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Combustionou

Incinération des eaux usées

MER Dr. C. Pulgarin

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Ce chapitre du cours a été préparé

avec la collaboration de:

Adrian Sigrist, Andreas Holmström, Arvid Bring, I. Guasaquillo, Jacob Kolunovsky,

Georgios Sarantakos, Julián Rengifo

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Localisation de la Combustion dans la chaîne de traitement

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Combustion

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Eaux non biodégradables

Eaux très lentement biodégradables

Eaux avec des concentrations élevées de combustibles

Domaine d’application

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Séparation thermique et combustion

eaux usées gaz, vapeur d’eau

cendres, boues

Les buts: diminution du volume concentration/élimination des polluants

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Les composants d’une séparation thermique

Une source de chaleur

Un réservoir pour les eaux usées

Un évacuateur/cheminée pour la vapeur

Un système de contrôle

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Évaporation

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Réaction d’évaporation

H2O (l) H2O (g)

Toutes les matières solubles et les solides avec un point d’ébullition plus faible que celui de l’eau s’échappent (VOC, Hg)

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Combustion Oxydation rapide exothermique des combustibles en

présence d’une flamme et d’un comburant.

C,N, S, Cl, Br, H2O, métaux + O2

CO2 + H2O, SO2, HCl, NOx, MOx

CxHy + (x + y/4)O2 xCO2 + (y/2) H2O

Combustion de la matière organique

CaObHcNd + (a + 0.25c – 0.5b)O2 aCO2 + 0.5cH2O + 0.5dN2

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Oxydation thermique

Température élevée 150–1000°C

Les eaux usées sont injectées, bien distribuées, directement dans une flamme

L’air (O2) provient du flux d’effluents ou d’un flux supplémentaire

Exploitation avec un excédent d’oxygène

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Les produits d’une combustion

Cas idéal: CO2, H2O, O2, N2

Cas réel: CO2, H2O, O2, N2, NOX, SOX, HCl, produits de combustion

incomplète (PIC): CO et hydrocarbures non brûlés (UHC)

Métaux: Fe, Cr, Cu, Pb cendres Hg, Cd, Zn, dépendant de la composition.

Zn (907°C), ZnCl2 (732°C), ZnO (> 2000°C)

Introduction Évaporation Combustion Schéma Technique Coûts Application Conclusion

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Risques liés aux émissions et leur traitement

.)(trophv3x OVOC2NO

)(aq.422x SOHOHSO

Réduction catalytique sélective de NOx Désulfuration du gaz effluent à la chaux

)()( gs(g)(s) 2323 COCaSOSOCaCO

)()( gs(g)(s) OHCaSOSOCa(OH) 2322

)(sO2HCaSO 24

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Moyens de régler la combustion: température temps de séjour turbulence

il faut adapter les pa-ramètres aux composants

connaissance des polluants

l’épuration de l’air

t=0: 3500 K

t=10ms: 1200 K

230.000 Ks-1

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

Typical Wastewater Incineration

Chambre de combustion

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

a) Wastewater storage tanks; b) Combustion chamber; c) Process-gas cooler, d) Molten salt; e) Discharged salts; f) Quenching system; g) Jet washer; h) Electrical precipitator; i) Fan; j) Stack

Types de chambres de combustion

Simple combustion chamber Immersion heating chamber Fluidized bed chamber Rotary Kiln Multi-Hearth Furnace

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Simple commercial liquid incinerator with separate feed inlets for fuel and waste liquid.

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Simple Chamber 800 OC to >900 OC (high temperature combustion) Deals well with fluctuations in wastewater flow and

composition Vertical if salt is to be removed Horizontal if salt is not to be removed Temperatures in the combustion zones can be

individually regulated Two stage combustion possible

Refractory lining Attacked by alkaline substances Layer of slag is recommended

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Immersion heating chamber Evaporation not

needed Can pre-clean

VOCs

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Fluidized bed furnaces

700 to 900OC Ensure not to melt the bed Large energy savings due to

lower T (~2500kJ/kg) Might not be high enough to

ensure complete oxidation of organics

Fluidized Bed Sand Incombustible inorganic material

from the wastewater Consistent composition of

wastewater needed Example

Pulp-digester lyes High inorganic contents

0.8 to 3 m/s Isothermal

Limits hot and cold spots

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Standard rotary kiln setup

Rotary Kiln

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Rotary Kiln

More expensive because of mechanical components

More versatile Waste solvents, other liquid wastes,

solvent-containing air, odoriferous air

More difficult to operate and maintain Refractory lining must be replaced often

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Multi-Hearth Furnace Sludges

Long residence time

Top: 310OC – 540OC

Middle: 760OC – 980OC

Bottom: Cools the ash and preheats the air

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

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Méthodes de combustion

Eau résiduelle

Four de combustion

Chaudière

Traitementdu gaz

Évacuation

EauVapeur, eau

chaude (exploitée)

Air Cendres

> 1500 kcal/kg

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Méthodes de combustion

Eau résiduelle

Four de combustion

Chaudière

Traitementdu gaz

Évacuation

Eau Vapeur, eauchaude (exploitée)

1200-1500 kcal/kg

Chauffe-air

CendresAir

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Méthodes de combustion

Eau résiduelle

Four de combustion

Traitementdu gaz

Evacuation

Air

1000-1200 kcal/kg

Chauffe-air

Pré-chauffeurde l ’eau

Cendres

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Méthodes de combustion

Eau résiduelle

Four de combustion

Traitementdu gaz

Évacuation

Air

Chauffe-air

Pré-chauffeurde l ’eau

Concentrateur

Cendres

< 1000 kcal/kg

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Estimation des coûts énergétiques en CHF/m3

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Hypothèses

Chauffage de l’eau de 15 à 100°C puis évaporation

Utilisation d’énergie électrique (!): 0.15 CHF/kWh

Rendement énergétique: 50%

Pas de pertes supplémentaires, réutilisation et/ou autres coûts d’opération.

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Calculs

Cp(H2Ol) = 4.18 kJ kg-1 K-1 = 4.18 MJ m-3 K-1 353 MJ m-3

ΔHvap(H2O) = 2.26 MJ kg-1 = 2260 MJ m-3 2260 MJ m-3

Somme x Rendement 50% 5231 MJ m-3

Coût 1 218 CHF m-3

1. Facteur de conversion énergétique:1 kWh = 3.6 MJ

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Corrections à apporter pour des coûts réels

Temp. > 100°C

Rendement peut-être inférieur

Transport (notamment pompage)

Coûts d’entretien

Chauffage non électrique !

Recirculation du fluide caloporteur

Énergie chimique des polluants

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Coûts réels

200-800 CHF

Coûts majoritairement liés au chauffage et au pompage de l’eau!

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Étude de cas: Bayer Industry Services, Brunsbüttel (All.)

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

Storage tanks for

wastewater

(2 x 60 m3-all types of wastewaters

+ 1 x 50 m3)

Incineration chamber (T=1000oC)

SaltRecovery of : Energy

Heat recovery (Steam: P=41 bars

T=350-380oC)

Quenching vessel

(Gas: T=70-80oC)

Acids-Dust

Jet scrubber

(NaOH)

SOX

Wet-wall ESP (electrostatic precipitation)

Salts-Dust

Induced draft

system

Flue gas cleaning

Chimney

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Étude de cas: Bayer Industry Services, Brunsbüttel (All.)

Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

Étude de cas: Bayer Industry Services, Brunsbüttel (All.) Type de station

Oxydation en phase gazeuse + évaporation en amont

Mise en service: 1980

Capacité

27’000 tonnes/an eau usée

11.5MW de chaleur générée

Fonctionnement: 7’200 h/an

Substances critiques traitables Huiles avec PCB,

liquides inflammables à Tfusion < 21°C

Eau usées toxiques pour bactéries

Pesticides Solvants

Enfouissement contrôlé des sels minéraux

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Avantages et inconvénients

Récupération d’énergie thermique des polluants par incinération Diminution de la quantité d’eau résiduelle Revalorisation de certains types de cendres (eau résiduelle alcaline)

Coûts élevés Grande consommation d’énergie Le gaz et les boues pollués

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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L’Avenir

Minimiser le besoin d’enfouissement

L’acceptante publique est nécessaire

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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Conclusion

Une technologie contestée (coût, impact…)

Principalement pour des eaux non biodégradables

Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

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RéférencesCombustion & Wastewater incineration articles. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2008 (online edition)

English Wikipedia articles: Incineration, Combustion, Selective catalytic reduction, Flue gas stack, Flue gas desulfurization

H. Van den Bergh, Pollution atmosphérique I (polycopié)

“Wastewater incineration”. Bayer Industry Services (aujourd’hui

Currenta)

http://www.impexequip.com/images/furnace.jpg .

“Multi-Hearth furnace.” Impex, accessed June 6, 2006.

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Merci de votre attention !