FR3138427A1 - Procede de traitement de dechets complexes - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1, ledit procédé comprenant : a) une étape de mise sous pression du mélange M1 afin d’obtenir un mélange M1p, b) une étape de chauffage du mélange M1p permettant d’obtenir un mélange M2, c) une étape de séparation du mélange M2 afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique, d) une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un mélange M5, e) une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 afin de séparer le gaz de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque, f) éventuellement une étape d’enrichissement en ammoniaque d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ afin d’obtenir un flux enrichi en ammoniaque M5’’ et un flux appauvri en ammoniaque M8, g) une étape de mélange (i) d’au moins une fraction du flux M3 et (ii) d’au moins une fraction de du flux M5’ ou M5’’ obtenu à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente, afin d’obtenir un mélange M6, h) une étape de formation de struvite à partir d’au moins une fraction du mélange M6 dans un réacteur de précipitation, i) une étape de récupération de struvite à la sortie du réacteur de précipitation, ledit procédé comprenant au moins une étape d’injection d’au moins un sel de magnésium dans le mélange M1 avant l’étape a) et/ou lors de l’étape g) et/ou lors de l’étape h) et/ou dans le mélange M6 entre les étapes g) et h), ladite étape de mélange g) pouvant éventuellement être mise en œuvre dans le réacteur de précipitation. Figure pour l’abrégé : Fig. 1
Description
L’invention concerne le domaine du traitement de déchets complexes, comprenant de la matière organique et de la matière inorganique, tels que des déchets aqueux, des boues et des boues d'épuration.
Le traitement des eaux usées est nécessaire à la protection de l'environnement. Une station d'épuration est constituée de deux parties principales, le traitement de l'eau usée et le traitement des boues issues du traitement de l'eau.
L'objectif du traitement des eaux usées est d'éliminer la pollution, notamment la pollution particulaire (on parle aussi de matières en suspension), et en particulier la pollution carbonée, azotée et phosphorée. Une station d'épuration permet également de récupérer des ressources - telles que le phosphore - ou de générer de l'énergie, par exemple via la production de biogaz.
La récupération des ressources est désormais une préoccupation car de nombreux types d'éléments sont proches de la pénurie : il apparaît de plus en plus critique de les recycler.
C'est le cas du phosphore qui figure sur la liste des matières premières critiques de l'Union européenne en raison de l'épuisement progressif des mines de phosphate, de l'augmentation de la demande et des propriétés non substituables du phosphore. Ainsi, le phosphore est un élément fertilisant, indispensable aux cultures et non remplaçable. Il est donc souhaitable de le recycler au maximum.
Par conséquent, l'accent est mis sur la récupération du phosphore dans les stations d'épuration.
Les boues issues des stations d’épuration ont été reconnues comme un puits de phosphore complémentaire.
L'épandage sur les terres est considéré comme l'option la plus pratique, mais il est associé à des préoccupations publiques accrues concernant les polluants dans les boues (par exemple, les agents pathogènes, les métaux lourds, les polluants organiques persistants et les micropolluants).
Le traitement thermochimique des boues et surtout l'incinération parait comme une solution alternative aux filières d'élimination conventionnelles. Il présente des avantages significatifs, tels que la désodorisation, une efficacité élevée, une réduction substantielle du volume de déchets (environ 90%), la destruction des polluants organiques et la désactivation des agents pathogènes. Plus important encore, l'incinération génère des résidus solides sous forme de cendres qui sont concentrées en phosphore (P) (9–13 %) comparables à la roche phosphatée.
Néanmoins, les cendres issues de l’incinération des boues sont constituées d’une matrice complexe de minéraux où le phosphore s'accumule avec des métaux lourds, ce qui rend impossible la réutilisation directe de ces cendres comme engrais. De plus, la biodisponibilité du phosphore dans les cendres est restreinte en raison de la liaison avec les minéraux. Par conséquent, la suppression des métaux lourds et l'amélioration de la biodisponibilité du phosphore représentent des traitements laborieux économiquement et écologiquement pour la récupération du phosphore à partir des cendres.
Il existe donc un besoin réel pour proposer un procédé alternatif permettant de récupérer le phosphore présent dans les boues de façon directe sous forme biodisponible comme la struvite et contenant une concentration restreinte de métaux lourds grâce à une étape de précipitation le tout avec une approche durable
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
a) une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 300 bars, de préférence entre 170 et 210 bars afin d’obtenir un mélange M1p,
b) une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 250°C à 500°C permettant d’obtenir un mélange M2,
c) une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b) afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique,
d) une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
e) une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale de l’étape d) afin de séparer le gaz de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque,
f) éventuellement une étape d’enrichissement en ammoniaque d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ afin d’obtenir un flux enrichi en ammoniaque M5’’ et un flux appauvri en ammoniaque M8,
g) une étape de mélange (i) d’au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et (ii) d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ ou d’au moins une fraction du flux enrichi M5’’ obtenu à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente, afin d’obtenir un mélange M6,
h) une étape de formation de struvite à partir d’au moins une fraction du mélange M6 dans un réacteur de précipitation,
i) une étape de récupération de struvite à la sortie du réacteur de précipitation,
ledit procédé de traitement comprenant au moins une étape d’injection d’au moins un sel de magnésium dans le mélange M1 avant l’étape a) de mise sous pression et/ou lors de l’étape g) et/ou lors de l’étape h) et/ou dans le mélange M6 entre les étapes g) et h),
ladite étape de mélange g) pouvant éventuellement être mise en œuvre dans le réacteur de précipitation.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, le sel de magnésium est choisi parmi l’hydroxyde de magnésium, l’oxyde de magnésium, le chlorure de magnésium, et leurs mélanges, de préférence parmi l’hydroxyde de magnésium et l’oxyde de magnésium, de préférence encore le sel de magnésium est l’hydroxyde de magnésium.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend en amont de l’étape a), une étape d’hydrolyse du mélange M1 mise en œuvre à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars, permettant d’obtenir un mélange M1h qui sera ensuite mis sous pression à l’étape a).
Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé comprend un échange de chaleur entre le mélange M5 issu de l’étape d) et le mélange M1 ou M1p ou M1h en amont de l’étape de chauffage b).
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matière solides, par rapport au poids total du mélange M1.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, le flux enrichi en sels issu de l’étape c) comprend du phosphore, de préférence en une proportion allant de 1 à 20% en poids, par rapport au poids sec total du flux enrichi en matière inorganique M3.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’effluent liquide M5’ comprend de 1 à 20 g/l d’ammoniaque.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’étape d’enrichissement en ammoniaque f) est mise en œuvre à l’aide de chaleur.
De préférence, la chaleur vient du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale d).
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, l’étape d’enrichissement en ammoniaque f) permet d’obtenir une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 1,5 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’, de préférence une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 2 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’, voire une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 5 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’.
Selon un mode de réalisation du procédé de l’invention, moins de 75% du volume, de préférence moins de 50% du volume, de l’effluent liquide M5’ issu de l’étape e) ou de l’effluent liquide M5’’ issu de l’étape f) lorsqu’elle est mise en œuvre, est mis en mélange lors de l’étape g).
L’invention a également pour objet une installation pour la mise en œuvre du procédé de traitement selon l’invention, ladite installation comprenant :
- une pompe de mise sous pression 3 alimentée par le mélange M1 et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- Un dispositif de chauffage 2 comportant une entrée permettant d’introduire le mélange M1p éventuellement en mélange avec un sel de magnésium Mg et comportant une sortie pour le mélange M2,
- Un dispositif de séparation 5 alimenté par au moins une fraction du mélange M2 et comportant une sortie de flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie de flux M4 appauvri en matière inorganique,
- Un réacteur de gazéification hydrothermale 8 alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation 5 et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de refroidissement et de séparation 9 en aval du réacteur de gazéification (8), alimenté par au moins une fraction du mélange M5 issu du réacteur 8 et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux et au moins une sortie pour un effluent liquide M5’,
- Eventuellement un dispositif d’enrichissement en ammoniaque 10 alimenté par au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ et comportant une sortie pour le flux enrichi M5’ et une sortie pour le flux appauvri M8,
- Eventuellement un dispositif de mélange 6 alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif 5 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif 9 ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif 10, et comportant au moins une sortie pour le mélange M6,
- Un réacteur de précipitation 7 comportant au moins une entrée et au moins une sortie, ledit réacteur de précipitation 7 pouvant être alimenté :
- Soit par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation 5 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif de refroidissement et de détente 9 ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif d’enrichissement 10,
- Soit par le flux M6 issu du dispositif de mélange 6 lorsqu’il est présent,
- Au moins un dispositif d’injection situé :
- en amont de la pompe de mise sous pression 3 et/ou
- dans le dispositif de mélange 6 et/ou
- en aval du dispositif de mélange 6 et en amont du réacteur de précipitation 7, et/ou
- dans le réacteur de précipitation 7.
Selon un mode de réalisation, l’installation selon l’invention comprend en outre au moins un réacteur d’hydrolyse 4 en amont de la pompe de mise sous pression 3, ledit réacteur d’hydrolyse comportant au moins une entrée pour le mélange M1 et au moins une sortie pour l’hydrolysat M1h, ledit hydrolysat M1h alimentant la pompe de mise sous pression 3.
L’invention permet de récupérer le phosphore sous forme de struvite à partir des boues issues du traitement de l'eau par un procédé direct, avec un rendement optimum, une gestion optimisée de la chaleur et une génération réduite de dépôts dans les canalisations.
Le procédé de l’invention permet également de réduire la quantité de métaux lourds susceptible d’être récupéré avec le phosphore.
L’invention concerne un procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 300 bars, de préférence entre 170 et 210 bars afin d’obtenir un mélange M1p,
- une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 250°C à 500°C, de préférence de 350°C à 450°C, permettant d’obtenir un mélange M2,
- une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b) qui permet d’obtenir un flux enrichi en matière inorganique M3 et un flux appauvri en matière inorganique M4,
- une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide aqueux,
- une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale de l’étape d) afin de séparer le gaz de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque,
- éventuellement une étape d’enrichissement en ammoniaque d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ issu de l’étape e) afin d’obtenir un flux liquide enrichi M5’’ en ammoniaque,
- une étape de mélange :
- d’au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et
- d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque obtenu à l’issue de l’étape e) ou d’au moins une fraction du flux enrichi M5’’ obtenu à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente,
afin d’obtenir un mélange M6,
- une étape de formation de struvite à partir d’au moins une fraction du mélange du mélange M6 dans un réacteur de précipitation,
- une étape de récupération de struvite à la sortie du réacteur de précipitation,
ledit procédé de traitement comprenant au moins une étape d’injection d’au moins un sel de magnésium dans le mélange M1 avant l’étape a) de mise sous pression et/ou lors de l’étape g) et/ou lors de l’étape h) et/ou dans le mélange M6 entre les étapes g) et h),
ladite étape de mélange g) pouvant éventuellement être mise en œuvre dans le réacteur de précipitation.
Au sens de la présente invention, l’expression « au moins une fraction de X » a le même sens que l’expression « tout ou partie de X ». Lorsqu’il s’agit d’une partie d’un mélange ou d’un flux ou d’un gaz, cette expression se réfère à une certaine proportion dudit mélange ou dudit flux ou dudit gaz. Par exemple, au sens de cette expression « chaque fraction du mélange » ou « chaque fraction du flux » ou « chaque fraction du gaz » aura la même composition.
Ainsi, au sens de la présente invention, l’expression « étape X mise en œuvre sur la totalité du flux M issu de l’étape Y » signifie que les étapes X et Y sont successives et qu’il n’y a pas d’étape intermédiaire de séparation entre les étapes X et Y, étant entendu qu’il pourrait y avoir un refroidissement/chauffage du flux M entre les étapes X et Y, notamment par échange de chaleur pouvant éventuellement impliquer un échange de flux.
Mélange M1 comprenant au moins de la matière organique
Le mélange M1 comprend au moins de la matière organique. Typiquement, le mélange M1 comprend en outre de la matière inorganique.
Parmi la matière inorganique, on peut citer les sels comprenant les anions tels que les phosphates, sulfates, chlorures, carbonates et hydrocarbonates avec comme contre ions par exemple le sodium, le magnésium, le calcium l’ammonium et les métaux.
Le mélange M1 peut par exemple être choisi parmi les boues primaires, biologiques, mixtes ou digérées des stations d'épuration municipales et industrielles.
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matière solides, par rapport au poids total du mélange M1.
Selon un mode de réalisation, au moins un sel de magnésium est ajouté au mélange M1 de telle façon que le magnésium soit en proportion stœchiométrique ou en proportion sur-stœchiométrique. Ainsi, de préférence le ratio molaire Mg/P dans le mélange M1 après ajout du sel de magnésium va de 1/1 à 1,3/1.
Ainsi, on peut prévoir une mesure de la teneur en phosphore dans le mélange M1 avant sa mise en œuvre dans l’étape de mise sous pression a). En effet, la mesure de la teneur en phosphore se fera typiquement à pression atmosphérique.
L’ajout du sel de magnésium est réalisé de préférence en amont de l’étape de mise sous pression a).
Le sel de magnésium peut être choisi parmi l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2), l’oxyde de magnésium (MgO) ou le chlorure de magnésium (MgCl2). De préférence, le sel de magnésium est l’hydroxyde de magnésium.
Le sel de magnésium peut être ajouté dans un dispositif de mélange alimenté d’une part par le flux de mélange M1 et d’autre part par le flux de sel de magnésium.
Eventuelle étape d’hydrolyse et éventuelle étape de broyage
Selon un mode de réalisation, le procédé selon l’invention comprend une étape d’hydrolyse du mélange M1 en amont de l’étape de mise sous pression a).
L’étape d’hydrolyse peut être mise en œuvre à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars.
L’étape d’hydrolyse permet de diminuer la viscosité du mélange. Ainsi, l’étape d’hydrolyse permet d’obtenir un mélange M1h aussi appelé hydrolysat.
L’étape d’hydrolyse permet de dégrader la matière organique, en particulier elle permet de casser les liaisons chimiques et de dépolymériser la matière organique par effet de l’eau.
Le mélange M1h aura typiquement une viscosité au moins 2 fois plus faible, de préférence au moins 4 fois plus faible, de préférence encore au moins 10 fois plus faible que la viscosité du mélange M1.
Ainsi, le ratio entre la viscosité du mélange M1 et la viscosité du mélange M1h est d’au moins 2, de préférence d’au moins 4, de préférence encore d’au moins 10.
La viscosité définie dans le cadre de la présente invention est une viscosité cinématique mesurée à la même température (20°C par exemple) en utilisant les rhéomètres adaptés à la viscosité à mesurer (cylindre – cylindre, plan-plan) et en mesurant au même cisaillement (en s-1) les deux viscosités en veillant typiquement à supprimer les problématiques de turbulence et au respect des règles rhéologiques (par exemple écartement entre cylindre en fonction de la granulométrie).
L’étape d’hydrolyse mise en œuvre sur le mélange M1 peut être mise en œuvre dans un ou plusieurs réacteurs d’hydrolyse en parallèle ou en série.
Ladite étape d’hydrolyse permet d’hydrolyser le mélange M1 grâce notamment au maintien d’un temps de séjour hydraulique moyen aux températures et aux pressions souhaitées (de préférence, des températures allant de 70 à 165°C et pressions allant de 2 à 8 bars), étant entendu que si l’étape d’hydrolyse est mise en œuvre dans plusieurs réacteurs d’hydrolyse, la température peut être identique ou différente dans les différents réacteurs, de même, la pression peut être identique ou différente dans les différents réacteurs.
Avantageusement, l’étape d’hydrolyse mettra en œuvre une étape de récupération d’énergie interne, permettant ainsi de minimiser la consommation thermique de l’hydrolyse. Par exemple, il pourrait y avoir une boucle de recirculation d’énergie de l’hydrolysat chaud vers le produit à hydrolyser froid via par exemple par production de vapeur de détente de l’hydrolysat chaud et injection dans le produit à hydrolyser froid ou échange thermique.
A la sortie de l’étape d’hydrolyse, un hydrolysat M1h est obtenu, ledit hydrolysat M1h n’est pas nécessairement aux températures et pressions souhaitées pour l’hydrolyse. En effet, avant la sortie de l’étape d’hydrolyse, l’hydrolysat pourrait éventuellement subir une étape de refroidissement et/ou de détente.
En particulier, par exemple si l’hydrolyse est mise en œuvre à une température élevée, par exemple allant de 100 à 165°C, alors il pourrait être souhaitable de refroidir l’hydrolysat par exemple jusqu’à une température inférieure à 90°C, de sorte à ce que le flux M1h ait une température plus faible pour la mise sous pression dans l’étape a) du procédé de l’invention
L’extraction de l’hydrolysat M1h peut être contrôlée par une mesure de la viscosité.
Selon un mode de réalisation, une quantité contrôlée de vapeur peut être injectée dans le(s) réacteur(s) d’hydrolyse et diffusée à travers le mélange M1. Ce contrôle peut être effectué par une mesure de la température dans le réacteur d’hydrolyse. Ainsi, lorsque la température de consigne est atteinte, l’injection de vapeur peut être stoppée.
La vapeur peut être injectée :
- en amont de l’hydrolyse dans l’entrée avec un mélangeur type mélangeur dynamique, et/ou
- directement dans le réacteur d’hydrolyse, préférentiellement en partie basse de manière tangentielle pour éviter les bouchages de boues, et/ou
- dans une boucle de recirculation de la boue hydrolysée.
Selon un mode de réalisation, lors de l’hydrolyse, le mélange M1 est mélangé, par exemple il est agité.
Le réacteur d’hydrolyse peut être un réacteur batch éventuellement agité.
Selon un mode de réalisation mettant en œuvre une étape d’hydrolyse, au moins un sel de magnésium est ajouté dans le mélange M1 à traiter avant l’entrée dans le dispositif d’hydrolyse.
Selon un autre mode de réalisation mettant en œuvre une étape d’hydrolyse, au moins un sel de magnésium est ajouté dans le mélange M1h en aval du dispositif d’hydrolyse.
Avant la mise sous pression, le procédé de traitement peut éventuellement comprendre une étape de broyage, de préférence un broyage mécanique.
Lorsqu’elle est présente, l’étape de broyage du mélange M1 peut être mis en œuvre avant, pendant ou après l’hydrolyse lorsque cette dernière est présente. Dans ce dernier cas, le broyage est alors mis en œuvre sur le mélange M1h.
Lorsque le procédé de l’invention met en œuvre une étape d’hydrolyse combinée à une étape de broyage, alors le procédé de l’invention pourra éventuellement comprendre une étape de recirculation d’au moins une fraction de l’hydrolysat broyé à l’entrée de l’étape d’hydrolyse.
Selon un mode de réalisation, le(s) réacteur(s) d’hydrolyse comprennent une boucle de recirculation munie d’un dispositif de broyage, permettant d’introduire au moins une fraction de l’hydrolysat dans ledit dispositif de broyage et de retourner au moins une fraction, de préférence la totalité, de l’hydrolysat ainsi broyé, à l’entrée de l’étape d’hydrolyse.
Cette étape de broyage a pour objectif de diminuer la granulométrie du mélange M1, typiquement pour que la granulométrie de la fraction solide soit inférieure à 1000 µm de préférence inférieure à 500 µm, de préférence inférieure à 100µm.
On entend une granulométrie “inférieure à X µm” le fait que 95% des particules solides soient retenues au tamis de maille carrée de X µm et que les 5% restantes n’aient pas une taille supérieure à 3 fois X µm.
Outre la réduction de granulométrie qui permet de minimiser les bouchages aval, l'étape de broyage permet une homogénéisation du mélange M1 et une réduction de la viscosité qui permettront une bien meilleure maitrise des paramètres process du fonctionnement de la gazéification hydrothermale.
Au même titre que l’étape d’hydrolyse, le broyage et la diminution de la taille des particules contribue elle aussi à l’homogénéisation de la biomasse.
Dans les réacteurs mettant en œuvre de fortes pressions, il est difficile d’avoir une agitation mécanique, la baisse de la viscosité mise en œuvre grâce à l’étape d’hydrolyse et l’étape de broyage permet en outre d’améliorer la turbulence interne et donc d’améliorer l’homogénéisation dans les réacteurs sous pression.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression allant de 150 à 350 bars, ledit mélange M1 ayant été éventuellement préalablement mélangé avec au moins un sel de magnésium.
Pour la mise sous pression, une pompe est prévue en début de ligne en amont du chauffage ou à la sortie du réacteur d’hydrolyse lorsqu’il est présent.
La pompe est prévue en aval du dispositif de mélange permettant de mélanger le mélange M1 et le sel de magnésium.
Le mélange M1 sous pression est désigné ci-après par mélange M1p.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de chauffage à une température allant de 250 à 500°C, mise en œuvre sur le mélange M1p.
L’étape de chauffage peut être mise en œuvre dans un dispositif de chauffage. Le dispositif peut être un réacteur à cuve agitée continue (terme en anglais: CSTR, continuous stirred tank reactor) ou un réacteur à écoulement tubulaire appelé également à écoulement piston (terme en anglais: plug-flow reactor). Ce réacteur peut être muni par un dispositif de chauffage externe ou chauffé via un échange avec un fluide caloporteur.
L’étape de chauffage permet d’obtenir un mélange M2.
Ainsi, les étapes a) et b) permettent d’obtenir un mélange M2 ayant une pression allant de 150 à 350 bars, de préférence de 170 à 210 bars et une température allant de 250°C à 500°C, de préférence de 350°C à 450°C.
Le procédé selon l’invention comprend une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b), afin d’obtenir un flux enrichi en matière inorganique M3 et un flux appauvri en matière inorganique M4.
Au sens de la présente invention, on entend par « flux enrichi en matière inorganique », un flux comprenant une proportion massique de matière inorganique supérieure à la proportion massique de matière inorganique dans le mélange M2.
Au sens de la présente invention, on entend par « flux appauvri en matière inorganique », un flux comprenant une proportion massique de matière inorganique inférieure à la proportion massique de matière inorganique dans le mélange M2.
L’étape de séparation est typiquement mise en œuvre dans un dispositif de séparation comportant une ligne d’amenée du mélange M2 issu de l’étape a) et deux lignes de sortie : (i) une ligne d’extraction du flux enrichi en matière inorganique M3 et (ii) une ligne d’extraction du flux appauvri en matière inorganique M4.
Le dispositif de séparation peut être un dispositif de séparation par gravitation ou par effet hydraulique type cyclone typiquement muni en partie basse d’un système de vidange fonctionnant en continu ou par intermittence.
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend du phosphore et le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c) comprend au moins 50% en poids du poids total de phosphore présent dans le mélange M1. En d’autres termes, au moins 50% en poids du phosphore présent dans le mélange M1 est récupéré dans le flux enrichi en matière inorganique M3 issu de l’étape c).
Selon un mode de réalisation, le mélange M1 comprend du phosphore et le flux M3 enrichi en sels issu de l’étape c) comprend du phosphore, de préférence en une proportion allant de 1 à 20% en poids, par rapport au poids sec total du flux enrichi en matière inorganique M3.
Eventuelle étape de mise sous pression et éventuelle étape de chauffage
Selon un mode de réalisation, le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape supplémentaire de mise sous pression mise en œuvre sur le flux M4 en amont de l’étape de gazéification hydrothermale.
Selon ce mode de réalisation, de préférence, l’étape de mise sous pression a) est mise en œuvre à une pression allant de 150 à 210 bars et l’étape de mise sous pression supplémentaire permet de porter le mélange M4 issu de l’étape c) à une pression supérieure ou égale à 225 bars.
Les procédés de gazéification hydrothermale de l’état de la technique fonctionnent avec une seule pression de fonctionnement. Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, le procédé de l’invention met en œuvre deux pressions de fonctionnement. Ce fonctionnement à deux pressions permet d’avoir de multiples avantages.
D’une part, seule une fraction de l’installation est mise à très forte pression (seule la « deuxième partie », après la mise sous pression supplémentaire) donc les coûts de construction sont réduits ainsi que les contraintes d’installation.
D’autre part, au moment de la récupération de chaleur du flux M5 pour préchauffer le mélange M1, M1p ou M1h, la différence de pression entre les deux flux permet de conserver une différence de température (delta T) plus importante que dans le cas où les deux pressions seraient identiques, ce qui favorise l’échange thermique. Cela permet d’avoir un delta T qui est la force de l’échange thermique plus importante dans l’échangeur et donc un échangeur plus petit.
Selon un mode de réalisation mis en œuvre, le procédé de traitement selon l’invention comprend en outre une étape de chauffage du flux M4, de préférence à une température supérieure ou égale à 300°C, de préférence encore à une température allant de 400°C à moins de 600°C.
Lorsque le procédé comprend une étape de mise sous pression supplémentaire, alors de préférence, le procédé comprend également une étape de chauffage du flux M4, de préférence à une température allant de 400°C à moins de 600°C.
L’étape de chauffage supplémentaire peut être mise en œuvre dans un dispositif de chauffage choisi parmi chauffage électrique ou chauffage indirect par des gaz chaud issus d’une combustion.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent aqueux.
La gazéification hydrothermale (GH) est un procédé de dépolymérisation thermique utilisé pour convertir une matière organique présente en milieu humide en un mélange ne comprenant que de petites molécules sous une température et une pression élevées à modérées.
Au cours de la GH, le carbone et l'hydrogène d'un matériau organique sont convertis, thermochimiquement sous conditions quasi critiques ou supercritiques. Une partie est convertie en composés à faibles masses molaires solubles dans l’eau.
Une autre partie est convertie en produits gaz tels que le dioxyde de carbone (CO2), le méthane (CH4), le dihydrogène (H2), le monoxyde de carbone (CO), les hydrocarbures légers tels que l’éthane (C2H6) et le propane (C3H8).
Lors du séjour dans le réacteur de gazéification hydrothermale à des températures inférieures à 400°C, la matière organique subit, entre autres réactions, une décomposition basée sur l'hydrolyse, similaire aux réactions survenant dans le processus de liquéfaction, mais beaucoup plus rapidement. En effet, une mise en œuvre dans des conditions quasi-critiques ou supercritiques permet d'utiliser les propriétés uniques de l'eau supercritique comme solvant, qui permettent des conditions de solvatation et de réactions homogènes, conduisant à des vitesses cinétiques de réaction très élevées. En conséquence, un temps de séjour beaucoup plus court et une vitesse de chauffage beaucoup plus élevée que ceux de l'hydrolyse conventionnelle sont utilisés, limitant ou même évitant les réactions secondaires de condensation et de polymérisation responsables de la formation de bio-huile et de biochar.
Lorsque la GH fonctionne à une température supérieure à 400°C, la décomposition radicalaire des polymères (impliquant en particulier des réactions de décarboxylation, de désamination par la rupture des liaisons C-N, et de clivage C-C ou C-O) est prédominante, tandis que le reformage à la vapeur endothermique est la principale voie de réaction pour convertir les petites molécules comportant 1 à 3 atomes de carbone en oxydes de carbone et en dihydrogène et l’azote en ammoniaque.
Le méthane est également produit par méthanation du CO et du CO2, à l’aide de dihydrogène.
En conséquence, la GH peut être considérée comme un processus de décomposition transformant les résidus organiques présents dans le flux M4 en une matière plus facilement biodégradable et en de l’ammoniaque dissous dans la phase liquide.
Les conditions de traitement (en particulier la température, la pression, et dans une moindre mesure le temps de séjour) du GH peuvent être ajustées pour non seulement produire une fraction gazeuse contenant du CH4, du CO, du CO2 et du H2 (gaz de synthèse), mais aussi de produire un effluent aqueux, contenant majoritairement d’un côté des composés facilement digérables, notamment des acides carboxyliques et de l’autre côté l’ammoniaque sous forme de sel d’ammonium des acides carboniques produits.
Il convient de noter que la GH est différente de la liquéfaction hydrothermale (HTL), en particulier en ce que le taux de conversion et le niveau de décomposition de la matière organique dans la HTL ne sont pas aussi élevés que dans la GH, même lorsque la GH est exploité sous des conditions de températures modérées.
En conditions HTL, l'eau contient encore des ions HO- et H3O+ qui initient l'hydrolyse de la matière organique.
L'hydrolyse n'a lieu qu'en surface des composés cellulosiques contenus dans la fraction organique qui se dissout très peu dans le milieu sous-critique donnant des conversions assez faibles en décomposition.
Les réactions de condensation (comprenant principalement la condensation d'Aldol, l'alkylation ou l'acylation de Friedel-Craft) des intermédiaires sont une voie de réaction importante, conduisant à la formation d'un biobrut qui est une huile (également appelée bio-huile) qui peut être utilisée comme carburant, c'est-à-dire le biobrut contient des molécules organiques contenant 5 atomes de carbone ou plus, généralement de 8 à 16 atomes de carbone. En revanche, le produit liquide de GH contient principalement des composés facilement biodégradables.
La GH se distingue de la pyrolyse en ce qu'elle est opérée dans un milieu contenant de l'eau, l'eau étant dans un état supercritique ou quasi-critique.
La GH se distingue de la gazéification « conventionnelle » des matières organiques en ce que la gazéification « conventionnelle » réduit le rapport massique carbone/hydrogène (C/H), ce qui conduit à des produits à pouvoir calorifique accru, dont un gaz majoritairement composé de gaz de synthèse (mélange de H2 /CO), bio-huile et/ou solide carboné (char).
Dans le procédé de traitement selon l’invention, l’étape de gazéification hydrothermale est typiquement mise en œuvre dans un réacteur de gazéification hydrothermale, alimenté en entrée par au moins une fraction de flux appauvri en matière inorganique M4 et comportant une sortie M5, le flux appauvri en matière inorganique M4 peut être issu directement du dispositif de séparation ou issu de l’éventuelle étape de chauffage supplémentaire mise en œuvre sur au moins une fraction du flux M4.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de gazéification est un réacteur tubulaire.
De préférence, l’étape de gazéification hydrothermale est mise en œuvre à une température inférieure à 600°C, de préférence à une température allant de 350°C à moins de 600°C, de préférence encore allant de 450 à moins de 600°C.
De préférence, l’étape de gazéification hydrothermale est mise en œuvre à une pression supérieure ou égale à 220 bars, de préférence supérieure ou égale à 250 bars.
De préférence, le temps de séjour (global) du flux appauvri en matière inorganique M4 dans l'étape d) de GH va typiquement de 1 min à 20 min, de préférence de 2 min à 10 min, plus préférentiellement de 3 à 5 min.
Selon un mode de réalisation préféré, l’étape de gazéification hydrothermale est mise en œuvre en présence d’un catalyseur. De préférence, le catalyseur est choisi parmi des métaux sur charbon actif, par exemple de type ruthénium, nickel, palladium ou platine.
Le catalyseur peut être sous forme d’un lit de particules solides au sein du réacteur de gazéification.
Grâce à l’étape de séparation c) du procédé de l’invention permettant d’éliminer des composés dits « poisons », le catalyseur éventuellement utilisé lors de l’étape de gazéification hydrothermale ne sera pas détérioré par ces composés nocifs pouvant endommager, notamment désactiver, le catalyseur.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale de l’étape d) afin d’obtenir un effluent gazeux et un effluent liquide comprenant de l’ammoniaque.
L’étape de refroidissement permet de porter le mélange M5 à une température inférieure ou égale à 200°C de préférence inférieure ou égale à 120°C, de préférence allant de 50 à 120°C.
Le dispositif de refroidissement peut être choisi parmi un échangeur de chaleur, flash, scrubber, cycle de rankine.
L’étape de séparation peut être mise en œuvre dans un système de détente permettant d’obtenir un effluent liquide M5’ d’une part et un effluent gazeux d’autre part.
Selon un mode de réalisation, l’effluent liquide M5’ comprend de 1 à 20 g/l d’ammoniaque
Eventuelle étape d’enrichissement en ammoniaque f)
Selon un mode de réalisation, le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape d’enrichissement en ammoniaque d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque issu de l’étape e) afin d’obtenir un flux enrichi M5’’ en ammoniaque et un flux appauvri M8 en ammoniaque.
Par « flux enrichi en ammoniaque », au sens de la présente invention, on entend un flux comprenant une proportion en ammoniaque plus élevée que la proportion en ammoniaque de l’effluent liquide M5’.
Par « flux appauvri en ammoniaque », au sens de la présente invention, on entend un flux comprenant une proportion en ammoniaque plus faible que la proportion en ammoniaque de l’effluent liquide M5’.
Selon un mode de réalisation, le ratio entre la concentration d’ammoniaque dans le flux enrichi M5’’ et la concentration d’ammoniaque dans l’effluent entrant M5’ est d’au moins 1,5, de préférence d’au moins 2, de préférence d’au moins 5.
Selon un mode de réalisation, le flux enrichi en ammoniaque à l’issue de l’étape f) comprend de 1 à 20 g/l d’ammoniaque.
Selon un mode de réalisation, le flux appauvri M8 en ammoniaque peut être envoyé vers un digesteur pour une étape de digestion.
L’étape d’enrichissement peut être mise en œuvre dans un dispositif d’enrichissement qui peut être par exemple constitué d’un réacteur ou plusieurs réacteurs d’évapo-concentration, ou d’un ou plusieurs réacteurs membranaires ou de stripping.
Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, lorsqu’une étape d’enrichissement est mise en œuvre, alors de préférence, l’étape de refroidissement et de séparation e) est mise en œuvre de façon à porter l’effluent liquide M5’ à une température allant de 75°C à 200°C, de préférence de 100 à 120°C. En effet, selon ce mode de réalisation, il est avantageux de conserver de la chaleur pour améliorer le rendement lors de l’étape d’enrichissement.
Selon un mode de réalisation, l’étape d’enrichissement en ammoniaque f) est mise en œuvre à l’aide de chaleur, de préférence la chaleur est récupérée du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale d).
Selon un mode de réalisation, la chaleur présente dans le mélange M5 issu de l’étape d) est récupérée, ladite chaleur récupérée permettant de préférence de chauffer au moins partiellement le mélange M1 durant l’étape a).
De préférence, cette récupération de chaleur est mise en œuvre par échange de chaleur entre le mélange M5 issu de l’étape d) et le mélange M1 ou M1h en amont de l’étape de chauffage b).
Lorsqu’une hydrolyse est mise en œuvre, alors l’échange de chaleur peut être mis en œuvre entre le mélange M5 et le mélange M1 pour permettre de chauffer le mélange M1 pour l’étape d’hydrolyse ou alors entre le mélange M5 et le mélange M1h pour permettre de chauffer le mélange M1h pour l’étape de chauffage b).
Ainsi, le mélange M1 ou M1h peut récupérer de la chaleur du mélange M5, ce qui permettra de réduire les besoins en énergie du procédé et de refroidir le mélange M5.
Typiquement, le besoin en ammoniaque pour la formation de struvite sera généralement inférieur à la quantité d’ammoniaque dans l’effluent liquide M5’ ou dans l’effluent liquide M5’’, alors de préférence seule une fraction du flux d’effluent liquide M5’ ou du flux d’effluent liquide enrichi M5’’ sera mélangé à au moins une fraction du flux M3 lors de l’étape g). Par exemple, on peut mettre en œuvre moins de 75% du volume de M5’ ou M5’’, voire moins de 50% du volume de M5’ ou M5’’ lors de l’étape g) de mélange.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de mélange d’au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et d’au moins une fraction de l’effluent liquide comprenant de l’ammoniaque obtenu à l’issue de l’étape e) ou à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente, afin d’obtenir un mélange M6.
Selon un mode de réalisation, la totalité du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) est mélangé lors de cette étape g).
Selon un mode de réalisation, la totalité de l’effluent liquide comprenant de l’ammoniaque obtenu à l’issue de l’étape e) ou à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente est mélange lors de cette étape g).
Cette étape de mélange g) est de préférence mise en œuvre dans un dispositif de mélange. Le dispositif de mélange peut-être un réacteur batch, semi continu ou continu, agité par un système d’agitation type pale, hélice, draft tube ou par recirculation externe au réacteur.
Ce réacteur est muni d’une mesure de pH et d’injection de base et d’acide permettant de contrôler le pH.
De préférence, le pH du réacteur est réglé de telle manière que le pH à température ambiante va de 7,5 à 10, de préférence va de 8 à 9.
Cette étape de mélange g) est typiquement mise en œuvre à une température allant de 50 °C à 250°C et/ou à une pression allant de 1 à 200 bars.
Cette étape de mélange peut éventuellement être mise en œuvre dans le réacteur de précipitation où la struvite se forme.
Ainsi, selon ce mode de réalisation, au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et au moins une fraction de l’effluent liquide comprenant de l’ammoniaque obtenu à l’issue de l’étape e) ou à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente sont introduites dans le réacteur de précipitation et le mélange M6 se forme in situ dans le réacteur de précipitation et l’étape de formation de la struvite, étape h) a lieu.
Selon un mode de réalisation, au moins un sel de magnésium est injecté :
- dans le mélange lors de cette étape g) et/ou
- dans le mélange M6 entre les étapes g) et h) lorsqu’elles sont mises en œuvre dans des dispositifs distinctes et/ou
- lors de l’étape g) est mise en œuvre dans le réacteur de précipitation.
Le sel de magnésium peut être choisi parmi l’hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2), l’oxyde de magnésium (MgO) ou le chlorure de magnésium (MgCl2). De préférence, le sel de magnésium est l’hydroxyde de magnésium.
Selon un mode de réalisation, au moins un sel de magnésium est ajouté de telle façon que le magnésium soit en proportion stœchiométrique ou en proportion sur-stœchiométrique. Ainsi, de préférence le ratio molaire Mg/P dans le mélange M6 après ajout du sel de magnésium va de 1/1 à 1,3/1.
Ainsi, on peut prévoir une mesure de la teneur en phosphore dans le mélange M1 avant sa mise en œuvre dans l’étape de mise sous pression a). En effet, la mesure de la teneur en phosphore se fera typiquement à pression atmosphérique. Cette mesure mise en œuvre dans le mélange M1 permettra d’avoir une bonne estimation de la teneur en phosphore dans le mélange M6.
Une mesure de la teneur en phosphate dans l’effluent liquide M7 permettra également d’ajuster la teneur en sel de magnésium qu’il conviendra d’ajouter dans le mélange M6.
Le sel de magnésium peut être ajouté dans un dispositif de mélange lors de cette étape g) et/ou en aval dudit dispositif de mélange dans le mélange M6.
L’étape de mélange g) peut se faire directement dans le réacteur de précipitation.
Selon ce mode de réalisation, le réacteur de précipitation est alimenté d’une part par au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et d’autre part par :
- au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque obtenu à l’issue de l’étape e) ou
- au moins une fraction du flux enrichi M5’’ obtenu à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente.
Selon ce mode de réalisation, le mélange sera également dénommé mélange M6.
Selon ce mode de réalisation, le sel de magnésium peut être ajouté dans le réacteur de précipitation.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le procédé de traitement comprend :
- une étape d’injection d’un sel de magnésium, de préférence choisi parmi MgO et Mg(OH)2 et leurs mélanges, dans le mélange en amont de l’étape de mise sous pression a), et
- une étape d’injection d’un sel de magnésium, de préférence choisi parmi MgCl2, dans le mélange lors de l’étape g) et/ou lors de l’étape h) et/ou dans le mélange M6 entre les étapes g) et h) lorsqu’elles sont mises en œuvre dans des dispositifs distincts.
Le procédé de traitement selon l’invention comprend une étape de formation de struvite à partir d’au moins une fraction du mélange M6 de l’étape g) dans un réacteur de précipitation.
L’étape de formation de struvite peut être mise en œuvre à une température allant de 20°C à 250°C et/ou à une pression allant de 1 à 200 bars.
Selon un mode de réalisation, la totalité du mélange M6 issu de l’étape g) est mise en œuvre lors de cette étape i) de formation de struvite. Bien entendu, lorsque l’étape g) de mélange est mise en œuvre dans le réacteur de précipitation, alors la totalité du mélange M6 sera nécessairement mise en œuvre lors de cette étape i) de formation de struvite.
Lorsque l’étape de mélange g) est mise en œuvre dans un dispositif distinct du réacteur de précipitation, alors au moins une fraction du mélange M6, de préférence la totalité du mélange M6, est injectée dans le réacteur de précipitation pour la mise en œuvre de l’étape i).
Le réacteur de précipitation peut être un réacteur infiniment mélangé ou un réacteur à lit fluidisé. Un exemple de réacteur de précipitation commercial, utile en particulier pour précipiter le phosphore sous forme de struvite est le Crystalactor®.
A l’issue de l’étape h), de la struvite est récupérée après une éventuelle décantation.
Il conviendra de noter que cette étape h) produira, outre la struvite, un autre effluent, qui sera un effluent liquide M7.
L’invention concerne également une installation pour la mise en œuvre du procédé de l’invention.
L’installation selon l’invention comprend :
- une pompe de mise sous pression 3 alimentée par le mélange M1 et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- Un dispositif de chauffage 2 comportant une entrée permettant d’introduire le mélange M1p éventuellement en mélange avec un sel de magnésium Mg et comportant une sortie pour le mélange M2,
- Un dispositif de séparation 5 alimenté par au moins une fraction du mélange M2 et comportant une sortie de flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie de flux M4 appauvri en matière inorganique,
- Un réacteur de gazéification hydrothermale 8 alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation 5 et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de refroidissement et de séparation 9 en aval du réacteur de gazéification, alimenté par au moins une fraction du mélange M5 et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux et au moins une sortie pour un effluent liquide M5’,
- Eventuellement un dispositif d’enrichissement en ammoniaque 10 alimenté par au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ et comportant une sortie pour le flux enrichi M5’ et une sortie pour le flux appauvri M8,
- Eventuellement un dispositif de mélange 6 alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ ou au moins une fraction du flux M5’’ et comportant une sortie pour le flux M6,
- Un réacteur de précipitation 7 comportant au moins une entrée et au moins une sortie, ledit réacteur de précipitation 7 pouvant être alimenté :
- Soit par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation 5 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif de refroidissement et de détente 9 ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif d’enrichissement 10,
- Soit par le flux M6 issu du dispositif de mélange 6,
- Au moins un dispositif d’injection situé :
- en amont de la pompe de mise sous pression 3 et/ou
- dans le dispositif de mélange 6 lorsqu’il est présent et/ou
- en aval du dispositif de mélange 6 lorsqu’il est présent et en amont du réacteur de précipitation 7, et/ou
- dans le réacteur de précipitation 7.
Selon un mode de réalisation, l’installation comprend en outre au moins un réacteur d’hydrolyse 4 en amont de la pompe de mise sous pression 3, ledit réacteur d’hydrolyse comportant au moins une entrée pour le mélange M1 et au moins une sortie pour l’hydrolysat M1h, ledit hydrolysat M1h alimentant la pompe de mise sous pression 3.
Selon un mode de réalisation, le réacteur de précipitation 7 pouvant être alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation 5 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif de refroidissement et de détente 9 ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif d’enrichissement 10.
Selon ce mode de réalisation, l’étape de mélange g) est mise en œuvre dans le réacteur de précipitation 7 où l’étape i) de formation de struvite a lieu.
Selon un autre mode de réalisation, l’installation comprend un dispositif de mélange 6 distinct du réacteur de précipitation 7. Le dispositif de mélange 6 est alors alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ ou au moins une fraction du flux M5’’ et comportant une sortie pour le flux M6. Selon ce mode de réalisation, le réacteur de précipitation 7 est alimenté par le flux M6 issu du dispositif de mélange 6.
Les à illustrent chacune un mode de réalisation de l’installation selon l’invention et du procédé selon l’invention, sans en limiter la portée.
Comme illustré sur la , le mélange M1 éventuellement additivé avec un sel de magnésium Mg passe est mis sous pression grâce à une pompe de mise sous pression 3 puis dans un dispositif de chauffage 2, où le mélange M1 est typiquement mis sous pression à une pression allant de 150 à 350 bars, mélange dit M1p, puis est chauffé à une température allant de 250 à 500°C. A la sortie du dispositif de chauffage 2, un mélange M2 est obtenu.
Comme illustré sur la , le mélange M2 alimente un dispositif de séparation 5 permettant d’obtenir un flux enrichi en matière inorganique M3 et un flux appauvri en matière inorganique M4.
Comme illustré sur la , le flux M4 alimente un réacteur de gazéification hydrothermale 8 afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide. Le réacteur de gazéification 8 peut comporter un catalyseur.
Comme illustré sur la , le mélange M5 alimente un dispositif de refroidissement et de séparation 9 permettant de refroidir le mélange M5 à une température inférieure ou égale à 200°C et d’obtenir un flux gazeux et un effluent liquide M5’.
Comme illustré sur la , l’installation comporte un dispositif de mélange 6 alimenté d’une part par le flux M3 et d’autre part par au moins une partie du flux M5’ sortant du dispositif de refroidissement et séparation 9.
Comme illustré sur la , le mélange M6 issu du dispositif de mélange, éventuellement additivé avec un sel de magnésium (Mg), est ensuite introduit dans un réacteur de précipitation 7.
De la struvite est ensuite récupérée en aval du réacteur de précipitation 7 après une éventuelle décantation non illustrée, ainsi qu’un effluent liquide M7.
Il conviendra de noter que l’installation selon l’invention peut comprendre d’autres éléments non illustrés dans les Figures. En particulier, l’installation selon l’invention peut comprendre des vannes et conduites dérivées, permettant de n’introduire qu’une fraction de flux plutôt que la totalité des flux, comme illustré sur les Figures par simplicité, en particulier pour les flux M3, M4, M5 ou M6.
Il est également possible de prévoir des éléments de contrôle pour contrôler le débit de flux.
Les Figures illustrent plusieurs étapes d’ajout de sel de magnésium mais il conviendra de noter que l’installation selon l’invention peut comprendre un unique dispositif ou plusieurs dispositifs permettant d’ajouter du sel de magnésium. Un tel dispositif peut comporter une cuve de stockage de sel de magnésium et une conduite d’alimentation permettant de conduire le sel de magnésium de la cuve au lieu d’injection.
Le mode de réalisation illustré sur la diffère du mode de réalisation de la en ce qu’un dispositif d’enrichissement 10 est présent, ledit dispositif d’enrichissement étant situé en aval du dispositif de refroidissement 9 et en amont du dispositif de mélange 6.
Le dispositif d’enrichissement 10 comporte une entrée pour au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ et une sortie pour l’effluent enrichi M5’’ et une sortie pour l’effluent appauvri M8.
Selon ce mode de réalisation, l’installation selon l’invention comporte de préférence une vanne de dérivation permettant de contrôler la quantité d’effluent M5’’ introduite dans le dispositif de mélange 6.
Le mode de réalisation illustré sur la diffère du mode de réalisation de la en ce qu’un réacteur d’hydrolyse 4 est présent, en amont de la pompe de mise sous pression 3.
Selon un mode de réalisation de l’invention, l’installation comporte, en amont de la pompe de mise sous pression 3, au moins un réacteur d’hydrolyse 4.
En effet, l’installation selon l’invention peut comprendre un ou plusieurs réacteurs d’hydrolyse 4 en série ou en parallèle alimentés en entrée par une ligne d’amenée du mélange M1 et une ligne de sortie du mélange hydrolysé M1h à une température inférieure ou égale à la température d’hydrolyse. Le(s) réacteur(s) d’hydrolyse 4 comporte(nt) avantageusement un dispositif de chauffage et de mise sous pression et comporte(nt) éventuellement un dispositif d’agitation, ainsi qu’avantageusement un dispositif de récupération thermique interne.
Selon ce mode de réalisation, la pompe 3 est alimentée par le mélange M1h.
Selon ce mode de réalisation, il est possible de prévoir que le sel de magnésium soit injecté en amont ou en aval du(des) réacteur(s) d’hydrolyse 4.
Le(s) réacteur(s) d’hydrolyse 4 peu(ven)t éventuellement être précédé(s) par un dispositif de broyage ou peut être muni d’une boucle de recirculation munie d’un dispositif de broyage ou peut être suivi d’un dispositif de broyage, en amont de la pompe 3.
Selon un mode de réalisation illustré à la , le réacteur de précipitation 7 est alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation 5 et par (ii) au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ issu du dispositif de refroidissement et de détente 9. Selon ce mode de réalisation, un sel de magnésium peut être injecté dans le réacteur de précipitation 7 et/ou dans le mélange M1 ou M1h (l’hydrolyse en amont de la mise sous pression via la pompe 3 n’est pas illustrée sur la mais fait partie de l’invention).
Selon un mode de réalisation illustré à la , le réacteur de précipitation 7 est alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation 5 et par (ii) une fraction du flux M5’’ issu du dispositif d’enrichissement 10. Selon ce mode de réalisation, un sel de magnésium peut être injecté dans le réacteur de précipitation 7 et/ou dans le mélange M1 ou M1h.
L’installation selon l’invention peut bien entendu comprendre une ou plusieurs des caractéristiques décrites dans le cadre du procédé selon l’invention.
Claims (13)
- Procédé de traitement d’un mélange M1 comprenant au moins de la matière organique, ledit procédé comprenant :
- une étape de mise sous pression du mélange M1 à une pression de 150 à 300 bars, de préférence entre 170 et 210 bars afin d’obtenir un mélange M1p,
- une étape de chauffage du mélange M1p à une température allant de 250°C à 500°C permettant d’obtenir un mélange M2,
- une étape de séparation du mélange M2 issu de l’étape b) afin d’obtenir un flux M3 enrichi en matière inorganique et un flux M4 appauvri en matière inorganique,
- une étape de gazéification hydrothermale mise en œuvre sur le flux appauvri en matière inorganique M4 afin d’obtenir un mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- une étape de refroidissement et de séparation d’au moins une fraction du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale de l’étape d) afin de séparer le gaz de l’effluent liquide M5’ comprenant de l’ammoniaque,
- éventuellement une étape d’enrichissement en ammoniaque d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ afin d’obtenir un flux enrichi en ammoniaque M5’’ et un flux appauvri en ammoniaque M8,
- une étape de mélange (i) d’au moins une fraction du flux enrichi en matière inorganique M3 obtenu à l’issu de l’étape c) et (ii) d’au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ ou d’au moins une fraction du flux enrichi M5’’ obtenu à l’issue de l’étape f) lorsqu’elle est présente, afin d’obtenir un mélange M6,
- une étape de formation de struvite à partir d’au moins une fraction du mélange M6 dans un réacteur de précipitation,
- une étape de récupération de struvite à la sortie du réacteur de précipitation,
ladite étape de mélange g) pouvant éventuellement être mise en œuvre dans le réacteur de précipitation. - Procédé de traitement selon la revendication 1, dans lequel le sel de magnésium est choisi parmi l’hydroxyde de magnésium, l’oxyde de magnésium, le chlorure de magnésium, et leurs mélanges, de préférence parmi l’hydroxyde de magnésium et l’oxyde de magnésium, de préférence encore le sel de magnésium est l’hydroxyde de magnésium.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, comprenant en amont de l’étape a), une étape d’hydrolyse du mélange M1 mise en œuvre à une température allant de 70 à 165°C et à une pression allant de 2 à 8 bars, permettant d’obtenir un mélange M1h qui sera ensuite mis sous pression à l’étape a).
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant un échange de chaleur entre le mélange M5 issu de l’étape d) et le mélange M1 ou M1p ou M1h en amont de l’étape de chauffage b).
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le mélange M1 comprend de 5 à 50% en poids de matières solides, de préférence de 15 à 25% en poids de matière solides, par rapport au poids total du mélange M1.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le flux enrichi en sels issu de l’étape c) comprend du phosphore, de préférence en une proportion allant de 1 à 20% en poids, par rapport au poids sec total du flux enrichi en matière inorganique M3.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l’effluent liquide M5’ comprend de 1 à 20 g/l d’ammoniaque.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel l’étape d’enrichissement en ammoniaque f) est mise en œuvre à l’aide de chaleur.
- Procédé de traitement selon la revendication 8, dans lequel la chaleur vient du mélange M5 issu de la gazéification hydrothermale d).
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel l’étape d’enrichissement en ammoniaque f) permet d’obtenir une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 1,5 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’, de préférence une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 2 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’, voire une concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’’ au moins 5 fois supérieure à la concentration en ammoniaque dans l’effluent liquide M5’.
- Procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel moins de 75% du volume, de préférence moins de 50% du volume, de l’effluent liquide M5’ issu de l’étape e) ou de l’effluent liquide M5’’ issu de l’étape f) lorsqu’elle est mise en œuvre, est mis en mélange lors de l’étape g).
- Installation pour la mise en œuvre d’un procédé de traitement selon l’une quelconque des revendications 1 à 11, ladite installation comprenant :
- une pompe de mise sous pression (3) alimentée par le mélange M1 et comportant une sortie pour le mélange M1p,
- Un dispositif de chauffage (2) comportant une entrée permettant d’introduire le mélange M1p éventuellement en mélange avec un sel de magnésium Mg et comportant une sortie pour le mélange M2,
- Un dispositif de séparation (5) alimenté par au moins une fraction du mélange M2 et comportant une sortie de flux M3 enrichi en matière inorganique et une sortie de flux M4 appauvri en matière inorganique,
- Un réacteur de gazéification hydrothermale (8) alimenté par au moins une fraction du flux M4 issu du dispositif de séparation (5) et comportant une sortie de mélange M5 comprenant du gaz et un effluent liquide,
- Un dispositif de refroidissement et de séparation (9) en aval du réacteur de gazéification (8), alimenté par au moins une fraction du mélange M5 issu du réacteur (8) et comportant au moins une sortie pour un effluent gazeux et au moins une sortie pour un effluent liquide M5’,
- Eventuellement un dispositif d’enrichissement en ammoniaque (10) alimenté par au moins une fraction de l’effluent liquide M5’ et comportant une sortie pour le flux enrichi M5’ et une sortie pour le flux appauvri M8,
- Eventuellement un dispositif de mélange (6) alimenté par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif (5) et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif (9) ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif (10), et comportant au moins une sortie pour le mélange M6,
- Un réacteur de précipitation (7) comportant au moins une entrée et au moins une sortie, ledit réacteur de précipitation (7) pouvant être alimenté :
- Soit par (i) au moins une fraction du flux M3 issu du dispositif de séparation (5) et par (ii) au moins une fraction du flux M5’ issu du dispositif de refroidissement et de détente (9) ou au moins une fraction du flux M5’’ issu du dispositif d’enrichissement (10),
- Soit par le flux M6 issu du dispositif de mélange (6) lorsqu’il est présent,
- Au moins un dispositif d’injection situé :
- en amont de la pompe de mise sous pression (3) et/ou
- dans le dispositif de mélange (6) et/ou
- en aval du dispositif de mélange (6) et en amont du réacteur de précipitation (7), et/ou
- dans le réacteur de précipitation (7).
- Installation selon la revendication 12, comportant en outre au moins un réacteur d’hydrolyse (4) en amont de la pompe de mise sous pression (3), ledit réacteur d’hydrolyse comportant au moins une entrée pour le mélange M1 et au moins une sortie pour l’hydrolysat M1h, ledit hydrolysat M1h alimentant la pompe de mise sous pression (3).
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| FR2207898A FR3138427A1 (fr) | 2022-07-29 | 2022-07-29 | Procede de traitement de dechets complexes |
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Citations (4)
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| US6387272B2 (en) * | 1998-07-03 | 2002-05-14 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Forderung Der Angewandten Forschung E.V. | Process for utilizing liquid manure material |
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2022
- 2022-07-29 FR FR2207898A patent/FR3138427A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-07-28 WO PCT/EP2023/071015 patent/WO2024023304A1/fr unknown
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| Publication number | Publication date |
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| WO2024023304A1 (fr) | 2024-02-01 |
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