WO2013011447A1 - Procédé et installation pour effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux - Google Patents

Procédé et installation pour effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux Download PDF

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WO2013011447A1
WO2013011447A1 PCT/IB2012/053625 IB2012053625W WO2013011447A1 WO 2013011447 A1 WO2013011447 A1 WO 2013011447A1 IB 2012053625 W IB2012053625 W IB 2012053625W WO 2013011447 A1 WO2013011447 A1 WO 2013011447A1
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sludge
reactor
exchanger
fumes
temperature
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PCT/IB2012/053625
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Pierre Emmanuel Pardo
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Degremont
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    • 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
    • C02F11/10—Treatment of sludge; Devices therefor by pyrolysis
    • 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
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
    • Y02W10/40—Valorisation of by-products of wastewater, sewage or sludge processing

Definitions

  • the field of the invention is that of the thermal hydrolysis of organic waste, in particular those produced during the treatment of water with a view in particular to their digestion.
  • the size of the installation must be important to ensure a long residence time that allows the organic matter "difficult" to be transformed into methane.
  • the hydrolysis step of the organic molecules is the limiting step.
  • the digesters must be heated to maintain their temperature, which consumes energy.
  • thermal hydrolysis processes are put in place. Thanks to thermal hydrolysis, a larger fraction of the organic matter can be digested in a shorter time because both the hydrolysis is no longer a limiting step, and the organic matter, in particular that of the cell walls, has been broken down and becomes digestible.
  • Hydrolysis also allows a reduction in the viscosity of the sludge, which allows to digest large concentrations of sludge in the digester while having a uniform mixing.
  • the object of the invention is, above all, to propose a process for the continuous thermal hydrolysis of organic materials, in particular sludge produced during the treatment of water, in order to obtain easily digestible and dehydratable hygienized organic matter which is no longer present. or to a lesser degree, the disadvantages outlined above.
  • it is desirable that the process is less expensive, and that its energy efficiency is improved.
  • the method for continuously hydrolyzing organic material, in particular sludge produced during the treatment of water, to provide easily digestible and dehydratable hygienized organic matter comprises the following steps:
  • the heating of the sludge comprises a heat exchanger between the sludge and fumes from combustion or incineration, and that the reactor is of the piston-flow type and is placed in a loop recirculation formed with the heat exchanger.
  • the dryness of the sludge at the inlet is between 5 and 100 g of solids per liter (ie a dryness between 0.5 and 10%), which is favorable to the flow of sludge in the exchanger.
  • a dryness between 0.5 and 10% is favorable to the flow of sludge in the exchanger.
  • the heat exchanger comprises a tubular part with metal tubes inside which the sludge passes, while the fumes pass around the outer wall of the tubes, and the heating of the sludge in the exchanger is regulated so that that the temperature of the skin of the tubes, in contact with the hot gases or fumes, is sufficiently high to avoid condensation corrosion on the skin of the tubes.
  • the temperature of the skin of the tubes is advantageously maintained at a higher value than that of the corrosion resulting from the condensation of the fumes used.
  • the skin temperature of the tubes is between 60 ° C and 200 ° C depending on the quality of the fumes used.
  • the temperature of the sludge at the inlet of the sludge / hot gas exchanger is regulated so that the corrosion resulting from the condensation of the fumes used is avoided.
  • the retention time of the sludge in the piston flow reactor is generally less than 1 hour, advantageously between 1 and 30 minutes.
  • the invention makes it possible to use the advantages of thermal hydrolysis while significantly reducing the disadvantages in the case where a flow of hot gases is produced and available on the installation.
  • the flow of hot gases can be produced by:
  • An injection of water vapor, in particular saturated steam, can be carried out in the sludge recirculation loop upstream of the sludge / fume heat exchanger inlet, depending on the hydrolysis requirements and / or the regulation of the temperature of the sludge at the inlet of the exchanger.
  • the design of the heated sludge recirculation loop is determined to ensure the operating conditions for the desired thermal hydrolysis, both in residence time in the loop and in temperature of the loop.
  • the average residence time of the sludge in the recirculation loop is advantageously between 10 minutes and 60 minutes.
  • the pressure throughout the loop is maintained sufficient so that no vaporization can take place with respect to the temperature conditions maintained in the loop.
  • Preheating of the sludge to be treated can be ensured, between the pumping and the inlet of the recirculation loop, by the treated sludge going towards the outlet, by a "sludge / sludge" heat exchanger.
  • An injection of dewatered sludge can be carried out in the loop of heated sludge.
  • Electromagnetic conditioning of the inlet flow downstream of the pump may be provided to allow a reduction of sludge incrustation in the overall circuit.
  • the regulation of the temperature of the heated sludge recirculation loop may comprise a bypass or by-pass of the sludge / fume exchanger exchange chamber. Management of inlet concentration and dilution can be provided to achieve the concentration of hydrolysed sludge desired while minimizing the size of the facility.
  • the invention also relates to an installation for implementing a method as defined above, which installation comprises:
  • a pump for introducing the materials to be treated under pressure into a treatment circuit comprising a hydrolysis reactor
  • the heating means comprises a heat exchanger between the sludge and fumes from combustion or incineration, for heating the sludge
  • the reactor is of the piston flow type and is placed in a recirculation loop formed with the heat exchanger between sludge and fumes.
  • the outlet of the reactor is connected on the one hand to the inlet pipe of the sludge in the sludge / smoke exchanger by a three-way valve, and on the other hand, by a pipe, by means of decompression of the sludge before their output from the installation.
  • the installation comprises a pump in the recirculation loop, preferably downstream of the three-way valve and upstream of the inlet of the exchanger.
  • the sludge / smoke exchanger may comprise a tubular part with metal tubes swept by the flow of hot gases.
  • the installation preferably comprises a regulation to maintain the temperature of the sludge at the inlet of the tubes of the tubular part of the exchanger at a temperature which makes it possible to prevent corrosion by acid condensation of the fumes used, advantageously between 60 ° C and 200 ° C and consistent with the quality of the hot gases used.
  • the installation may comprise a regulation to maintain the temperature of the mud at the inlet of the reactor at a temperature consistent with that expected for the thermal hydrolysis envisaged.
  • the installation may include a device for cooling the sludge before expansion, allowing the downstream equipment to recover the sludge under acceptable conditions and to recover heat energy on the water.
  • all the accessories are provided for the safety (pressure, temperature), the maintainability (by-pass, purges, cleaning) of the installation.
  • the single Figure is a diagram of an installation for implementing the method according to the invention.
  • the sludge A to be treated enters the system, constituted by the installation, by an inlet E upstream of a recirculation loop B.
  • dehydrated sludge to be treated is injected at points 14a, 14b of the recirculation loop.
  • the hydrolysed sludge exits the system through an outlet S.
  • the installation according to the invention comprises, following the direction of flow of the sludge in the system: o at the inlet E of the system, a pump 1 for pumping sludge A.
  • This pumping may relate only to the water introduced at a point 16, upstream of the pump, for the needs of starting and heating the plant or operating thereof; o a heat exchanger 2 incoming sludge / outgoing sludge.
  • This exchanger makes it possible to preheat the sludge A and to cool the hydrolyzed sludge before its continuous distribution to the digester (not shown) downstream of the outlet S of the system; recirculation of the hydrolysed sludge with a three-way valve 3, in a loop B, to ensure a sufficient residence time of the sludge for hydrolysis; a pump 4 in the loop B for circulation pumping and set in motion the hot sludge in the system; a sludge / fume heat exchanger H having an exchange chamber 7 and a tubular part 8 with metal tubes, in particular serpentine tubes, arranged in the chamber 7.
  • This exchange chamber 7 is bypassable (by-passable) by a short-circuit or bypass between the inlet and the outlet with valve 9b closing or opening the bypass.
  • the tubular part 8 of the exchanger, in which the sludge circulates, has all the cleaning systems 8b, isolation valves 5a, 5b and short circuit with valve 6 (bypass) necessary for its operation; a piston flow reactor 1 1, or in simpler terms "piston reactor", having baffles and allowing the free flow of sludge without deposit and without short circuit.
  • the inlet of the reactor 1 1 is connected to the outlet of the tubular portion 8.
  • This reactor 1 1 is equipped with all the equipment for its safety, cleaning and purging; an expansion equipment 12, generally a valve, ensuring the distribution of the hydrolysed sludge under conditions allowing the downstream equipment to recover it; dilution equipment 17 of the sludge, generally a water injection device, allowing the distribution of the hydrolysed sludge under conditions allowing the downstream equipment to recover it.
  • the fumes 9 come from combustion or incineration, in particular of organic waste, in particular of sewage sludge, in a furnace (not shown).
  • the installation may also include
  • an electromagnetic conditioning device 15 placed at the outlet of the pump 1, to limit the incrustations in the downstream equipment.
  • the pump 1 allows the liquid entering E to be loaded at 1-20 bars depending on the operating conditions; the pump 1 may be an eccentric rotor, piston or any other type to achieve the required conditions taking into account the abrasion and materials that may be present in the liquid.
  • a heat exchanger 2 between incoming sludge and outgoing sludge, allows the liquid to preheat.
  • the exchanger 2 is technology adapted to the types of liquid treated tube in tube, plate, crossed or not, or any other type to achieve the required conditions. It is provided with all the security organs, cleaning for its perfect maintenance.
  • the three-way valve 3 or other type of recirculation device makes it possible to recirculate, in the loop B comprising the exchanger H and the reactor 11, the desired quantity of sludge according to the characteristics of the pump 4.
  • the recirculation pump 4 arranged between the valve 3 and the inlet of the exchanger H, allows the sludge to circulate in the loop.
  • the pump is suitable for the types of sludge treated and the temperature / pressure operating conditions. It can be of any type but preferentially centrifugal type. It is equipped with all the safety, cleaning and redundancy devices allowing its perfect maintenance and its ability to be exploited.
  • the flow rate of the pump can be adjusted according to hydrolysis quality requirements by controlling the residence time of the sludge.
  • the exchanger H consisting of the exchange chamber 7 and the tubular portion 8, allows the slurry to achieve the temperature requirements of the invention namely 80-200 ° C. This system can be of any type allowing the heat transfer of fumes 9 to the sludge, in the tubular portion 8, indirectly.
  • the tubular portion 8 is preferably tubular tubular type.
  • the piston reactor 1 1 allows the flow of sludge for a predetermined time between 1 minute and 1 hour, preferably between 1 minute and 30 minutes depending on the needs of the operation.
  • the steam injections 13a, 13b located upstream and downstream of the tubular portion 8 of the exchanger make it possible to heat the system and to maintain it at a temperature that is adequate for the process.
  • the downstream injection 13b is advantageously carried out in the reactor 11.
  • a complementary exchanger 18, cooled by water 19, can be added downstream of the exchanger 2 and upstream of the expansion system 12, as needed to allow over-cooling the treated sludge for the downstream equipment can recover it.
  • This exchanger also makes it possible to recover thermal energy by water 19.
  • This exchanger is of a type suitable for treated sludge and preferably of the tubular type.
  • the expansion system 12 allows the sludge to have pressure conditions in accordance with the distribution to downstream equipment (digester or other).
  • a water injection 17 takes place, downstream of the system 12, to allow the necessary cooling and dilution of the sludge before its distribution to downstream equipment.
  • the sludge at the inlet E may have a solids concentration of between 5 and 100 g / l (dryness of between 0.5 and 10%).
  • the exchanger 2 is sized to allow the sludge to rise in temperature at temperatures between 60 and 140 ° C.
  • the inlet temperatures of the piston reactor 1 1 are regulated between 80 and 200 ° C depending on the thermal hydrolysis requirements.
  • the inlet temperatures of the tubular portion 8 of the exchanger H are regulated between 60 and 160 ° C depending on the thermal hydrolysis requirements, the dimensioning of the exchange chamber 7 and the quality of the fumes 9.
  • the piston reactor 1 1 is sized to have a retention time of preferably between 1 minute and 30 minutes depending on the thermal hydrolysis requirements and the design of the loop.
  • the pressure in the loop B of heated sludge is maintained between 1 bar and 20 bar depending on the temperatures of the loop and the thermal hydrolysis requirements.
  • Various sensors in particular temperature sensors, probes and measuring devices, in particular flowmeters (not shown), are installed at different points of the circuit for sending information on the operating parameters to a computer 20, or a programmable logic controller controlling the operation of the device. 'installation.
  • the different valves, pumps 1, 4 and injections are controlled by this computer 20, the electrical control connections are however not shown in the diagram.
  • At least two temperature sensors 21 and 22 are provided upstream and downstream of the tubes of the part 8 of the exchanger to transmit to the computer 20 the amount of heat exchanged and allow it to control both the temperature upstream of the exchanger 8 and the temperature downstream of the exchanger 8. These parameters allow the computer 20 to ensure both that the exchanger 8 is protected from corrosion and that the minimum temperature of hydrolysis is maintained.
  • Other temperature sensors may be provided on other portions of the loop, in particular in the reactor 1 1 and at the outlet of the exchanger 2.
  • the computer 20 is programmed to maintain the skin temperature of the tubes of part 8 to a value greater than that of corrosion, a value depending on the quality of the hot gases used.
  • the installation is also equipped with all ancillary systems for safety, start-up and commissioning to be pumped, allowing the system to function.
  • Other equipment may be provided as explained below with regard to examples of operation.
  • the invention makes it possible to continuously hydrolyze organic materials in the form of sludge, the heating of the sludge being ensured by an H heat exchanger from fumes originating from combustion or incineration, and the reactor the piston flow type being placed in a recirculation loop B.
  • the recirculation allows to act on the residence time of the sludge in the reactor 1 1, and to ensure a temperature of the sludge at the inlet of the exchanger H sufficient.
  • the heating of the sludge is provided by combustion fumes which can cause, against a relatively cold wall, acid condensation
  • the heating of the sludge according to the invention makes it possible to avoid, or at least to limit, such condensation source corrosion.
  • This slurry with 80 g / l of dry matter is injected in E at 20 ° C with a flow rate of 12.5 m3 / h.
  • the sludge is heated in the exchanger 2 at 110.degree.
  • the outlet temperature of the piston reactor 1 1 is regulated at 160 ° C.
  • the reactor volume is 6.5 m3.
  • the average residence time in the reactor is 30 minutes.
  • the sludge at the inlet of exchanger 8 has a flow rate of 62.5 m3 / h and a temperature of 150 ° C.
  • the exhaust fumes have a temperature of 250 ° C.
  • the flue gas flow is 6230 kg / h to allow the sludge to warm up.
  • a flow rate of 12.5 m3 / h is expanded by the system 12.
  • the hydrolysed sludge is cooled from 160 ° C to 70 ° C.
  • Part of the sludge is thickened to 50g / l. the other part is dehydrated at 25%.
  • the slurry at 50 g / l is injected at E at 20 ° C with a flow rate of 10.63 m3 / h.
  • This sludge is heated in exchanger 2 at a temperature of 110.degree.
  • the outlet temperature of the piston reactor is regulated at 160 ° C.
  • the reactor volume is 6.5 m3.
  • the average residence time in the reactor is 30 minutes.
  • the mud at the inlet of the tubular portion 8 of the exchanger has a flow rate of
  • the fumes 9 have a temperature of 550 ° C. and an average Cp of 1 .4 kJ / kg.
  • the exhaust fumes have a temperature of 250 ° C.
  • the sludge heat requirement is 3336 MJ / h.
  • the flue gas flow is 7944 kg / h to allow the sludge to warm up.
  • a flow rate of 12.5 m3 / h is expanded by the system 12.
  • the hydrolysed sludge is cooled from 160 ° C to 105 ° C.
  • Water is injected at E at 20 ° C with a flow rate of 3.14 m3 / h.
  • This water is heated in exchanger 2 at a temperature of 130 ° C.
  • the outlet temperature of the piston reactor is regulated at 160 ° C.
  • the reactor volume is 6.5 m3.
  • the average residence time in the reactor is 50 minutes.
  • the sludge at the inlet of exchanger 8 has a flow rate of 47.1 m3 / h and a temperature of 158 ° C.
  • the fumes 9 have a temperature of 550 ° C. and an average Cp of 1 .4 kJ / kg.
  • the exhaust fumes have a temperature of 250 ° C.
  • the sludge heat requirement is 2761 MJ / h.
  • the flue gas flow is 6570 kg / h to allow the sludge to warm up.
  • a flow rate of 7.1 m3 / h is expanded by the system 12.
  • the hydrolysed sludge is cooled from 160 ° C to 12 ° C.

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Abstract

Procédé pour effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux, pour fournir des matières organiques hygiénisées facilement digérables et déshydratables, comprenant les étapes suivantes: un pompage (1) des matières à traiter pour les introduire sous pression dans un circuit de traitement comportant un réacteur d'hydrolyse (11); un chauffage des matières avant leur entrée dans le réacteur; une hydrolyse dans le réacteur; une décompression (12) des matières hydrolysées avant leur sortie, et une sortie des matières hydrolysées; le chauffage des boues comprend un échangeur de chaleur (H) entre les boues et des fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, et le réacteur (11) est du type à flux piston et est placé dans une boucle de recirculation (B) formée avec l'échangeur de chaleur (H) entre les boues et les fumées.

Description

PROCEDE ET INSTALLATION POUR EFFECTUER EN CONTINU L'HYDROLYSE DE MATIERES ORGANIQUES, EN PARTICULIER DE BOUES PRODUITES LORS DU TRAITEMENT DES EAUX.
Le domaine de l'invention est celui de l'hydrolyse thermique des déchets organiques, en particulier ceux qui sont produits au cours du traitement des eaux en vue notamment de leur digestion.
La digestion des matières organiques est une voie efficace de production d'énergie. C'est pourquoi elle se développe beaucoup. Elle possède cependant un certain nombre d'inconvénients :
1 . La taille de l'installation doit être importante pour assurer un fort temps de séjour qui permette à la matière organique « difficile » d'être transformée en méthane. L'étape d'hydrolyse des molécules organiques est l'étape limitante.
2. Seule une fraction des matières organiques peut être transformée en méthane. En particulier les parois cellulaires qui sont dans la matière organique sont difficilement digérables.
3. Il faut chauffer les digesteurs pour les maintenir en température, ce qui consomme de l'énergie.
Afin de contrebalancer le deuxième inconvénient , des processus d'hydrolyse thermique sont mis en place. Grâce à l'hydrolyse thermique, une plus forte fraction de la matière organique peut être digérée dans un temps plus court car à la fois l'hydrolyse n'est plus une étape limitante, et la matière organique, en particulier celle des parois cellulaires, a été décomposée et devient digérable.
L'hydrolyse permet aussi une diminution de la viscosité des boues, ce qui permet de pouvoir digérer des concentrations importantes de boues dans le digesteur tout en ayant un brassage homogène.
Cependant ces processus d'hydrolyse ont des inconvénients :
o Fort coût d'installation qui dépend du débit traversant l'installation, o Fort coût d'exploitation car il faut chauffer la boue avec de l'énergie, parfois noble. Ce coût dépend aussi du débit traversant. Ainsi des processus de déshydratation ont lieu généralement en amont des processus d'hydrolyse thermique pour diminuer ces débits traversants. o Besoin en énergie de manière discontinue ce qui nécessite un surdimensionnement de la production d'énergie par rapport aux besoins. o L'ammoniaque produit proportionnellement à la quantité de matière organique digérée est un poison de la digestion à des concentrations élevées. Ce phénomène empêche donc l'utilisation de fortes concentrations de matières organiques dans le digesteur, ce qui réduit l'intérêt décrit ci-dessus de la concentration des matières sèches pour diminuer la taille de l'hydrolyse thermique.
L'invention a pour but, surtout, de proposer un procédé d'hydrolyse thermique en continu de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux, pour obtenir des matières organiques hygiénisées facilement digérables et déshydratables, qui ne présente plus, ou à un degré moindre, les inconvénients exposés ci-dessus . En particulier, il est souhaitable que le procédé soit moins coûteux, et que son rendement énergétique soit amélioré.
Selon l'invention, le procédé pour effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux, pour fournir des matières organiques hygiénisées facilement digérables et déshydratables, comprend les étapes suivantes:
- un pompage des matières à traiter pour les introduire sous pression dans un circuit de traitement comportant un réacteur d'hydrolyse;
- un chauffage des matières avant leur entrée dans le réacteur,
- une hydrolyse dans le réacteur,
- une décompression des matières hydrolysées avant leur sortie,
- et une sortie des matières hydrolysées,
et est caractérisé en ce que le chauffage des boues comprend un échangeur de chaleur entre les boues et des fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, et en ce que le réacteur est du type à flux piston et est placé dans une boucle de recirculation formée avec l'échangeur de chaleur.
Avantageusement, la siccité des boues à l'entrée est comprise entre 5 et 100g de matières sèches par litre ( soit une siccité entre 0.5 et 10%), ce qui est favorable à l'écoulement des boues dans l'échangeur. Il n'est pas besoin de faire subir aux boues une déshydratation préalable pour les amener à une siccité supérieure à 15%. Néanmoins, le procédé permet d'hydrolyser des boues ayant une siccité supérieure comme il est montré ci-après.
Avantageusement, l'échangeur de chaleur comporte une partie tubulaire à tubes métalliques à l'intérieur desquels passent les boues, tandis que les fumées passent autour de la paroi extérieure des tubes, et le chauffage des boues dans l'échangeur est régulé de telle sorte que la température de la peau des tubes, au contact des gaz chauds ou des fumées, soit suffisamment élevée pour éviter une corrosion par condensation sur la peau des tubes. Cette disposition permet d'éviter une dégradation trop rapide de l'échangeur.
La température de la peau des tubes est avantageusement maintenue à une valeur supérieure à celle de la corrosion issue de la condensation des fumées utilisées. De préférence, la température de la peau des tubes est comprise entre 60°C et 200°C en fonction de la qualité des fumées utilisées.
De préférence, la température des boues, à l'entrée de l'échangeur boues/gaz chauds est régulée de manière à ce que la corrosion issue de la condensation des fumées utilisées soit évitée.
Le temps de rétention de la boue dans le réacteur à flux piston est généralement inférieur à 1 heure, avantageusement compris entre 1 et 30 minutes.
L'invention permet d'utiliser les avantages de l'hydrolyse thermique tout en réduisant significativement les inconvénients dans le cas où un flux de gaz chauds est produit et disponible sur l'installation.
Le flux de gaz chauds peut être produit par :
■ Un four d'incinération.
■ Une cogénération gaz ou biogaz
■ Une chaudière gaz ou biogaz.
■ Ou toute autre combustion
Les intérêts sont :
o Une augmentation de la quantité de biogaz produit.
o Une diminution de la taille de digesteur donc diminution des coûts. o Une diminution de la taille de l'hydrolyse thermique donc diminution des coûts.
o Un fonctionnement en continu donc adéquation entre les productions d'énergie et la consommation d'énergie,
o Une fiabilité du processus de fonctionnement,
o L'obtention d'une boue hygiénisée et facilement déshydratable.
Une injection de vapeur d'eau, en particulier de vapeur d'eau saturée, peut être effectuée dans la boucle de recirculation des boues, en amont de l'entrée de échangeur de chaleur boues / fumées, selon les besoins de l'hydrolyse et/ou de la régulation de la température de la boue en entrée de l'échangeur.
Le dimensionnement de la boucle de recirculation des boues chauffées est déterminé pour assurer les conditions de fonctionnement à l'hydrolyse thermique recherchée, à la fois en temps de séjour dans la boucle et en température de la boucle. Le temps de séjour moyen des boues dans la boucle de recirculation est avantageusement compris entre 10 minutes et 60 minutes .
La pression dans l'ensemble de la boucle est maintenue suffisante afin qu'aucune vaporisation ne puisse avoir lieu par rapport aux conditions de température maintenues dans la boucle.
Un préchauffage des boues à traiter peut être assuré, entre le pompage et l'entrée de la boucle de recirculation, par les boues traitées se dirigeant vers la sortie, par un échangeur de chaleur « boues/boues »
Une injection de boues déshydratées peut être effectuée dans la boucle de boues chauffées.
Un conditionnement électromagnétique du flux d'entrée en aval de la pompe peut être prévu pour permettre une diminution de l'incrustation des boues dans le circuit global.
La régulation de la température de la boucle de recirculation de boues chauffées peut comprendre une dérivation ou court-circuit (by-pass) de la chambre d'échange de l'échangeur boues/fumées. La gestion de la concentration des entrées et de la dilution peut être prévue afin d'obtenir la concentration de la boue hydrolysée voulue tout en minimisant le dimensionnement de l'installation.
L'invention est également relative à une installation pour la mise en œuvre d'un procédé tel que défini précédemment, laquelle installation comporte :
- un pompe pour introduire les matières à traiter sous pression dans un circuit de traitement comportant un réacteur d'hydrolyse;
- un moyen de chauffage des matières avant leur entrée dans le réacteur,
- un moyen de décompression des matières hydrolysées avant leur sortie,
- et une sortie des matières hydrolysées,
et est caractérisée en ce que le moyen de chauffage comprend un échangeur de chaleur entre les boues et des fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, pour le chauffage des boues, et en ce que le réacteur est du type à flux piston et est placé dans une boucle de recirculation formée avec l'échangeur de chaleur entre les boues et les fumées.
Avantageusement, la sortie du réacteur est reliée d'une part à la conduite d'arrivée des boues dans l'échangeur boues / fumées par une vanne trois voies, et d'autre part, par une conduite, au moyen de décompression des boues avant leur sortie de l'installation.
Généralement, l'installation comporte une pompe dans la boucle de recirculation, de préférence en aval de la vanne trois voies et en amont de l'entrée de l'échangeur.
L'échangeur boues / fumées peut comporter une partie tubulaire avec tubes métalliques balayés par le flux de gaz chauds.
L'installation comporte, de préférence, une régulation pour maintenir la température de la boue en entrée des tubes de la partie tubulaire de l'échangeur à une température permettant d'éviter la corrosion par condensation acide des fumées utilisées, avantageusement comprise entre 60°C et 200°C et conforme à la qualité des gaz chauds utilisés.
L'installation peut comporter une régulation pour maintenir la température de la boue en entrée du réacteur à une température conforme à celle attendue pour l'hydrolyse thermique envisagée. L'installation peut comporter un dispositif de refroidissement de la boue avant sa détente, permettant aux équipements aval de récupérer la boue dans les conditions acceptables et permettant de récupérer de l'énergie thermique sur l'eau.
On prévoit, pour la mise en œuvre du procédé, tous les accessoires permettant la sécurité (pression, température), la maintenabilité (by-pass, purges, nettoyage) de l'installation.
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 pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention.
En se reportant au dessin, on peut voir que la boue A à traiter entre dans le système, constitué par l'installation, par une entrée E en amont d'une boucle de recirculation B . Eventuellement de la boue déhydratée à traiter est injectée en des points 14a, 14b de la boucle de recirculation . La boue hydrolysée ressort du système par une sortie S.
L'installation selon l'invention, comporte en suivant le sens d'écoulement de la boue dans le système : o en entrée E du système, une pompe 1 pour le pompage des boues A. Ce pompage peut ne porter que sur de l'eau introduite en un point 16, en amont de la pompe, pour les besoins de démarrage et de mise en chauffe de l'installation ou d'exploitation de celle-ci ; o un échangeur de chaleur 2 boues entrantes / boues sortantes. Cet échangeur permet de préchauffer la boue A et de refroidir la boue hydrolysée avant sa distribution en continu au digesteur (non représenté) en aval de la sortie S du système ; une recirculation des boues hydrolysées avec une vanne trois voies 3, dans une boucle B, permettant d'assurer un temps de séjour suffisant de la boue pour hydrolyse ; une pompe 4 dans la boucle B pour pompage de circulation et mettre en mouvement la boue chaude dans le système ; un échangeur de chaleur H boues / fumées, comportant une chambre d'échange 7 et une partie tubulaire 8 avec tubes métalliques , notamment en serpentin, disposée dans la chambre 7. La circulation des fumées chaudes 9, ou gaz chauds, a lieu dans la chambre 7, et leur refroidissement est assuré par échange de chaleur avec la boue circulant dans la partie tubulaire 8 de l'échangeur H. Les fumées refroidies sortent du système en 10. Cette chambre d'échange 7 est contournable (by-passable) par un court-circuit ou dérivation (by-pass) entre l'entrée et la sortie avec vanne 9b de fermeture ou d'ouverture de la dérivation. La partie tubulaire 8 de l'échangeur, dans laquelle circulent les boues, dispose de tous les systèmes de nettoyage 8b, d'isolement par vannes 5a , 5b et de court-circuit avec vanne 6 (by-pass) nécessaires à son exploitation ; un réacteur à flux piston 1 1 , ou en termes plus simples « réacteur piston », disposant de chicanes et permettant la libre circulation des boues sans dépôt et sans court-circuit. L'entrée du réacteur 1 1 est reliée à la sortie de la partie tubulaire 8. Ce réacteur 1 1 est muni de l'ensemble des équipements permettant sa mise en sécurité, son nettoyage et sa purge ; d'un équipement de détente 12, généralement une vanne, assurant la distribution de la boue hydrolysée dans des conditions permettant aux équipements aval de la récupérer ; d'un équipement de dilution 17 de la boue, généralement un dispositif d'injection d'eau, permettant la distribution de la boue hydrolysée dans des conditions permettant aux équipements aval de la récupérer.
Les fumées 9 proviennent d'une combustion ou d'une incinération, notamment de déchets organiques en particulier de boues de station d'épuration, dans un four non représenté. L' installation peut en outre comporter
- une injection de vapeur d'eau saturée 13b dans le réacteur 1 1 , permettant la mise en chauffe du système , ainsi qu'une autre injection 13a de vapeur d'eau saturée en aval de la pompe 4 et en amont de l'entrée de la partie tubulaire 8 ;
- une injection de boue déshydratée 14a en aval de la vanne 3 et en amont de la pompe 4 ; une autre injection de boue déshydratée 14b dans le réacteur 1 1 ;
- un dispositif de conditionnement électromagnétique 15, placé en sortie de la pompe 1 , pour limiter les incrustations dans les équipements aval.
La pompe 1 permet au liquide entrant en E d'être mis en charge à 1 -20 bars en fonction des conditions d'exploitation ; la pompe 1 peut être à rotor excentré, à piston ou tout autre type permettant d'atteindre les conditions requises en tenant compte de l'abrasion et des matériaux pouvant être présents dans le liquide.
Un échangeur de chaleur 2, entre boues entrantes et boues sortantes, permet au liquide de se préchauffer. L'échangeur 2 est de technologie adaptée aux types de liquide traités : tube dans tube, à plaques, croisées ou non, ou tout autre type permettant d'atteindre les conditions requises. Il est pourvu de tous les organes de sécurité, de nettoyage permettant son parfait entretien.
Le dispositif de recirculation de type vanne trois voies 3, ou autre, permet de faire recirculer, dans la boucle B comprenant l'échangeur H et le réacteur 1 1 , la quantité de boues voulue en fonction des caractéristiques de la pompe 4.
La pompe 4 de recirculation, disposée entre la vanne 3 et l'entrée de l'échangeur H, permet à la boue de circuler dans la boucle. La pompe est adaptée aux types de boues traitées et aux conditions de fonctionnement température/pression. Elle peut être de tout type mais préférentiellement de type centrifuge. Elle est pourvue de tous les organes de sécurité, de nettoyage et de redondance permettant son parfait entretien et son aptitude à être exploitée. Le débit de la pompe peut être ajusté en fonction des besoins de qualité d'hydrolyse en maîtrisant le temps de séjour de la boue. L'échangeur H constitué de la chambre d'échange 7 et de la partie tubulaire 8, permet à la boue d'atteindre les conditions de température requises selon l'invention à savoir 80-200°C. Ce système peut être de tout type permettant le transfert de chaleur des fumées 9 vers la boue, dans la partie tubulaire 8, de manière indirecte. La partie tubulaire 8 est de préférence de type tubulaire en nappe.
Le réacteur piston 1 1 permet la circulation des boues pendant un temps déterminé compris entre 1 minute et 1 heure, de préférence entre 1 minute et 30 minutes en fonction des besoins de l'exploitation.
Les injections de vapeur 13a, 13b situées en amont et en aval de la partie tubulaire 8 de l'échangeur permettent de mettre en chauffe le système et de le maintenir à une température adéquate pour le procédé. L'injection aval 13b est avantageusement effectuée dans le réacteur 1 1 .
Les injections 14a, 14b de boues déshydratées, situées en amont et en aval de la partie tubulaire 8 de l'échangeur, permettent d'équilibrer en fonction des besoins thermiques l'injection des boues entre l'entrée E et ces entrées de boues déshydratées.
Un échangeur complémentaire 18, refroidi par de l'eau 19, peut être rajouté en aval de l'échangeur 2 et en amont du système de détente 12, en fonction des besoins pour permettre de sur-refroidir la boue traitée pour que les équipements aval puissent la récupérer. Cet échangeur permet aussi de récupérer de l'énergie thermique par l'eau 19. Cet échangeur est de type adapté aux boues traitées et préférentiel lement de type tubulaire.
Le système de détente 12 permet à la boue d'avoir des conditions de pression conformes à la distribution aux équipements en aval (digesteur ou autre).
Une injection d'eau 17 a lieu, en aval du système 12, pour permettre le refroidissement et la dilution nécessaires de la boue avant sa distribution aux équipements en aval.
L'équipement de conditionnement électromagnétique 15, à l'entrée de l'installation, en amont de l'échangeur 2, permet de limiter l'incrustation dans les équipements de l'installation selon l'invention. La boue en entrée E peut avoir une concentration en matières sèches comprise entre 5 et 100 g/l (siccité comprise entre 0.5 et 10%). L'échangeur 2 est dimensionné pour permettre à la boue de monter en température à des températures comprises entre 60 et 140°C.
Les températures en entrée de réacteur piston 1 1 sont régulées entre 80 et 200°C en fonction des besoins en hydrolyse thermique.
Les températures en entrée de la partie tubulaire 8 de l'échangeur H sont régulées entre 60 et 160°C en fonction des besoins en hydrolyse thermique, du dimensionnement de la chambre d'échange 7 et de la qualité des fumées 9. Le réacteur piston 1 1 est dimensionné pour avoir un temps de rétention de préférence compris entre 1 minute et 30 minutes en fonction des besoins en hydrolyse thermique et du dimensionnement de la boucle.
La pression dans la boucle B de boues chauffées est maintenue entre 1 bar et 20 bars en fonction des températures de la boucle et des besoins en hydrolyse thermique.
Différents capteurs en particulier de température, sondes et organes de mesure, en particulier débitmètres (non représentés) sont installés en différents points du circuit pour envoyer des informations sur les paramètres de fonctionnement à un ordinateur 20, ou un automate programmable commandant le fonctionnement de l'installation. Les différentes vannes, pompes 1 , 4 et injections sont commandées par cet ordinateur 20, les liaisons électriques de commande n'étant toutefois pas représentées sur le schéma.
Avantageusement, au moins deux capteurs de température 21 et 22 sont prévus en amont et en aval des tubes de la partie 8 de l'échangeur pour transmettre à l'ordinateur 20 la quantité de chaleur échangée et lui permettre de piloter à la fois la température en amont de l'échangeur 8 et la température en aval de l'échangeur 8. Ces paramètres permettent à l'ordinateur 20 de s'assurer à la fois que l'échangeur 8 est protégé de la corrosion et que la température minimale d'hydrolyse est maintenue. D'autres capteurs de température peuvent être prévus sur d'autres portions de la boucle, en particulier dans le réacteur 1 1 et en sortie de l'échangeur 2.
Selon l'invention, l'ordinateur 20 est programmé pour assurer le maintien de la température de peau des tubes de la partie 8 à une valeur supérieure à celle de la corrosion, valeur dépendant de la qualité des gaz chauds utilisés. L'installation est en outre équipée de tous les systèmes annexes de sécurité, de mise en route, de mise en état d'être pompé, permettant au système de fonctionner. D'autres équipements peuvent être prévus comme exposé ci-après à propos d'exemples de fonctionnement.
L'invention permet d'effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques sous forme de boues, le chauffage des boues étant assuré par un échangeur de chaleur H à partir de fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, et le réacteur du type à flux piston étant placé dans une boucle de recirculation B. La recirculation permet d'agir sur le temps de séjour des boues dans le réacteur 1 1 , et d'assurer une température des boues en entrée de l'échangeur H suffisante.
Comme le chauffage des boues est assuré par des fumées de combustion qui peuvent entraîner, contre une paroi relativement froide, une condensation acide, le chauffage des boues selon l'invention permet d'éviter, ou tout au moins de limiter, une telle condensation source de corrosion.
Exemples de fonctionnement
A. On considère 1 t/h de MS (matières sèches) de boue à traiter.
Cette boue à 80 g/l de matières sèches est injectée en E à 20°C avec un débit de 12.5 m3/h.
La boue est chauffée dans l'échangeur 2 à 1 10°C.
La température en sortie du réacteur piston 1 1 est régulée à 160°C.
Le volume du réacteur est de 6.5 m3. Le temps de séjour moyen dans le réacteur est de 30 mn.
Un débit de recirculation provenant du réacteur piston de 50 m3/h a lieu.
La boue à l'entrée de l'échangeur 8 a un débit de 62.5 m3/h et une température de 150°C.
Les fumées 9 ont une température de 550°C et une Cp (Cp = Capacité thermique massique à pression constante) moyenne de 1 .4 kJ/kg.°C
Les fumées 10 en sortie ont une température de 250°C.
Le besoin en chaleur des boues correspond à 2616 MJ/h ( MJ = mégajoule).
Le débit de fumées est de 6230 kg/h pour permettre le réchauffement des boues. Un débit de 12.5 m3/h est détendu par le système 12. En passant par l'échangeur, la boue hydrolysée est refroidie de 160°C à 70°C.
B. Une partie de la boue est épaissie à 50g/l. l'autre partie est déshydratée à 25%.
La boue à 50 g/l est injectée en E à 20°C avec un débit de 10.63 m3/h.
Cette boue est chauffée dans l'échangeur 2 à une température de 1 10°C.
La température en sortie du réacteur piston est régulée à 160°C.
Le volume du réacteur est de 6.5 m3. Le temps de séjour moyen dans le réacteur est de 30 mn.
Un débit de recirculation provenant du réacteur piston de 42.5 m3/h a lieu.
La boue à l'entrée de la partie tubulaire 8 de l'échangeur a un débit de
53.13m3/h et une température de 150°C.
Les fumées 9 ont une température de 550°C et une Cp moyenne de 1 .4kJ/kg.°C
Les fumées 10 en sortie ont une température de 250°C.
Le besoin en chaleur des boues correspond à 3336 MJ/h.
Le débit de fumées est de 7944 kg/h pour permettre le réchauffement des boues.
Un débit de 12.5 m3/h est détendu par le système 12. En passant par l'échangeur, la boue hydrolysée est refroidie de 160°C à 105°C.
C. Toute la boue est déshydratée.
De l'eau est injectée en E à 20°C avec un débit de 3.14 m3/h.
Cette eau est chauffée dans l'échangeur 2 à une température de 130°C.
La température en sortie du réacteur piston est régulée à 160°C.
Le volume du réacteur est de 6.5 m3. Le temps de séjour moyen dans le réacteur est de 50 mn.
Un débit de recirculation provenant du réacteur piston de 44 m3/h a lieu.
La boue à l'entrée de l'échangeur 8 a un débit de 47.1 m3/h et une température de 158°C.
Les fumées 9 ont une température de 550°C et une Cp moyenne de 1 .4kJ/kg.°C
Les fumées 10 en sortie ont une température de 250°C.
Le besoin en chaleur des boues correspond à 2761 MJ/h.
Le débit de fumées est de 6570 kg/h pour permettre le réchauffement des boues. Un débit de 7.1 m3/h est détendu par le système 12. En passant par l'échangeur, la boue hydrolysée est refroidie de 160°C à 1 12°C.
Avantages de l'invention
Les avantages de l'invention par rapport aux procédés connus sont notamment :
1 . Une adéquation la plus fine possible entre la production énergétique et le besoin énergétique de l'hydrolyse thermique et donc une diminution notable des coûts de fonctionnement.
2. Une diminution notable des coûts d'investissement par simplification de l'hydrolyse thermique.
3. Une diminution de la taille globale de digestion par rapport à une digestion classique grâce à la possibilité de concentrer la boue dans le digesteur.
4. Une hydrolyse thermique en continu, contrairement à la plupart des autres hydrolyses thermiques.
5. La possibilité de piloter finement les conditions de température et de pression de la boue lors de l'hydrolyse thermique pour atteindre les meilleurs conditions possibles.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé pour effectuer en continu l'hydrolyse de matières organiques, en particulier de boues produites lors du traitement des eaux, pour fournir des matières organiques hygiénisées facilement digérables et déshydratables, comprenant les étapes suivantes:
- un pompage des matières à traiter pour les introduire sous pression dans un circuit de traitement comportant un réacteur d'hydrolyse;
- un chauffage des matières avant leur entrée dans le réacteur,
- une hydrolyse dans le réacteur,
- une décompression des matières hydrolysées avant leur sortie,
- et une sortie des matières hydrolysées,
caractérisé en ce que le chauffage des boues comprend un échangeur de chaleur (H) entre les boues et des fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, et en ce que le réacteur (1 1 ) est du type à flux piston et est placé dans une boucle de recirculation (B) formée avec l'échangeur de chaleur (H) entre les boues et les gaz chauds.
2. Procédé selon la revendication 1 , selon lequel l'échangeur de chaleur (H) comporte une partie tubulaire (8) avec des tubes métalliques à l'intérieur desquels passent les boues, tandis que les fumées passent autour de la paroi extérieure des tubes, caractérisé en ce que le chauffage des boues dans l'échangeur est régulé de telle sorte que la température de la peau des tubes de la partie (8), au contact des fumées, soit suffisamment élevée pour éviter une corrosion par condensation sur la peau des tubes.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la température de la peau des tubes est maintenue à une valeur supérieure à celle de la corrosion issue de la condensation des fumées utilisées, avantageusement entre 60°C et 200°C en fonction de la qualité des gaz chauds utilisés.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température des boues, à l'entrée de l'échangeur (H) boues/gaz chauds est régulée de manière à ce que la corrosion issue de la condensation des fumées utilisées soit évitée.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une injection de vapeur d'eau (13a, 13b), en particulier de vapeur d'eau saturée, est effectuée dans la boucle (B) de recirculation des boues, en amont de l'entrée de l'échangeur de chaleur (H) entre les boues et les fumées, selon les besoins de l'hydrolyse et/ou de la régulation de la température de la boue en entrée de l'échangeur (H).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dimensionnement de la boucle (B) de recirculation de boues chauffées est déterminé pour assurer les conditions de fonctionnement à l'hydrolyse thermique recherchée, à la fois en temps de séjour dans la boucle et en température de la boucle.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le temps de séjour moyen des boues dans la boucle de recirculation est compris entre 10 minutes et 60 minutes .
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un préchauffage des boues à traiter est assuré, entre le pompage (1 ) et l'entrée de la boucle (B) de recirculation, par les boues traitées se dirigeant vers la sortie par un échangeur de chaleur (2) « boues-boues »
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins une injection (14a, 14b) de boues déshydratées est effectuée dans la boucle (B) de boues chauffées.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' un conditionnement électromagnétique (15) du flux d'entrée au niveau de la pompe (1 ) est prévu pour permettre une diminution de l'incrustation des boues dans le circuit global.
1 1 . Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la régulation de la température de la boucle de recirculation de boues chauffées comprend une dérivation ( by-pass) (9b) d'une chambre d'échange (7) de l'échangeur (H) boues/fumées.
12. Installation pour la mise en œuvre d'un procédé selon la revendication 1 , comportant : - un pompe (1 ) pour introduire sous pression les matières à traiter dans un circuit de traitement comportant un réacteur d'hydrolyse;
- un moyen de chauffage des matières avant leur entrée dans le réacteur,
- un moyen de décompression (12) des matières hydrolysées avant leur sortie,
- et une sortie (S) des matières hydrolysées,
caractérisée en ce que le moyen de chauffage comprend un échangeur de chaleur (H) entre les boues et des fumées provenant d'une combustion ou d'une incinération, pour le chauffage des boues, et en ce que le réacteur (1 1 ) est du type à flux piston et est placé dans une boucle de recirculation (B) formée avec l'échangeur de chaleur (H) entre les boues et les fumées.
13. Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que la sortie du réacteur (1 1 ) est reliée d'une part à la conduite d'arrivée des boues dans l'échangeur (H) boues / fumées par une vanne trois voies (3), et d'autre part, par une conduite, au moyen de décompression (12) des boues avant leur sortie de l'installation.
14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe (4) dans la boucle de recirculation (B), de préférence en aval de la vanne trois voies (3) et en amont de l'entrée de l'échangeur (H).
15. Installation selon l'une quelconque des revendication 12 à 14, caractérisée en ce que l'échangeur (H) boues / fumées comporte une partie tubulaire (8) avec tubes métalliques balayés par le flux de gaz chauds.
16. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte une régulation pour maintenir la température de la boue en entrée des tubes de la partie tubulaire (8) de l'échangeur (H) à une température permettant d'éviter la corrosion par condensation acide des fumées utilisées.
17. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte une régulation pour maintenir la température de la boue en entrée du réacteur (1 1 ) à une température conforme à celle attendue pour l'hydrolyse thermique envisagée.
18. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de refroidissement de la boue (18) avant sa détente, permettant aux équipements aval de récupérer la boue dans les conditions acceptables et permettant de récupérer de l'énergie thermique sur l'eau (19).
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