en référence aux figures 2, 3 et 4. Selon la forme représentée à la figure 2, le réacteur 5 présente une forme verticale. Le réacteur est pourvu dans sa partie inférieure d'une arrivée de mélange monophasique de boues chauffées avec de la vapeur 501 et dans sa partie supérieure, d'une sortie du réacteur 502. Une purge 503 est prévue pour évacuer les éventuels gaz incondensables et des moyens de mesure de la pression de la température régnant à l'intérieur du réacteur sont également prévus dans la partie supérieure de celui-ci.
En référence à la figure 3, le réacteur d'hydrolyse thermique présente une première section verticale pourvue à sa base d'une arrivée de mélange monophasique de boues et de vapeur 401 , reliée directement à une seconde partie verticale pourvue à son pied d'une évacuation 402 des boues hydrolysées. Une purge 403 est prévue au niveau de la jonction entre ces deux parties verticales pour évacuer les éventuels gaz incondensables. Des moyens de mesure de la pression et de la température dans le réacteur sont également prévus. On notera que dans cette configuration, la seconde partie section verticale est directement reliée à la première section verticale sans section horizontale entre les deux.
En référence à la figure 4, le réacteur d'hydrolyse thermique présente une première section verticale pourvue à sa tête d'une arrivée de mélange monophasique de boues et de vapeur 601 , reliée directement à une seconde partie verticale pourvue à son pied d'une évacuation 602 des boues hydrolysées. Une purge 603 est prévue au niveau de la jonction entre ces deux parties verticales pour évacuer les éventuels gaz incondensables. Des moyens de mesure de la pression et de la température dans le réacteur sont également prévus. On notera que dans cette configuration, la seconde partie section verticale est directement reliée à la première section verticale sans section horizontale entre les deux.
La figure 5 montre l'évolution dans le temps de la température régnant à l'intérieur du réacteur d'hydrolyse thermique : - d'une part dans le cadre de l'invention mettant en œuvre un injecteur- mélangeur dynamique prévue en amont du réacteur d'hydrolyse thermique ; et, - d'autre part dans le cadre d'une installation similaire selon l'art antérieur dans laquelle aucun injecteur- mélangeur dynamique n'est utilisé, la vapeur étant injectée en pied de réacteur.
En référence à cette figure 5, on peut constater que dans le cadre de la présente invention, la température régnant à l'intérieur du réacteur monte progressivement jusqu'à atteindre et à conserver la température de consigne permettant la lyse thermique optimisée des composés organiques hydrolysable contenue dans les boues traitées.
Dans l'installation selon l'art antérieur, la température observée dans le réacteur est d'emblée celle de la vapeur injectée. Elle subit ensuite des variations importantes. Ceci traduit le fait que, dans la technique selon cet art antérieur, il ne se produit pas systématiquement de mélange intime de la vapeur avec les boues. Au contraire, les fluctuations de température observées au sein du réacteur traduisent l'existence d'écoulements poly phasiques au sein de celui-ci. Dans l'exemple ici décrit, la vapeur étant injectée à une vitesse (en pratique supérieure à
5m/s) beaucoup plus élevée que les boues (en pratique inférieure à 3m/s) elle se trouve des passages préférentiels au travers de celle-ci et ne se mélange pas intimement avec elle et ne vient pas lui céder son énergie efficacement.
Tout au contraire, grâce à l'utilisation d'un injecteur-mélangeur dynamique selon l'invention en amont du réacteur d'hydrolyse, le mélange parvenant à ce réacteur est parfaitement monophasique liquide et homogène. Il peut donc s'écouler en flux piston dans celui-ci. La température de consigne est conservée pendant tout le temps de séjour dans le réacteur. L'énergie de la vapeur est donc transférée de façon optimisée aux boues et l'hydrolyse des composés difficilement biodégradables peut être réalisée efficacement.
On notera également que grâce à l'invention, la quantité d'énergie théorique pour hydrolyser une quantité donnée de boues correspond peu ou prou à la quantité effectivement mise en œuvre pour obtenir cette hydrolyse. A ce sujet on notera que le calcul de l'énergie nécessaire pour augmenter la température d'un fluide d'une température A à une température B est facile à réaliser. Dans le cadre des essais réalisés par la Déposante, le débit de vapeur théorique calculé a été de 25 kilogrammes de vapeur à 13 bar a par heure et les essais ont montré que c'était exactement ce débit de vapeur qui était effectivement nécessaire pour hydrolyser efficacement les boues.
Dans le cadre de l'installation selon l'art antérieur, il a été démontré que le mélange entre la boue à hydrolyser et la vapeur était imparfait puisque la quantité de vapeur effectivement injectée pour chauffer la boue (15kg/h) était inférieure à la quantité théoriquement calculée (25kg/h). Une certaine quantité de vapeur n'était donc pas condensée dans la boue. Ces essais confirment l'intérêt de la présente invention.
Enfin on notera que l'invention permet de mettre en œuvre des réacteurs présentant un volume entre 20 et 25 % inférieur aux volumes de réacteur de l'art antérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'hydrolyse thermique en continu de boues contenant de la matière organique, ledit procédé comprenant les étapes consistant à : réaliser simultanément l'injection de vapeur sous pression dans lesdites boues et le mélange desdites boues avec ladite vapeur au moyen d'un injecteur- mélangeur dynamique de façon à obtenir un mélange monophasique, acheminer ledit mélange monophasique vers un réacteur tubulaire sous pression et provoquer l'écoulement en flux piston de ce mélange dans ledit réacteur selon un temps de séjour suffisant et à une température suffisante pour permettre l'hydrolyse thermique de la matière organique présente dans lesdites boues, refroidir ledit mélange monophasique à sa sortie dudit réacteur tubulaire à une température permettant la digestion ultérieure de la matière organique hydrolysée qu'il contient ; dépressuriser ledit mélange monophasique refroidi.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit mélange monophasique présente, en sortie dudit injecteur-mélangeur, une température comprise entre 100°C et 200°C et une pression comprise entre 1 bar a et 25 bar a.
3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que ledit mélange monophasique présente, en sortie dudit injecteur-mélangeur, une température comprise entre 150°C et 170°C et une pression comprise entre 5 bar a et 20 bar a.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que la vapeur d'eau utilisée pour réaliser ledit mélange monophasique présente une température comprise entre 100 °C et 220°C, préférentiellement entre 180 °C et 200 °C, et une pression comprise entre 1 bar a et 23 bar a, préférentiellement entre 10 bar a et 16 bar a.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit temps de séjour dudit mélange monophasique dans ledit réacteur est compris entre 10 minutes et 2 heures, préférentiellement entre 20 minutes et 40 minutes
6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit temps de séjour dudit mélange monophasique dans ledit réacteur est d'au moins 20 minutes, et en ce que la température dudit mélange dans ledit réacteur est d'au moins 100°C de façon telle qu'il permette l'hygiénisation desdites boues.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit mélange monophasique est refroidi et dilué en aval du réacteur par apport d'eau ou de boues.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des étapes préalables de déshydratation et d'homogénéisation des boues conduisant à des boues présentant une siccité comprise entre 10 % et 50 % en poids de matières sèches, préférentiellement entre 20 % et 35 %.
9. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant : des moyens d'amenée de boues contenant de la matière organique, des moyens d'amenée de vapeur d'eau sous pression, un réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique, des moyens d'injection d'eau et/ou de boues de dilution prévus en aval dudit réacteur tubulaire des moyens de refroidissement prévus en aval dudit réacteur tubulaire, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un injecteur- mélangeur dynamique prévu en amont dudit réacteur tubulaire d'hydrolyse thermique et, des moyens de dépressurisation prévus en aval desdits moyens de refroidissement.
10. Dispositif selon la revendication 9 caractérisée en ce que ledit injecteur-mélangeur dynamique présente une chambre et un rotor à pales tournant à plus de 500 tr/mn préférentiellement entre 1000 tr/mn et 2000 tr/mn.
11. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce que ledit réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique est vertical et présente une entrée à son extrémité inférieure et une sortie à son extrémité supérieure.
12. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en que ledit réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique présente une première section verticale directement prolongée par une deuxième section verticale, l'entrée du réacteur étant prévue au pied de ladite première section verticale et la sortie dudit réacteur étant prévue au pied de ladite deuxième section verticale.
13. Dispositif selon l'une des revendications 9 ou 10 caractérisé en que ledit réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique présente une première section verticale directement prolongée par une deuxième section verticale, l'entrée du réacteur étant prévue en tête de ladite première section verticale et la sortie dudit réacteur étant prévue au pied de ladite deuxième section verticale.
14. Dispositif selon l'une des revendication 9 à 13 caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur prévu en aval dudit réacteur.
15. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 14 caractérisé en ce qu'il comprend une pompe ou une vanne destinée à maintenir la pression dans ledit réacteur tabulaire d'hydrolyse thermique.
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