Valorisation énergétique des boues de station

d’épuration

Présenté par:

BLASZKOW FrédéricFILALI RymFOURNIER AmauryGU SidingSADAKA Karine

06/06/2008

Sommaire

Introduction

Technologies de valorisation énergétique des boues de STEP

Méthanisation Co-incinération en cimenterie Co-incinération en centrale thermique Pyrolyse Gazéification

o Conclusion

Introduction

Valorisation énergétique Nécessité d’éliminer et de détruire les boues Améliorer le bilan environnemental Produire une énergie (chaleur, électricité)

Caractéristiques des boues de STEP Teneur en matières organiques et minérales Siccité PCI

Méthanisation

Processus Digestion anaérobie 4 étapes

Hydrolyse

Acidogénèse

Acétogénèse

Méthanogénèse

Source : Gay, 2005, Techniques de l’ingénieur

Méthanisation

Deux sous-produits Digestat Biogaz

Boues méthanisées Teneur en matière

organique Origine

Méthanisation

Valorisation énergétique du biogaz Chaudière Co-génération Tri-génération

• Production de chaleur• Production d’électricité

Méthanisation

Avantages

• Valorisation du méthane contribue à la diminution des consommations en énergie fossile

• Valorisation énergétique du biogaz contribue à la réduction de l’effet de serre et des odeurs (CO2 effet de serre 21 fois moins grand que CH4)

• Faible consommation énergétique, consommation de la chaleur produite pour le chauffage des digesteurs

Inconvénients

• Coûts d’investissement très élevés pour une petite structure

• Émissions de H2S, gaz à effet de serre

Co-incinération en cimenterie

Processus

Carrière(Calcaire + Argile) Concasseur

Broyeur

Four rotatif

Refroidisseur

Stockage clinker Broyeur

Silos de stockage

source : http://www.fp2e.org/fic_bdd/pdf_fr_fichier/11514970170_Livret_Boues_version_DEF.pdf

Pré homogénéisation

Introduction des boues

Introduction des boues

Valorisation énergétique et matière Forte siccité (>90%) Fort PCI (>2000 kW/t)

Impact des boues sur le ciment: Présence de chlore (au-delà de 0,02% peut perturber le

four) Diminution de la résistance mécanique induite par la

présence de phosphore au-delà de 0,5% Les métaux lourds sont adsorbés

Co-incinération en cimenterie

Co-incinération en cimenterie

Avantages

Pas de période préférentielle d’élimination (contrairement aux périodes d’épandage agricole relativement restreintes)

Valorisation énergétique et matière

Pas de résidu final: les métaux lourds sont adsorbés

Inconvénients

Proximité de la cimenterie

Accord du cimentier

Séchage des boues ex situ

Présence de nombreux déchets concurrents (déchets ménagers, pneus usagés)

Co-incinération en centrale thermique

Les centrales thermiques à charbon produisent de l’électricité et de la chaleur

Valorisation énergétique des boues

Co-incinération en centrale thermique

Processus Température : 560°C, pression: 165 bar

Co-incinération en centrale thermique

Inconvénients

• Séchage des boues - séchage partiel, jusqu’à

environ 60-80% MS - séchage complet, jusqu’à

environ 80-90% MS

• Les boues libèrent environ 7 fois plus de cendres volantes que le charbon

• SOx et NOx Traités par un lavage humide

des gaz de combustion

• Risque d’émission de mercure

Avantages

• Réduction des gaz à effet de serre par substitution du charbon par les boues

• Utilisation d’une grande quantité de boues 2,5 fois plus que le charbon

Pyrolyse

Dissociation thermique de la matière organique et de la matière minérale

Absence d’O2 (<2 %) Température de 400 à

800°C Temps de séjour de 30

à 40 minutes La fraction organique

se décompose en gaz, huiles et résidus solides carbonés

Schéma de principe de la pyrolyse(source : Techniques de l’Ingénieur)

Processus

Valorisation des produits

Les gaz•Contiennent de nombreux

composés volatils•Valorisés dans une chaudière

pour le séchage des boues•Valorisés directement dans le

réacteur. Fourniture de l’énergie nécessaire à la dissociation thermique

L’huile•Produite par condensation des

gaz et raffinée par extraction•Valorisée dans une turbine à

combustion ou un moteur diesel•Permet d’envisager

l’effacement des pointes de consommation électrique

Les résidus carbonés (char)•Contiennent entre 10 et 40% de carbone•Valorisés dans une chaudière pour le séchage des boues•Possibilité d’un étage de gazéification pour convertir le charbon en

gaz

Exemple de rendement par le procédé EnersludgeTM

Procédé sous vide et basse température (450°C) Cela favorise la production d’huile

Produits

Boues fraiches Boues digérées

Rendement en masse (%)

Rendement énergétique (%)

Rendement en masse (%)

Rendement énergétique (%)

Huile 30 60 20 50

Résidu carboné 50 32 60 41

Gaz incondensables 10 5 10 6

Eau 10 3 10 3

D’après Gay, 2005 (Techniques de l’Ingénieur)

Avantages/Inconvénients

Avantages• Consommation de l'énergie fossile

diminuée par valorisation des gaz et des huiles

• Réduction de plus de 50% de la consommation d'énergie par récupération de la chaleur

• Empêche l’oxydation de certaines molécules (destruction de 87% des dioxines, 90% furanes, 75% PCB)

• Supporte des variations importantes de quantités de boues à traiter, le réacteur pouvant être utilisé à 50 % de sa capacité (grande souplesse de fonctionnement)

Inconvénients• Implantation de l'installation à

proximité d'un utilisateur d'énergie fossile pour la valorisation des gaz de thermolyse

• N'est pas adaptée aux grandes STEP

• Toxicité des huiles de pyrolyse non négligeable (composants polycycliques)

• Nuisances olfactives avec les produits huileux de pyrolyse

Processus

Réduction chimique de la fraction organique des boues Température d’environ 900-1200°C en oxygène raréfié (environ 20% est

nécessaire à la combustion des boues) Production d’un gaz combustible CH4 ou d’un gaz de synthèse riche en H2

et en CO La fraction minérale est, quant à elle, transformée en cendres Le gaz combustible produit peut être valorisé énergétiquement en chaleur

ou en électricité

Gazéification

Gazéification

Production du gaz :

Réactions à haute température (850-900°C) et basse pression (~ 1 bar)

C + H2O CO + H2 (1)

C + CO 2CO (2)

Réaction à basse température (700°C) et haute pression (10-20 bars)

C + H2 CH4 (3)

Gazéification

Bilan énergétiqueCes réactions endothermiques, nécessitent l’apport d’énergie en brûlant une faible partie de la charge, soit à l’air, soit à l’oxygène.

En fonction de la quantité d’azote introduite, on génère :•gaz pauvres (< 8MJ/Nm3)

•ou semi-riches (8-18MJ/ Nm3)

•à comparer au gaz naturel (35 MJ/Nm3)

Avantages / Inconvénients•Autonome énergétiquement

•Réduction des boues de STEP tout en valorisant les gaz produits en électricité et en chaleur

•Emission limitée de gaz à effet de serre

•Teneurs élevées en azote des boues forment de l’ammoniaque et du cyanure d'hydrogène, précurseurs des NOx

•Concentration des métaux lourds dans les cendres

•Emission de H2S et de mercure

Gazéification

Application : Procédé « Noell » à lit entraîné

En Allemagne, Freiberg/saches plant : 1,5 t/h boues de station d’épuration,

puissance du gazéifieur 7-10 MWth La composition du gaz produit pour la

biomasse (17-19 MJ/kg, à base sèche : siccité > 80%) :

CO2 = 14 %, CO = 52 %, H2 = 28 %, CH4 < 0,1 %, N2 = 6 %, pour une capacité calorifique du gaz de 9,3 MJ/kg.

Source : [7] Antonini, G., Hazi, M., 2004Etude ADEME / PROCEDIS

Conclusion

Grande variété de techniques Avantages communs:

Réduction de l’utilisation d’énergie fossile Fournir un débouché pour les boues de STEP Production d’énergie

Choix de ces filières au cas par cas: En fonction de la qualité des boues De la taille de la station d’épuration Des aspects socio-économiques, environnementaux,

techniques et réglementaires

Merci de votre attention

Références bibilographiques [1]

http://www.iewonline.be/IMG/pdf/CCE_VP_0710_position_coincineration.pdf

[2] Gay, J., 2005. Lutte contre la pollution des eaux-Valorisation énergétique des boues de stations d’épuration. Techniques de l’Ingénieur, G1455

[3] http://www.fp2e.org/fic_bdd/pdf_fr_fichier/11514970170_Livret_Boues_version_DEF.pdf

[4] Bridle, T., Molinari, L., Skrypsi-Mantele, S., Ye, P., and Mills, J., 2000. Start-up of the Subiaco Enersludge™ plant. Water Science and Technology, 41(8) : 31-36

[5] Sanchez, M.E., Cuestos, M.J., Martinez, O., Moran, A., 2007. Pilot scale thermolysis of municipal solid waste. Combustibility of the process and gas cleaning treatment of the combustion gases. Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 78 : 125-132

[6] Kim, Y., Parker, W., 2008. A technical and economic evaluation of the pyrolysis of sewage sludge for the production of bio-oil. Bioresource Technology, 99 : 1409-1416

[7] Antonini, G., Hazi, M., 2004, PYROLYSE – GAZEIFICATION DE DECHETS SOLIDES Partie 1 : Etat de l’art des procédés existants. Faisabilité de traitement d’un déchet par Pyrolyse ou Gazéification, Etude ADEME / PROCEDIS Version V.0. Juin 2004

[8] Neveux, N., Ricklin, P., 2008, Programme INTERREG III-A WALLONIE- LORRAINE – LUXEMBOURG Projet VALORBOUES. Phase 2 PRESENTATION DES TECHNOLOGIES DISPONIBLES POUR LE TRAITEMENT DES BOUES D’EPURATION. version du 11 avril 2008

[9] Gourdon, R., 2001, Traitement biologique des déchets. Techniques de l'ingénieur, G2060, pp. 1-14.

Sites internet complémentaires : http://www.science-decision.fr/cgi-bin/topic.php?topic=BUR http://www.cieau.com/toutpubl/sommaire/texte/8/contenu/851.htm http://www.montpellier.inra.fr/narbonne/francais/

objetsthematiques/ot-da/ot-da-12-boues.html http://www.methanisation.info/valorisation.html http://www.lebiogaz.info/site/042.html http://www.ademe.fr/Midi-Pyrenees/a_2_18.html