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Approche multi-échelles de l’écoulement pour l’optimisation du séchage des boues

30 janvier 2020 Paru dans le N°428 à la page 88 ( mots)
Rédigé par : Mathieu MILHé, Patricia ARLABOSSE et Martial SAUCEAU de IMT Mines Albi?; CNRS?; Centre RAPSODEE (Carnot...

Le séchage thermique occupe actuellement une place incontournable dans les filières de valorisation thermique, par incinération ou co-incinération, pyrolyse ou gazéification. Les chercheurs d’IMT Mines Albi-Carmaux ont développé une expertise particulière en matière de séchage des boues (modélisation stochastique des sécheurs par contact avec agitation, type sécheurs à palettes et sécheurs à disques, pour améliorer le contrôle commande des installations) ainsi que sur la problématique de caractérisation des propriétés d’écoulement des boues déshydratées (y compris l’adhésion). Explications.

Principal coproduit du traitement des eaux usées, les boues résiduaires sont soumises à divers traitements visant à réduire leur volume et à améliorer leur qualité. Malgré son caractère énergivore (de 0,85 à 1,15 kWh/kg d’eau évaporée), le séchage thermique occupe actuellement une place incontournable dans les filières de valorisation thermique, par incinération ou co-incinération, pyrolyse ou gazéification.
Figure 1 : schéma du sécheur continu de laboratoire (a), structure de la chaîne de Markov (b).

Dans plus de la moitié des installations, la teneur finale en matières sèches excède 90 % après séchage. Or, les minima techniques pour valoriser les boues urbaines par voie thermique sont autour de 30-45 % pour une incinération spécifique, de 60 % pour une co-incinération avec les ordures ménagères et de 85 % pour la valorisation par pyrolyse ou gazéification ou pour une stabilisation biologique du produit.

L’augmentation de la siccité au-delà du minimum technique requis impacte l’économie de la filière (le poste énergie représentant entre 33 et 50 % du coût global d’exploitation d’un sécheur) et peut poser des problèmes de sécurité liés à la génération de particules fines ou à l’auto-inflammation des boues sèches lors du stockage.

Renforcer la durabilité des filières de valorisation énergétique des boues

Le contrôle-commande des procédés, pour ajuster le temps de séjour de la boue dans le sécheur et donc la teneur en matières sèches finale, reste un challenge scientifique et technique, en particulier pour les technologies de séchage par contact avec agitation. Ces technologies, qui incluent principalement les sécheurs à disques et les sécheurs à palettes, représentent environ un tiers des installations en fonctionnement. Dans ces installations, la chaleur nécessaire à la vaporisation de l’eau est apportée par conduction thermique à travers une paroi chauffée par un fluide caloporteur ; un rotor, muni de disques ou de palettes, contribue à mélanger ou cisailler le matériau et à le transporter mécaniquement. Depuis de nombreuses années, le Centre RAPSODEE d’IMT Mines Albi met en œuvre une approche multi-physiques et multi-échelles et développe des méthodologies originales, à l’échelle du procédé et du matériau, pour prédire le comportement d’un déchet pâteux à faible PCI dans un sécheur par contact avec agitation et ainsi renforcer la durabilité de l’opération unitaire et des filières de valorisation énergétique des boues.
Figure 2 : profils de teneur en eau calculés et simulés pour différents débits d’entrée (TS : teneur en matières sèches).

Un modèle stochastique, basé sur la théorie des chaînes de Markov, a ainsi été développé pour décrire l’écoulement des boues dans le sécheur [1]. Le principe des modèles Markoviens consiste à décomposer le système étudié en un nombre fini de cellules, entre lesquelles la matière peut transiter (vers l’amont ou vers l’aval de la chaîne), et à observer l’état du système à intervalles de temps réguliers pour prédire l’évolution spatiale d’une propriété donnée. Dans la pratique, le sécheur est décomposé en n cellules parfaitement agitées, n correspondant au nombre de pâles ou disques présents sur le rotor (figure 1). Les probabilités de transition entre les cellules sont identifiées à partir d’expériences de distributions des temps de séjour dans le sécheur. Couplé à un modèle stochastique de séchage, basé sur la théorie de la pénétration et développé antérieurement au laboratoire, les profils de teneur en matières sèches et de température des boues le long du sécheur peuvent être simulés (figure 2) [2]. Ce modèle couplé, validé expérimentalement, peut servir à établir des stratégies pour la conduite et l’optimisation du procédé.

Caractériser les propriétés rhéologiques des boues

L’approche développée précédemment repose sur l’identification d’un coefficient de recirculation par ajustement aux données expérimentales. Ce paramètre est supposé indépendant de la teneur en eau et donc de la structure physique du matériau, qui évolue pourtant fortement au cours du séchage. Prendre en compte les évolutions hydro-texturales d’un matériau au cours du séchage nécessite de lever le verrou de la caractérisation rhéologique des matériaux pâteux fortement concentrés. Ce sujet s’avère peu documenté dans la littérature scientifique, principalement en raison des difficultés techniques rencontrées pour effectuer les mesures, telles que l’apparition de fractures au sein de l’échantillon cisaillé et l’évaporation lorsque les boues sont chauffées. Plusieurs méthodes ont donc été développées pour caractériser les propriétés rhéologiques sous sollicitations diverses, mais aussi l’adhérence et la cohésion. Une machine de test universelle a ainsi été utilisée pour réaliser des cycles de compression uniaxiale [3].
Figure 3 : diagramme rhéophysique de la boue.

Le modèle conceptuel proposé, dit de Burgers-Patin, permet de simuler le comportement visco-élasto-plastique des boues déshydratées mécaniquement. La sensibilité du modèle à mettre en évidence des changements à l’échelle microscopique induits par certains procédés ou par un stockage prolongé a été démontrée. Récemment, d’autres procédures expérimentales ont été proposées pour corriger l’impact de la fracturation du matériau et pour limiter l’évaporation de l’eau lors des mesures dans des rhéomètres rotatifs conventionnels [4]. Un diagramme rhéophysique reliant le comportement rhéologique de la boue à sa consistance a été proposé (figure 3).

Conclusion

Les boues sont des produits complexes dont les propriétés varient en fonction de la composition des eaux usées, des procédés mis en œuvre dans la station d’épuration et des périodes de l’année. Le devenir des boues dépend fortement du contexte réglementaire en vigueur, toute évolution législative étant susceptible de déstabiliser les filières de valorisation existantes. Dans un contexte réglementaire incertain, une très bonne connaissance des propriétés des produits est indispensable pour anticiper ou réagir à tout changement.