Brevet FR2201256A1 — publié le 19740426

L'invention est relative à l'oxydation de déchets carbonés pour obtenir un effluent écologiquement acceptable. Plus particu lièrement elle concerne l'oxydation par voie humide de déchets carbonés tels que des boues d'égouts urbains, à l'aide d'un équipement particulier et dans des conditions particulières, de manière à augmenter le rendement d'oxydation et à réduire les inconvénients présentés par les conditions de traitement et le coût de l'équipement et de la main d'oeuvre des techniques d'oxydation par voie humide antérieures. Pour le traitement des eaux usées, notamment des eaux d'égouts urbains l'élimination des boues obtenues finalement constitue probablement la difficulté principale, non encore résolue, de la technique sanitaire. Le traitement classique des eaux usées comporte une série d'opérations physiques et biochimiques dans les quelles les déchets organiques sont séparés sous forme de boues. Une agglomération moyenne de 20C.000 âmes fournit quotidiennement environ 20 tonnes de boues dont l'élimination est conteuse; leur enfouissement est dangereux sans stérilisation préalable, leur utilisation est limitée et elles constituent un engrais ou un combustible pauvre. De plus les caractéristiques physiques des boues d'égouts s'opposent à leur élimination et à leur traitement. Leur sédimentation est difficile et les boues déposées contiennent environ 95 à 99% d'eau qu'il est difficile d'éliminer. Il y a trente ou quarante ans on a proposé un certain nombre de solutions pour le traitement et l'élimination des boues d'égouts. L'une des premières, le procédé Porteous (brevet américain n0 2.075.224 - 1935), consiste à chauffer les boues dans un autoclave à 180-200 C pendant 15 à 30 minutes, sous une pression autogène. Cette opération stérilise les boues et augmente leurs aptitudes à la sédimentation et à la filtration, mais produit un liquide polluant odorant, coloré. Depuis l'année 1912 environ (Procédé Strehlenert,brevet américain n0 1.149.420) on s'est beaucoup intéressé aux procédés dits d'oxydation par voie humide. Dans l'un des plus récents,mis au point par Zimmermann (brevet américain n0 2.655.249) et al,une suspension aqueuse des déchets carbonés est mise en contact avec un gaz oxydant pendant un temps suffisant, à une température et à une pression convenables, pour provoquer une oxydation sans flamme au sein du liquide. Les matières organiqués insolubles sont converties en combinaisons organiques solubles plus simples qui sont u leur tour oxydées et éventuellement converties en dioxyde de carbone et en eau.L'azote des amines organiques est finale- ment converti en ammoniac, les combinaisons sulfurées en sulfates et les combinaisons phosphorées organiques en phosphates insolubles. Comme il a été proposé à l'origine (brevet américain n0 2.655.249) le procédé Zimmermann ( ou "Zimpro") a été mis en oeuvre, soit par simple immersion, soit par un procédé continu dans des réacteurs verticaux fonctionnant à plus de 230 C, en pratique à environ 260-2800C.Las réacteurs sont remplis d'air sous pression et, aux températures de réaction envisagées, ces pressions sont fa 2 cilement de l'ordre de 100 à 140 kg/cm . Dans les ensembles sui- vants, les températures de traitement sont réduites à 225-2800C auxquelles correspondaient des pressions de 35 à 125 kg/cm# envi- ron.Bien que le fait de travailler à des températures et à des pressions aussi basses constitue un avantage, la littérature précise que la qualité de l'affluent liquide obtenu par oxydation par voie humide à basse température n'est pas meilleure qu'avec le traitement à la chaleur de Porteous (sans oxydation). L'invention a donc pour but de fournir un procédé d'oxydation par voie humide, pour des boues d'égouts et autres matières carbonées de rebut, qui agisse à des températures et à des pressions relativement basses mais qui soit capable de produire un effluent de haute qualité. En résumé et conformément à l'invention, l'oxydation par voie humide des déchets carbonés à l'aide d'un gaz oxydant est effectuée dans un réacteur allongé horizontal subdivisé en un certain nombre de compartiments de forme générale cylindrique et communicants entre eux. Une suspension aqueuse de déchets est introduite d'une manière continue au voisinage d'une des extrémités du réacteur, parcourt celui-ci d'un compartiment à l'autre, et ressort du voisinage de l'extrémité opposée. Le gaz oxydant est introduit, d'une manière continue, dans la suspension dans un certain nombre des compartiments du réacteur, tandis que des agitateurs brassent vigoureusement la suspension contenue dans ces compartiments afin de disperser le gaz oxydant, et de favoriser l'oxydation des déchets, jusqu'à obtenir un effluent écologi quement acceptable. Pendant la traversée du réacteur qui dure de 1 à 30 minutes environ, la dispersion est maintenue à une température moyenne de 200-2450C et à un pH acide compris entre 2,0 et 7,0 unités pH. La pression est autogène ou supérieure à cette pression. Il ressort de ce qui précède qu'on obtient des vitesses de réaction (oxydation) extrêmement rapides en des temps, à des températures et à des pressions qui ont été considérés jusqu'à présent comme insuffisants pour oxyder par voie humide, d'une manière à peu près complète, des boues d'égouts. Il en résulte comme avantage que les frais d'équipement et de main d'oeuvre sont maintenus à un niveau suffisamment bas pour rendre intéressante l'oxydation par voie humide qu'il s'agisse de faibles quantités de matières à traiter (par exemple à bord de navires) aussi bien que de grandes quantités (par exemple à l'échelon municipal). La conception et la construction du réacteur suivent avantageusement les principes appliqués avec succès dans les réacteurs métallurgiques d'extraction à haute pression ( voir Fassell,"Hyper- Atmospheric Extractive Metallurgy, Its Pas t, Present and Future", Pure and Applied Chemistry, Vol.5, pp 683-699-1962). La fabrication du réacteur, de faibles dimensions, est avantageusement réalisée entièrement en titane, ou encore toutes ses surfaces intérieures sont revêtues de titane, avantageusement les agitateurs sont en titane soudé, et les arbres d'agitateurs, d'une manière analogue, en titane jusqu'au chapeau de presse-étoupe et en alliage du type Carpenter 20 par exemple à partir de la traversée du presse-étoupe.Les surfaces de portée sont métallisées à l'aide d' un alliage à forte teneur en chrome et toutes les parties exposées sont revêtues de titane. On a montré que le rendement de l'oxydation par voie humide est fonction, dans une large mesure, de la géométrie du réacteur et de l'agitateur. Le réacteur est avantageusement constitué par une enceinte sous pression, allongée, disposée horizontalement, subdivisée en un certairr nombre de compartiments, dans lesquels sont prévus des moyens pour l'écoulement du liquide d'un compartiment à l'autre, suivant une direction le long de l'axe du réacteur. Les divers compartiments sont, d'une manière optimale, des cylindres horizontaux de section droite circulaire dont la longueur est approximativement égale à leur diamètre. Au milieu de chaque compartiment est disposé un agitateur dont l'axe est vertical, c'est-à-dire perpendiculaire à l'axe du réacteur, et passe par le centre de chaque compartiment. L'agitateur comporte deux roues à aubes dont le diamètre est égal au tiers de celui des compartiments, la roue à aubes inférieure est placée à environ un tiers du diamètre au-dessus du fond du réacteur et la roue à aubes supérieure à environ deux tiers de ce diamètre. Chaque roue à aubes est constituée d'une couronne d'aubes verticales rectilignes fixées par leur côté inférieur sur un disque et dirigées suivant des rayons de ce disque. Les principes géométriques de construction de réacteurs et d'agitateurs exposés ci-dessus ont été largement expérimentés et vérifiés (voir Levine et#Fassel,"Technique of Gas Oxidation During Pulp Agitation", AIME Transactions (Mining),Vol.223,1962). Les vitesses de rotation des roues à aubes pour utiliser au mieux la puissance appliquée, varient un peu avec le diamètre des roues à aubes. En général des vitesses de 1.500 à 3.000 t/min sont avantageuses pour des roues à aubes de diamètre inférieur à dix centimètres, tandis que pour les roues à aubes de plus grand diamètre, la vitesse optimale est quelque peu inférieure. L'air est avantageusement introduit à travers les arbres creux des agitateurs. La vigueur du brassage agit, d'une manière avantageuse, sur les caractéristiques physiques et mécaniques de la réaction d'oxydation par voie humide. En premier lieu elle disperse intimement les matières solides carbonées de rebut de sorte qu'elles sont mieux mises en contact avec les phases liquides et gazeuses. En second lieu elle disperse le gaz oxydant à travers le milieu aqueux sous forme d'une myriade de fines bulles, ce qui facilite l'absorption de l'oxygène et l'évolution des produits d'oxydation gazeux, principalement du dioxyde de carbone. Le brassage accélère donc d'une manière appréciable ltoxy- dation par voie humide. Il disperse le gaz contenant de l'oxygène dans le liquide sous forme de fines bulles, augmentant ainsi la surface interfaciale active qui intervient dans les transferts de masse. Il augmente aussi la vitesse de diffusion du gaz dissous à travers la masse liquide. De plus il fait circuler le liquide suivant des courants tourbillonnaires rapides favorisant l'échappement des bulles d'air du liquide et augmente ainsi le stemm de contact qui intervient dans les transferts de masse. Enfin il provoque des turbulences de cisaillement qui réduisent l'épaisseur de la pellicule liquide stagnante et par conséquent sa résistance aux transferts de masse. Les effets ci-dessus s'ajoutent à la dispersion physique des déchets que produit l'agitation intense. Le fait d'effectuer l'oxydation dans une série de zones de réaction compartimentées, au lieu d'une zone de réaction unique est doublement avantageux, que ce soit du point de vue du parcours trop bref du solide(c'est-à-dire d'un écoulement de l'entrée vers la sortie avec un temps de séjour dans le réacteur insuffisant) ou de sa rétention inutilement prolongée. Dans un réacteur à un seul étage dont le contenu est agité, il est non seulement possible mais probable que toutes les quantités de fluides réagissants ne demeurent pas le même temps dans la zone réactionnelle. En conséquence certaines de ces quantités sont sous-converties tandis que d'autres sontmrintenues dans la zone réactionnelle pendant un temps excessif. En utilisant un grand nombre de zones, ou compartiments, les contenus de chape compartiment étant agités indépendamment et les fluides réagissants s'écoulant d'un compartiment à l'autre, la probabilité de circuit trop court ou de ré- tension exagérée se trouve réduite au minimum. En outre, l'utilisation d'un certain nombre de compartiments permet d'optimiser les conditions de traitement à l'intérieur de chaque compartiment; par exemple, lorsqu'on utilise des catalyseurs, il est avantageux de ne les utiliser que dans les phases finales de réaction. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse au contraire, toutes les variantes. REVENDICATICN Procédé d'oxydation par voie humide de déchets carbonés dans lequel une suspension aqueuse de ces matériaux est mise en contact avec un gaz oxydant pendant un temps suffisant, à une température et à une pression convenables, pour produire une oxydation importante, lequel procédé est caractérisé en ce qu'il consiste:: 10 à effectuer cette mise en contact et cette oxydation dans un réacteur allongé horizontal subdivisé en un certain nombre de compartiments communicants de forme générale cylindrique, 20 à introduire d'une manière continue la suspension aqueuse de déchets au voisinage d'une des extrémités de réacteur, à laisser s'écouler cette suspension d'un compartiment à l'autre à travers le réacteur et à récupérer la suspension, après oxydation, au voisinage de l'autre extrémité du réacteur; 30 à maintenir la température moyenne de cette suspension dans la gamme de 200 à 2450C environ et le pH dans un domaine acide, 40 à introduire d'une manière continue le gaz oxydant dans la suspension en un certain nombre des compartiments; et 50 à agiter vigoureusement la suspension dans les compartiments pour disperser le gaz oxydant à travers la suspension et produire ainsi l'oxydation des déchets pour obtenir un effluent écologiquement acceptable.