Traitement des eaux usées, des boues et des lisiers
Contexte de l’étude de cas de la station d’épuration
Une station d’épuration (ci-après STEP) a récemment contacté SACOME pour trouver une solution à un problème de colmatage d’un échangeur de chaleur à spirale existant. Cet échangeur de chaleur était destiné à chauffer les boues en vue de leur digestion anaérobie ultérieure dans un digesteur pour la production de biogaz. L’échangeur de chaleur existant se bouchait trop souvent, obligeant notre client à des arrêts de production fréquents et coûteux pour effectuer des travaux de nettoyage.
Après ce premier contact, nos techniciens se sont rendus à plusieurs reprises dans les installations de la STEP pour analyser de près le problème de notre client afin de pouvoir lui proposer une solution adaptée à ses besoins.
La solution proposée : les échangeurs de chaleur tubulaires
Il existe différentes géométries d’échangeurs de chaleur sur le marché : à plaques, en spirale ou tubulaires, pour ne citer que les plus représentatives. Le fonctionnement des échangeurs de chaleur à plaques n’est pas adapté au traitement des boues, c’est pourquoi les géométries en spirale et tubulaire ont traditionnellement prévalu dans les complexes de STEP.
Bien que les échangeurs en spirale soient très répandus dans ce secteur, la recherche d’une meilleure performance du digesteur anaérobie conduit à traiter des boues de plus en plus complexes : plus denses, plus visqueuses et avec une teneur plus élevée en solides et en fibres. Dans ces conditions, un échangeur à spirale peut rencontrer des problèmes de colmatage des canaux de passage internes, ce qui nécessite des opérations de nettoyage fréquentes, entraînant des arrêts de production.
La solution proposée par SACOME repose donc sur l’installation d’un échangeur tubulaire de notre Ligne Industrielle, spécialement conçu pour le traitement des boues et des boues des stations d’épuration.
Nos échangeurs de chaleur tubulaires sont la solution à ce problème car ils ont une section transversale beaucoup plus grande que les équipements en spirale, ce qui évite le risque de blocage et permet un fonctionnement continu, minimisant ainsi le nombre d’arrêts de maintenance nécessaires.
Description du processus de la station d’épuration des eaux usées
Cette STEP produit une grande quantité de déchets organiques. Afin de réduire le volume de ces déchets et de limiter la pollution, ces déchets ou boues sont envoyés dans un dispositif appelé digesteur anaérobie. Dans cet équipement, la dégradation biochimique des boues a lieu grâce à l’action bactériologique dans un environnement à température contrôlée et en l’absence d’oxygène, et leur transformation en biogaz. La digestion anaérobie de ces boues permet non seulement la réduction des déchets, mais aussi leur valorisation énergétique, le biogaz étant un gaz à haut pouvoir calorifique, du fait de sa composition riche en méthane, comme le montre le diagramme à barres.
Ce biogaz est stocké dans un gazomètre où, après avoir subi un traitement visant à éliminer les composés polluants ou corrosifs, il peut être utilisé comme carburant dans des moteurs spécialement préparés, qui peuvent à leur tour entraîner un alternateur et produire de l’électricité qui peut être injectée dans le réseau électrique.
- MÉTHANE 60% 60%
- DIOXYDE DE CARBONE 30% DIOXYDE DE CARBONE 30%
- NITROGÈNE 5% 5%
- HYDROGÈNE 4%. 4%
- AUTRES GAZ 1%. 1%
Chauffage des boues de pré-digesteur : un processus critique
La température des boues à l’entrée du digesteur anaérobie est un paramètre clé, car elle influence de manière significative le temps de rétention requis pour le processus de digestion nécessaire aux bactéries pour digérer la matière. Il a été démontré qu’à 30°C, environ 10 jours sont nécessaires pour cette digestion mésophile, alors qu’à 20°C, environ 25 jours sont nécessaires. Compte tenu de ces résultats, il est évident qu’il est très important de contrôler cette température dans des marges étroites afin de pouvoir stabiliser les boues qui vont dans le digesteur.
Les boues sont chauffées dans un échangeur de chaleur, dont le bon fonctionnement est essentiel à une digestion efficace.
Spécifications des produits dans la station d’épuration
En raison de la variabilité de la teneur en matières solides des boues d’une STEP à l’autre, les propriétés thermiques des boues, en particulier la viscosité, peuvent changer considérablement.
Outre la viscosité, les propriétés thermiques telles que la densité, la chaleur spécifique et la conductivité thermique sont des paramètres qui peuvent affecter de manière significative la conception thermique de l’échangeur de chaleur. Dans ce projet, les propriétés thermiques ont été convenues avec le client en tenant compte de nos suggestions selon notre base de données de produits, dans laquelle nous avons les propriétés des boues avec différentes valeurs d’extrait sec.
Essais rhéologiques. Bien que cela n’ait pas été nécessaire dans ce cas, pour des fluides aussi variables que celui en question, SACOME offre la possibilité de réaliser des essais rhéologiques sur un échantillon du produit pour analyser ces propriétés thermiques, ce qui est un gage de réussite dans le dimensionnement de l’échangeur tubulaire.
Conception d’échangeurs thermiques tubulaires
Pour ce processus, en raison du pourcentage élevé de solides dans les boues, notre département technique a proposé notre modèle d’échangeur de chaleur tubulaire I-TF20-I, une solution idéale pour éviter le colmatage des tubes en raison de sa géométrie (échangeur de chaleur tube dans tube).
Nous expliquons ci-dessous les principales caractéristiques de la solution adoptée :
Conception monotubulaire
Notre échangeur de chaleur tubulaire I-TF20-I se compose de deux tubes concentriques dans lesquels l’eau utilisée comme fluide de chauffage circule dans l’espace annulaire, tandis que la boue ou les boues circulent dans le tube intérieur. Contrairement à l’échangeur de chaleur multitubulaire traditionnel, qui consiste en un faisceau tubulaire de tubes de plus petit diamètre, ce modèle possède un seul canal d’écoulement.
Conception modulaire
Démontage facile pour les travaux d’entretien. La conception modulaire facilite également le démontage des unités pour le nettoyage mécanique et, si nécessaire, l’ajout de modules supplémentaires pour augmenter la puissance thermique.
Capacité de traitement
Nos échangeurs de chaleur tubulaires peuvent traiter une large gamme de débits. Nous offrons également au client la possibilité de faire fonctionner plusieurs lignes en parallèle, afin non seulement d’augmenter le rendement thermique, mais aussi de pouvoir faire fonctionner une ligne pendant que l’autre ligne est entretenue, sans arrêter la production à aucun moment.
¿304 ou 316L?
En raison de l’apparition de précipités de phosphate et d’ammonium (struvite), nous recommandons l’utilisation d’aciers inoxydables 316L, qui offrent une meilleure réponse au risque de corrosion généralisée que le 304, en raison de la teneur en molybdène et de la faible teneur en carbone.
Ondulation des tuyaux
Un tube intérieur ondulé HARD a été prévu dans chaque échangeur de chaleur tubulaire afin d’augmenter la turbulence du produit sans compromettre l’augmentation de la chute de pression associée à l’ondulation des échangeurs de chaleur à tube corrugué.
L'isolement
Conformément aux spécifications du client, nous avons inclus dans notre offre l’isolation des échangeurs de chaleur tubulaires afin de limiter les pertes de chaleur dans l’environnement. Les modules ont été isolés individuellement avec de la laine minérale de 40 mm, fermée par une feuille d’aluminium.
Installation et mise en service
L’équipement a été installé sur place par les opérateurs du client, avec les conseils de nos techniciens.
Le projet en chiffres
Débit de traitement (m³/h de boue)
Teneur en matière sèche des boues (%)
Perte de charge des boues (bar)
Puissance calorifique (Kcal/h)
Surface occupée (mm)