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Analyse de l'impact des incertitudes du procédé de bio-séchage sur sa viabilité économique

Carl Tchoryk

Masters thesis (2011)

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Cite this document: Tchoryk, C. (2011). Analyse de l'impact des incertitudes du procédé de bio-séchage sur sa viabilité économique (Masters thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/662/
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Abstract

Le secteur des pâtes et papiers nord-américain cherche des solutions pratiques pour la gestion des boues provenant du traitement des eaux usées. Le pouvoir calorifique supérieur des boues est similaire mais légèrement inférieur à celui du bois. Cependant, une grande différence réside dans leur siccité. Les boues ont une siccité entre 25% et 40% en sortant des procédés de déshydratation mécanique, alors que le bois a une siccité qui varie entre 40% et 60%. Une siccité de 40% représente un minimum pour que l‟énergie libérée [par quoi?] soit supérieure ou égale à l‟énergie nécessaire à l‟évaporation de l‟eau et au chauffage du combustible à son point d‟ignition. Le séchage de la boue est donc nécessaire pour s‟assurer que celle-ci contribue au bon fonctionnement de la chaudière. Un procédé de séchage proposé est le bio-séchage vertical en continu. Le bio-séchage est un procédé qui utilise l‟aération forcée ainsi que la chaleur dégagée par l‟activité biologique. Le procédé est similaire au compostage aérobic, mais les buts des deux procédés sont différents. L‟objectif du bio-séchage est d‟augmenter la valeur calorifique inférieure de la biomasse, en augmentant le niveau de siccité et en limitant la dégradation biologique. Dans le but d‟installer le bio-séchage dans des usines papetières de manière économiquement viable, la présente maîtrise cherche à effectuer une mise à l‟échelle industrielle d‟une usine pilote et à évaluer les implications de la combustion des boues séchées sur les conditions d‟opération d‟une chaudière à lit fluidisé. Un modèle économique indiquant les bénéfices majeurs pour les usines papetières utilisant le procédé de bio-séchage a été développé pour une boue mixte en considérant principalement l‟efficacité du lit fluidisé et la réduction de carburant fossile au niveau de la chaudière. Les données expérimentales obtenues à partir de l‟usine pilote ont permis d‟effectuer une conception préliminaire d‟un réacteur de bio-séchage vertical en continu et modulaire. Les caractéristiques principales sont présentées dans le tableau 1. vi Tableau 1 Caractéristiques principales du réacteur de bio-séchage à pleine échelle Hauteur (m) 5,0 Largeur (m) 3,0 Profondeur (m) 20,0 Volumes (m3) 300,0 Temps de séjour (jour) 3 Débit d‟air (m3 air /h /m3 réacteur) 28 Taux de recyclage (%m/m) 15% Système de décharge Planchers coulissants Contrôle des polluants gazeux Combustion dans la chaudière ou bio-filtre Le modèle technico-économique qui a été développé pour l‟unité de séchage et la chaudière a été appliqué à trois études de cas d‟usine papetière dans l‟Est du Canada. Ce modèle inclut les coûts en capital liés à l‟installation du bio-séchoir, les coûts d‟opération de la chaudière et du séchoir et les effets sur l‟efficacité de la chaudière de différents mélanges de carburants. Le bio-séchage a ensuite été comparé au séchoir rotatif, qui est une option de séchage populaire. L‟application du modèle aux études de cas a permis de montrer que dans le cas où la boue est actuellement brûlée, le bio-séchage a pour effet d‟augmenter l‟efficacité du lit fluidisé. Dans le cas où la boue est actuellement envoyée au dépotoir, son séchage et sa combustion ont pour effet de diminuer l‟efficacité du lit fluidisé, du fait que du combustible fossile est substitué par de la boue séchée. Le modèle technico-économique a aussi permis de déterminer les conditions favorables au bio-séchage: dans le cas où l‟usine envoie actuellement ses boues mixtes au dépotoir, et cela malgré la baisse d‟efficacité de la chaudière, et dans la situation où la vii consommation de carburant fossile peut être réduite. Cependant une comparaison avec le séchoir rotatif a montré que celui-ci est plus rentable, avec un délai de récupération de 0,85 an versus 1,5 an pour le bio-séchage. -------- North America‟s pulp and paper industry has been searching for better solutions regarding the management of waste water treatment sludge. The high heating value of sludge is slightly lower than that of wood. However, a big difference exists between their dryness levels. Sludge has dryness levels of between 25% and 40% after mechanical dewatering, whereas wood has dryness levels varying between 40% and 60%. A dryness of at least 40% is required to ensure that the generated energy is superior to the energy necessary to evaporate water and bring the fuel to its ignition point. Drying the sludge is pivotal to ensure the positive effect of its combustion in the boiler. The vertical continuous biodrying process is therefore proposed as a drying process. Biodrying is a drying process that uses forced aeration and biological heat. This process is very similar to aerated composting, but the goal of each process is different. Biodrying‟s objective is to improve the low heating value of biomass, by raising the sludge‟s dryness and limiting the biological degradation. With the goal to install biodrying in a multitude of P&P mills and in a viable economical manner, the following thesis looks into the scale-up of a pilot plant and identifies the effects of dryer sludge‟s combustion on the operating conditions of a fluidized bed boiler. An economic model identifying major benefits for P&P mills that implement biodrying in the form of a reduction of fossil fuel consumption from an increase in the sludge‟s low heating value and an increase in the efficiency of the boiler. Experimental data and order of magnitude analysis of the pilot plant have permitted the conception of a modular vertical continuous biodrying reactor presented in tableau 2. ix Tableau 2 Principal characteristics of the full scale vertical biodrying Height (m) 5,0 Depth (m) 3,0 Width (m) 20,0 Volume (m3) 300,0 Residence time (days) 3 Air flow (m3 air /h /m3 réacteur) 28 Recycling ratio (%m/m) 15% Discharge system Push floor Air pollution control Combustion in the boiler or bio-filter A techno-economic model for the dryer and the boiler was created and applied to three case study mills from Eastern Canada. The model determines the capital costs linked to the installation of the biodryer, the operating costs of the boiler and dryer and the effects on the efficiency of the fluidized bed boiler when utilizing different fuel combinations. The model was also used to compare the biodrying process with the rotary dryer, a popular drying option. The application of the model to the case studies has demonstrated that in the example of sludge that is burned in a boiler, drying the sludge leads to an increase in the efficiency of the fluidized bed boiler. If the sludge was sent to a landfill, the drying and combustion of the sludge leads to a decrease in fossil fuel consumption, but also a decrease of the fluidized bed‟s efficiency. This decrease in the fluidized bed efficiency is a result of high energy fuel being substituted for sludge, introducing more moisture to the boiler. The techno-economic model has made determining the conditions in which biodrying is most cost effective possible: if the mill sends mixed sludge to a landfill even with the boiler‟s efficiency decrease, and when fossil fuel x consumption can be reduced. However a comparison with the rotary dryer has demonstrated that the rotary dryer is more profitable, with a payback period of 0.85 years versus 1.5 years for biodrying.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie chimique
Dissertation/thesis director: Paul Stuart
Date Deposited: 17 Nov 2011 15:17
Last Modified: 24 Oct 2018 16:10
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/662/

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