Solution de traitement pour le séchage des boues :

État d'avancement et analyse de cas du procédé de séchage horizontal en deux étapes de couches minces dans le domaine de la production d'énergie par combustion mixte de boues.

Cet article présente en détail le procédé en deux étapes d'une machine de séchage de boues à film mince horizontal et analyse, à titre d'exemple, le projet d'extension du traitement et de l'élimination des boues du parc Bamboo. Cette machine se caractérise par une grande capacité de traitement unitaire, une sécurité élevée, une bonne étanchéité, de faibles émissions de gaz d'échappement et un environnement de travail respectueux de l'environnement. Grâce à ses avantages en matière de sécurité, de flexibilité et d'économie, ce procédé de séchage de boues en deux étapes est de plus en plus utilisé dans le domaine du mélange des boues et de la production d'énergie par combustion. Il constitue un procédé de choix pour les projets de traitement et d'élimination des boues dans les centrales électriques. Avec le développement rapide des villes, le volume des eaux usées ne cesse d'augmenter et la modernisation des stations d'épuration s'accélère, entraînant une forte hausse de la production de boues. Fin 2016, le volume d'eaux usées traitées en Chine atteignait 150 millions de m³/j, pour une production totale de boues de près de 30 millions de tonnes. On estime que la production de boues d'épuration en Chine dépassera 60 millions de tonnes d'ici 2020, sur la base d'une teneur en humidité de 80 %. Les boues issues de la collecte et du traitement des eaux usées urbaines peuvent contenir des métaux lourds, des agents pathogènes, des virus, des micro-organismes et une grande quantité de matières organiques toxiques. Faute de traitement et d'élimination appropriés, elles engendreront une grave pollution secondaire de l'environnement autour des zones de rejet et menaceront la santé humaine. Le traitement et l'élimination des boues constituent aujourd'hui un problème environnemental majeur. Actuellement, les principales méthodes de traitement des boues comprennent la concentration, le conditionnement, la déshydratation et le séchage. La concentration, le conditionnement et la déshydratation sont les procédés les plus utilisés, le séchage restant toutefois peu répandu. L'élimination des boues désigne leur destination finale après traitement. Les principales méthodes d'élimination comprennent la mise en décharge contrôlée, l'épandage sur les terres agricoles et la valorisation des boues comme matériaux de construction après incinération. La mise en décharge contrôlée est la méthode la plus courante. D’une part, en raison des normes de plus en plus strictes et des ressources foncières disponibles limitées, d’autre part, le traitement et l’élimination par séchage et incinération deviennent de plus en plus courants.

procédé de séchage horizontal en couches minces des boues en deux étapes

Le séchage des boues est un procédé qui utilise l'énergie thermique, notamment la chaleur résiduelle industrielle et celle issue de la combustion d'énergies fossiles, pour évaporer rapidement l'eau contenue dans les boues grâce à des technologies et des équipements spécifiques. Ce procédé permet d'éliminer l'eau des boues, de réduire leur volume, d'améliorer leur pouvoir calorifique et, simultanément, de les stabiliser. Le séchage des boues par film mince horizontal en deux étapes est actuellement l'un des procédés les plus courants dans les projets de séchage de boues à grande échelle. Il s'agit d'un procédé de séchage par chauffage indirect utilisant de la vapeur saturée ou de l'huile caloporteuse comme fluide caloporteur.

Équipement de base

L'équipement principal du procédé de séchage des boues en deux étapes par film mince horizontal est la machine de séchage par film mince horizontal. Les équipements environnementaux de Xinjieyuan Environmental Protection Technology Co., Ltd. sont destinés aux secteurs de la pétrochimie, de la pharmacie, de l'agroalimentaire, de l'environnement et de l'énergie. La société Xinjieyuan dispose d'un centre de recherche et développement complet ainsi que d'une base d'essais. Elle est un leader mondial des solutions de séparation thermique pour les matériaux réfractaires mixtes et de la technologie d'évaporation par film mince, ainsi qu'un chef de file dans le développement et la production d'équipements pour le séchage de matériaux à haute viscosité.

La figure illustre le schéma structurel d'une machine de séchage de couches minces horizontales. Cette machine se compose principalement de trois parties : l'enveloppe, le rotor et ses pales, et le dispositif d'entraînement. L'enveloppe est un récipient sous pression dont la double enveloppe peut être remplie de vapeur saturée ou d'huile caloporteuse, servant de fluide caloporteur pour le séchage des boues. Elle est fabriquée en acier pour chaudières haute température conforme aux normes européennes. La paroi interne, en contact direct avec les boues, constitue la principale surface d'échange thermique et supporte la fine couche de boues. Sa résistance à la corrosion et à l'usure est supérieure à celle d'autres matériaux. Le rotor est un arbre creux monobloc. Sa fabrication spécifique garantit l'absence de déformation du rotor lors de son chauffage et de sa rotation à grande vitesse, et maintient une distance constante de 5 à 10 mm entre le bord extérieur des pales et la paroi interne. Sous l'effet de la rotation du rotor et du dépôt des pales, les boues entrant dans le séchoir forment une fine couche dynamique et uniforme sur la paroi interne, constamment renouvelée. Le séchage se poursuit à mesure que le produit progresse vers la sortie.

Flux de processus

Après déshydratation par décantation-centrifugation, les boues humides, dont la teneur en eau est de 80 à 85 %, sont transportées vers le silo à boues humides par véhicule ou par canalisation. Le silo est équipé d'un cadre coulissant pour empêcher la formation de voûtes et d'une vis sans fin et d'une pompe de refoulement des boues humides à sa base.

La pompe de transport des boues humides achemine ces dernières jusqu'à l'entrée du séchoir à film mince. À leur entrée dans le séchoir, les boues sont déposées sur la paroi chaude par la pale du rotor. Cette pale, en tournant et en mélangeant continuellement les boues sur la paroi chaude, les pousse également vers la sortie. Durant ce processus, l'eau contenue dans les boues s'évapore sous forme de vapeur, qui se déplace à contre-courant des boues à l'intérieur du séchoir et rejoint le système de condensation des gaz d'échappement par le réservoir situé au-dessus de l'orifice d'alimentation.

Après leur entrée dans le système de séchage à film mince par la boîte d'échappement, les gaz résiduaires d'évaporation pénètrent dans le condenseur. Dans ce dernier, la vapeur résiduelle est lavée à l'eau, qui se condense à partir des gaz résiduaires. Une faible quantité de gaz non condensables (matières volatiles et boues) est évacuée du système de séchage par le ventilateur d'extraction après séparation des gouttelettes par le désembueur, puis traitée dans le système de désodorisation ou d'incinération. La quantité de gaz d'échappement rejetée par le système d'auto-séchage est très faible, représentant seulement 5 à 10 % de l'eau d'évaporation. Le ventilateur d'extraction maintient l'ensemble du système de séchage en dépression afin d'éviter les remontées d'odeurs et de poussières.

Les boues séchées, présentant une teneur en humidité de 30 à 40 % et produites par le séchoir à film mince, sont ensuite séchées dans un séchoir linéaire afin d'atteindre une teneur en humidité minimale de 5 %. Lors du stockage temporaire des boues sèches, un refroidisseur est installé. Après séchage dans le séchoir linéaire, les boues sont refroidies à une température inférieure à 50 °C afin d'améliorer la sécurité et d'éviter toute combustion lente ou spontanée. Elles sont ensuite acheminées vers le silo de stockage via une vanne de décharge et un convoyeur à racleur. Lors du raccordement au système d'incinération, le système de séchage peut être directement connecté en série à ce dernier grâce à des convoyeurs. Ce procédé de séchage horizontal à film mince en deux étapes permet d'assurer l'auto-inertalisation du système grâce à l'évaporation de l'eau contenue dans les boues. En cas de démarrage ou d'urgence, de la vapeur basse pression, de l'eau douce ou de l'azote gazeux sont utilisés comme fluide d'inertage du système de séchage. Un analyseur de teneur en oxygène est installé à la sortie du réservoir d'échappement, et le fonctionnement sûr et stable du système de séchage des boues est assuré par le contrôle de la teneur en oxygène.

Avantages du processus

1) Sécurité : Le système de séchage des boues en film mince assure une excellente étanchéité et maintient une micro-pression négative de -0,5 à -1 kPa, garantissant l'absence d'odeurs et de poussières. Auto-inertable, il peut être équipé de divers moyens d'inertage, et la teneur en oxygène est maintenue en dessous de 5 % dans les projets municipaux. La température des boues séchées à la sortie du séchoir peut atteindre 100 °C, assurant ainsi une stérilisation complète et la conformité à la norme EPA 503 du code de traitement des boues de l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA). Aucun incident de sécurité n'a été recensé lors de son utilisation. 2) Stabilité : Dans les projets d'incinération coopérative de boues et de charbon, une forte humidité des boues alimentant la chaudière de la centrale électrique peut endommager gravement les équipements. Cela peut notamment entraîner une usure importante de la paroi interne du four et un risque d'obstruction du système de convoyage, provoquant l'arrêt du four. Le procédé en deux étapes de séchage des boues en film mince présente une faible teneur en humidité et permet un ajustement rapide de cette teneur entre 20 % et 33 % par variation de la pression de vapeur dans le séchoir. Comparé à d'autres procédés, il offre des avantages considérables et contribue à la stabilité des équipements des centrales électriques et du réseau électrique.

3) Simplicité : l’uniformité et la granulation des boues produites contribuent à la stabilité du fonctionnement des chaudières des centrales électriques. Alors que d’autres procédés nécessitent l’ajout d’équipements de broyage ou de granulation, le séchoir à film mince assure une granulation interne, produisant des boues à granulation uniforme, sans équipement de granulation supplémentaire. Il requiert peu d’équipements auxiliaires, un faible encombrement et une utilisation et un contrôle simples. L’absence de circulation de gaz vecteur et de brassage des boues évite tout risque de recirculation. Conformément à la réglementation relative à l’entretien des appareils à pression, tous les types de séchoirs doivent faire l’objet d’une inspection périodique de leurs parois internes. L’entretien du séchoir à film mince, ne nécessitant aucun équipement de levage supplémentaire, est simple et efficace.

4) Flexibilité : large gamme d'applications, convient à divers types de boues, et peut traiter des boues humides dont la teneur en humidité varie de 65 % à 90 %. Le procédé en deux étapes permet d'obtenir un produit à teneur en matières solides uniforme. Les temps de démarrage, d'arrêt et de vidange sont courts, et aucun nettoyage n'est nécessaire avant le redémarrage. 5) Économie : rendement d'évaporation élevé. Dans le cadre d'un projet de co-incinération des boues, la vapeur d'eau de la centrale électrique peut être utilisée directement comme fluide caloporteur. Le rendement d'évaporation par mètre carré du séchoir à couche mince peut atteindre plus de 45 kg par heure. Les projets municipaux peuvent être combinés à d'autres systèmes (tels qu'un système de digestion anaérobie) pour atteindre un rendement de récupération d'énergie thermique supérieur à 80 %. Faibles coûts de maintenance : une seule inspection annuelle de 5 à 10 jours est nécessaire. Faibles odeurs, ce qui réduit les coûts de traitement. Contrôle entièrement automatisé, exigences de surveillance réduites.

Étude de cas d'un procédé horizontal de séchage de boues en deux étapes par film mince dans le domaine de la production d'énergie par combustion mixte de boues.

Le projet d'extension de la station d'épuration de la zone de Zhuyuan à Shanghai vise à traiter les boues déshydratées issues du traitement des eaux usées des première et deuxième stations d'épuration de Zhuyuan, désormais conformes à la norme de rejet de classe A, ainsi que les 2,2 millions de m³/j d'eaux usées traitées après la réalisation du nouveau projet de modernisation et d'extension. La capacité de construction du projet est de 223 tonnes de matière sèche par jour (tMS/j), soit un volume de boues à 80 % d'humidité de 1 115 tonnes/j. La configuration des installations tient compte des conditions de maintenance de la ligne d'incinération de la première phase du projet, et la capacité de traitement maximale est de 288,5 tMS/j, soit un volume de boues à 80 % d'humidité de 1 442,5 tonnes/j. Le procédé de traitement des boues comprend un séchage en couche mince en deux étapes, suivi d'un mélange et d'une combustion dans une centrale thermique. Les boues déshydratées à 80 % d'humidité sont transportées vers la station d'épuration par camion-benne. Après le système de réception et de stockage des boues, les boues humides sont pompées vers le système de séchage par film mince, où leur teneur en humidité moyenne est réduite à 30 % (plage ajustable de 20 % à 30 %). Les boues sèches ainsi obtenues sont transportées par camions fermés vers les centrales thermiques n° 2 ou n° 3 de Shanghai Waigaoqiao pour y être incinérées conjointement avec du charbon.

La figure représente le schéma du système de séchage des boues du projet d'extension de la station d'épuration de Zhuyuan. Après pesée du camion-benne sur un pont-bascule, les boues humides sont déversées dans une trémie de réception souterraine, puis transportées vers une trémie de stockage par un système de pompes à piston. Elles sont ensuite acheminées vers le séchoir à film mince par une vis sans fin et une pompe à vis. Lors de la première étape de séchage, les boues humides pénètrent dans le séchoir à film mince, puis tombent dans le séchoir linéaire par une goulotte. Le séchage se poursuit dans ce dernier. Le taux d'humidité des boues, compris entre 20 % et 33 %, est rapidement atteint par ajustement de la pression de vapeur dans le séchoir. Après cette seconde étape de séchage, les boues passent dans une vis de refroidissement, puis sont transportées vers le silo de stockage temporaire par une vanne de décharge et un racleur.

Les gaz résiduaires d'évaporation générés par l'autosécheur sont entraînés à contre-courant par les boues. Le collecteur d'échappement situé au-dessus de l'autosécheur alimente le système de condensation des gaz résiduaires. Ces gaz sont pulvérisés et condensés dans le condenseur, tandis que les gaz non condensés sont dirigés vers le désembueur. Après séparation des gouttelettes dans le désembueur, les gaz résiduaires finaux sont évacués du système de séchage par un ventilateur et acheminés vers le système de traitement des odeurs. Le système de séchage horizontal à film mince utilise principalement de la vapeur saturée, de l'eau, de l'air comprimé, de l'eau de refroidissement en circuit fermé et de l'eau douce. La vapeur utilisée dans le système de séchage provient de la centrale électrique et est distribuée à 10 lignes de production via des sous-cylindres. Le système de séchage est équipé d'un système d'air comprimé pour l'alimentation en air comprimé, d'un système de récupération des condensats pour la vapeur produite par l'autosécheur et d'un système de refroidissement en circuit fermé pour le refroidissement du système. Les eaux usées produites par le système de séchage sont principalement constituées des eaux de pulvérisation issues du lavage des gaz résiduaires d'évaporation par pulvérisation d'eau moyenne. Cette partie des eaux usées est renvoyée à la station d'épuration pour y être traitée. Les gaz d'échappement sont acheminés vers le système de traitement des odeurs pour un traitement centralisé. Après séchage, les boues sont envoyées à la centrale électrique de Waigaoqiao pour être co-incinérées avec du charbon. Le système de séchage des boues du projet d'extension de traitement et d'élimination des boues de la zone de Zhuyuan a passé avec succès l'évaluation de ses performances en août 2020. La durée de fonctionnement annuelle du projet peut atteindre 8 000 heures, et sa capacité de traitement annuelle des boues peut dépasser 400 000 tonnes. La mise en service de ce projet permettra de résoudre définitivement le problème de l'évacuation des boues dans la zone de Zhuyuan et contribuera au développement durable de l'économie de Shanghai. Il pourra servir de référence pour les projets nationaux de traitement et d'élimination des boues avec co-incinération en centrale électrique.

Résumé

1) Le système de séchage horizontal à film mince présente une excellente étanchéité, permet un contrôle rigoureux de la teneur en oxygène et offre une sécurité optimale. Aucun accident n'a été recensé en plus de 30 ans d'utilisation, ce qui en fait l'un des procédés de séchage des boues les plus sûrs actuellement en vigueur.

2) Dans le projet de production d'énergie par mélange et combustion de boues, la maîtrise de la morphologie et de l'humidité des boues sèches est cruciale, car elle influe sur le fonctionnement du système d'incinération suivant le séchage. D'une part, le séchage horizontal en couche mince en deux étapes permet d'obtenir des produits granulaires de taille uniforme et exempts de poussière. D'autre part, il permet d'ajuster rapidement l'humidité en modifiant la pression de vapeur et la vitesse du séchoir linéaire bi-étagé. Une maîtrise précise de la morphologie et de l'humidité des boues sèches garantit le bon fonctionnement de l'ensemble du système.

3) Le séchage horizontal en couche mince en deux étapes, associé à l'élimination coopérative des boues, représente la tendance actuelle en matière de traitement et d'élimination des boues municipales. Ce procédé présente des avantages indéniables en termes de sécurité, de stabilité, de fiabilité et de performance. Son application constitue aujourd'hui un choix scientifique et judicieux pour le traitement et l'élimination des boues municipales.