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Design, Experimentation, and Modeling of a Novel Continuous Biodrying Process

Shahram Navaee-Ardeh

PhD thesis (2009)

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Cite this document: Navaee-Ardeh, S. (2009). Design, Experimentation, and Modeling of a Novel Continuous Biodrying Process (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/168/
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Abstract

RÉSUMÉ La production massive de boue provenant de l’industrie des pâtes et papiers rend la gestion efficace de cette boue un problème grandissant et critique pour l’industrie des pâtes et papiers. Ceci est dû aux hauts coûts d’enfouissement et de transport, ainsi que des cadres de normalisation complexes pour les options d’épandage et de compostage. Les défis concernant le séchage mécanique des boues se sont aggravés dans plusieurs usines dus à la progression de la récupération interne de fibre complémentée par une augmentation de la production de boue secondaires, ce qui résulte en une boue mixte avec une haute proportion de matière biologique, qui est difficilement asséchée mécaniquement. Dans cette thèse, un réacteur de bio-séchage en continu novateur a été conçu et développé pour sécher la boue mixte d’usine de pâtes et papiers à un niveau de solide permettant la combustion sécuritaire et économique pour la récupération d’énergie dans une chaudière à combustion de biomasse. En plus de l’aération forcée, le procédé de séchage est amplifié par la génération de chaleur biologique provenant de l’activité microbienne des bactéries mésophiles et thermophiles naturellement présentes dans la boue. Ceci rend le procédé de bio-séchage plus attrayant comparativement à des technologies de séchages conventionnelles, puisque le réacteur est un procédé auto-chauffant. Le réacteur est divisé en quatre compartiments nominaux, sur le vertical, et la boue bouge de haut vers le bas du réacteur. Les temps de résidence étudiés ont été de 4-8 jours, ce qui est 2-3 fois plus court que les temps de résidence avec le réacteur de bioséchage en mode batch et ce pour des siccités finales de la boue semblables. Une analyse des variables du procédé a été performée pour déterminer les variables clés du procédé de bio-séchage en continu. Les paramètres ayant été étudiés sont : la biomasse en terme du pH et du ratio C/N, le temps de résidence, le recyclage de la boue bio-séchée et le profile de l’humidité relative à la sortie. Deux de ces paramètres ont été reconnus comme ayant le plus d’impact sur le bio-séchage en continu : le type de biomasse en terme de nutriments (ratio C/N), une variable incontrôlable, et le profile d’humidité relative à la sortie, une variable contrôlable. Le type de biomasse est fixé par choix, donc l’influence du profil d’humidité relative à la sortie a été étudiée sur la performance générale et celle en deux dimensions du réacteur de bio-séchage en continu. La meilleure efficacité, avec le bio-séchage, a été obtenue avec un profil d’humidité relative à la sortie qui contrôle l’évaporation d’eau interstitielle et libre à la température de bulbe humide pour le 1er et 2e compartiments du réacteur et l’évaporation d’eau liée et de surface à la température de bulbe sèche dans le 3e et 4e compartiments.----------ABSTRACT Massive production of sludge in the pulp and paper industry has made the effective sludge management increasingly a critical issue for the industry due to high landfill and transportation costs, and complex regulatory frameworks for options such as sludge landspreading and composting. Sludge dewatering challenges are exacerbated at many mills due to improved inplant fiber recovery coupled with increased production of secondary sludge, leading to a mixed sludge with a high proportion of biological matter which is difficult to dewater. In this thesis, a novel continuous biodrying reactor was designed and developed for drying pulp and paper mixed sludge to economic dry solids level so that the dried sludge can be economically and safely combusted in a biomass boiler for energy recovery. In all experimental runs the economic dry solids level was achieved, proving the process successful. In the biodrying process, in addition to the forced aeration, the drying rates are enhanced by biological heat generated through the microbial activity of mesophilic and thermophilic microorganisms naturally present in the porous matrix of mixed sludge. This makes the biodrying process more attractive compared to the conventional drying techniques because the reactor is a self-heating process. The reactor is divided into four nominal compartments and the mixed sludge dries as it moves downward in the reactor. The residence times were 4-8 days, which are 2-3 times shorter than the residence times achieved in a batch biodrying reactor previously studied by our research group for mixed sludge drying. A process variable analysis was performed to determine the key variable(s) in the continuous biodrying reactor. Several variables were investigated, namely: type of biomass feed, pH of biomass, nutrition level (C/N ratio), residence times, recycle ratio of biodried sludge, and outlet relative humidity profile along the reactor height. The key variables that were identified in the continuous biodrying reactor were the type of biomass feed and the outlet relative humidity profiles. The biomass feed is mill specific and since one mill was studied for this study, the nutrition level of the biomass feed was found adequate for the microbial activity, and hence the type of biomass is a fixed parameter. The influence of outlet relative humidity profile was investigated on the overall performance and the complexity index of the continuous biodrying reactor. The best biodrying efficiency was achieved at an outlet relative humidity profile which controls the removal of unbound water at the wet-bulb temperature in the 1st and 2nd compartments of the reactor, and the removal of bound water at the dry-bulb temperature in the 3rd and 4th compartments.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Academic/Research Directors: Paul Stuart and François Bertrand
Date Deposited: 15 Feb 2010 14:49
Last Modified: 07 Jan 2020 01:15
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/168/

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