Design, experimentation, and modeling of a novel continuous biodrying process
Notice bibliographique
Résumé
RESUME La production massive de boue provenant de l’industrie des pâtes et papiers rend la gestion efficace de cette boue un probleme grandissant et critique pour l’industrie des pâtes et papiers. Ceci est du aux hauts couts d’enfouissement et de transport, ainsi que des cadres de normalisation complexes pour les options d’epandage et de compostage. Les defis concernant le sechage mecanique des boues se sont aggraves dans plusieurs usines dus a la progression de la recuperation interne de fibre complementee par une augmentation de la production de boue secondaires, ce qui resulte en une boue mixte avec une haute proportion de matiere biologique, qui est difficilement assechee mecaniquement. Dans cette these, un reacteur de bio-sechage en continu novateur a ete concu et developpe pour secher la boue mixte d’usine de pâtes et papiers a un niveau de solide permettant la combustion securitaire et economique pour la recuperation d’energie dans une chaudiere a combustion de biomasse. En plus de l’aeration forcee, le procede de sechage est amplifie par la generation de chaleur biologique provenant de l’activite microbienne des bacteries mesophiles et thermophiles naturellement presentes dans la boue. Ceci rend le procede de bio-sechage plus attrayant comparativement a des technologies de sechages conventionnelles, puisque le reacteur est un procede auto-chauffant. Le reacteur est divise en quatre compartiments nominaux, sur le vertical, et la boue bouge de haut vers le bas du reacteur. Les temps de residence etudies ont ete de 4-8 jours, ce qui est 2-3 fois plus court que les temps de residence avec le reacteur de biosechage en mode batch et ce pour des siccites finales de la boue semblables. Une analyse des variables du procede a ete performee pour determiner les variables cles du procede de bio-sechage en continu. Les parametres ayant ete etudies sont : la biomasse en terme du pH et du ratio C/N, le temps de residence, le recyclage de la boue bio-sechee et le profile de l’humidite relative a la sortie. Deux de ces parametres ont ete reconnus comme ayant le plus d’impact sur le bio-sechage en continu : le type de biomasse en terme de nutriments (ratio C/N), une variable incontrolable, et le profile d’humidite relative a la sortie, une variable controlable. Le type de biomasse est fixe par choix, donc l’influence du profil d’humidite relative a la sortie a ete etudiee sur la performance generale et celle en deux dimensions du reacteur de bio-sechage en continu. La meilleure efficacite, avec le bio-sechage, a ete obtenue avec un profil d’humidite relative a la sortie qui controle l’evaporation d’eau interstitielle et libre a la temperature de bulbe humide pour le 1er et 2e compartiments du reacteur et l’evaporation d’eau liee et de surface a la temperature de bulbe seche dans le 3e et 4e compartiments.----------ABSTRACT Massive production of sludge in the pulp and paper industry has made the effective sludge management increasingly a critical issue for the industry due to high landfill and transportation costs, and complex regulatory frameworks for options such as sludge landspreading and composting. Sludge dewatering challenges are exacerbated at many mills due to improved inplant fiber recovery coupled with increased production of secondary sludge, leading to a mixed sludge with a high proportion of biological matter which is difficult to dewater. In this thesis, a novel continuous biodrying reactor was designed and developed for drying pulp and paper mixed sludge to economic dry solids level so that the dried sludge can be economically and safely combusted in a biomass boiler for energy recovery. In all experimental runs the economic dry solids level was achieved, proving the process successful. In the biodrying process, in addition to the forced aeration, the drying rates are enhanced by biological heat generated through the microbial activity of mesophilic and thermophilic microorganisms naturally present in the porous matrix of mixed sludge. This makes the biodrying process more attractive compared to the conventional drying techniques because the reactor is a self-heating process. The reactor is divided into four nominal compartments and the mixed sludge dries as it moves downward in the reactor. The residence times were 4-8 days, which are 2-3 times shorter than the residence times achieved in a batch biodrying reactor previously studied by our research group for mixed sludge drying. A process variable analysis was performed to determine the key variable(s) in the continuous biodrying reactor. Several variables were investigated, namely: type of biomass feed, pH of biomass, nutrition level (C/N ratio), residence times, recycle ratio of biodried sludge, and outlet relative humidity profile along the reactor height. The key variables that were identified in the continuous biodrying reactor were the type of biomass feed and the outlet relative humidity profiles. The biomass feed is mill specific and since one mill was studied for this study, the nutrition level of the biomass feed was found adequate for the microbial activity, and hence the type of biomass is a fixed parameter. The influence of outlet relative humidity profile was investigated on the overall performance and the complexity index of the continuous biodrying reactor. The best biodrying efficiency was achieved at an outlet relative humidity profile which controls the removal of unbound water at the wet-bulb temperature in the 1st and 2nd compartments of the reactor, and the removal of bound water at the dry-bulb temperature in the 3rd and 4th compartments.
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