Etude du séchage indirect d’une fine couche de boue d’hydroxyde d’aluminium en ébullition : Application au cylindre sécheur - Didier LECOMTE (Centre Energétique-Environnement , EMAC) - Jean VASSEUR (ENSIAA) - Avec la collaboration de la Société Anonyme J.-C. Duprat & Cie

La problématique des boues en France Production de boues (déchets à éliminer) 850 000 tMS/an boues urbaines 800 000 tMS/an boues industrielles Traitement des eaux usées Création de nouvelles unités de traitement Renforcement de la législation en matière de rejet Augmentation de la production des boues (1 300 000 tMS/an de boues urbaines en 2000) Renforcement des contraintes d’admission en décharge Logique de valorisation Le séchage se place comme prétraitement mais : coûts énergétiques élevés problèmes technologiques 2/25

Technologies de séchoirs 100 Evaporation spécifique (kg.m-2.h-1) 180 90 30 60 120 150 75 50 25 Temps de séjour (mn) Séchoir à palettes Séchoir à disques Séchoir à couche mince Cylindre sécheur 10 Compacité (m2.m-3) 90 30 60 120 150 7,5 5 2,5 Temps de séjour (mn) 180 3/25

Le cylindre sécheur Séchage continu sans recirculation Séchage de produits pâteux Temps de séjour faibles Densités de flux de chaleur en paroi élevées Bon contrôle de la teneur en eau finale moyenne Bourbier Satellite Cylindre Racloir 4/25

Les boues d’hydroxyde d’aluminium Provenance : Industrie de traitement de profils d’aluminium pour le bâtiment Production : 3700 t/an Valorisation : en cimenterie Boue minérale (hydroxyde d’aluminium :  57%) Boue corrosive et faiblement toxique Comportement fortement hydrophile déshydratation difficile Teneur en eau après déshydratation : 4 à 6 kg.kgMS-1 5/25

Méthodologie développée et plan de l’exposé Interface paroi/boue Boue d’hydroxyde d’aluminium Transferts externes Paroi métallique Transferts internes Cinétiques de séchage sans limitation des transferts internes Le cylindre sécheur Cinétiques de séchage sur cylindre sécheur Modélisation d’un cylindre sécheur de laboratoire Validation 6/25

Principe du montage expérimental maintenir T>100 °C accumuler une quantité d’énergie importante restituer une puissance élevée Bloc de cuivre Pièce en Polycarbonate Bloc métallique Sens de l’enduction Dépôt de la boue Isolant e e=6 cm Réservoir Rouleau enducteur 7/25

Instrumentation du bloc de cuivre Mesure sur la paroi : perturberait l’enduction introduirait une résistance thermique parasite T2, 2 Isolant Cuivre Interface métal/boue Boue Thermocouple et e Thermocouple en face arrière T1, 1 Tp, p x Mesure de température interne : 8/25

Instrumentation du bloc de cuivre 0,6 mm 1 mm Thermocouple (0,3 mm de diamètre) 135° Bloc de cuivre Rainure Sens de l’enduction Vue du dessus Sens de l’enduction Fils du thermocouple 9/25

Instrumentation du bloc de cuivre Détermination de la distance thermocouple/face avant Contrôle de la résistance mécanique des fils du thermocouple Interface métal/boue Fil dénudé du thermocouple 0,3 mm 0,7 mm et=0,85 mm et 10/25

Expérimentation Bloc de cuivre : équilibre thermique (110<Ti<140°C) propriétés thermiques dimensions/position du thermocouple Vitesse d’enduction : 0,1 m.s-1 Epaisseur de boue :  0,3 - 0,5 mm Excitation Boue Tamb Xi=9 kg.kgMS-1 Température mesurée (Y1) Hypothèses : Densité de flux en face arrière négligée Conduction 1D de la chaleur Pertes convectives négligées 11/25

Méthode d’estimation Méthode permettant de résoudre le problème inverse de la conduction de la chaleur Température mesurée (Y1) Méthode inverse estimation de p à partir de Y1 et de f1 f1 Modèle direct Espace de Laplace i(p)=Fi(p)p(p) avec Fi : fonctions de transfert et i position Espace des temps Ti(t)=fi(t)*p(t) p 12/25

Estimation de  et de T en paroi - Résultats Tp calculée T1 calculée T1 expérimentale T2 calculée T2 expérimentale -5.105 -4.105 -3.105 -2.105 -1.105 Temps (s) Températures (°C) Températures (°C) Temps (s) -106 -8.105 -6.105 -4.105 -2.105 p (W.m-2) p (W.m-2) Ti=138°C Ti=114°C 13/25

Estimation de  et de T en paroi - Résultats Temps (s) p (W.m-2) -106 -8.105 -6.105 -4.105 -2.105 Influence de la température initiale du cuivre sur la densité de flux en face avant -3.105 -5.105 Durée du pic (s) Flux minimal (W.m-2) -7.105 -9.105 -11.105 Température initiale du cuivre (°C) 14/25

Cinétiques de séchage Bilan d’énergies surfaciques Comparaison de E(tf) et E’ : différence de 2,3 % Valide les hypothèses Détermination de la charge C (kgMS.m-2) et de la teneur en eau X(t) (kg.kgMS-1) 15/25

Influence de la charge (gMS.m-2) Cinétiques de séchage Influence de la température initiale (°C) Ti=137 Ti=126 Ti=123 Ti=120 Ti=112 Influence de la charge (gMS.m-2) * C=80 C=60 + C=50 - C=37 Teneur en eau (kg.kgMS-1) Temps (s) 16/25

Estimation de  et de T en paroi - Résistance thermique Ebullition d’un produit pur Flux=f(T) avec T=Tp-Teb (surchauffe) Définition d’une résistance thermique externe au séchoir Avec Teb=100°C 101 10-0 10-1 Ti=120°C Ti=127°C Ti=137°C 10-2 Résistance thermique (K.m2.W-1) 10-3 10-4 10-5 Rext=Rext(X,Ti) Teneur en eau (kg.kgMS-1) 17/25

Méthodologie développée et plan de l’exposé Interface paroi/boue Boue d’hydroxyde d’aluminium Paroi métallique Transferts internes Cinétiques de séchage sans limitation des transferts internes Transferts externes Le cylindre sécheur Cinétiques de séchage sur cylindre sécheur Modélisation d’un cylindre sécheur de laboratoire Validation 18/25

Modélisation du cylindre sécheur Arbre de rotation 212 mm Sonde Pt 100 Cuivre Enveloppe en acier inoxydable Satellite Résistances chauffantes Couteau p Coupe transversale du cylindre sécheur v Treg Tp Teb Rint Rext(X,Tp) p Analogie électrique Boue p Acier inoxydable Cuivre Treg Tp Teb 19/25

Modélisation du cylindre sécheur Principales hypothèses : H1 : X est une valeur moyenne dans l’épaisseur de la couche de boue H2 : Transferts parallèles aux génératrices du cylindre négligés H3 : Transferts convectifs et radiatifs négligés H4 : Rint supposée constante (Rint=4.10-4 K.m2.W-1) H5 : Le cylindre en cuivre est supposé isotherme (Treg) H6 : L’inertie thermique de la paroi est négligée H7 : Rext(X,Tp)=Rext(X,Ti) 20/25

Modélisation du cylindre sécheur Pertes négligées Conditions initiales : Expression mathématique : y : position sur le cylindre (y=vt) db : diamètre du bourbier 21/25

Résistances thermiques Modélisation du cylindre sécheur - Résultats Teneur en eau (kg.kgMS-1) 100 10-1 Rint Rext Résistances thermiques pour Treg=140°C Résistances thermiques (K.m2.W-1) 10-2 10-3 10-4 10-5 Temps (s) Densité de flux pour Treg=140°C -1.104 -2.104 Densité de flux (W.m-2) -3.104 -4.104 -5.104 22/25

Cinétiques de séchage - Cylindre sécheur Obtenues par prélèvement sur plusieurs génératrices du cylindre Treg : 140°C Vsatellite : 2,74 cm.s-1 Vcylindre : 1,45 cm.s-1 Comparaison simulation/expérience simulation expérience Teneur en eau (kg.kgMS-1) Charge en matières sèches : C=31 gMS.m-2 C=44 gMS.m-2 Temps (s) Modèle validé sans paramètre d’ajustement 23/25

Conclusion Mise au point d’une méthode d’estimation de résistance thermique externe ou de coefficients d’échange entre une paroi chaude et une boue en ébullition Cinétiques de séchage indirect en couche mince Modèle du cylindre sécheur satisfaisant Outil de dimensionnement de séchoirs spécifiques pour le traitement des boues résiduaires - Approches simples - Méthode validée 24/25

Perspectives Procédé : Appliquer la méthodologie sur cylindre sécheur de taille industrielle Problème de compacité du cylindre sécheur : autre géométrie Amélioration du modèle : - effets convectifs - modèle d’enduction Modèle d’analyse phénoménologique Aspects phénoménologiques : 25/25