Bio-séchage à Polytechnique

La Chaire CRSNG en génie de conception environnementale de Polytechnique de Montréal étudie depuis quelques années les possibilités de développer un procédé de bio-séchage qui serait adapté aux besoins de l‟industrie des pâtes et papiers. Ce qui suit passe en revue des expériences et des analyses qui ont été faites.

2.5.1 Recherche par Ken Frei

Des tests en laboratoire dans un réacteur de bio-séchage en mode batch ont été réalisés sur trois mélanges de boues/écorces. Le schéma du réacteur est présenté à la figure 2-9. La boue était placée dans le réacteur jusqu‟à une hauteur de 60 cm. Une souffleuse alimentait l‟air dans un conduit central (C2). Cet air traversait la matrice de boue et d‟écorce vers deux conduits d‟aération près des murs du réacteur (C1 et C3).

Il a été démontré que le taux d‟assèchement et la perte de carbone étaient corrélés avec la température interne, pouvant atteindre 65°C. Le meilleur résultat a été obtenu avec un ratio de 1 :0,5 de boues/écorces sur une base sèche, qui a permis en 13 jours d‟augmenter la siccité de 30,5% à 41,6%. Le débit d‟air variait grandement selon la position dans la matrice, étant presque nul près de la surface et maximal dans le bas du réacteur, dû à la position des conduits d‟aération.

Figure 2-9 Schéma expérimental de bio-séchage en mode discontinu (Frei, Novel Drying Process Using Forced Aeration, 2004)

L‟analyse technico-économique du procédé en mode discontinu a démontré les caractéristiques des usines pour lesquelles le procédé serait le plus avantageux, soit celles qui ont les installations permettant la manutention et la combustion de la biomasse, celles qui enfouissent leurs boues et celles qui ont l‟espace nécessaire pour l‟implantation du bio-séchage ou des combustibles ayant de fort coût. La période de recouvrement pour le cas de base et le meilleur cas était de 2,5 ans et un an respectivement (Frei, Novel Sludge Drying Process, 2006).

2.5.2 Recherche par Geneviève Roy

Le projet de recherche étudiait la modélisation technique et économique du réacteur de bio- séchage en mode discontinu, en identifiant les conditions optimales d‟opération. Des expériences à l‟échelle laboratoire ont été faites sur un réacteur d‟un mètre cube, dont le schéma est présenté à la figure 2-10. Pour éviter des débits d‟air variables de la configuration de Frei, deux conduits d‟aération ont été installés à des hauteurs différentes. Les variables étudiées sont le débit d‟air, l‟inversion directionnelle de l‟air, le mélange de la boue durant l‟expérience et le type d‟agent gonflant. Les agents gonflants utilisés étaient soit de l‟écorce ou de la boue ayant été séchée par bio-séchage.

Figure 2-10 Schéma expérimental de bio-séchage en mode batch (Roy, 2006)

Suivant les recommandations de Frei, le mélange de boue/écorce a été fixé à un ratio 1 :0,5 base sèche. Au total, sept expériences ont été réalisées. Les variations du procédé ont été attribuables principalement aux propriétés initiales des boues. Le débit d‟air et sa température sont les principales fonctions affectant le taux d‟évaporation. L‟inversion directionnelle de l‟air semble favoriser la biodégradation et non le bio-séchage.

Une analyse économique a été faite pour trois scénarios, chacun portant sur une usine de pâtes et papiers. L‟analyse économique démontre que la rentabilité est principalement liée au débit d‟air et à la siccité finale. Avec un faible débit d‟air, le procédé assèche plus lentement pour arriver à la même siccité qu‟une opération avec un haut débit d‟air. Un faible débit d‟air nécessiterait donc une augmentation du volume du réacteur et ainsi son coût en capital. L‟utilisation de la boue sèche comme combustible était essentielle pour rendre le projet économiquement viable.

2.5.3 Recherche par Shahram Navaee-Ardeh

Cette recherche cherchait à obtenir un modèle des phénomènes d‟échange dans un réacteur de bio-séchage vertical en continu. Il consiste en la conception et la construction d‟une usine pilote du réacteur de bio-séchage en continu dans le but de a) surmonter les faiblesses du bio-séchoir en discontinu, b) identifier les variables clés, ainsi que leurs impacts sur la performance du bio- séchoir en continu, c) comprendre les phénomènes d‟échanges qui se produisent dans le bio- séchoir en continu en utilisant une approche systématique de modélisation.

Les variables clés qui ont été étudiées sont le temps de séjour, le taux de recyclage de boue séchée, agissant comme agent gonflant et comme réducteur de la phase d‟acclimatation, et le profil du débit d‟air, pouvant être fixe ou contrôlé par le taux d‟humidité relative à la sortie. La boue, provenant de la même usine pour toutes les expériences, est une variable incontrôlable. La phase expérimentale du présent mémoire a été faite conjointement Navaee-Ardeh. Les paramètres ayant le plus d‟impact sur le taux d‟évaporation étant sont le temps de séjour et le débit d‟air. La boue mixte peut être asséchée à un niveau de siccité acceptable en moins de cinq jours.

La stratégie d‟élaboration du modèle consiste en la création d‟un modèle simplifié et de l‟ajout de complexité au fur et à mesure que la compréhension des procédés de transport est appréhendée (Navaee-Ardeh S. B., Development and Experimental Evaluation of a 1-D Distributed Mode, 2011). Un modèle en deux dimensions a été construit et a été démontré comme étant un outil polyvalent pour prédire les procédés de transport complexes dans un réacteur de bio-séchage en continu. L‟approche de modélisation a permis une amélioration du contrôle, une meilleure optimisation et facilite la mise à l‟échelle du procédé (Navaee-Ardeh S. B., A 2-D Distributed Model..., 2011).