Système de séchage des boues

Conformément au Guide technique pour le traitement et l'élimination des boues des stations d'épuration urbaines, publié par l'État, quatre méthodes d'élimination des boues sont proposées : l'épandage, la mise en décharge contrôlée, la valorisation en matériaux de construction et l'incinération à sec. Face aux contraintes et aux impacts négatifs croissants des boues dans l'agriculture, les décharges, le milieu marin et d'autres secteurs, le traitement et l'élimination par incinération à sec des boues sont largement utilisés et promus dans de nombreux pays. Il ne fait aucun doute que cette méthode deviendra l'une des solutions d'élimination les plus importantes et les plus performantes à l'heure actuelle.

Compte tenu des caractéristiques techniques des boues produites par l'entreprise (déchets dangereux), de leur incinération et de leur élimination après séchage, ainsi que du besoin d'une source de chaleur à vapeur, il est nécessaire d'examiner attentivement leur sécurité, leur adaptabilité technique et économique, leur application et leur potentiel de développement. Six types d'équipements de séchage des boues, à savoir les séchoirs à lit fluidisé, à deux étages, à couche mince, à palettes, à disques et à pulvérisation, ont été comparés et sélectionnés. En tenant compte de la maturité technique, de la stabilité du système, de la sécurité d'exploitation et de la protection de l'environnement de ces six équipements, le séchoir à couche mince a finalement été retenu.

1. Composants de l'équipement du séchoir à couches minces

En général, un sécheur à film mince se compose d'une enveloppe cylindrique avec une couche chauffante, d'un rotor rotatif à l'intérieur de l'enveloppe et d'un dispositif d'entraînement de ce rotor. Le rotor est équipé de pales de formes et de spécifications variées, fixées à l'enveloppe par des boulons. Le mode d'assemblage est ajustable afin de s'adapter aux variations des caractéristiques des boues et à la capacité de traitement. L'enveloppe du sécheur à film mince est composée de sections. Selon les besoins de traitement, elle peut être divisée en plusieurs zones de chauffe, permettant ainsi un contrôle individuel, un réglage précis de la température, une commutation flexible et d'autres fonctions.

Les racleurs sont répartis aux extrémités d'entrée et de sortie de boue du rotor. Quatre racleurs sont installés sur chaque colonne côté entrée de boue du cylindre, formant un angle de 45° avec l'axe de la colonne. Ce dispositif permet aux boues d'adhérer immédiatement à la paroi chaude dès leur entrée dans le cylindre et de faciliter leur transport vers la sortie. On compte 72 racleurs au total. Deux racleurs sont installés sur chaque colonne côté sortie de boue, formant un angle oblique de 45° avec celle-ci. Leur rôle est d'amortir la force d'inertie du produit lors de la vidange, permettant ainsi une vidange par gravité. On compte 36 racleurs au total.

Les pales de transmission sont réparties dans la zone centrale du rotor, et 40 pales sont installées sur chaque colonne, soit un total de 720 pales.

Les différents types de pales assurent de manière complète les fonctions essentielles de distribution, d'épandage, de raclage, de brassage, de rétro-mélange, d'auto-nettoyage et de transport des boues sur la paroi chaude. En résumé, lorsque les boues humides pénètrent par une extrémité du séchoir horizontal, elles sont immédiatement et continuellement réparties sur la paroi chaude par le rotor rotatif, formant ainsi une fine couche. Tandis que les pales du rotor entraînent continuellement cette fine couche de boues humides, les pales de convoyage, dotées d'un système de guidage angulaire, tournent avec le rotor. Les particules de boues semi-sèches, générées lors de la formation et du séchage de la couche mince, sont transportées horizontalement dans le sens axial du rotor à une certaine vitesse linéaire, et acheminées vers la sortie des boues à l'autre extrémité du séchoir à film mince. La longueur axiale du séchoir à film mince correspond non seulement à la ligne horizontale entre l'entrée et la sortie, mais assure également l'alimentation et l'évacuation des boues dans l'ensemble du cylindre horizontal. Dans ce procédé, les boues humides sont chauffées uniformément par la paroi chaude à la vapeur, ce qui provoque l'évaporation de l'eau. Le temps de séjour des boues humides dans le séchoir à film mince est de 10 à 15 minutes, permettant un démarrage, un arrêt et une vidange rapides. Le fonctionnement et le réglage de l'équipement sont ainsi très rapides.

3. Procédé de collecte des gaz d'échappement du séchoir à couches minces

La teneur en humidité des boues alimentant le sécheur à film mince est de 75 % à 85 % (calculée à 80 %), et celle des boues produites par ce sécheur est d'environ 35 %. Les boues semi-sèches, sous forme granulaire, sont transportées vers l'unité suivante par un système de convoyage. Le gaz vecteur, composé de vapeur d'eau, de poussières et de gaz odorants générés lors du fonctionnement du sécheur à film mince, se déplace à contre-courant des boues dans le cylindre et est évacué vers le condenseur par une canalisation depuis le réservoir de gaz d'échappement situé au-dessus de l'orifice d'alimentation. Dans le condenseur, l'eau du gaz vecteur se condense sous forme de vapeur, et les gaz non condensables sont séparés par gouttelettes et évacués vers le système de séchage par un ventilateur d'extraction. La quantité de gaz d'échappement du sécheur à film mince est relativement faible, généralement de 5 % à 10 % seulement de l'évaporation du système. Le ventilateur d'extraction induit un courant d'air qui place l'ensemble du système de séchage dans un état de micro-pression négative afin d'éviter le débordement de gaz odorants et de poussière.

2. Paramètres techniques des principaux équipements du procédé de séchage de couches minces

Conformément aux exigences de ce projet, la capacité de traitement des boues d'un système de séchage est fixée à 2,5 t/h (pour une teneur en eau de 80 %), la teneur en eau des boues étant de 35 %. La capacité de traitement journalière des boues d'un séchoir à film mince est de 60 t/j (pour une teneur en eau de 80 %), sa capacité d'évaporation nominale est de 1 731 t/h, sa surface d'échange thermique est de 50 m², et la teneur en eau des boues à l'entrée est de 80 %, tandis que celle des boues à la sortie est de 35 %. La source de chaleur du séchoir à couche mince est de la vapeur saturée, et la qualité de l'alimentation en vapeur est définie par les paramètres suivants : température de la vapeur : 180 °C, pression de la vapeur : 1,0 MPa, consommation de vapeur d'un seul séchoir à couche mince : 2,33 t/h, et le nombre de séchoirs à couche mince est de 2, à raison d'un par appareil.

La vapeur saturée à 180 °C est acheminée vers le séchoir linéaire par une conduite sous pression et sert de source de chaleur pour chauffer indirectement les boues semi-sèches. L'eau contenue dans ces boues est ensuite évaporée dans le séchoir linéaire. En fonction des besoins (démarrage et arrêt), les boues finales peuvent atteindre une teneur en humidité de 10 % avant d'être dirigées vers le refroidisseur de produit.

La capacité de traitement du séchoir linéaire est de 0,769 t/h (teneur en humidité de 35 %), l'évaporation nominale est de 0,214 t/h, la surface d'échange thermique est de 50 m², la teneur en humidité des boues à l'entrée du séchoir linéaire est de 35 %, la teneur en humidité des boues à la sortie est de 10 %, les paramètres de qualité de la vapeur à l'entrée du séchoir linéaire sont les suivants : la température de la vapeur est de 180 °C, la pression de la vapeur est de 1,0 MPa, la consommation de vapeur d'un seul séchoir linéaire est de 0,253 t/h et la quantité est équipée de 1 unité.

Le type d'équipement du condenseur de gaz vecteur est un condenseur hybride à injection directe, avec une entrée d'air de 3 500 Nm3/h, une température de gaz d'entrée de 95 à 110 ℃, une température de gaz de sortie de 90 à 180 Nm3/h et une température de gaz de sortie de 55 ℃.

Le type d'équipement du ventilateur à tirage induit par gaz vecteur est un ventilateur centrifuge haute pression, le volume d'aspiration d'air maximal est de 400 Nm3/h, la pression d'air est de 4,8 kPa, les paramètres physiques du milieu de gaz vecteur : la température est de 45 ℃, l'humidité est de 80 % à 100 %, mélange de gaz odorant d'air humide, un seul ensemble de système de séchage est équipé d'un ensemble.

La capacité de traitement du refroidisseur de produit est de 1,8 t/h, la température d'entrée des boues est de 110 °C, la température de sortie des boues est ≤ 45 °C, la surface d'échange thermique est de 20 m² et la quantité est de 1 unité.

3. Analyse de la consommation énergétique économique lors de la mise en service d'un séchoir à couches minces

Après près d'une demi-journée de mise en service simple et de mise en service avec charge de boue du système de séchage de couches minces, les résultats sont les suivants.

La capacité de traitement nominale d'un seul séchoir à film mince dans ce projet est de 60 t/j. Actuellement, le traitement moyen des boues humides pendant la période de mise en service est de 50 t/j (teneur en humidité de 79 %), ce qui a atteint 83 % de la capacité de traitement de base prévue pour les boues humides et 87,5 % de la capacité de traitement de base prévue pour les boues sèches.

La teneur moyenne en humidité des boues semi-sèches produites par le séchoir à film mince est de 36 %, et la teneur en humidité des boues semi-sèches exportées par le séchoir linéaire est de 36 %, ce qui correspond globalement à la valeur cible du produit de conception (35 %).

Mesurée par le compteur de vapeur saturée externe dans l'atelier de séchage des boues, la consommation de vapeur saturée est de 25 t/j, et la consommation thermique journalière totale théorique de chaleur latente de vaporisation de la vapeur est de 25 t × 1 000 × 2 014,8 kJ/kg ÷ 4,184 kJ = 1,203 871 9 × 107 kcal/j. L'évaporation totale journalière moyenne d'eau du système de séchage est de (50 t × 0,79) - [50 t × (1 - 0,79)] ÷ (1 - 0,36) × 1 000 = 23 875 kg/j. La consommation thermique unitaire du système de séchage des boues est alors de 1,203 871 9 × 107 ÷ 23 875 = 504 kcal/kg d'eau évaporée ; Étant donné que le système de séchage des boues est soumis aux variations de la teneur en humidité des boues humides, à la qualité de la vapeur externe et aux caractéristiques des équipements de transport des produits de boues semi-sèches en termes d'exigences de granulométrie et à d'autres facteurs, il est nécessaire d'optimiser la valeur de diverses variables lors des futurs essais à long terme, afin de déterminer les meilleures conditions de fonctionnement et l'indice de consommation d'énergie économique du système.

1. Machine de séchage de films minces

La structure de l'équipement du séchoir à couche mince se compose d'une enveloppe cylindrique avec une couche chauffante, d'un rotor rotatif dans l'enveloppe et d'un dispositif d'entraînement du rotor : moteur + réducteur.

Le rotor est équipé de pales pour l'enrobage, le mélange et la propulsion. La distance entre les pales et l'enveloppe interne est de 5 à 10 mm. La surface chauffante est autonettoyante et les pales sont réglables et démontables individuellement.

Dispositif d'entraînement : (moteur + réducteur) un moteur à fréquence variable ou à vitesse constante peut être sélectionné, un réducteur à courroie ou une boîte de vitesses peut être sélectionné, une connexion directe ou une connexion par accouplement peut être utilisée, la vitesse du rotor peut être contrôlée à 100 tr/min, la vitesse linéaire du bord extérieur du rotor peut être contrôlée à 10 m/s, le temps de séjour des boues est de 10 à 15 min.

2. Corps du séchoir linéaire

Le séchoir linéaire utilise un convoyeur à vis en forme de U. La pale de transmission est spécialement conçue et usinée pour éviter l'extrusion et le découpage des particules de boues. L'enveloppe et l'arbre de rotation du séchoir constituent les éléments chauffants, et l'enveloppe est démontable. À l'exception des éléments chauffants, les pièces en contact avec les boues sont en acier inoxydable 316L ou équivalent, les autres étant en acier au carbone. L'équipement de séchage linéaire est donc composé d'acier inoxydable 304 et d'acier au carbone.

3. Condenseur

Le condenseur de gaz vecteur a pour fonction de laver les gaz d'échappement du sécheur de boues afin de condenser les gaz condensables qu'ils contiennent. Il s'agit d'un condenseur à pulvérisation directe, fabriqué en acier inoxydable 304.

4. Refroidisseurs de produits

Le refroidisseur de produit a pour fonction de réduire la température des boues semi-sèches de 110 °C à environ 45 °C, avec une surface d'échange thermique de 21 m² et une puissance de 4 kW. Il est principalement fabriqué en acier inoxydable SS304+CS.

Le procédé de séchage des boues en film mince a gagné en popularité ces dernières années grâce à ses caractéristiques techniques, ce qui en fait une méthode de traitement des boues efficace et performante. Ce procédé utilise un séchoir à film mince pour éliminer rapidement et efficacement l'humidité des boues, laissant un produit granulaire sec, facile à manipuler et à transporter. Forts de notre expérience d'exploitation d'équipements de systèmes de traitement utilisant différentes technologies dans le domaine du séchage et de l'incinération des boues, nous présentons les caractéristiques techniques suivantes du procédé de séchage des boues en film mince.

1. La principale caractéristique technique du sécheur de boues à film mince réside dans sa simplicité d'intégration. Cette méthode requiert un minimum d'équipements auxiliaires et est simple à mettre en œuvre et à contrôler. Le processus de séchage ne nécessite pas de mélange en retour et les boues s'affranchissent directement de la phase de plasticité (zone de viscosité élevée), ce qui le rend plus efficace et rationalisé. De plus, la quantité de gaz résiduaires générée est relativement faible et leur traitement est simple, faisant de ce procédé une solution de séchage des boues économique, efficace et respectueuse de l'environnement.

2. L'économie d'exploitation est un autre atout majeur de la machine de séchage des boues en couche mince. Elle se distingue par sa faible consommation d'énergie et son rendement d'évaporation élevé et constant. La récupération et le recyclage du fluide caloporteur sont également possibles, ce qui contribue à réduire davantage les coûts énergétiques. De plus, la robustesse de l'équipement, ses faibles coûts d'entretien et la surveillance minimale requise en font une solution économique pour le séchage des boues.

3. La flexibilité opérationnelle est également un atout majeur du séchoir à boues à film mince. Il convient au séchage de différents types de boues pâteuses et permet d'obtenir des particules de boues homogènes, quelle que soit leur teneur en humidité. Ce procédé se caractérise par une faible charge en matières solides, un démarrage et un arrêt faciles, ainsi qu'un temps de vidange court, ce qui renforce encore sa flexibilité d'utilisation.

4. Le procédé de séchage des boues en couche mince est reconnu pour sa sécurité et son respect de l'environnement. Il repose sur une conception inerte à plusieurs niveaux, utilisant notamment l'azote, la vapeur et un système de détection d'extinction automatique. Le procédé fonctionne en circuit fermé sous pression négative, à faible teneur en oxygène, sans odeur ni fuite de poussière, réduisant ainsi le risque d'explosion de poussières et garantissant la sécurité et la protection de l'environnement lors du séchage des boues.

En résumé, les caractéristiques techniques du procédé de séchage des boues en couche mince en font une option de traitement des boues efficace, économique et respectueuse de l'environnement. Ce procédé se caractérise par sa simplicité, son faible coût d'exploitation, sa flexibilité, sa sécurité et son impact environnemental réduit, et constitue une solution intéressante pour les équipements de séchage des boues.