Conception d'un récupérateur de chaleur visant l'augmentation de l'efficacité énergétique d'un procédé de gazéification des résidus solides urbains

Abstract

La gazéification des résidus solides urbains (RSU) est une technologie qui permet de produire de l'électricité, de la chaleur, du gaz de synthèse ou des biocarburants à partir de déchets qui seraient autrement enfouis. Elle aborde donc simultanément les problématiques environnementales de la gestion des matières résiduelles et de la production d'énergie renouvelable. Enerkem est une entreprise sherbrookoise qui se spécialise dans la gazéification de résidus de toutes sortes, dont les RSU. L'efficacité énergétique de son procédé pourrait augmentée de 5,6 à 11,2% par l'ajout d'un récupérateur de chaleur. Pour qu'il fonctionne correctement, celui-ci doit être installé avant le système de lavage, à une étape où le syngaz contient encore plusieurs contaminants. Ces contaminants sont déterminants dans la conception du récupérateur de chaleur puisqu'il est nécessaire de minimiser l'entartrage des surfaces d'échange pour en assurer la fiabilité à long terme. Ce projet de maîtrise vise à concevoir un récupérateur de chaleur pour augmenter l'efficacité énergétique du procédé d'Enerkem lors de la gazéification des RSU. Pour y arriver, les contaminants dans le syngaz issu de la gazéification des RSU ont été échantillonnés à l'usine pilote d'Enerkem. La caractérisation de ces contaminants a permis de trouver la concentration et la composition des goudrons ainsi que la concentration et la taille des particules contenus dans le syngaz. L'élaboration d'un modèle de calcul du point de rosée a ensuite permis de déterminer la température minimale du syngaz pour éviter la condensation des goudrons. Des gammes de vitesses de syngaz sont également identifiées en fonction des caractéristiques des particules. Une géométrie souhaitable pour le récupérateur de chaleur est ensuite identifiée à l'aide de références bibliographiques. À partir de cette configuration, des calculs de transfert de chaleur ont permis d'étudier le dimensionnement ainsi que les risques d'entartrage du récupérateur de chaleur en fonction de la variation de plusieurs conditions d'opération. Les paramètres variés sont les températures d'entrée et de sortie du syngaz, la vitesse d'écoulement ainsi que la pression du syngaz et du fluide d'échange, et finalement le diamètre des tubes dans le récupérateur. Ces calculs sont effectués pour quatre fluides d'échange différents, soit l'eau, l'air, la vapeur et l'huile thermique. Les fluides d'échange appropriés pour le récupérateur de chaleur sont identifiés. La dernière partie du projet consiste au dimensionnement d'un récupérateur de chaleur adapté à l'usine pilote d'Enerkem. Un fluide d'échange est choisi, de même qu'un matériau de fabrication résistant bien à la corrosion en milieu réducteur. Les dimensions du récupérateur sont calculées en fonction du débit nominal de syngaz de l'usine pilote ainsi qu'en considérant les limites d'espace du bâtiment. L'effet de l'entartrage du récupérateur est quantifié.