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

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

2 2 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

3 3 Localisation de la Combustion dans la chaîne de traitement Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

4 4 Combustion

5 5 Eaux non biodégradables Eaux très lentement biodégradables Eaux avec des concentrations élevées de combustibles Domaine dapplication Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

6 6 Séparation thermique et combustion eaux usées gaz, vapeur deau cendres, boues Les buts: diminution du volume concentration/élimination des polluants Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

7 7 Les composants dune 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

8 8 Évaporation Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

9 9 Réaction dévaporation H 2 O (l) H 2 O (g) Toutes les matières solubles et les solides avec un point débullition plus faible que celui de leau séchappent (VOC, Hg) Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

10 10 Combustion Oxydation rapide exothermique des combustibles en présence dune flamme et dun comburant. C,N, S, Cl, Br, H 2 O, métaux + O 2 CO 2 + H 2 O, SO 2, HCl, NO x, MO x C x H y + (x + y/4)O 2 xCO 2 + (y/2) H 2 O Combustion de la matière organique C a O b H c N d + (a c – 0.5b)O 2 aCO cH 2 O + 0.5dN 2 Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

11 11 Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

12 12 Oxydation thermique Température élevée 150–1000°C Les eaux usées sont injectées, bien distribuées, directement dans une flamme Lair (O 2 ) provient du flux deffluents ou dun flux supplémentaire Exploitation avec un excédent doxygène Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

13 13 Les produits dune combustion Cas idéal: CO 2, H 2 O, O 2, N 2 Cas réel:CO 2, H 2 O, O 2, N 2, NO X, SO X, 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), ZnCl 2 (732°C), ZnO (> 2000°C) Introduction Évaporation Combustion Schéma Technique Coûts Application Conclusion

14 14 Risques liés aux émissions et leur traitement Réduction catalytique sélective de NO x Désulfuration du gaz effluent à la chaux Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

15 15 Moyens de régler la combustion: température temps de séjour turbulence il faut adapter les pa- ramètres aux composants connaissance des polluants lépuration de lair t=0: 3500 K t=10ms: 1200 K Ks -1 Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

16 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

17 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

18 Simple commercial liquid incinerator with separate feed inlets for fuel and waste liquid. Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

19 Simple Chamber 800 O C to >900 O C (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

20 Immersion heating chamber Evaporation not needed Can pre-clean VOCs Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

21 Fluidized bed furnaces 700 to 900 O C 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

22 Standard rotary kiln setup Rotary Kiln Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

23 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

24 Multi-Hearth Furnace Sludges Long residence time Top: 310 O C – 540 O C Middle: 760 O C – 980 O C Bottom: Cools the ash and preheats the air Introduction Évaporation Combustion Technologie Application Conclusion

25 25 Méthodes de combustion Eau résiduelle Four de combustion Chaudière Traitement du gaz Évacuation Eau Vapeur, eau chaude (exploitée) Air Cendres > 1500 kcal/kg Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

26 26 Méthodes de combustion Eau résiduelle Four de combustion Chaudière Traitement du gaz Évacuation Eau Vapeur, eau chaude (exploitée) kcal/kg Chauffe-air Cendres Air Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

27 27 Méthodes de combustion Eau résiduelle Four de combustion Traitement du gaz Evacuation Air kcal/kg Chauffe-air Pré-chauffeur de l eau Cendres Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

28 28 Méthodes de combustion Eau résiduelle Four de combustion Traitement du gaz Évacuation Air Chauffe-air Pré-chauffeur de l eau Concentrateur Cendres < 1000 kcal/kg Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

29 29 Estimation des coûts énergétiques en CHF/m 3 Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

30 30 Hypothèses Chauffage de leau de 15 à 100°C puis évaporation Utilisation dénergie électrique (!): 0.15 CHF/kWh Rendement énergétique: 50% Pas de pertes supplémentaires, réutilisation et/ou autres coûts dopération. Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

31 31 Calculs C p (H 2 O l ) = 4.18 kJ kg -1 K -1 = 4.18 MJ m -3 K MJ m -3 ΔH vap (H 2 O) = 2.26 MJ kg -1 = 2260 MJ m MJ m -3 Somme x Rendement 50%5231 MJ m -3 Coût CHF m Facteur de conversion énergétique:1 kWh = 3.6 MJ Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

32 32 Corrections à apporter pour des coûts réels Temp. > 100°C Rendement peut-être inférieur Transport (notamment pompage) Coûts dentretien Chauffage non électrique ! Recirculation du fluide caloporteur Énergie chimique des polluants Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

33 33 Coûts réels CHF Coûts majoritairement liés au chauffage et au pompage de leau! Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

34 34 Étude de cas: Bayer Industry Services, Brunsbüttel (All.) Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

35 Storage tanks for wastewater (2 x 60 m 3 -all types of wastewaters + 1 x 50 m 3 ) Incineration chamber (T=1000 o C) Salt Recovery of : Energy Heat recovery (Steam: P=41 bars T= o C) Quenching vessel (Gas: T=70-80 o C) Acids- Dust Jet scrubber (NaOH) SO X 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.)

36 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 tonnes/an eau usée 11.5MW de chaleur générée Fonctionnement: 7200 h/an Substances critiques traitables Huiles avec PCB, liquides inflammables à T fusion < 21°C Eau usées toxiques pour bactéries Pesticides Solvants Enfouissement contrôlé des sels minéraux

37 37 Avantages et inconvénients Récupération dénergie thermique des polluants par incinération Diminution de la quantité deau résiduelle Revalorisation de certains types de cendres (eau résiduelle alcaline) Coûts élevés Grande consommation dénergie Le gaz et les boues pollués Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

38 38 LAvenir Minimiser le besoin denfouissement Lacceptante publique est nécessaire Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

39 39 Conclusion Une technologie contestée (coût, impact…) Principalement pour des eaux non biodégradables Introduction Évaporation Combustion Schémas techniques Coûts Application Conclusion

40 40 Références Combustion & Wastewater incineration articles. Ullmanns 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 (aujourdhui Currenta) Multi-Hearth furnace. Impex, accessed June 6, 2006.

41 41 Merci de votre attention !


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