Soutenance mémoire
Etude des équipements
Après plusieurs années de développement et de fonctionnement de l’unité de recyclage des pneus usagés, Alpha Carbone a décidé de réviser le process à la lumière du retour d’expérience accumulé. La révision consiste à améliorer les performances des différentes étapes du process et réduire les coûts de production, de plus la révision vise l’amélioration des caractéristiques du rCB pour répondre au mieux aux besoins du marché.
Le projet comporte plusieurs tâches planifiées et réparties entre les membres du bureau d’ingénierie.
Les tâches qui m’ont été confié sont diverses, ce qui m’a permis à la fois de travailler avec les différents membres du bureau ainsi que sur les différents blocs du procédé.
Bloc des rejets liquides : Etude de la séparation et du pompage des eaux jaunes
Contexte
Les eaux jaunes sont un résidu de la condensation des gaz de thermolyse, elles correspondent aux eaux de refroidissement et à la vapeur d’eau condensée, souillées au contact des hydrocarbures et des eaux de refroidissement. La charge en hydrocarbure après la décantation est à hauteur de 1% volumique.
La décantation se fait à l’aide d’un séparateur statique qui permet de récupérer le fioul et eaux jaune séparément. Ci-dessous un schéma représentant les trois phases du décanteur.
Les eaux jaunes sont alors valorisées en divers points du procédé, elles sont injectées au cyclone et dans le condenseur primaire afin de refroidir les gaz de thermolyse et une partie est injectée dans les foyers de combustion, ce qui permet de réguler la température des foyers et d’améliorer l’échange thermique au sein du réacteur. Le procédé permet donc de valoriser ce déchet sur place.
L’amélioration de la décantation optimise la qualité du fioul, en effet, la teneur en eau dans le fioul est un des indicateurs de qualité pour la commercialisation, de plus une décantation optimisée maximise les quantités de fioul produites.
Décantation des eaux jaunes
Principe de décantation
Les eaux jaunes récupérées via les condenseurs primaires et secondaires sont rassemblées dans le décanteur pour séparer les eaux du fioul. La séparation est due à la différence de densité entre l’eau et le fioul. Le décanteur permet aussi de décanter les particules de rCB entrainées avec le condensat, Le mélange est introduit au milieu de décanteur, après décantation, le flux est séparé en trois flux, le fioul est soutiré du haut, les eaux jaunes sont soutirées du bas et finalement les bitumes au fond qui sont éliminés par une entreprise spécialisée.
Le décanteur a l’objectif de séparer l’eau du fioul et de décanter le maximum des particules de rCB en même temps, le mélange est hétérogène et bien brassé au cours de son écoulement dans les conduites.
Le décanteur est capable de séparer facilement la majorité des fractions du mélange mais l’objectif de l’amélioration est de séparer les dernières gouttelettes qui persistent.
Comprendre le principe de la décantation est primordial pour résoudre les dysfonctionnements et optimiser le process. La décantation en principe est un déplacement des particules solides ou des gouttes de liquide non miscible dans un fluide sous effet de pesanteur (ou forces centrifuge).
Le déplacement dépend de plusieurs forces qui agissent et contrôlent le phénomène de la décantation, ces forces sont : la gravité, la viscosité, l’inertie et la poussée d’Archimède. La vitesse limite de chute peut être calculée en fonction du régime d’écoulement autour des particules.
Dysfonctionnements et observations:
Le décanteur présent plusieurs contraintes qui diminuent la performance de séparation.
Le point d’alimentation de mélange
Le mélange est introduit à travers une canne à hauteur réglable manuellement, la canne est placée au haut du décanteur. Le niveau d’injection n’est pas maitrisé, du fait que le niveau du liquide et de phase d’interface varie continuellement. La différence des débits d’alimentation et de soutirage maintient le risque de descente du niveau de liquide au-dessous de la canne. En plus l’écoulement vertical et l’éventuelle chute de liquide dégradent le rendement de la décantation.
La formation de vortex dans le décanteur
Lors de l’ouverture maximale de la vanne de soutirage des eaux jaunes, on observe la formation de mouvements giratoires à l’intérieur du décanteur (vortex). Les mouvements de rotation ajoutent des forces et des vitesses qui perturbent la décantation.
Toutefois, l’ouverture partielle de la vanne permet d’éviter la formation des vortex et d’après le retour d’expérience une ouverture de la vanne à 50% ne produit pas les vortex.
Décantation des particules du noir de carbone
Les particules du rCB sont très fines et emporté facilement avec les produits gazeux de thermolyse.
Après refroidissement des fumées le condensat en entraine une certaine quantité dans le décanteur.
Le rCB détecté dans le fioul ne présente pas de contrainte une fois utilisé en interne, les bruleurs des foyers de combustion sont adaptés, mais il touche à la qualité du fioul qui est destiné à la commercialisation. Par contre la présence des particules ne pose pas un problème majeur pour les eaux jaunes, la taille des particules de rCB est très petite pour boucher les buses, sachant également que le circuit des eaux jaunes dispose des filtres qui protègent ces buses.
En tout cas, une meilleure décantation permettra d’avoir une meilleure qualité de fioul et de minimiser les entretiens des filtres et des buses sur le circuit de pompage des eaux jaunes.
Déplacement de niveau d’interface
Le niveau d’interface entre le fioul et les eaux jaunes est instable, sa position dépend du soutirage des deux phases et de la charge de l’alimentation. Le décanteur est équipé d’un capteur de niveau pour détecter le niveau d’interface mais ce dernier n’est pas fiable et il est courant de perdre le niveau. Après chaque perte de niveau il faut retirer et nettoyer le capteur pour avoir des résultats fiables.
La cause des pertes de niveau n’est pas encore connue, les causes possibles sont plusieurs à savoir :
– L’épaisseur de niveau d’interface est très grande.
– Le capteur perd la précision une fois souillé.
– Le soutirage de fioul épuise la couche de fioul et le niveau d’interface atteint la surface libre.
La maîtrise de position de niveau d’interface et primordiale pour la performance du décanteur, or le changement du capteur de niveau, la solution envisageable est de maîtriser les flux d’alimentation et de soutirage pour stabiliser les hauteurs des phases, cette solution sera développée avec la contrainte de soutirage des produits de décantation.
Soutirage de fioul
Le niveau de surface de fioul varie continuellement et puisque le capteur de niveau n’est pas précis ainsi que le point de soutirage est fixe, il y a un risque de perdre la phase fioul et de soutirer les eaux jaunes si le niveau d’interface monte.
Vitesse limite de décantation
En appliquant la relation de Stokes sur les particules de NC on obtient une vitesse de 0,43 m/h, la vitesse est donc très faible et les particules nécessiteront plus que 6h pour décanter.
Il est difficile de déterminer la vitesse de décantation des eaux jaunes et du fioul puisque nous n’avons pas un diamètre des gouttelettes fixe. Le temps de séjour moyen dans le décanteur est de 14h50min, dans cet intervalle de temps le diamètre minimal des gouttelettes d’eau décantable à travers une couche de 50cm de fioul est de 21µm, les gouttelettes ayant un diamètre plus faible seront soutirées très probablement avec le fioul.
Solution d’améliorations
Les actions envisageables sont nombreuses. Une des variantes étudiées est de changer le décanteur complétement, cette solution est en cours d’étude avec des fournisseurs spécialisés.
Dans ce qui suit nous allons étudier les améliorations possibles sur les équipements existants pour comparaison. Le but des améliorations est de favoriser les conditions de décantation et de limiter les facteurs nuisibles à la séparation.
Extension de la canne d’alimentation
Le réglage de niveau de la canne d’alimentation est manuel et quand le niveau de liquide baisse au dessous de la canne, le liquide en chute engendre des mouvements parasites à la décantation et des émulsions qui montent à la surface.
D’après le retour d’expérience sur la position de la canne d’alimentation, une insertion de 0,5 m au dessous de la surface libre de la phase fioul favorise la séparation du fioul.
Ajouter une cloison en forme divergente et courbée (figures 10) comme extension de la canne, permettra d’atténuer la vitesse d’écoulement et de changer le sens d’écoulement en écoulement horizontal. En plus, le liquide sera orienté vers les parois du décanteur sur lesquels il s’écoulera en couche mince en cas de baisse de niveau.
La position des plaques
La position optimale des plaques est au milieu du décanteur au niveau d’interface, installer les plaques à ce niveau optimise le rendement total du décanteur. La phase d’interface contient la majorité de mélange dispersé, la favorisation de séparation dans cette phase diminuera son épaisseur et augmentera les épaisseurs des autres phases en haut et en bas.
Ce choix est justifié malgré que cette position présente la contrainte de déplacement du niveau tant qu’il n’est pas encore maitrisé.
La conception des flux
La conception des flux est relative aux constituants du mélange, dans la phase fioul on peut considérer que la décantation des gouttelettes des eaux jaunes et des particules de NC se fait en flux contre-courant, dans la phase des eaux jaunes on peut considérer que le flux est en contre courant pour les gouttelettes de fioul et co-courant pour le NC.
La conception contre-courant permet une organisation hydraulique plus fiable [8] ce qui favorisera majoritairement la séparation de fioul et le rendement de séparation des autres constituants sera amélioré en tout cas.
Nombre des plaques
Le régime d’écoulement entre les plaques dépend de la vitesse d’écoulement et l’écartement des plaques.
Pour optimiser il faut calculer le nombre des plaques maximal qui nous permet d’avoir un régime d’écoulement laminaire.
L’écoulement des deux fluides se fait dans deux sens opposées, pour calculer la vitesse maximale nous allons simplifier en supposant que les deux fluides sont séparés et chacun occupe une couche limite entre les plaques, la hauteur de la couche limite de chaque fluide est proportionnelle à son débit séparé.
Installation d’un antivortex
En absence de théorie précise qui permet de déterminer les conditions d’apparition de vortex [9], l’étude nécessite des essais pour déterminer les paramètres à satisfaire pour éviter les écoulements tourbillonnaires.
De ce fait, nous allons se limiter à installer un antivortex qui a la fonction de limiter l’écoulement giratoire et inhiber la formation de vortex. Les antivortex empêchent les mouvements giratoires en forçant l’écoulement au voisinage de l’orifice à travers des obstacles.
En plus, une procédure de soutirage des eaux jaunes sera déterminée, d’après le retour d’expérience actuelle la procédure consiste à ouvrir la vanne à 50%, cette valeur sera revérifiée et redéfinie par des tests d’ouvertures de la vanne supérieures à 50%.
Soutirage en trop-plein
Le soutirage du fioul et des eaux jaunes ne se produira qu’au moment où le niveau de liquide dépasse la hauteur de niveau des trop-pleins (voir schéma). Le niveau de trop-plein du fioul et des eaux jaunes doit être le même pour éviter l’accumulation de l’un des deux dans le décanteur.
Les débits d’alimentation des deux fluides ne sont pas égaux, de ce fait le soutirage doit respecter les débits théoriques avec suivi du niveau d’interface. Si jamais le niveau d’interface est maîtrisé il sera un paramètre de régulation des débits de sortie pour maintenir la hauteur de chaque phase.
Ecoulement dans la cuve
La recirculation des eaux jaunes va augmenter le soutirage de la pompe d’alimentation et par conséquence, agiter le liquide dans la cuve. L’agitation des particules déposées au fond de la cuve dépend de plusieurs facteurs :
• La distance entre le point de soutirage et les points d’alimentation,
• Le régime d’écoulement dans la cuve
• La taille des particules.
Toutefois, le débit reste assez faible par rapport au volume de la cuve ( 51 m ), les plus petites particules ne présentent pas de risque pour les buses de pulvérisation, mais nous avons un grand intérêt d’établir un régime d’écoulement laminaire pour empêcher les particules de grande taille qui ont réussi à atteindre la cuve de stockage.
Afin de vérifier le régime d’écoulement, nous avons calculé le nombre de Reynolds en fonction de la hauteur du liquide pour un débit de 3 m3 /h. la vitesse d’écoulement est très faible pour les hauteurs importantes, la turbulence est probable juste pour les faibles niveaux du liquide.
Dans le cas des faibles niveaux, le diamètre de la cuve est assez grand pour assimiler l’écoulement à un écoulement sur une surface plate (le nombre de Reynolds Rex dépend de la distance parcourus), pour un niveau de 10 cm la valeur de Reynolds maximale (sur toute la longueur de la cuve) est égale à 44.103, c’est juste à des niveaux inférieurs à 2cm que le nombre de Reynolds dépasse la valeur critique est égale à 500000.
On en déduit que l’écoulement reste laminaire en générale, mais il faut purger la cuve périodiquement pour éviter l’accumulation excessive au fond.
Coût des modifications
Le coût des propositions nécessite recenser les équipements à adapter et avoir le schéma de circuit de retour qui n’est pas encore définie.
Bloc combustion : Etude du mélange des fumées et de la récupération de la chaleur
Contexte
La température des fumées est un paramètre important dans le processus de vapothermolyse. La température des fumées au niveau des foyers est supérieure au besoin dans le réacteur, de ce fait, les fumées sont mélangées avec de l’air ambiant via un mélangeur situé en aval des foyers avant de les envoyer au réacteur.
Le mélangeur présente un disfonctionnement particulier, le sens de flux des fumées est souvent inversé vers le foyer haut, le ventilateur de soutirage se montre insuffisant pour maintenir le bon fonctionnement de mélangeur
A la fin du process, juste une partie de la chaleur des fumées est valorisée via le générateur de vapeur, ensuite les fumées sont refroidies par un quench avant d’être traité et libéré, actuellement un nouveau projet est en cours d’étude pour la récupération de la chaleur perdu et la valorisation énergétique de la totalité des gaz de thermolyse.
La valorisation des gaz de thermolyse peut prendre plusieurs façons, la valorisation matière exige répondre à plusieurs normes et mener plusieurs procédures administratives pour la commercialisation du produit. Plus simple que la valorisation matière, la valorisation énergétique est aussi valable, elle permet principalement de maintenir l’autonomie énergétique du site, d’alléger la complexité du procédé et de produire des gains à travers la vente de l’énergie.
Dans ce qui suit, nous allons étudier les dysfonctionnements du mélangeur et proposer des solutions adaptées, ensuite nous allons étudier une partie du nouveau projet qui consiste à dimensionner un échangeur qui va transférer la chaleur des fumées vers le réseau de chaleur de la ville sous forme d’eau chaude. De plus je vais présenter des solutions à une contrainte de sécurité sur le circuit des fumées et un développement de la procédure de démarrage des foyers.
Etude du mélangeur des fumées
Fonctionnement du mélangeur
Le mélangeur comporte trois entrées et une sortie, les fumées des foyers haut et bas sont mélangées avec de l’air froid pour diminuer leurs températures, le débit de l’air introduit est proportionnel au débit des fumées.
Injection de l’air
Les modifications envisageables sur le mélangeur sont difficiles et limitées et suite aux simulations précédentes nous avons remarqué l’effet de l’entrainement des fumées par l’air, de ce fait nous allons modéliser deux modifications sur l’injection de l’air, la première consiste à mettre une extension de la conduite d’air jusqu’au centre du mélangeur et la deuxième consiste à réduire le diamètre de la conduite existante (voir les figures de simulation).
Les conditions aux limites des entrées seront « masse flow inlet » et celle de la sortie restera la même « pressure outlet », le choix est fait pour décrire les conditions nécessaires pour un bon fonctionnement d’écoulement et de débit et les résultats seront comparés avec les résultats précédents de même type.
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Table des matières
Introduction
I. Alpha Carbone : la valorisation innovante de pneumatiques
A. Alpha Recyclage Franche Comté
B. Alpha Carbone
C. Procédé de vapothermolyse
1) Composition d’un pneumatique
2) Présentation du procédé
II. Etude des équipements
A. Bloc des rejets liquides : Etude de la séparation et du pompage des eaux jaunes
1. Contexte
2. Décantation des eaux jaunes
3. Circuit d’injection de l’eau jaune
4. Conclusions et propositions d’amélioration
B. Bloc combustion : Etude du mélange des fumées et de la récupération de la chaleur
1. Contexte
2. Etude du mélangeur des fumées
3. Echangeurs thermiques
4. Sécurité de la vanne à trois voies
5. Traduction de la procédure de chauffage des foyers en logarithme
6. Conclusions
C. Bloc solide : Amélioration de la gestion du débit de rCB et de l’évacuation des résidus métalliques
1. Contexte
2. Flux de matière dans le bloc solide
3. Gestion du débit de rCB
4. Gestion de la benne des résidus solides
5. Conclusions
III. Evaluation des émissions GES
A. Inventaire des émissions GES de vapothermolyse
1. Périmètre de l’inventaire
2. Collecte des données des émissions GES
3. Résultats
4. Comparaison et conclusion
IV. Conclusion générale
Liste des figures
Liste des tableaux
Bibliographie
Annexe
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