1 Combustion ou Incinération des eaux usées MER Dr. C. Pulgarin.
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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 !