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Une séparation propre

Installation compacte pour la déshydratation de biomasse

La station d’épuration communale de Diepholz est un client d’ISV-Umwelt.

Une centrifugeuse prépare les boues d’épuration pour leur traitement thermique. Un ensemble complet de capteurs permet la surveillance précise de l’installation – tant sur place qu’à distance. Et grâce à IO-Link, l’installation, la mise en œuvre et le service sont particulièrement efficaces.

Près de 2 millions de tonnes de boues d’épuration sont annuellement produites en Allemagne par environ 10 000 stations d’épuration. Alors que les boues étaient auparavant utilisées en grande partie comme fertilisant dans l’agriculture, elles sont actuellement de plus en plus valorisées sous forme thermique pour des motifs de protection de l’environnement. La législation prévoit qu’au plus tard en 2029 l’ensemble des boues sera utilisé dans des unités de mono-combustion pour récupérer le phosphore.

Pour pouvoir utiliser les boues comme combustible, leurs matières solides doivent être séparées de leur haute teneur en eau – qui représente plus de 97 % de la masse.

C’est là qu’intervient l’entreprise ISV-Umwelt de Langelsheim. Son fondateur et directeur Sven Penkwitt explique : « Nous construisons des installations mobiles de déshydratation de biomasse et nous les louons temporairement ou durablement à nos clients ».

Un de ces clients est la station d’épuration communale de Diepholz, où ISV-Umwelt met en place une de ses installations pour une semaine environ quatre fois par an. « Durant cette période, environ 72 tonnes de matière sèche utilisable pour une valorisation thermique sont tirées d’environ 2 400 mètres cubes de boues digérées accumulées en trois mois dans de grands bassins ».

Séparation par centrifugeuse

L’installation de séparation est un système autonome placé dans un conteneur mobile de 12 mètres de long. La pièce principale est une centrifugeuse de décantation. Son tambour tourne à 3 200 tours par minute et génère ainsi une force centrifuge correspondant à 3 000 fois l’accélération due à la gravité. Les boues d’épuration sont amenées par pompe et tuyau à partir des bassins de collecte et les matières solides, plus lourdes, sont entraînées vers l’extérieur. De là, un transporteur à vis les évacue au dehors tandis que l’eau, plus légère, reste au centre du tambour et s’écoule. Un convoyeur à bande les emporte alors vers un conteneur de collecte pour leur transport vers une centrale de cogénération. Un floculant est ajouté pour optimiser la séparation. Son type et son dosage sont ajustés à la composition des boues d’épuration concernées.

Pour une déshydratation optimale, le processus doit pouvoir être adapté individuellement aux diverses situations. C’est là qu’intervient ifm : en tant que spécialiste de l’automatisation, ifm offre une large gamme de capteurs et de solutions d’automatisation permettant d’ajuster avec précision le déroulement des process et de les visualiser et diagnostiquer avec transparence jusqu’au moindre détail.

Surveillance de la centrifugeuse

Des forces énormes s’exercent sur les deux roulements principaux de la centrifugeuse lorsque le lourd tambour imprime une vitesse de rotation extrême aux boues d’épuration parfois hétérogènes. C’est pourquoi deux capteurs de vibrations de type VVB sont vissés dans chaque roulement. Ils en surveillent constamment le comportement vibratoire.

Un type de vibration divergeant de la norme permet de détecter rapidement si la masse en question ne peut pas être correctement traitée – c’est-à-dire séparée – parce que sa consistance ou sa viscosité n’est pas correcte ou que de gros amas se trouvent dans la centrifugeuse. Le personnel de service peut alors intervenir et par exemple réduire la vitesse de la centrifugeuse pour prévenir les dommages.

L’usure sur les roulements du tambour est aussi détectée de manière précoce en fonction de l’augmentation de l’amplitude des vibrations et elle est signalée par un signal de maintenance. En outre, le capteur de vibrations est doté d’une sonde de température intégrée. Une hausse des valeurs de température révèle une augmentation de la friction due à l’usure. Sven Penkwitt : « Grâce au capteur de vibrations, nous identifions de manière précoce le moment où un roulement doit être remplacé. Nous pouvons en évaluer l’urgence et, dans le meilleur des cas, planifier les travaux de maintenance sur l’installation concernée pour qu’ils soient réalisés entre deux utilisations chez les clients. Dans tous les cas, nous savons toujours ce qui se passe. Nous pouvons prévenir de manière fiable ou au moins réduire au minimum les dommages imprévus, associés à des temps d’arrêt, chez le client ».

Groupe hydraulique

Un convoyeur à vis à entraînement hydraulique à couple élevé est placé dans l’axe central de la centrifugeuse ; il compacte et évacue les matières solides vers l’extérieur. La pression est générée par un groupe hydraulique à entraînement électrique.Un capteur de pression de type PV8, ayant une étendue de mesure de 0 à 250 bar, mesure la pression hydraulique pour commander le moteur électrique de la pompe par convertisseur de fréquence. La pression est donc utilisée pour commander le convoyeur à vis et par conséquent l’évacuation des matières solides de l’installation.

En outre, un capteur de niveau de la série LI5 est installé sur le groupe. Il détecte le niveau et la température d’huile et avertit de la non atteinte ou du dépassement des valeurs admissibles.

Surveillance de la pression, du niveau d’huile et de la température de l’huile dans le groupe hydraulique.

Surveillance de la conduite d’alimentation

Le dosage précis de l’alimentation en boues d’épuration dans la centrifugeuse est crucial pour l’efficacité du processus de séparation. Pour cela, un capteur de débit de type MID est installé dans la conduite. Ce capteur détecte de manière fiable le débit de différents fluides liquides et visqueux. Ici, la quantité amenée de biomasse ou de boues d’épuration varie entre une valeur typique de 15 mètres cubes par heure et un maximum de 56 mètres cubes par heure. Dans le système de contrôle-commande de l’installation, cette valeur est combinée avec la pompe d’alimentation et la commande de la centrifugeuse. Le capteur fonctionne selon le principe de mesure électromagnétique. L’avantage : Aucune sonde de mesure ou autre composant ne fait saillie dans la zone de mesure. La partie solide des boues d’épuration ne peut pas adhérer et ainsi la conduite n'est pas obturée.

En outre, le capteur mesure aussi la température des boues d’épuration transportées. Elles sont plus visqueuses en saison froide – un facteur déterminant qui doit être pris en compte dans l’alimentation de la centrifugeuse.

Tout dépend d’un bon mélange

Pour optimiser la séparation de phases (le terme spécialisé pour la séparation de liquides et de solides), un floculant est ajouté aux boues d’épuration. Celui-ci est individuellement adapté au type de boues d’épuration, c’est-à-dire que la recette varie selon la station d’épuration. Le floculant se compose d’eau et d’un concentré de polymère. Ces deux ingrédients sont préparés individuellement selon un rapport de mélange bien précis. Un débitmètre à vortex est utilisé à cette fin. Il mesure avec précision l’eau fournie à la cuve de préparation et régule ainsi la recette du floculant.

La cuve de préparation est elle-même équipée d’un capteur de niveau LR7000. Il utilise un radar à ondes guidées pour la mesure de niveau. L’avantage : ce principe de mesure n’est pas affecté par la formation de mousse du floculant. De plus, la sonde peut être simplement raccourcie et adaptée à la hauteur de la cuve.

Le floculant préparé est amené à la centrifugeuse avec les boues d’épuration. Un capteur de débit de type SM8020 à principe de mesure électromagnétique détermine avec précision la quantité fournie. Contrairement au capteur à vortex, ce capteur de débit peut détecter avec précision non seulement l’eau, mais aussi n’importe quel liquide, y compris le floculant polymère hautement visqueux.

Mesure sur la cuve de stockage

La cuve de stockage de concentré de polymère est surveillée par un capteur de niveau KQ1000. Ce capteur est installé à l’extérieur de la cuve et détecte le niveau à travers sa paroi. Trois signaux de commutation rappellent avec différentes priorités que la cuve doit être à nouveau remplie. Sven Penkwitt a trouvé ici une solution particulièrement pragmatique : « En fonction de l’heure de livraison et de la quantité nécessaire de produit, la position du capteur sur la cuve de stockage peut être plus ou moins haute, ce qui nous donne une flexibilité quant au délai pour passer commande ».

Facile avec IO-Link

Tous les capteurs de cette installation utilisent le protocole de communication IO-Link. Sven Penkwitt explique les avantages pour son entreprise : « IO-Link réduit le travail de câblage et permet une mise en service bien plus efficace. Le câblage se résume au vissage des connecteurs aux capteurs et aux modules. Les sources d’erreur telles que les câbles mal connectés sont éliminées. Nos premières installations étaient encore câblées conventionnellement et nous avions besoin d’environ 2 jours et demi pour câbler une station. Aujourd’hui, avec IO-Link, c’est fait en 2 heures ».

Pour Penkwitt; un avantage pertinent d’IO-Link réside dans le service : « Pour le remplacement d’un capteur défectueux, je n’ai plus besoin d’un électricien : grâce à la connexion M12 simple, chacun peut remplacer le capteur ». Une fois le nouveau capteur installé, il reçoit ses paramètres automatiquement du maître IO-Link : les seuils ou les valeurs de compteur sont simplement transmises de l’ancien au nouveau capteur. « On peut donc dire qu’IO-Link minimise les temps d’arrêt des installations sur site chez le client ».

Tandis que les capteurs conventionnels n’offrent que des sorties de commutation ou analogiques, les capteurs IO-Link intègrent également une communication numérique. Il est ainsi possible de réaliser à distance tout le paramétrage du capteur – manuellement par l’opérateur via logiciel ou automatiquement par le système de contrôle-commande, par exemple en cas de changement de recette. Il est donc facile d’optimiser le process à distance, jusqu’au réglage du capteur.

En plus des valeurs mesurées, les capteurs IO-Link offrent aussi des fonctions supplémentaires de diagnostic comme un compteur d’heures de fonctionnement, une mémoire des valeurs minimales et maximales ou des valeurs sur la qualité du signal mesuré.

Sven Penkwitt : « Nos installations peuvent être entièrement commandées et surveillées à distance. Pour cela, IO-Link est très pratique car il nous apporte une transparence maximale jusque dans le capteur. Cela nous permet une adaptation optimale du process et la localisation rapide de la source d’erreur en cas de défaillance ».

L’installation peut être entièrement commandée et visualisée à distance. Qui plus est, IO-Link assure une transparence maximale.

Conclusion

La large gamme de produits rend tout cela possible : avec les capteurs d’ifm et tous les avantages d’IO-Link, il est possible d’automatiser même une installation complexe où il faut tenir compte de nombreuses variables pour une efficacité d’utilisation maximale. Mais en plus du matériel, le service fait aussi la différence. Sven Penkwitt résume : « Chez ifm, ils savent de quoi il retourne. Que ce soit au téléphone ou sur site, ils nous comprennent et nous soutiennent. Et leur disponibilité est excellente : j’appelle avant 15 h et dès le lendemain, j’ai mon capteur. La maintenance et le service sont extrêmement importants pour nous, car je suis responsable devant mes clients. Je ne connais pas d’autre fournisseur dans le secteur de l’électrotechnique qui pourrait un tant soit peu s’approcher de ce niveau de performance. C’est pourquoi nous nous fions à ifm chaque fois que possible. Parce que nous y recevons tout ce dont nous avons besoin : compétence, fiabilité et rapidité ».