séchage combiné de boues de stations d’épuration par énergie solaire et pompe à chaleur

Principe du séchage solaire sous serre

         L’énergie provenant du rayonnement solaire varie en France selon la latitude entre 1 200 et 1 750 kWh/m².an, dont 40 % émise dans le domaine visible et 50 % dans le domaine infrarouge [DEG05]. L’effet de serre repose sur le fait que les murs de la serre et son toit sont formés de matériaux à propriétés différentes dans ces deux domaines spectraux : transparents aux rayonnements solaires, ils laissent pénétrer la chaleur du soleil mais ne transmettent pas les rayons infrarouges. Le séchage solaire des boues utilise ce concept pour accélérer le processus d’élimination de l’eau contenue dans les boues déshydratées. L’échauffement de la surface des boues, grâce au rayonnement solaire et au rayonnement infrarouge émis par le matériau transparent de la serre, permet d’augmenter la pression de vapeur d’eau à la surface des boues et par suite de favoriser l’évaporation. Un flux d’air frais admis sous la serre permet d’évacuer la vapeur d’eau issue du séchage. Depuis quelques années, ce procédé a convaincu plusieurs collectivités locales françaises de son intérêt. Plusieurs procédés de séchage ont été conçus et validés : Ecodryer mis au point par Eco-industries, Solia conçu par Veolia Water sytems, Héliantis mis au point par France Assainissement, filiale de Dégremont (groupe de Suez) et finalement Héliocycle conçu par Stéreau adapté aux gisements de petite et moyenne tailles. Le séchage solaire se déroule selon un cycle annuel : les boues sont introduites sous la serre et étalées sur toute sa surface. Le chargement de la serre en boues peut être continu, à l’aide d’une pompe gaveuse, ou discontinu, par bâchées. Les boues sont ensuite réparties sur la largeur de la serre et véhiculées sur la longueur. La différence entre ces procédés de séchage solaire est principalement liée au mode de brassage de boues appliqué. Pour Héliocycle et Héliantis, le brassage est assuré au moyen d’un retourneur couloir ou machine de scarification qui étale les boues en couloirs et les fait progressivement avancer vers le fond de la serre au fur et à mesure du séchage, tandis que Solia et Ecodryer utilisent des robots qui sillonnent la surface des boues. Le brassage des boues est un paramètre clé du procédé de séchage solaire pour différentes raisons.
– Il assure l’oxygénation des boues nécessaire pour entretenir constamment un milieu aérobie au sein du lit de boues. Ceci permet de limiter les réactions de fermentations anaérobies, sources d’importantes nuisances olfactives.
– Le brassage régulier des boues au cours du séchage permet de renouveler les surfaces d’évaporation et d’éviter les phénomènes de croûtage en surface limitant l’évaporation.
– Le retournement des boues permet d’homogénéiser et de granuler le produit final.
– Finalement, il permet de véhiculer progressivement les boues d’une extrémité de la serre à l’autre. La vitesse d’avancement de l’outil, la vitesse de rotation du tambour et la profondeur de pénétration dans le lit de boues sont réglables grâce au fonctionnement automatisé de l’outil qui ne nécessite aucune surveillance particulière. Les serres Héliocycle et Héliantis produisent des granulés de siccité finale de l’ordre de 70 %.
Il est essentiel de disposer d’un modèle de cycle de séchage solaire pour évaluer ses performances et définir ses limitations. Les résultats du modèle permettent par la suite de proposer des solutions assurant l’appoint d’énergie pour atteindre des performances égales sur une année entière tout en favorisant l’utilisation de l‘énergie solaire gratuite. La modélisation présentée ci-dessous est basée sur un procédé de séchage solaire de type Héliocycle.

Principe du séchage combiné solaire et PAC

    Le terme pompe à chaleur regroupe plusieurs systèmes thermodynamiques, selon la nature de la source de chaleur (air, eau, ou sol) d’une part et selon le vecteur d’émission de chaleur (air ou eau).
• Le choix de la source de chaleur, ou source froide, revêt une importance considérable puisque l’efficacité énergétique instantanée d’une pompe à chaleur dépend, entre autres, de la température de la source froide et de sa stabilité au cours de la période de chauffe. Les installations de traitement de boues sont, dans la majorité des cas, situées à proximité des stations d’épuration, ce qui permet de disposer d’une réserve d’eau (l’effluent de la STEP) dont la température même en hiver reste voisine de 12 °C. D’autre part, au cours d’un cycle de séchage solaire conventionnel, l’évacuation de la vapeur d’eau de la serre est assurée au moyen d’une circulation d’air permanente. Au lieu d’être rejeté à l’atmosphère, cet air humide peut être utilisé comme source froide et ses calories récupérées à l’évaporateur de la pompe à chaleur.
• Si les sources de chaleur sont disponibles, il est nécessaire de savoir où diffuser la chaleur puisée. Lorsqu’un matériau humide est soumis à un cycle de séchage, deux processus se produisent simultanément : le transfert de vapeur d’eau piégée à l’intérieur de la structure vers la surface du matériau, et le transport ultérieur de cette vapeur d’eau dans l’environnement immédiat. La dégradation des performances de séchage provient d’une limitation d’un de ces processus d’évaporation. L’énergie d’appoint apportée par la PAC peut être judicieusement utilisée pour assurer des conditions favorables à l’évaporation de l’eau, permettant même d’intensifier ces phénomènes d’évaporation. Quel que soit le mode d’évaporation à l’intérieur des boues, les mouvements de vapeur d’eau à l’intérieur de la matrice solide sont régis par des gradients de température et de pression qui s’établissent dans l’épaisseur de la structure solide. L’évaporation est d’autant plus intense que ces gradients sont élevés. Inspirée des technologies répandues dans le chauffage résidentiel, une option technique est envisagée : le chauffage conductif des boues au moyen d’un plancher chauffant qui puise sa chaleur au condenseur d’une pompe à chaleur. Le fonctionnement de la pompe à chaleur est piloté par une température de surface à maintenir afin d’atteindre des capacités évaporatoires requises. Le chauffage conductif est avantageux dans la mesure où les niveaux de températures de condensation requises permettent d’atteindre des COP intéressants. Mais le chauffage par la sole peut être avantageusement complété par un chauffage convectif de surface. L’enlèvement de la vapeur d’eau à la surface des boues dépend des conditions régnant à l’interface de séchage air-boues : la température de surface des boues ainsi que les conditions de l’air, telles que température, hygrométrie et vitesse (cf. équation [1.4]). Pendant les périodes froides, les températures ambiantes faibles et l’absence de flux solaire provoquent le refroidissement des boues entraînant ainsi une diminution de l’intensité des transferts massiques en surface. A partir de ces premières observations, une deuxième option technique est envisagée : chauffer l’air avant de l’introduire sous la serre, ce qui permet de s’affranchir de la contrainte de refroidissement de la surface des boues pour des conditions climatiques froides et humides. Le chauffage simultané de la sole et de l’air de balayage est l’option technique privilégiée et sera donc étudiée en détail. De plus, l’énergie supplémentaire peut être fournie indépendamment par deux pompes à chaleur : la première PAC assure le chauffage de la sole tandis que la deuxième fournit l’énergie nécessaire au chauffage de l’air.

Instrumentation du dispositif expérimental

       L’objectif des essais est de quantifier le débit d’eau évaporée des boues au cours d’un séchage convectif. La méthode de pesée continue est retenue. Une balance digitale à haute précision (type Mettler PC 16) est introduite dans la cellule de mesures surmontée du conteneur de boues. Sa plage de mesures s’étend de 0 à 16 kg avec une erreur de mesure de l’ordre de 10 g. Les températures de l’air ambiant, de l’air soufflé et extrait de la cellule sont mesurées par des thermocouples de type K placés dans les caissons de soufflage et de reprise d’air. Des thermocouples sont également placés dans la cellule de mesures afin de suivre l’évolution des conditions thermiques de l’air de balayage. L’humidité relative de l’air ambiant est mesurée au moyen d’un hygromètre. En ce qui concerne la mesure de l’hygrométrie à l’entrée et à la sortie, elle est effectuée en se basant sur la méthode de la température humide de l’air : une sonde de température est enveloppée dans un échantillon de chiffon mouillé et placée à l’aspiration du ventilateur de soufflage et au refoulement du ventilateur de reprise respectivement. Bien que la pesée soit la méthode retenue pour évaluer la quantité d’eau évaporée, ces mesures ont permis de vérifier la cohérence des résultats. Des thermocouples de type K, à très faible inertie sont collés à la surface de la résistance chauffante pour permettre une mesure « intrusive » de la température du fond des boues au cours des essais. Des sondes de températures posées à la surface des boues en opposition à celles du fond permettent d’évaluer le gradient de température établi sur l’épaisseur de l’échantillon et par conséquent la quantité de chaleur transmise par conduction à l’échantillon. Les connexions électriques sont souples pour ne pas gêner la pesée. Comme l’échantillon de boues est retourné toutes les 24 heures, aucun thermocouple n’est placé dans les couches intermédiaires de l’échantillon. Les températures d’air dans la cellule sont également mesurées à une hauteur de 2 cm de la mesure de la température de boues correspondante. La résistance chauffante est reliée à un régulateur de puissance pour contrôler la température de surface des boues. L’ensemble est connecté à un wattmètre pour mesurer la puissance de chauffage imposée. L’ensemble des thermocouples et instruments de mesures est relié à un module d’acquisition Fieldpoint connecté à un PC. L’interface d’acquisition est programmée en langage C sous environnement CVI/Labview Windows. Les valeurs acquises sont enregistrées dans des fichiers texte et traitées sous Excel.

Influence du débit de ventilation sur le transfert de chaleur

       Afin d’étudier l’influence du débit de ventilation, ou de la vitesse superficielle sur l’évolution du séchage, trois débits d’air sont testés : 20, 40 et 70m3 /h. La figure 3.11 illustre l’évolution de la conductance de transfert sensible en fonction de la siccité des boues pour une masse initiale de boues humides de 5 kg et une puissance de chauffage de 50 W. Une augmentation du débit de ventilation engendre une intensification des échanges convectifs sensibles observée à la figure 3.11. Dans le cas de la convection forcée, le coefficient de transfert de chaleur dépend des nombres adimensionnels de Reynolds (Re)et de Prandtl (Pr). D’autre part, quel que soit le débit d’air testé, la conductance sensible adopte une allure croissante au cours du séchage : au fur et à mesure que la siccité des boues augmente, la conductance sensible augmente. Pour une vitesse superficielle de 2,1 m/s (débit 70 m3 /h), un facteur 2 est retrouvé entre les coefficients de départ et de fin de cycle. Cette même allure a été constatée par Rahman et al. [RAH06] dans le cas d’une convection naturelle. Néanmoins, l’insuffisance des points de mesures ne permet pas d’établir de corrélation reliant l’évolution du coefficient d’échange à la siccité des boues.

Paramétrage du nouveau concept de balayage d’air

         Ayant choisi la nature de la ventilation et les bouches de soufflage, et afin d’étudier la faisabilité du nouveau concept de soufflage, il reste à spécifier plusieurs caractéristiques telles que :
– le débit d’air soufflé
– la largeur de la fente de soufflage
– le diamètre de la gaine.
Une série de simulations aérauliques est effectuée sous Fluent afin de retrouver la combinaison des paramètres la plus appropriée aux performances de séchage attendues. En ce qui concerne la géométrie de la serre, pour des besoins de réduction du maillage et de temps de calcul, une surface de séchage de 2,5 m de longueur et de 4,6 m de largeur est simulée. La hauteur est également réduite à 2,5 m. L’éloignement entre les fentes de soufflage et la surface des boues est fixé à 20 cm.

Table des matières

CHAPITRE 1 : Le séchage des boues de station d’épuration : Contexte et enjeux énergétiques
1. Epuration des eaux et production de boues
2. Les principales filières d’élimination et de valorisation
2.1. Épandage agricole
2.2. Incinération
2.3. Dépôt en centre de stockage
2.4. La mise en décharge
3. Intérêts du séchage des boues
3.1. Le séchage thermique des boues : technologie et mise en œuvre
3.1.1. Les sécheurs directs
3.1.2. Les sécheurs indirects
3.1.3. Considérations énergétiques et inconvénients des sécheurs thermiques
4. Séchage solaire conventionnel (solaire + ventilation)
4.1. Principe du séchage solaire sous serre
4.2. Procédé de séchage solaire Héliocycle
4.2.1. Modélisation du séchage solaire conventionnel
4.2.2. Equations du modèle
4.2.3. Evaluation des coefficients d’échange convectif
4.2.4. Données d’entrée du modèle
4.2.5. Sorties du modèle
4.2.6. Validation du modèle sur la serre de Thuit Signol
4.2.7. Performances du séchage solaire + ventilation
4.3. Lacunes du séchage solaire
4.4. Introduction du principe du séchage solaire assisté par une pompe à chaleur
4.4.1. Les pompes à chaleur (PAC)
4.4.2. Principe du séchage combiné solaire et PAC
5. Conclusions
CHAPITRE 2 : Etude du séchage des boues par conduction
1. Résumé de l’article soumis à la revue Journal of Porous Media 
1.1. Introduction
1.2. Méthodologie
1.3. Conclusions
2. Characterization of sewage sludge water vapor diffusivity in low temperature conductive drying (copy of the submitted paper)
2.1. ABSTRACT
2.2. Introduction
2.3. Literature review of mass transfer in porous aggregated media
2.4. Preliminary Assumptions
2.5. Laboratory Experimental set-up and Procedure
2.6. Characterization of the test bench losses
2.7. Mathematical model used to interpret the results
2.8. Results and discussions
2.8.1. Sample behavior
2.8.2. Estimation of water vapor diffusivity during a bottom conductive heating
2.8.3. Estimation of water vapor diffusivity as a function of mixing frequency
2.8.4. Correlating with porosity (Bulk density Vs apparent density)
2.8.5. Conclusions
CHAPITRE 3 : Etude des échanges convectifs au cours d’un séchage combiné
1. Introduction sur le rôle de la convection dans le séchage
2. Définition des coefficients de transfert de chaleur et de masse
2.1. Analyse bibliographique
2.2. Détermination des coefficients d’échange sensible et latent
2.3. Conception du dispositif expérimental
2.3.1. Conception de la cellule de mesures et de la configuration aéraulique
2.3.2. Instrumentation du dispositif expérimental
3. Modélisation du séchage dans la cellule expérimentale
3.1. Etude du séchage convectif sur des échantillons de boues
3.1.1. Détermination des déperditions de la cellule de caractérisation
3.2. Plan expérimental de l’étude du séchage convectif
3.2.1. Conditions opératoires
3.3. Résultats et évaluation des conductances de transfert
3.4. Résultats des essais
3.4.1. Relation conductance de transfert de masse et siccité des boues
3.4.2. Influence du débit de ventilation sur le transfert de chaleur
3.4.3. Influence du débit de ventilation sur la conductance de transfert massique
3.4.4. Evaluation des capacités évaporatoires pour les débits d’air testés
4. Modélisation aéraulique d’une serre de séchage conventionnelle
4.1. Description de la serre de Thuit Signol
4.2. Conditions aux limites appliquées et modèles de calcul
4.3. Résultats des simulations aérauliques de la serre de Thuit Signol
4.3.1. Profil de vitesses à la surface des boues
4.3.2. Conclusions sur la conception de l’aéraulique de la serre de Thuit Signol
5. Conception d’un dispositif de soufflage permettant l’accolement du jet à la surface des boues
5.1. Description du nouveau concept de soufflage
5.2. Paramétrage du nouveau concept de balayage d’air
5.2.1. Choix du débit d’air soufflé et de la largeur de fente
Choix du débit d’air
Choix de la largeur de fente
5.2.2. Choix du diamètre de la gaine
5.2.3. Modélisation de la serre dotée du nouveau concept de balayage d’air
5.3. Validation sur la serre expérimentale de Carnac
6. Conclusions
CHAPITRE 4 : Modélisation du séchage combiné des boues de station d’épuration par énergie solaire et pompe à chaleur
1. Résumé de l’article proposé à « International Journal of Refrigeration »
2. Sludge solar drying
3. Concept of Solar and HP sludge Drying System (S&HPSDS)
3.1. Description of the field installed Solar Heat Pump Sludge Drying (SHPSD) prototype
3.1.1. The greenhouse design
3.1.2. The mixing engine
3.1.3. Heat Pumps
3.2. Mathematical models and assumptions
3.2.1. Greenhouse and sludge modeling
3.2.2. Heat pumps modeling
3.2.3. Heat pumps control strategies
3.3. Heat exchangers modelling
3.4. Pumps and fans
3.5. Model assumptions and equations
3.5.1. Mathematical modeling
3.5.2. Results and discussion
3.5.2.1 Control strategy for an annual drying scheme
3.5.2.2 Evaluating system performance
4. Conclusion
5. Performances du séchage combiné pour différentes régulations
5.1. Analyse des performances du séchage combiné pour différentes conditions d’air ambiant
5.2. Analyse des performances du séchage combiné pour différentes conditions d’ensoleillement
5.3. Influence de l’épaisseur du lit de boues sur les performances de séchage
6. Conclusions
Conclusions et Perspectives
Références bibliographiques

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