Une conception innovante pour le séchage des boues urbaines et industrielles à basses températures

Le nouveau séchoir DRY*REX® fonctionne à des températures basses ou ambiantes. Il a été testé dans plus de vingt (20) papeteries au Canada et aux États-Unis, ainsi que dans d’autres industries. La plupart des types de boues d’effluents et de mélanges de boues, dont la boue biologique, ont été testés à des siccités aussi faibles que 12,6 %. Des boues de fibres désencrées provenant des procédés de désencrage de vieux papiers ont été séchées jusqu’à 92 % de M.S. et transformées en amendement de sol en y ajoutant simultanément les éléments nutritifs nécessaires. Des produits fibreux, tels que de la boue primaire et de la tourbe, ont été séchés et transformés en combustible à haute valeur calorifique et autres produits valorisables. De la pâte de papier blanchie thermo-chimiquement (PCTM) a été séchée jusqu’à 90 % de M.S. sans en altérer la blancheur de façon détectable. Des copeaux de bois saturés d’eau ont été séchés facilement jusqu’à 75 % de matières sèches. L’écorce peut être séchée seule ainsi que mélangée avec de la biomasse ou des boues humides. Des essais de séchage à des températures aussi faibles que 5 °C ainsi qu’à des pourcentages d’humidité relative dans l’air ambiant atteignant le point de saturation ont été couronnés de succès. Le séchoir peut être utilisé pour fonctionner à des températures plus élevées qu’ambiantes, en utilisant une source de chaleur externe. Ce procédé n’utilise que 50 à 150 kWh/tonne d’eau évaporée lorsque de la chaleur peut être récupérée d’un effluent industriel par exemple. La température de l’air utilisé est alors augmentée en récupérant de la chaleur perdue par différentes sources.

Le procédé fonctionne avec différents types de boues et de solides biologiques ainsi qu’avec divers mélanges de boues, primaires, biologiques et boues de chaux.

Le granulateur

Des produits pâteux, tels que des boues, sont granulés pour produire une extrusion semblable à des spaghettis, qui sont par la suite étendus sur les convoyeurs du séchoir. Le granulateur a été développé afin d’agréger des matières sèches telles que : poudre de chaux, poudre d’os, plumes des volailles et mousse de tourbe. Des agents liants, tels que de la lignine, de l’acide ou de

L'eau sont parfois ajoutés afin d'agglomérer ces produits.

Les multiples lames d'extrusions compressent la "pâte" ou la boue à travers les trous de la grille perforée. Le nombre, la forme, et la vitesse de rotation des lames d'extrusion ainsi que le nombre, le diamètre, la disposition et la forme des trous sont ajustés pour convenir à une application particulière. Par exemple, il a été démontré qu'un orifice conique produit un effet de compression et de frottement sur certains types de boue.

La granulation des produits pâteux, telle que la boue, offre les avantages suivants :

• a) elle agglomère les produits et leur donne une forme propice à l'assèchement en maximisant la surface de contact avec l'air.
• b) l'agglomération de la boue prévient la formation de poussières aux étapes subséquentes du procédé. Ceci est très important. La plupart des systèmes d'assèchement thermique de boue non granulée produisent de la poussière. Ces poussières peuvent provoquer des explosions, fréquemment rapportées par les utilisateurs de séchoirs à haute température.

• c) on obtient un produit physiquement uniforme en le compressant à travers les trous. Le granulateur très robuste a été utilisé pour briser des coquilles vides de homards et de palourdes. De petits débris, tels que morceaux de bois, plastique ou petites pierres dans la boue, ne causent pas de problème bien qu'il soit préférable d'éviter les plus gros débris.
• d) elle permet de mélanger des suppléments tels qu'éléments nutritifs, agents de coloration, et neutralisants chimiques d'odeur si requis. Par exemple, des éléments nutritifs et des semences ont été ajoutés à de la boue de fibres désencrées pour produire un amendement de sol à application unique.
• e) en hiver, la température froide de la boue peut être augmentée en contrôlant la friction à l'intérieur du granulateur. De cette façon, il est possible d'augmenter la température de la boue à plus de 100 °C en laissant, ou non, la vapeur d'eau s'échapper du granulateur.

Le séchoir DRY*REX™

Les spaghettis ou l'extrusion en forme de bretzels est étendue sur une série de convoyeurs perforés, où de l'air à haute vélocité est aspiré, créant ainsi un effet de dépression (vacuum) sous la bande.

Le vacuum est produit en utilisant des ventilateurs commercialement disponibles avec des lames réglables pour ajuster le débit d'air en fonction des conditions spécifiques. Les ventilateurs habituellement utilisés sont équipés de moteurs à entraînement direct installés dans la direction du courant de l'air. D'autres types de ventilateurs peuvent aussi être utilisés.

L'effet de vacuum augmente considérablement la vitesse de migration du liquide vers la surface du produit à sécher.

La figure 3 illustre l'effet puissant du vide. Dans le granulateur, du colorant bleu a été ajouté à de la boue de fibres désencrées (38 % M.S. dont 50 % d'argile). Le passage dans le granulateur produit un mélange très homogène.

La photo suivante a été prise à la dernière étape de séchage. Comme on peut le voir, le colorant a été aspiré à la surface des granules d'où l'eau s'est finalement évaporée. C'est la raison principale du peu de temps de rétention nécessaire dans le séchoir (15 à 30 minutes) variant, bien sûr, selon la nature du produit à sécher.

Un effet semblable est observé avec les copeaux de bois où, à cause de leur densité beaucoup plus élevée, la migration de l'eau du centre du morceau à la surface extérieure est plus lente qu'avec la boue. Les copeaux peuvent être séchés en moins de trente (30) minutes.

Le procédé n'utilise qu'entre 50 et 150 kWh/T d'eau évaporée et généralement moins de 100 kWh/T pour autant que les conditions ambiantes le permettent ou qu'une source de chaleur à récupérer soit disponible.

Facteurs affectant le séchage

Pression de vapeur et humidité relative : l'air saturé en humidité est incapable d'absorber de l'eau supplémentaire (humidité) à moins que la température de l'air ne soit augmentée.

La densité du produit affecte la diffusion du liquide du centre à la surface. La différence de densité entre plusieurs types de boue est sans effet, par exemple, boue pri-

boue primaire vs boue biologique ; mais la différence peut être considérable entre les copeaux de bois et la boue par exemple.

• L'effet de vacuum dépend de la vitesse de l'écoulement de l'air ainsi que de la forme et de la taille des produits à sécher.
• L’effet capillaire de la migration de l'eau de l’intérieur du produit vers sa surface extérieure est accéléré par le vacuum.
• La différence de température entre le produit et l’air est aussi un paramètre important.

Effets de l'humidité de l'air

D'après les statistiques obtenues d'Environnement Canada sur une période d’un an à North Bay en Ontario, il y avait seulement 494 heures où l’humidité de l'air à l'extérieur était à 99 % ou 100 %. Cela représente seulement 5,6 % d'une année entière et cela se produit principalement pendant les premières heures du jour, quand l’air est plus frais. Selon l’importance d’obtenir un produit uniformément séché, il peut être nécessaire d’augmenter la capacité d’absorption d'humidité de l’air en élevant légèrement sa température (voir tableau 1).

Ceci n’exige que peu d’énergie ; par exemple augmenter de 20 % la capacité absorbante de l’air à 20 °C et saturé en humidité n’exige qu'une augmentation de température de seulement 2,77 °C. La température de l'air peut être augmentée économiquement dans la plupart des usines, en récupérant la chaleur perdue par des sources à basses températures, au moyen d'un échangeur de chaleur eau-air dans l’effluent par exemple.

Considérations pour des conditions d'air froid

Plusieurs pays, tel que le Canada, ont des hivers très froids. Cela présente un défi supplémentaire quand on doit utiliser un grand volume d’air pour sécher.

Dans certaines applications, le séchoir est installé à l’intérieur d’un grand bâtiment qui peut être adéquat pour contenir et éliminer toute l’humidité supplémentaire. Ce ne serait certainement pas difficile dans la plupart des applications où le climat est chaud. Quand il s’avère nécessaire d’expulser une certaine quantité d’air pour évacuer l’excès d’humidité, cet air doit être remplacé. Dans des conditions de climat froid, l’air devra être préchauffé à la température d’opération qui peut varier entre 10 et 30 °C (ou plus) si désiré.

L’air froid contient peu d’eau mais exige de l’énergie afin d’augmenter sa température pour convenir aux conditions d’opération requises.

• la chaleur contenue dans certains liquides qui sont plus chauds que la moyenne. Dans certaines usines, l’effluent est à 55 °C et se trouve à proximité de l’édifice d’assèchement des boues. Un échangeur de chaleur eau-air, peu dispendieux, est le seul équipement requis.
• Les effluents des usines de pâtes et papiers contiennent de très grandes quantités d’énergie à tel point que fréquemment ils doivent être refroidis. Un effluent de 25 000 m³/jour à 40 °C refroidi de seulement 2 °C fournirait 2 422 kW par heure (8,2 × 10⁶ Btu/h) à travers un simple échangeur de chaleur eau-air. C’est plus que la quantité requise pour sécher 5 tonnes de boue par heure. Lorsque l'effluent est relativement froid, une thermopompe peut être utilisée pour concentrer la chaleur. Par exemple, une thermopompe peut extraire plus de 7 kW de chaleur d’un effluent à 25 °C et ce pour chaque 1 kW d’énergie électrique.
• La boue, la pâte, ou le produit à sécher peuvent fournir une portion de la chaleur exigée. Si le produit est à une température plus élevée que l’air ambiant, il sera refroidi à la température ambiante, libérant une partie de l’énergie exigée pour faire évaporer l'eau.
• L’eau du laveur des gaz de la cheminée.
• Les gaz de la cheminée (indirectement si possible afin de prévenir des problèmes de corrosion).
• L’air du bâtiment qui peut être dirigé à travers le séchoir avant d’être évacué.
• L’air chaud du bâtiment de la chaudière.
• La chaleur provenant de plusieurs sources dont celle de l’air évacué pour contrôler l'humidité.

Bien sûr, la température de l’air peut toujours être élevée en utilisant des serpentins de vapeur ou d’autres méthodes de chauffage conventionnel.

Tableau 1 : Heures d’humidité relative

5,6 % DE L’ANNÉE

Source : Environnement Canada. Région : North Bay (Ontario) 1996.

Résultats

Boue primaire et biologique

Environ 50 % des papetières brûlent les boues. La quantité d’eau contenue dans les boues est généralement trop importante et exige l’injection d’un combustible afin de soutenir la combustion. Cela augmente les coûts et les émissions polluantes dans l’air. Les effets négatifs de la combustion de boues humides dans une chaudière sont bien connus et peuvent être évités en séchant la boue avant de la brûler.

Des essais ont été réalisés dans 20 usines. La plupart des types de boues ont été testés. Comme prévu, la boue primaire a facilement séché. Elle a été granulée à une siccité d’environ 35 % M.S. ou moins. Des boues secondaires ont été granulées et séchées seules ou

mélangées avec des boues primaires dans différentes proportions.

La boue séchée peut devenir un combustible très efficace qui produit jusqu’à 21 000 kJ/kg (9 000 BTU/lb), selon le contenu en cendre.

Dans une usine Kraft, de la boue a été mélangée avec des résidus de chaux afin de transformer le produit en amendement de sol. Dans tous les cas, une grande réduction du poids mais aussi du volume, atteignant parfois 60 %, a été obtenue.

Boues de désencrage

De la boue de désencrage contenant 50 % d’argile, avec ou sans boue biologique, a été granulée à 38 % de M.S. et séchée facilement à plus de 90 %. Le volume et le poids ont été réduits de 57 %.

• - La consommation d’énergie publiée pour le séchage thermique varie de 775 à 2000 kWh/tonne d’eau.
• - Le séchage thermique est souvent utilisé pour sécher des boues biologiques. La phase collante est un problème fréquent, elle se produit lorsque la boue atteint 50 à 60 % de M.S. À ces siccités, lorsque la boue entre en contact avec une surface, elle y adhère et cause des problèmes. La solution simple et habituelle pour contrer ce problème est de recirculer une portion de la matière séchée au début du procédé.
• - Sécher à de basses températures évite de chauffer de l’air en continu.
• - Les poussières sont souvent la cause d’explosions dans certains types de séchoirs thermiques.
• - Parfois, les séchoirs thermiques à haute température peuvent générer des dégagements d’odeurs supplémentaires dus aux bris ou modifications de certaines molécules. Des systèmes efficaces pour le traitement des odeurs existent, dont la combustion des gaz. Différentes méthodes de lavage des gaz peuvent être utilisées, mais ce sont des procédés additionnels et relativement coûteux.
• - Avant sa réutilisation en agriculture, les boues doivent être stérilisées selon les réglementations en vigueur. La haute température d’un séchoir thermique stérilise automatiquement. La stérilisation peut être réalisée à l’intérieur du séchoir à basse température par l’addition de chaux dans le granulateur, ce qui augmente le pH à environ 12 pendant 2 heures ou en élevant la température à 50 °C pendant au moins 15 secondes. Par contre, dans certains cas, le séchage à basse température peut être insuffisant.

OBJECTIF – Incinération pour génération d’électricité  
Boue : P/S : 50-50 %  
Temp. ambiante : 13,5 °C  
Hum. relative : 61 %  
UNIFORÊT INC., Port-Cartier – Usine de pâte blanchie – 02/04/97  
ENTRÉE : 21,4 % – SORTIE : 69 %

OBJECTIF – Incinération  
Boue : P/S : 67-33 %  
Temp. de l’air : 5 °C  
Hum. relative : 52 %  
TEMBEC INC., Témiscaming – Usine de pâte blanchie – 15/04/97  
ENTRÉE : 17,3 % – SORTIE : 72,3 %

OBJECTIF – Diminution du poids et du volume  
Boues de désencrage :  
P : 100 % – Biosolides : 0 %  
Temp. de l’air : 20 °C  
Hum. relative : 76-100 %  
PAPIERS CASCADES INC., Candiac, QC – Fabrication de papier recyclé – 27/08/97  
Diminution du poids et du volume : 57 %

cer par des appareils plus performants.

Fréquemment, on peut observer fréquemment des installations de déshydratation avec filtres à bandes qui déversent les boues déshydratées vers des presses à vis afin d'en augmenter la siccité. Puisqu'on peut passer directement du filtre à bandes au séchoir DRY*REX® l'étape additionnelle de déshydratation peut ainsi être éliminée et les coûts d'exploitation et d'investissement récupérés. Un exemple récent dans une usine de désencrage de papier montrait une installation de filtre à bandes produisant des boues à 30 % de M.S. se déversant ensuite dans des presses à vis qui augmentaient la siccité à 50 %. Le séchoir à basse température a pu recevoir les boues directement à 30 % et les sécher à plus de 80 % en éliminant complètement l'étape des presses à vis.

Le séchage de produits fibreux

Des séries d'essais ont été menées sur des produits fibreux tels que la pâte de type PCTM blanchie à l'usine d'Uniforêt à Port-Cartier au Québec. Cette usine produit plus de 800 t/j de cette pâte. Les premiers essais ont eu lieu en plein air en juillet 1997 et un essai pleine grandeur a eu lieu sur un grand séchoir en 1997 et en 1998. Les résultats ont démontré que la pâte blanchie peut être séchée à la siccité désirée et ce, au moins jusqu'à 90 % de M.S. à des températures ne dépassant pas 27 °C. Il a été observé qu'aucune baisse détectable de la blancheur de la pâte ne s'est produite en séchant cette pâte à basse température.

Des essais sur cette pâte blanchie ont eu lieu en granulant les fibres, ce qui avait un effet négatif sur la blancheur de la pâte. La décoloration liée à une faible température ne pourra être utilisée à cause de la dispersion de certains gaz dans un grand volume d'air.

– La consommation moyenne d'énergie utilisée par un séchoir thermique pour évaporer une tonne d'eau est de 1089 kWh versus 100 pour le DRY*REX®. À 5 ¢/kWh, la différence est de 15,00 $ à 50,00 $ par tonne d'eau, soit 1,7 M$/an pour une usine produisant 100 tonnes sèches à 30 % M.S.

Observations sur les étapes de déshydratation

Une observation intéressante a été faite dans quelques usines : il a été démontré qu'il était souvent possible de réduire le dosage des polymères à l'étape de déshydratation qui précède le séchage à basse température. Tant que le taux de capture des solides est maintenu dans la presse à bandes ou à vis, la siccité de la boue qui sort de la presse n'avait que peu ou pas d'influence sur l'efficacité du séchoir. Dans quelques cas, il a été possible de réduire la consommation de polymère jusqu'à 50 % sans effet négatif sur le résultat.

L'usine de Repap à Miramichi ainsi que d'autres ont observé ce phénomène.

Tous les résultats de ce document ont été mesurés par les laboratoires respectifs de chaque usine et les rapports d'essais sont disponibles sur demande.

Le granulateur peut accepter des siccités aussi faibles que 13 %, selon la rhéologie du produit. La boue peut aller directement au granulateur à une siccité relativement basse mais généralement à plus de 20 %. Cette technologie permet l'utilisation des équipements de déshydratation existants de moindre efficacité, tels que filtres à vide ou presses à bandes, ce qui évite de les remplacer par des appareils plus performants.

Tableau 2 : Séchage thermique VS séchage à basse température

Différence de 15 $ à 50 $ par tonne d'eau évaporée.

Séchage de pâte blanchie

Des essais ont eu lieu avec la pâte granulée ou floconnée. Dans le dernier cas, un floconneur spécialement conçu a été utilisé afin de défaire les agglomérats de pâte et de regrouper les fibres individuelles afin qu’elles passent dans le séchoir. Les résultats démontrent qu'il est préférable de floconner la pâte pour les raisons suivantes :

• - Les fibres sont soumises à moins de frottement qu’avec la granulation.
• - Le frottement moins intense du floconneur augmente peu la température de la pâte. La perte de luminosité de la pâte était ainsi indétectable.
• - Moins d’énergie est exigée pour floconner la pâte que pour la granuler.

Le produit fini ressemble à du “maïs soufflé”. Il peut être ensaché, transporté en vrac ou par d'autres méthodes. Il semble que la pâte séchée en flocon puisse être remise en suspension en utilisant moins d’énergie et est soumise à moins de cisaillement que selon la méthode classique. Les travaux de recherche se poursuivent.

Séchage des écorces

Le séchage des écorces a été testé à plusieurs endroits. La siccité de départ était aussi faible que 27,6 % dans une usine qui utilisait un procédé d’écorçage humide. Les écorces des usines de Kruger à Trois-Rivières, Abitibi à Bathurst, N.B. et Donohue à Amos sont entrées dans le séchoir à une moyenne de 46 % de M.S. et ont été séchées sans difficulté à plus de 70 %. La siccité finale obtenue peut être nettement plus élevée si désiré, mais puisque les écorces sont généralement brûlées, les exploitants des chaudières préfèrent obtenir des siccités variant entre 55 et 70 % de M.S. Aucune différence notable de siccité finale n’a été observée entre les écorces broyées ou entières. Néanmoins les morceaux devraient être réduits à des dimensions ne dépassant pas 75 mm × 75 mm × 20 mm.

Écorces et boues

Les résultats obtenus en séchant des mélanges de boues et d’écorces sont pratiquement identiques à ceux obtenus en séchant les écorces seulement. La variation de la proportion des boues par rapport aux

écorces, de 33 à 50 %, ne produit aucune différence notable de séchage. Les mélanges boues-écorces séchés peuvent être dirigés vers le compostage, l’incinération ou autres méthodes de valorisation.

Avantages de brûler des écorces séchées

Certaines usines produisent de l’électricité en séchant de la biomasse. Il est extrêmement avantageux de sécher une biomasse qui ne contient pas trop d’eau. Ceci a un effet considérable sur la rentabilité des installations. La société Northeast Engineering aux États-Unis a calculé l’effet du séchage sur une centrale de génération d’électricité de 27 MW brûlant des écorces (voir tableau 3). La rentabilité des centrales de génération d’électricité à biomasse est souvent marginale.

Les avantages offerts en séchant la biomasse sont très importants. Dans ce cas spécifique, il y a une différence considérable dans le retour sur l’investissement. L’injection de combustible supplémentaire sera arrêtée et proportionnellement moins de cendres seront produites puisque la combustion est meilleure, les deux ayant des effets positifs sur l’environnement.

Tableau 3 : Production d’énergie

Source : Greenland & Northeast Engineering Inc., Maine USA

Tourbe et bagasse

Des résultats très intéressants ont été obtenus quand la tourbe a été testée de 20 à 23 % M.S. La tourbe a une valeur calorifique de 21 000 kJ/kg (9 000 Btu/lb) ce qui se compare à 28 000 kJ/kg (12 000 Btu/lb) pour le charbon. L’essai préliminaire a eu lieu en octobre 1997 et une siccité de 75 % a facilement été atteinte quand la tourbe a été floconnée avant le séchage. La granulation d’essai a facilité le séchage du produit qui a atteint 80 % sous les mêmes conditions.

Les résidus de la canne à sucre mieux connus sous le nom de bagasse devraient aussi se sécher très bien à température ambiante.

Autres possibilités

Cette technologie de séchage peut convenir à une multitude d’autres produits, entre autres dans les usines de pâtes et papier pour le séchage des boues de chaux produites dans le circuit de recaustification des usines Kraft.

Conclusion

Ce nouveau procédé de séchage à basses températures offre une solution simple et innovatrice à plusieurs besoins de séchage dans l’industrie papetière. De nombreuses applications industrielles sont aussi en développement.