Deux séries d’expériences ont été réalisées concernant l’influence de l’eau sur l’efficacité épuratoire des MIDND :
Essais sur l’influence de l’humidité du biogaz : 2 essais ont été réalisés sur le terrain avec les mâchefers provenant de l’UIDND A. Nous avons choisi le mâchefer avec la capacité d’adsorption la plus grande, d’après les résultats des essais comparatifs précédents (§I.2 Chapitre 3). Deux conditions ont été testées : biogaz séché (point de rosée de 4 °C) et biogaz humidifié (saturé à température ambiante).
Objectif : évaluer l’impact de l’humidité du biogaz sur le taux de charge du MIDND.
Essais multiparamétriques (3 MIDND, 3 teneurs en eau du MIDND et 3 humidités du biogaz) : un total de 13 essais a été réalisé sur le terrain pour étudier l’influence de l’origine, de la teneur en eau des mâchefers et de l’humidité du biogaz sur le comportement des MIDND vis-à-vis de l’épuration d’H2S. Les 3 MIDND choisis ont été A, D et E. Le choix a été fait selon les critères suivants :
MIDND A : provenant d’une UIDND récente, mâchefers « atypiques ».
MIDND D : provenant d’une UIDND petite avec un faible taux MIDND/déchets, mâchefers de « qualité moyenne ».
MIDND E : représentatif d’un mâchefer provenant d’une UIDND « standard ».
Les MIDND ont été humidifiés à 3 teneurs en eau différentes, autour de 10, 15 et 20 % en masse. Ces humidités se veulent représentatives des humidités « naturelles » habituelles des MIDND. Concernant l’humidité du gaz, elle a été établie par humidification du biogaz par barbotage dans de l’eau ou séchage du biogaz à une température fixée, comme dans les essais décrits précédemment. Ainsi, 3 températures ont été établies (10, 20 et 30 °C) et donc 3 humidités différentes. Les températures choisies se voulaient être proches de températures « moyennes » de différentes saisons.
Objectif : évaluer l’impact de l’origine du MIDND, de l’humidité du biogaz et de la teneur en eau des mâchefers sur leur taux de charge et leur prise en masse.
Nota : Un nouveau lot62 provenant de l’UIDND A a été utilisé pour ces tests, le MIDND A2. Le lot A2 a été caractérisé de la même façon que les autres mâchefers, les résultats sont présentés en annexe (Annexe 10). Les caractéristiques physico-chimiques sont similaires à celles du lot précédent (que l’on appellera A1), la teneur en fer est un peu plus grande (23 % au lieu de 17 % Fe2O3).
Dispositif expérimental de contrôle d’humidité du biogaz
Le contrôle de l’humidité du biogaz a été fait à l’aide d’un sécheur par refroidissement à effet Peltier (Sample Gas Cooler PKE 52, BÜHLER) (Figure 67) ou l’utilisation d’un système d’humidification du gaz par barbotage dans de l’eau, avec ou sans régulation de température (bain thermostaté) (Figure 68). Dans ce dernier cas, le biogaz circule à travers des flacons en verre remplis avec de l’eau déminéralisée (environ 500 mL). Ainsi, le gaz est censé absorber de l’eau jusqu’à saturation à une température donnée. L’unité pilote (réacteurs, instruments de mesure, …) était la même que pour les essais précédents (§IV.2 Chapitre 2).
Figure 67. Sécheur par refroidissement « Peltier » du biogaz en entrée du réacteur.
Figure 68. Système d’humidification du biogaz par absorption d’eau (ici sans bain thermostaté). Pour les essais avec humidification du biogaz à 20 et 30 °C, un système chauffant a été installé, consistant en un cordon avec des résistances chauffantes réglables à la température désirée. L’objectif était de maintenir au mieux 100 % de saturation du biogaz jusqu’à l’entrée du réacteur, en évitant toute condensation parasite par point froid.
Plan des expériences
Le plan expérimental pour la première série d’essais (gaz sec/humide avec MIDND A2) a été mis en œuvre fin 2015. Pour la deuxième série d’essais, un plan expérimental a été développé par la méthode des surfaces de réponses avec une matrice type Box-Behnken [Kamoun et al., 2011] de 3 facteur et 3 niveau (3…3). En statistiques, la méthode des surfaces de réponses a pour but d'explorer les relations entre les variables dépendantes et indépendantes impliquées dans une expérience, afin de développer un modèle mathématique sur le taux de charge en fonction des 3 facteurs testés. Pour cela le logiciel Nemrodw a été utilisé. La matrice d’expériences obtenue a fixé les 13 essais à réaliser (Tableau 34). Ils ont été mis en œuvre de fin-janvier à fin-mars 2015.
Tableau 34. Plan d’expériences des essais multiparamétriques (origine, humidité du MIDND et humidité du biogaz).
Expérience MIDND testé Humidité mâchefer (%) H biogaz (T°C) Période
Essai # 1 E 10 20 19-26/02/2015 Essai # 2 D 10 20 Essai # 3 E 20 20 04-12/03/2015 Essai # 4 D 20 20 Essai # 5 E 15 10 27/01-03/02/2015 Essai # 6 D 15 10 Essai # 7 E 15 30 26/02-04/03/2015 Essai # 8 D 15 30 Essai # 9 A2 10 10 25/03-02/04/2015 Essai # 10 A2 20 10 Essai # 11 A2 10 30 12-20/03/2015 Essai # 12 A2 20 30 Essai # 13 A2 15 20 02-09/04/2015 Réplicat de l’essai # 13 A2 15 20
Conditions expérimentales
Les conditions expérimentales étaient les mêmes que pour les essais précédents (Cf. Tableau 20 dans page 132). Le Tableau 35 résume les quantités de MIDND utilisées et leur teneur en eau initiale, ainsi que les données relatives à la charge polluante traitée, le débit moyen de biogaz, la durée de chaque essai et le volume total de biogaz passé dans les adsorbants.
Tableau 35. Quantité, teneur en eau initiale des MIDND, débit moyen, durée des essais, volume de biogaz traité et charge polluante traitée.
Essai « biogaz sec » Essai « biogaz humide » Masse (humide) du lit de MIDND (g) 393 408
Teneur en eau initiale (%) 12,1 ± 0,2 12,1 ± 0,2
Débit moyen (L/min) 1,1 ± 0,1 1,1 ± 0,1
Durée de l’essai (jour) 9,0 9,1
Volume total de biogaz traité (m3) 15,5 16,2
Charge polluante traitée (mg H2S/g MS) 78,3 80,0
Les conditions d’humidité du biogaz pour les différents essais sont résumées dans le Tableau 36. Tableau 36. Conditions d’humidité du biogaz pour les différents essais sur l’influence de l’eau.
Essai « biogaz sec » Essai « biogaz brut » Essai « biogaz humide » Température 4 °C 10 °C 11-38 °C 6-34 °C 20 °C 30 °C
Humidité absolue 0,6 %v eau
4,5 geau/m3 1,2 %v eau 9,4 geau/m3 0,5-1,5 %v eau 4-11 geau/m3 0,8-3,7 %v eau 8-24 geau/m3 2,3 %v eau 17,3 geau/m3 4,2 %v eau 30,3 geau/m3 Humidité relative 100 % 100 % 33-65 % 100 % 100 % 100 %
Résultats des essais sur l’influence de l’humidité du biogaz
De la même façon que pour les essais précédents, nous présentons ici les courbes de percée du cumul d’H2S retenu en fonction de la charge polluante entrante (Figure 69). La courbe de l’essai #1 avec A1
sans contrôle de l’humidité du biogaz est également rappelée à titre de comparaison, nommée « Biogaz brut », même s’il ne s’agit pas du même lot de MIDND.
Figure 69. Rétention d’H2S par les mâchefers provenant de l’UIDND A avec un biogaz sec, brut ou humide. Représentation de l’élimination d’H2S par les mâchefers (exprimé comme cumul mg H2S retenu/g MS) en
fonction de la charge polluante traitée (exprimée comme cumul mg H2S entrant/g MS).
Toutes les courbes de la Figure 69 ont la même pente au début de l'essai (durant environ 2 jours), puis la pente de la courbe de l’essai « biogaz sec » diminue drastiquement alors que celle de l’essai « biogaz humide » reste pratiquement constante. La pente de la courbe de l’essai « biogaz brut » diminue également mais plus tard, après 4 jours. Cette modification de la pente correspond à une diminution de l'efficacité de l'élimination d’H2S.
Les indicateurs d’élimination d’H2S sont comparés dans le Tableau 37 pour les 3 essais à humidités différentes du biogaz.
Tableau 37. Résultats d’efficacité épuratoire du MIDND A avec un biogaz sec, brut ou humide. La capacité d’adsorption, l’efficacité d’élimination et le taux de rétention sont calculées pour la même charge de polluant entrant (78 mg H2Stotal entrant/g MS).
Essai « biogaz sec » Essai « biogaz brut » Essai « biogaz humide » Capacité d’adsorption (mg H2S/g MS) 14,5 39,6 56,3 Efficacité d’élimination 18,5 50,5 71,7 Percée à 10 % 3 h 4,5 h 13,3 h Taux de rétention 7 % 20 % 50 % 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Elim in at ion H2 S (cu m u l m g H 2 Sret en u /g MS)
Charge polluante (cumul mg H2Sentrant/g MS)
La capacité des MIDND à retenir H2S dépend de façon très significative de l’humidité du biogaz.
L’humidification du biogaz à température ambiante a donné les meilleurs résultats, avec une capacité d'adsorption de 56 mg H2S/g MS et une efficacité d’élimination de 72 %. L'efficacité du traitement a diminué de près de 4 fois lorsque le biogaz était sec.
Afin de voir la relation entre la capacité d'adsorption H2S et la teneur en eau des mâchefers au cours des expériences, cette dernière a été estimée. La quantité d'eau absorbée (geau) par le biogaz lors de son passage à travers le réacteur a été calculée à chaque heure à partir de la mesure d’H2O (%v) dans le biogaz amont/aval donnée par le ProCeas®, la température et le débit de gaz. L’hypothèse réalisée est que l'eau absorbée par le biogaz provenait uniquement des MIDND. Ensuite, la teneur en eau (geau/gMIDND) a été calculée à chaque heure en enlevant l'eau absorbée par le biogaz à l'instant t de la teneur en eau du mâchefer à l'instant t-1. La « teneur en eau estimée » des mâchefers a été représentée avec le cumul d’H2S éliminé en fonction du temps. Un exemple est illustré dans la Figure 70, pour l’essai « biogaz sec ».
Figure 70. Cumul d’H2S éliminé et teneur en eau estimée du mâchefer (exemple essai « biogaz sec »). La cassure de la droite (a) au bout d’un jour et demi, correspond à une forte diminution de la teneur en eau des MIDND, de 12 à 3-4 %. A partir de cet instant, le gaz n’absorbe plus d'eau, la teneur en eau des mâchefers reste constante. Deux courbes de tendance, (a) et (b), ont été calculées, leurs équations étant indiquées sur la Figure 70. Les pentes sont 6,3 et 0,8 respectivement. En conclusion, la vitesse
d'élimination d’H2S est significativement plus lente lorsque la teneur en eau des mâchefers atteint une valeur limite « basse ». Cette conclusion sera reprise plus tard dans le manuscrit lorsque sera
abordé le rôle de l’eau dans le mécanisme réactionnel (voir Chapitre 4).
La mesure de la teneur en eau des mâchefers usagés en fin d’essai a confirmé l’estimation effectuée à partir des mesures sur le biogaz, avec 2,2 % et 5,6 % pour l’essai « biogaz sec » et « biogaz humide » respectivement.
Résultats des essais multiparamétriques
Les résultats des essais multiparamétriques n’ont hélas pas pu être exploités statistiquement, avec un modèle mathématique, à cause d’une erreur dans la définition des facteurs de la matrice Box-Behnken. Cependant, nous avons pu extraire des informations « qualitatives » concluantes. La Figure 71 représente les résultats des 13 expériences de manière à évaluer visuellement l’impact des 3 facteurs testés sur la capacité d’adsorption d’H2S par les MIDND.
Figure 71. Capacité d’adsorption d’H2S par les MIDND A2, E et D (mg H2S/g MS) en fonction de l’humidité du biogaz (%v eau) et la teneur en eau des MIDND (% m). La taille des cercles est proportionnelle à la capacité
d’adsorption.
La première observation évidente est que la capacité d’adsorption des MIDND A2 est toujours supérieure, quelles que soient les conditions d’humidité du biogaz et des mâchefers. Les mâchefers de l’incinérateur A ont confirmé à nouveau une capacité supérieure à éliminer H2S. A noter qu’il s’agissait d’un nouveau lot, A2. Mais, pour aller plus loin dans l’analyse, les résultats des essais, séparés par conditions d’humidité du biogaz, sont présentés dans la Figure 72. Les courbes de cumul d’H2S retenu en fonction de la charge polluante nous apportent ainsi d’autres informations remarquables.
Figure 72. Elimination d’H2S par les MIDND A2, D et E à 10, 15 et 20 % d’humidité avec biogaz saturé à 30 °C (a), biogaz saturé à 20°C (b) et biogaz sec (point de rosée 10 °C) (c).
(a)
(b)
Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le mâchefer A2 humidifié à 15 % et un biogaz saturé à 20 °C, avec 42 mg H2S/kg MS retenus (valeur comparable aux résultats des essais précédents avec A1) (Figure 72b). Dans ces conditions, le mâchefer ne prend pas en masse, ce qui est un résultat également positif vis-à-vis de la mise en œuvre du procédé industriel. En effet, la prise en masse de l’adsorbant (durcissement, voir exemple dans Figure 73) rend plus compliquées et plus coûteuses les opérations de dépotage du réacteur et de gestion des mâchefers après usage.
Lorsque le mâchefer et le biogaz sont très humides, la prise en masse semble également évitée mais, par contre, la capacité d’adsorption d’H2S est beaucoup moins bonne. Ceci est montré pour les MIDND D dans la Figure 72b et, plus clairement, par les MIDND A2 dans la Figure 72a. Cela pourrait indiquer que la réaction se produit principalement dans les pores de la matrice solide.
Comme dans les essais précédents (§II.4), les résultats les moins satisfaisants ont été obtenus avec un biogaz plus sec (point de rosée à 10 °C), tant pour la rétention d’H2S que pour la prise en masse (Figure 72c). On observe une très forte prise de masse avec le MIDND A2 humide à 20 % et le biogaz sec.
Figure 73. Exemples de la prise en masse des mâchefers.
Le Tableau 38 résume les principaux résultats obtenus à partir de cette étude paramétrique.
Tableau 38. Influence de l’humidité du biogaz et des mâchefers sur la rétention d’H2S et la prise en masse des mâchefers.
Humidité biogaz Teneur en eau MIDND Rétention H2S Prise en masse
- -
-
- -
Conclusions
L’ensemble de ces essais préliminaires (à petite échelle) avec du biogaz de teneurs en eau variables et des MIDND à différentes conditions d’humidité ont permis de proposer un « jeu » de conditions à optimiser pour un procédé de traitement le plus efficace possible. Voici les principales conclusions : L’eau joue un rôle clé dans le processus d’élimination d’H2S par les MIDND : l’efficacité des
mâchefers à retenir H2S diminue fortement à partir d’une teneur en eau « seuil », pour laquelle
Avec prise en masse
Sans prise en masse
Mâchefer pris en masse dans la colonne d’adsorption
l’adsorbant ne contient pas suffisamment d’eau pour que les réactions aient lieu. Cette observation sera développée en étudiant les états de l’eau dans le mâchefer dans le chapitre concernant les mécanismes réactionnels.
Les résultats du plan expérimental confirment que les mâchefers provenant de l’UIDND A ont des
performances, vis-à-vis de l’épuration d’H2S, largement supérieures aux autres.
Quand le biogaz est sec, l’efficacité du traitement diminue à cause de l’assèchement rapide du
mâchefer. Lors d’une mise en œuvre industrielle, il faudra donc éviter de placer le traitement
épuratoire avec des MIDND après le séchage du biogaz, ou bien il faudra prévoir une ré-humidification du gaz (ou de l’adsorbant).
La prise en masse de l’adsorbant doit pouvoir être contrôlée en maîtrisant les conditions
d’humidité. L’assèchement d’un mâchefer très humide engendre une prise en masse très forte,
avec les conséquences que ceci implique sur la gestion du matériau en fin de vie (dépotage difficile, coûts induits, …).
La partie suivante est consacrée à l’influence d’un autre paramètre, l’oxygène, dont la teneur peut varier, principalement selon les conditions d’exploitation des ISDND (dépression du réseau de captage, mode de couverture, conditions atmosphériques, etc.).