Brevet FR2411161A1 — publié le 19790706

La présente invention concerne un procédé d'optimisation de l'utilisation de énergie calorifique d'une usine de purification d'eaux usées, utilisant la digestion des boues, et des gaz produits par la digestion des boues, qui sont utilisés comme combustibles pour élever la température des boue s et pour un chauffage extérieur. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé grâce auquel une usine de purification peut ré- duire considérablement sa propre consommation de gaz de digestion de boues, ou de méthane, qui sont pr#oduits par la digestion des boues. Le méthane non consommé peut ensuite entre utilisé pour des besoins extérieurs, quand de la chaleur est nécessaire àhaute température. Normalement, une partie des gaz de digestion des boues est utilisée pour produire ltdnergie calorifique nécessaire pour maintenir cette opération de digestion et pour chauffer les batiments de l'usine de purification. Cela se fait généralement dans un bouilleur à eau chaude, chauffe au gaz. Les gaz de digestion des boues produisent de la chaleur avec un rendement de l'ordre de 85%, mais en produisant une température inutilement élevée qui est réduite en la ramenant à la valeur voulue. Mais cela implique une réduction du rendement de l'usine et une perte inutile d'énergie. L'invention a donc pour but d'utiliser les gaz de digestion des boues produits par l'usine de purification, avec une économie optimale et maximale, de manière à couvrir les besoins en énergie calorifique de l'usine et en mame temps, en utilisant l'excès de ces gaz pour produire de l'énergie calorifique à usage extérieur. Selon l'invention, ce résultat est obtenu en utilisant une pompe à chaleur du type eau-eau pour extraire la chaleur résiduelle des eaux usées. Après la dernière phase de purification, la température des eaux usées varie entre 1000 et 2000 suivant la période de 1'année. Par conséquent, une pompe à chaleur permet d'extraire l'énergie calorifique que contiennent les eaux usées et d'abaisser leur température de 700 en moyenne. Cette réduction de température correspond à un apport d'énergie calorifique d'environ 8 kWh/m3 d'eaux usées. La pompe à chaleur permet de répondre aux besoins en chaleur de l'usine de purification. Cette pompe est entraînée par un moteur à combustion interne alimenté par les gaz de digestion des boues qui sont produits. L'invention concerne donc un procédé d'optimisation de l'utilisation de l'énergie calorifique dans une usine de purification d'eaux usées. Les gaz de digestion des boues alimentent le moteur à combustion interne d'une pompe à chaleur, dont le caté évaporateur est en contact d' échange thermique avec les eaux usées pour en récuperer de l'énergie calorifique, et dont le côté condenseur émet de l'énergie calorifique vers les boues pour en maintenir la température à une valeur optimale, et vers un premier consommateur de chaleur; la chaleur que contient l'eau de refroidissement et les gaz d'échappement du moteur est récupérée et utilisée par un second consommateur de chaleur, et le reste des gaz de digestion des boues est utilisé par un troisième consommateur de chaleur. Le moteur à combustion interne peut outre un moteur Diesel modifié pour utiliser du méthane comme combustible. Normalement, unepartie considérable de l'énergie que contient le combustible est perdue sous forme de chaleur pendant la combustion, cette chaleur perdue se trouvant dans l'eau de refroidissement et les gaz d'~chappement du moteur. Cette chaleur perdue est utilisée, selon l'invention, par un échange thermique approprié. Le rendement du moteur à combustion interne est normalement de l'ordre de 40%. Bien entendu, d'autres moteurs peuvent titre utilisés, ou le moteur Diesel peut entre alimenté par du combustible ordinaire, mais il est néanmoins avantageux pour les usines de purification d'utiliser leurs propres gaz de digestion des boues au lieu d'acheter un combustible comateux. Ceci permet de réduire les importations de combustibles du pays. La chaleur récupérée dans les eaux usées et dans la chaleur perdue du moteur est utitisée pour maintenir la digestion des boues à sa température optimale, de l'ordre de +350CI et pour chauffer de l'eau à environ 5000 afin de chauffer les batiments de l'usine de purification, ce qui permet d' utiliser les gaz de digestion des boues dans un bouilleur à gaz pour produire un agent de transport de chaleur à basse température. Ce qui reste des gaz de digestion des boues peut titre utilisé dans un bouilleur à gaz pour produire un agent thermique à haute température ou de l'eau, par exemple à +1200CI pour la distribution de chaleur en ville ou pour produire la vapeur à haute pression. Une usine de purification peut distribuer et vendre l'énergie primaire à des consommateurs de haute température. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Au dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs: La Fig. 1 est un schéma dtun premier mode de réalisation de l'invention et, la Fig 2 est un schéma d'un second mode de réalisation de l'invention. Une usine selon l'invention comporte une pompe à chaleur 11 entraînée par un moteur à combustion interne 12 qui reçoit, en 13, comme combustiblet des gaz de digestion des boues, par ticulièrement du méthane, et un bouilleur à gas 14 qui brûle directement les gaz de digestion des boues reçus en 15. De plus, l'usine comporte des échangeurs thermes et des conduites. La qui nature exacte de I'instailation/permet d'obtenir l'effet désiré est classique et elle ne sera donc pas décrite en détail. Il sera supposé que la température moyenne des eaux usées circulant en 16, est 1500 pendant une année, que la température au condenseur de la pompe à chaleur est 530CI que sa température de vaporisation est 0 et que le rendement total de Carnot de la pompe à chaleur est 05. Le facteur thermique sans utilisation de la chaleur perdue du moteur à combustion interne est calculé par l'équation: 2710K i + 0,5 x 550K = 3,48 (i) Si le rendement de la pompe à chaleur, etc. est considéré, le facteur thermique pratique est de l'ordre de 3,1. Si le rendement du moteur à combustion interne est supposé titre 409 et si la chaleur perdue du moteur est utilisée avec un rendement de 75%, le rendement global de la pompe à chaleur devient 0,4 x 3,1 + 0,6 x 0,75 = 1,69 (2) Ce chiffre doit Titre comparé avec le rendement de 0,85 qui est obtenu dans les meilleures conditions d'utilisation normale des gaz de digestion des boues dans une usine de purification à savoir la combustion dans un bouilleur à eau chaude pour ob tenir dè l'eau à une température entre 8000 et 90 C, cette eau étant utilisée, après mélange avec de l'eau froide, à une température de 50 à 7000 pour l'opération de digestion et pour chauffer les batiments. Un calcul de l'énergie montre que d'une part, beaucoup plus d'énergie peut Etre obtenue à partir des gaz de digestion des boues selon l'invention et que d'autre part, beaucoup plus de gaz de digestion des boues peuvent titre libérés pour produire de l'énergie thermique à une température plus élevée. I m3 (toujours considéré à température et pression normales dans la présente description) de gaz de digestion des boues contient environ 6,4 kWh en chaleur. A l'utilisation normale dans une usine de purification 0,85 x 6,4 = 5,44 kWh/m3 (3) sont utilisés au mieux pour la consommation de usine et à une température inutilement élevée. Selon l'invention, a) 0,4 x 6,4 x 3,1 = 794 kWh/m3 (4) sont utilisés à partir des eaux usées, et b) 0,6 x 6,4 x 0,75 = 2,88 kWh/m3 (5) à partir de la chaleur perdue du moteur. Un m3 de gaz de digestion des boues donne environ 10,8 kWh/m3 chiffre à comparer avec les 5,44 kWh/m3 précédents. Autrement dit, l'énergie calorifique a été doublée et en mtme temps, l'énergie a été obtenue à des températures correctes. Cela veut dire qu l'usine de purification utilisera une quantité beaucoup moindre de gao de digestion des boues d'une haute qualité sur le plan thermo-technique pour couvrir ses besoins en chaleur1 pour l'opération de digestion et pour le chauffage du batiment, à savoir environ 59% du besoin antérieur. Ainsi, 41* des gaz de digestion sont libérés pour produire de la chaleur à température élevée. L'invention sera mieux illustré en regard de deux modes de réalisation. Les éléments de départ suivant seront utilisés. Une usine de purification produit 40.000.000 m3 d'eaux usées purifiées par an, dont la température varie entre 10 et 200 C. 100.000 m3 de boues d'une teneur en matières sèches d'environ 3,59 sont traités par an. Cela fournit 4.500.000 m3 de gaz de digestion des boues par an, contenant 6,4 kWh/m3 en énergie calo rifique. Le chauffage utilisé jusqu'à présent consomme 600.000 m3 de gaz de digestion de boue par an pour l'opération de digestion et, par exemple, ~ 1.100.000 m3 par an pour chauffer des batiments, soit au total 1.700.000 m3 par an. Cela correspond à une valeur d'énergie calorifique de combustion utilisée d'environ 9,25 GWh par an si le rendement normal de l'usine et 85%, comme ci-dessus. 2.800.000 m3 de gaz de digestion de boues par an au total peuvent autre utilisés pour d'autres fonctions. Le premier exemple est illustré schématiquement par la Fig. 1. L'usine de purification est supposée vendre une quantitd maximale de gaz de digestion des boues ou de chaleur produite à partir des gaz dans un bouilleur à gaz 14 à haute température. La quantité de gaz de digestion des boues juste nécessaire pour couvrir les propres besoins en chaleur est utilisée pour l'alimentation de la pompe à chaleur. La température des eaux usées est réduite de 700. Le besoin propre en gaz de digestion est donc ~~~~~ 3 9250.000 x 0,59 = 853.000 m3/an (6) 6,4 Ainsi, 853.000 m3 par an peuvent titre utilisés pour l'extérieur ce qui correspond à une économie d'énergie d'environ 5,4 GWh par an, soit 270 tonnes de combustible pétrolier par an. énergie calorifique extraite des eaux usées est 7,94 x 910.000 = 7.200.00 kWh/an = 7,2 GWh/an (7) Ainsi, 900.000 m3 d'eaux usées sont utilisées par an, soit environ 2,3% du débit total dans l'usine. L'énergie calorifique utilisée à partir de la chaleur perdue du moteur, à haute température (environ 90 C) est 2,88 x 853.000 = 2.500.000 kwh/an = 2,5 GWh/an (8) L'exemple 2 est illustré schématiquement sur la Fig. 2. L'usine de purification doit produire une quantité maximale d'énergie calorifique, d'une part à basse température par l'ex- traction de chaleur des eaux usées selon l'invention et d'autre part par l'utilisation de la chaleur perdue par le moteur de la pompe à chaleur, à une température de l'ordre de 90 à 12000. Dans ce dernier cas, tous les gaz de digestion produits sont utilisés pour le moteur de la pompe à chaleur (ou plusieurs s'il y a lieu). A partir de la quantité totale des gaz de digestion des boues produits par an 7,94 x 4.500.000 = 35,7 GWh/an (9) de chaleur à basse température peuvent etre extraits des eaux usées. Ainsi, 4.466.000 m3 d'eaux usées par an ou 11,2% du débit total dans l'usine sont utilisés Dans cette quantité de chaleur, environ 9,3 GWh/an sont nécessaires pour ouvrir les propres besoins en chaleur à basse température. L'excès de 26,4 GWh/an peut titre utilisé selon l'invention, pour des besoins extérieurs. L'énergie calorifique qui peut Outre récupérée à plus haute température à partir des pertes de chaleur du moteur est 2,88 x 4.500.000 = 13,0 GWh/an (io) En préchauffant l'eau de retour d'un circuit de distribution de chaleur d'une température inférieure à 509C au moyen de la pompe à chaleur, jusqu'à environ 50 C, l'excès de 26,4 GWh/an est utilisé partiellement, puis en chauffant l'eau jusqu'à une température supérieure par échange thermique avec liteau de re froidissement chaude et les gaz d'échappement du moteur, et en fin, s'il y a lieu en chauffant encore lleau par le bouilleur à gaz jusqu'à une température dépassant 95oc, l'usine de puri fication peut produita au maximum de l'ordre de 36 GWh/an d'énergie calorifique. Environ 27 GWh/an de cette quantité de chaleur peuvent titre utilisés pour chauffer des habitations du voisinage pendant la période d'hiver, et pour chauffer la distribution d'eau chaude pendant toute l'année. Cette quantité de chaleur suffit pour couvrir les besoins totaux en chaleur d'environ 1000 appartements. il apparait ainsi que l'invention concerne un nouveau procédé d'utilisation de l'énergie d'une usine de purification d'eaux usées grâce auquel de énergie calorifique est obtenue à bon marché et à haute température. il est bien évident que de nombreuses modifications peuvent Entre apportées au procédés décrit et illustré sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'optimisation de l'utilisation d'énergie calorifique d'une usine de purification d'eaux usées utilisant la digestion des boues, les gaz de digestion des boues produits dans l'opération de digestion étant utilisés comme combustible pour élever la température des boues et pour des besoins extérieurs en chauffage, procédé caractérisé en ce que les gaz de digestion des boues alimentent un moteur à combustion interne une pompe à chaleur, dont le côté évaporateur est en contact d'échange thermique avec les eaux usées pour en extraire de l'énergie calorifique, dont le cbté condenseur émet de énergie calorifique vers les boues pour maintenir leur température à un niveau optimal et vers un premier consommateur énergie calorifique, l'énergie calorifique que contiennent l'eau de refroidissement et les gaz d'échappement du moteur à combustion interne étant utilisée et usée par un second consommateur d'énergie calorifique et le reste des gaz de digestion des boues étant utilisés par un troisième consommateur d'énergie calorifique. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que toute l'énergie calorifique qui est émise par le côté condenseur de la pompe à chaleur est utilisée pour chauffer les boues. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cttd condenseur de la pompe à chaleur emet de l'énergie calorifique vers un agent de chauffage dans un premier circuit de chauffage par l'intermédiaire d'un échangeur thermique , l'énergie calorifique que contient l'eau de refroidissement et les gaz d'échappement du moteur à combustion interne étant échangée thermiquement avec un agent de chauffage dans un second circuit de chauffage, les gaz de digestion des boues étant brulés dans un bouilleur à gaz dont la chaleur émise est échangée thermiquement avec le second circuit de chauffage, et l'agent de chauffage du second circuit de chauffage étant utilisé pour des besoins extérieurs en température élevée. 4 - Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le côté condenseur de la pompe à chaleur émet de l'énergie calorifique vers un agent de chauffage dans un premier circuit de chauffage, un agent de chauffage dans un second circuit de chauffage étant d'abord chauffé par de l'énergie calorifique émise par le côté condenseur de la pompe à chaleur et étant ensuite chauffé à une température plus élevée par l'énergie calorifique de l'eau de refroidissement et des gaz dtéchappe ment du moteur à combustion interne. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le second agent de chauffage est en outre chauffé par de l'énergie calorifique produite par combustion directe des gaz de digestion des boues dans un bouilleur à gaz.