Voici quelques réflexions concernant les agitations verticales utilisées dans les installations de méthanisation. Nous allons aborder les aspects techniques suivants :
- - influence des aspects physico-chimiques des déchets,
- - influence de la géométrie de l’installation,
- - influence des performances hydrauliques.
Influence des aspects physico-chimiques des déchets
L’industrie française a choisi de traiter dans les unités de méthanisation un large spectre de déchets tant par :
- - leur nature : solide, liquide ;
- - leur type : lisiers, déchets alimentaires, déchets agricoles, tontes, farines… ;
- - la densité et la granulométrie des solides.
Le spectre des densités est donc étendu. De plus, la mesure de viscosité permet de déterminer le comportement rhéologique (newtonien ou non-newtonien). Si le liquide est non newtonien, il faut en tenir compte pour dimensionner l’agitateur et calculer le diamètre de la zone de mélange.
Influence des aspects géométriques des cuves
Influence de la hauteur de cuve
Dans la mesure où l’exploitation des cuves doit rester la plus simple possible, il faut prohiber les systèmes de guidage de l’arbre en fond de cuve.
Bien qu’ils aient l’avantage d’optimiser la chaîne cinématique pour des hauteurs de cuve élevées, ils ont l’inconvénient de devoir être contrôlés régulièrement, ce qui implique un accès dans la cuve, afin de vérifier qu’ils remplissent bien leur rôle de guidage.
Ils peuvent de plus être sensibles à la présence de solides abrasifs.
Il existe ensuite deux seuils, à quantifier selon la puissance installée et la géométrie de l’appareil (figure 1).
[Photo : Figure 1]
- - Seuil A en dessous duquel la version sans palier de fond est moins chère qu’une version avec palier de fond.
- - Seuil B en dessous duquel il est possible de définir une chaîne cinématique sans palier de fond, mais qui est lourde donc chère. Ce type d’agitateur est présent dans le stockage d’acide phosphorique.
- - Seuil B au-dessus duquel la chaîne cinématique est trop éloignée de l’optimum technique pour que cette solution soit viable.
En conclusion, de façon optimale, il faut viser une hauteur de cuve inférieure ou égale au seuil A.
Influence du diamètre de cuve
Il y a deux manières d’aborder le diamètre de cuve :
- - Installer un seul agitateur. Dans ce cas, le diamètre a une influence sur le coût de l’agitateur. En effet, nous limitons le diamètre des mobiles à 5 mètres. Or, lorsque le ratio diamètre de mobiles sur diamètre de cuve devient faible, les seules possibilités pour augmenter les performances hydrauliques sont :
- * d’augmenter la vitesse de rotation. Or, ce principe a deux conséquences :
- · augmentation de la puissance installée, sachant que la puissance est proportionnelle à la vitesse au cube, et
- · augmentation des performances proportionnelle au nombre de débit des mobiles (cf. tableau 1 sur un cas théorique).
En d’autres termes, lorsque le diamètre de cuve est élevé, il n’est plus possible d’ajuster le couple diamètre de mobile/vitesse de rotation. Ce qui ne correspond pas à l’optimum de consommation énergétique, ni de dimensionnement mécanique.
- - Installer plusieurs agitateurs. Dans le choix de cuves de grand diamètre, c’est la solution à privilégier.
Influence des performances hydrauliques
Nous n’avons pas connaissance d’une étude paramétrique qui ferait le lien entre le rendement de méthanisation et le degré
Tableau 1 – Calcul du ratio puissance installée sur volume de cuve
| Cas n° |
1 |
2 |
3 |
4 |
| Volume de cuve |
V/2 |
V |
2,5 V |
5 V |
| Diamètre de cuve |
0,7 T |
T |
2 T |
3 T |
| Diamètre mobile (*) |
0,35 × (0,7 T) |
0,35 T |
0,2 × (2 T) |
0,13 × (3 T) |
| Vitesse de remontée : |
|
| Vitesse dans l’espace annulaire entre la paroi de cuve et le mobile |
Identique |
|
|
|
| Vitesse de rotation |
N × 1,43 |
N |
N × 2,9 |
N × 6,75 |
| Puissance installée |
P × (1,43)³ × (0,7)² = 0,49 P |
P |
P × (2,9)³ × (0,4/0,35)² = 47,5 P |
P × (6,75)³ × (0,39/0,35)² = 528 P |
| Ratio puissance installée / volume |
0,98 P/V |
P/V |
19 P/V |
105,6 P/V |
(*) Type de mobile et nombre de pales identiques.
Ceci serait néanmoins fort utile pour valider le degré d’agitation et permettrait de statuer s’il doit être du même ordre de grandeur quel que soit le type de déchet. Il est important de créer au sein du liquide des flux verticaux favorables à l’homogénéisation.
On peut les obtenir de trois manières :
• Par la mise en place d’écrans anti-cavitation dont la largeur correspond à environ un dixième du diamètre de la cuve (figure 2),
• Par l’excentration de l’agitateur (figure 3),
• Par l’inclinaison de l’agitateur (figure 4).
Conclusion
Il est fortement conseillé de poser le problème en amont en gardant à l’esprit trois objectifs :
— Étudier et optimiser l’ensemble cuve/agitateur indissociable pour un projet viable.
— Estimer les performances à chaque étape de l’étude pour valider le procédé étape par étape.
— Se nourrir du retour d’expérience lors des montages et démarrage sur site des agitateurs afin d’aller toujours dans le sens de l’amélioration de nos systèmes d’agitation.
[Photo : Figure 2 – Mise en place d’écrans anti-cavitation.]
[Photo : Figure 3 – Excentration de l’agitateur.]
[Photo : Figure 4 – Inclinaison de l’agitateur.]
