FR2988304A1

FR2988304A1 - Procede d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide, et installation pour la mise en oeuvre de ce procede

Info

Publication number: FR2988304A1
Application number: FR1252599A
Authority: FR
Inventors: Frederic Duong
Original assignee: Suez Environnement SAS
Current assignee: Suez International SAS
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2013-09-27
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: FR2988304B1

Abstract

Procédé d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide par dégazage thermique, en particulier dans de l'eau, selon lequel l'effluent liquide est soumis à un strippage (5) à une température comprise entre 50°C et 120°C, avantageusement voisine de 100°C, et les buées chargées en ammoniac provenant du strippage sont condensées (12) en une solution ammoniacale ayant une concentration en ammoniac plus élevée que l'effluent liquide. Le dégazeur thermique étant équipé d'une boucle de réchauffage alimentée par thermo compression

Description

PROCEDE D'EXTRACTION DE L'AMMONIAC DISSOUS DANS UN EFFLUENT LIQUIDE, ET INSTALLATION POUR LA MISE EN OEUVRE DE CE PROCEDE.

L'invention est relative à un procédé d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide, en particulier dans de l'eau. Les produits résiduels de différents procédés de traitement industriels, en particulier de procédés de traitement d'eaux usées avec méthanisation, sont formés d'effluents liquides contenant de l'ammoniac dissous en une concentration relativement faible, notamment inférieure à 5 % en masse. En général, ces produits résiduels doivent être traités avant rejet pour ne pas polluer. Par ailleurs, il existe des besoins en solutions ammoniacales suffisamment concentrées, généralement à au moins 15 % d'ammoniac, notamment pour une dénitrification non catalytique (SNCR) et catalytique (SCR) des gaz de combustion d'unités de valorisation énergétique de déchets ménagers. L'invention a pour but, surtout, de fournir un procédé d'extraction de l'ammoniac dissous en faible concentration dans un effluent liquide, en particulier dans de l'eau, qui permet de manière simple, économique et efficace d'obtenir une solution ammoniacale suffisamment concentrée, en particulier pour une utilisation industrielle.. Le procédé d'extraction de l'ammoniac dissous, selon l'invention, est caractérisé en ce que l'effluent liquide est soumis à un strippage à une température comprise entre 50°C et 120°C, avantageusement voisine de 100°C, et en ce que les buées chargées en ammoniac provenant du strippage sont condensées en une solution ammoniacale ayant une concentration en ammoniac beaucoup plus élevée que l'effluent liquide. Par "strippage" ou désorption on désigne une opération qui consiste à extraire le gaz dissous dans un effluent liquide pour le faire passer en phase gazeuse. Pour cela, l'effluent liquide est pulvérisé en partie haute d'un dégazeur thermique, ou bâche dégazante, disposé au-dessus d'une cuve contenant une phase liquide et une phase vapeur d'eau et de gaz. Le strippage se produit au cours de l'échauffement brutal des gouttelettes d'effluents, la vapeur ambiante étant le vecteur de chaleur le plus approprié pour cela. Par température voisine de 100°C on désigne une température comprise entre 90°C et 110°C (100°C ± 10°C). Le strippage est réalisé avantageusement avec de la vapeur d'eau.

De préférence, le strippage de l'effluent liquide est effectué à une température de 105°C. Du fait de la température de volatilisation de l'ammoniac NH3 très basse (38°C), il n'est pas indispensable de monter la température à 105°C, qui 5 est un optimum pour le dégazage thermique de l'oxygène 02 du fait de la viscosité réduite de l'eau. La concentration de l'effluent liquide en ammoniac dissous est généralement inférieure à 5 % en masse, notamment inférieure à 1 % dans le cas d'un effluent provenant d'une station d'épuration d'eaux usées, tandis que 10 la concentration de la solution ammoniacale récupérée après condensation est supérieure à 15 %. La concentration en ammoniac de l'effluent liquide peut être inférieure à 1 g/L (0,1 %) tandis que la concentration en ammoniac de la solution ammoniacale peut être d'au moins 200 g/L (20 %). 15 Avantageusement, pour assurer le réchauffage de l'effluent liquide, de la vapeur d'eau basse pression est soutirée du dégazeur thermique et est soumise à une thermo-compression avec de la vapeur d'eau à une pression plus élevée, pour produire une vapeur recomprimée qui est réintroduite dans le dégazeur thermique au niveau de température adéquate. 20 La pression de la vapeur d'eau prélevée dans le dégazeur thermique peut être d'environ 1,2 bar, correspondant à une température de 105°C, tandis que la pression de la vapeur recomprimée est d'environ 2 bars (correspondant à une température de 120°C), la thermo-compression étant obtenue en injectant au col d'un venturi, traversé par la vapeur prélevée du dégazeur 25 thermique, de la vapeur d'eau motrice sous une pression d'environ 5 bars. La condensation des buées prélevées est de préférence réalisée dans un condenseur alimenté en air frais, à une température d'environ 20°C ou inférieure, ou en eau froide, à une température d'environ 20°C ou inférieure. De préférence, un préchauffage de l'effluent liquide est assuré en 30 amont de l'étape de strippage à partir de l'effluent liquide sortant du dégazeur thermique après strippage. Ce préchauffage est assuré par un échangeur dit méthodique tubulaire ou à plaques. De manière particulièrement avantageuse, l'effluent liquide contenant de l'ammoniac dissous provient d'une station d'épuration d'eaux usées et la 35 solution ammoniacale concentrée obtenue par condensation de buées est utilisée pour la dénitrification non catalytique des gaz de combustion dans la chambre de combustion d'un four d'incinération des déchets d'une unité de valorisation énergétique des déchets par incinération, en particulier lorsque celle-ci est mitoyenne. Avantageusement, un dégazeur peut être installé dans la station d'épuration d'eaux usées pour produire la solution ammoniacale concentrée, et l'alimentation en vapeur motrice du dégazeur provient d'une production de vapeur autonome ou est importée d'une unité industrielle proche productrice. L'eau résiduelle dévolatilisée peut être utilisée avantageusement pour le procédé de l'unité de valorisation énergétique des déchets : extinction et humidification des mâchefers et traitement des fumées par voie sem i sèche. L'invention est également relative à une installation pour la mise en oeuvre du procédé défini précédemment caractérisée en ce qu'elle comporte un dégazeur thermique dont l'entrée, pour le liquide à dégazer, est reliée à une arrivée d'effluent liquide contenant de l'ammoniac dissous, le dégazeur thermique contenant un mélange diphasique d'eau et de vapeur d'eau à une température comprise entre 50°C et 120°C, avantageusement voisine de 100°C, et en ce qu' une conduite de prélèvement de buées est branchée sur le ciel du dégazeur, cette conduite étant reliée à un condenseur refroidi à l'air ou à l'eau, pour fournir un condensat plus concentré en ammoniac. La conduite de prélèvement des buées est munie de préférence d'une vanne de contrôle du débit.

L'installation comporte avantageusement une conduite de prélèvement de vapeur d'eau branchée sur le dégazeur et reliée à l'entrée d'un thermo-compresseur à venturi dont la sortie de vapeur recomprimée est reliée par une conduite de retour au dégazeur thermique. Le thermo-compresseur comporte un moyen d'injection de vapeur à pression plus élevée au col du venturi. Avantageusement, cette injection de vapeur est obtenue par soutirage de vapeur sur un étage intermédiaire d'une turbine à vapeur, en particulier d'une turbine à vapeur d'une unité de valorisation énergétique des déchets. Cette vapeur motrice à moyenne pression peut être produite pas un générateur de vapeur alimenté en combustible : fioul, gaz, biogaz, biomasse, etc. L'installation peut comporter un échangeur croisé pour le préchauffage de l'effluent liquide, contenant l'ammoniac dissous, par l'effluent sortant du dégazeur et ayant subi le strippage.

L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence au dessin annexé, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ce dessin : la figure unique est un schéma d'une installation mettant en oeuvre le procédé d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide selon l'invention. En se reportant à la figure du dessin, on peut voir une installation pour la mise en oeuvre du procédé d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide, constitué par de l'eau, introduit dans l'installation par une conduite 1 sur laquelle est installée une pompe 2 pour faire circuler l'effluent. L'effluent liquide contient de l'ammoniac dissous très dilué, notamment selon une proportion de l'ordre de 0,1 % en masse, soit 1 g/L. Cet effluent liquide provient avantageusement d'une station d'épuration d'eaux usées, en particulier de la déshydratation des boues, ou de presses à digestat, ou de condensats de séchage de boues. L'effluent liquide brut passe dans le circuit de chauffage d'un échangeur croisé 3 qui reçoit, par une canalisation 4, un fluide de chauffage dont il sera question plus loin. A titre d'exemple, non limitatif, la température de l'effluent liquide à l'entrée de la pompe 2 est d'environ 20°C tandis que la température de l'effluent préchauffé, à la sortie de l'échangeur 3, est d'environ 85°C. Le fluide de chauffage arrivant dans l'échangeur 3 par la canalisation 4 est à une température d'environ 105°C pour sortir de l'échangeur 3 à une température d'environ 40°C. La conduite 1 se poursuit, au-delà de l'échangeur 3, pour être raccordée à une rampe 5 de pulvérisation située en partie haute d'un dégazeur thermique 6 ou bâche dégazante. Le dégazeur 6 comprend une cuve 7 cylindrique d'axe horizontal fermée à chacune de ses extrémités par un fond sensiblement hémisphérique et raccordée, sur sa partie supérieure, à un élément cylindrique 8 d'axe vertical comportant, vers son extrémité haute, la rampe 5 pour une pulvérisation vers le bas de l'effluent liquide. A l'intérieur de l'élément 8 est prévu un garnissage, par exemple constitué d'anneaux, ou un système de chicanes ou de plateaux, pour favoriser le contact entre les gouttelettes pulvérisées et la vapeur d'eau provenant de la cuve 7. Cette cuve contient un mélange diphasique, sous pression, d'eau liquide 9a à une température supérieure à 100°C, notamment environ 105°C, et de vapeur d'eau 9b dans la partie supérieure de la cuve et dans l'élément cylindrique 8.

Une conduite 10 est reliée à l'extrémité supérieure de l'élément 8 pour prélever les buées riches en ammoniac dans le ciel du dégazeur thermique 6. L'effluent brut liquide est ainsi soumis à un strippage à la vapeur d'eau, à une température supérieure à 100°C. La vapeur d'eau, au contact des gouttelettes d'effluent pulvérisé assure une extraction des molécules d'ammoniac qui sont entraînées avec les buées dans la conduite 10. Une électrovanne 11 est prévue sur la conduite 10 pour contrôler le débit de vapeur. La conduite 10 est raccordée à un condenseur 12 refroidi soit par de l'air, par exemple à une température d'environ 20°C, mis en mouvement par un ventilateur 13, soit par de l'eau selon un circuit non représenté. La température de l'air de refroidissement, en sortie du condenseur 12, peut être de l'ordre de 40°C. Les incondensables, présents dans les buées, notamment le gaz carbonique CO2 et l'oxygène 02, peuvent être évacués à l'atmosphère ou être recueillis par une conduite 14 pour traitement éventuel. Les condensats liquides délivrés par le condenseur 12 sont évacués par une conduite 15 munie d'un purgeur 16 et raccordée à une pompe 17 d'évacuation des condensats. Une conduite 18, branchée sur l'orifice de sortie de la pompe 17, dirige les condensats concentrés en ammoniac vers une unité utilisant ces condensats. Avantageusement, ces condensats sont dirigés vers une unité de valorisation énergétique des déchets afin de servir à la dénitrification non catalytique (SNCR) des gaz de combustion de cette unité de valorisation. La concentration en gaz ammoniac NH3 des condensats peut être réglée en agissant sur l'ouverture de la vanne 11. Plus la vanne 11 est fermée, mais tout en laissant passer un débit de gaz et vapeur, plus la concentration des condensats en ammoniac augmente. Une conduite 19 est raccordée à la partie supérieure de la cuve 7 pour soutirer de la vapeur d'eau de cette cuve et la diriger à l'entrée d'un thermo-compresseur 20 comportant un venturi 21. La vapeur d'eau soutirée est introduite en amont du col du venturi par la conduite 19. Une buse 22 permet d'injecter, au col du venturi, de la vapeur d'eau sous une pression plus forte que celle de la vapeur amenée par la conduite 19. La buse d'injection 22 est alimentée par une conduite 23 munie d'une électrovanne 24. A titre d'exemple non limitatif, la pression de la vapeur dans la conduite 19 est de l'ordre de 1,2 bar pour une température de vapeur de 105°C dans la cuve 9b, tandis que la pression de la vapeur injectée par la buse 22 est de 5 bars environ ; cette vapeur provient avantageusement d'un soutirage sur un étage de turbine à vapeur, en particulier d'une turbine à vapeur d'une unité de valorisation énergétique des déchets ménagers. Cependant, la production de vapeur motrice qui alimente le thermo-compresseur peut provenir d'un générateur de vapeur ou de toute autre source. La sortie du thermo-compresseur 20, située en aval du divergent du venturi 21, est raccordée à une conduite 25 qui ramène la vapeur recomprimée dans la phase liquide 9a de la cuve 7 où elle est distribuée par une rampe 26, essentiellement horizontale, avec orifices de sortie orientés de préférence vers le fond de la cuve. La vapeur recomprimée circulant dans la conduite 25 peut se trouver à une pression de 2 bars environ correspondant à une température de 120°C environ. Le circuit constitué par la conduite 19, le thermo- compresseur 20 et la conduite 25 permet le chauffage du contenu de la cuve 7 sans perte de chaleur latente de la vapeur d'eau. L'effluent introduit par la rampe 5 subit l'opération de strippage au cours de laquelle les gouttelettes pulvérisées flashent, c'est-à-dire explosent, sous l'effet de la vapeur d'eau, avec dégazage libérant notamment l'ammoniac NH3, le gaz carbonique CO2 et l'oxygène 02. L'effluent strippé tombe dans la phase liquide 9a de la cuve 7. La canalisation 4 branchée sur le fond de cette cuve 7 permet d'évacuer le trop-plein de la phase liquide vers l'échangeur croisé 3. La température de l'effluent strippé dans la canalisation 4 est sensiblement la même que la température dans la cuve 7, soit environ 105°C dans l'exemple considéré. Le trop-plein évacué constitue le fluide de chauffage de l'échangeur 3 qui réchauffe l'effluent brut qui arrive. L'effluent strippé refroidi sortant de l'échangeur 3 est évacué par une conduite 27. La température de cet effluent refroidi peut se situer aux environs de 40°C.

Une canalisation 28 de vidange munie d'une vanne 29 est branchée sur la canalisation 4, en amont de l'échangeur 3, pour évacuer le surplus éventuel d'effluent strippé. Le procédé de l'invention permet de récupérer, au niveau de la canalisation 18, une solution ammoniacale concentrée, en particulier à au moins 20 % en masse (200 g/L d'ammoniac dissous) à partir d'un effluent introduit par la conduite 1 contenant de l'ammoniac très dilué, notamment à environ 0,1 % (1 g/L) en provenance de déshydratations de boues, de presses à digestat, ou de condensats de séchage de boues de stations d'épuration. L'installation et le procédé combinent un dégazeur thermique 6 et un thermo-compresseur 20. L'échangeur croisé 3, en matériau inoxydable, permet d'améliorer le rendement du procédé. Un tel procédé permet de créer une synergie entre une usine de traitement d'eaux usées et une usine d'incinération d'ordures ménagères, en permettant de concentrer l'ammoniac dissous provenant de l'usine de traitement d'eaux usées, avec une consommation minimale d'énergie. L'utilisation de la solution ammoniacale pour une dénitrification de gaz de combustion assure la réduction des oxydes d'azote par l'ammoniac. Le dégazeur peut être installé dans la station d'épuration d'eaux usées pour produire la solution ammoniacale concentrée, et l'alimentation en vapeur motrice du dégazeur provient d'une production de vapeur autonome ou est importée d'une unité industrielle proche productrice, par exemple une usine de valorisation énergétique des déchets.

Le procédé et l'installation relèvent d'une technologie relativement simple et peu coûteuse. La consommation de chaleur est réduite et le dégazage thermique assure une performance élevée. L'effluent qui a subi l'opération de strippage et qui est récupéré par la conduite 4 ou qui est envoyé à la vidange peut être réutilisé pour la production d'eau déminéralisée. Les composés organiques volatils COV et les micropolluants récupérés par dégazage thermique et pouvant se retrouver dans la conduite 14 peuvent être soumis à un traitement de destruction dans le four d'incinération avant rejet dans l'atmosphère.15

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction de l'ammoniac dissous dans un effluent liquide, en particulier dans de l'eau, caractérisé en ce que l'effluent liquide est soumis à un strippage à une température comprise entre 50°C et 120°C, avantageusement voisine de 100°C, et en ce que les buées chargées en ammoniac provenant du strippage sont condensées en une solution ammoniacale ayant une concentration en ammoniac plus élevée que l'effluent liquide.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration de l'effluent liquide en ammoniac dissous est inférieure à 1 % tandis que la concentration de la solution ammoniacale est supérieure à 15 %.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le strippage est réalisé avec de la vapeur d'eau.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le strippage de l'effluent liquide est effectué à une température de 105°C.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le strippage de l'effluent liquide est effectué dans un dégazeur thermique (6) à vapeur d'eau, et de la vapeur d'eau est soutirée du dégazeur thermique et est soumise à une thermo-compression (20) avec de la vapeur d'eau à une pression plus élevée, pour produire une vapeur recomprimée qui est réintroduite en boucle dans le dégazeur thermique.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pression de la vapeur d'eau prélevée dans le dégazeur thermique est d'environ 1,2 bar, correspondant à une température de 105°C, tandis que la pression de la vapeur recomprimée est d'environ 2 bars (correspondant à une température de 120°C).
7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la thermocompression est obtenue en injectant au col d'un venturi (21), traversé par la 35 vapeur prélevée du dégazeur thermique (6), de la vapeur d'eau sous une pression plus élevée, en particulier d'environ 5 bars.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'injection de vapeur 2 9 88304 9 est obtenue par soutirage de vapeur sur un étage intermédiaire de turbine à vapeur, en particulier d'une turbine à vapeur d'une unité de valorisation énergétique des déchets. 5
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la condensation des buées prélevées est réalisée dans un condenseur (12) alimenté en air frais extérieur, à une température d'environ 20°C ou inférieure, ou en eau froide, à une température d'environ 20°C ou inférieure,. 10
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un préchauffage (3) de l'effluent liquide est assuré par un échangeur de chaleur en amont de l'étape de strippage à partir de l'effluent liquide sortant du dégazeur thermique après strippage. 15
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'effluent liquide contenant de l'ammoniac dissous provient d'une station d'épuration d'eaux usées et la solution ammoniacale concentrée obtenue par condensation de buées est utilisée pour la 20 dénitrification non catalytique des gaz de combustion dans la chambre de combustion d'un four d'incinération des déchets d'une unité de valorisation énergétique des déchets par incinération, en particulier lorsque celle-ci est mitoyenne. 25
12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'un dégazeur est installé dans la station d'épuration d'eaux usées pour produire la solution ammoniacale concentrée, et l'alimentation en vapeur motrice du dégazeur provient d'une production de vapeur autonome ou est importée d'une unité industrielle proche productrice. 30
13. Installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte un dégazeur thermique (6) dont l'entrée, pour le liquide à dégazer, est reliée à une arrivée (1) d'effluent liquide contenant de l'ammoniac dissous, le dégazeur thermique contenant un mélange diphasique d'eau (9a) et de vapeur d'eau (9b) à une température comprise entre 50°C et 120°C, avantageusement voisine de 100°C, et en ce qu' une conduite (10) de prélèvement de buées est branchée sur le ciel du dégazeur, cette conduite étant reliée à un condenseur (12) refroidià l'air ou à l'eau, pour fournir un condensat plus concentré en ammoniac.
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que la conduite (10) de prélèvement des buées est munie d'une vanne (11) de contrôle du débit.
15. Installation selon la revendication 13 ou 14, caractérisée en ce qu'elle comporte une conduite (19) de prélèvement de vapeur d'eau branchée sur le dégazeur et reliée à l'entrée d'un thermo-compresseur (20) à venturi (21) dont la sortie de vapeur recomprimée est reliée par une conduite de retour (25) au dégazeur thermique.
16. Installation selon la revendication 15, caractérisée en ce que le thermocompresseur (20) comporte un moyen d'injection (22) de vapeur à pression plus élevée au col du venturi.
17. Installation selon l'une quelconque des revendications 13 à 16, caractérisée en ce qu'elle comporte un échangeur croisé (3) pour le préchauffage de l'effluent liquide, contenant l'ammoniac dissous, par l'effluent sortant du dégazeur (6) et ayant subi le strippage.