Brevet FR2227495A1 — publié le 19741122

La présente invention se rapporte a une installation pour récupérer les produits de valeur contenus dans les détritus solides en utilisant un réacteur à lit fluidifié. Un autre aspect de l'invention se rapporte a la pyrolyse des détritus solides dans une installation comportant un réacteur a lit fluidifié. Un troisième aspect de l'invention est relatif a l'incinération des détritus solides dans une installation utilisant un réacteur a lit fluidifié La description des détritus solides devient un probleme de plus en plus aigu. Des efforts ont été entrepris pour développer des équipements et des procédés pour se débarrasser des détritus solides et, de préférence, pour récupérer en même temps les produits de valeur contenus dans ceux-ci. La technique de lit fluidifié est universellement connue. Parmi les avantages de cette technique, on peut mentionner des taux de transfert de chaleur élevés et la production d'importantes quantités de chaleur qui permettent de réaliser des équwements de forte capacité qui sont relativement compacts. Des incinérateurs a lit fluidifié sont couramment utiiisés pour brûler les ordures ménagères. Les détritus solides devant être pyrolisés ou incinérés contiennent presque toujours des fractions non-combustibles qui ne peuvent pas être détruites par le feu. Ces fractions comprennent le verre, les métaux et les pierres qui ne peuvent pas être complètement éliminés des détritus solides de façon économique. En effet, ces matières solides non-combustibles soulèvent des problèmes dans les installations a lit fluidifié car elles sont difficiles a éliminer des matières solides d'alimentation. Ainsi, ces fractions s'accumulent dans l'ainsi tallation, bouchant les orifices et diminuant généralement l'efficacité de celle-ci. La présente invention a pour objet une installation a lit fluidifié pour traiter les détritus solides contenant un mélange de matières combustibles et non-combustibles, installation qui elimine pratiquement les difficultés auxquelles on se heurte avec les installations de pyrolyse ou d'incinération a lit fluide de la technique antérieure, mentionnées ci-dessus. Selon llinvention, une installation a lit fluide pour la pyrolyse ou llin- cinération de détritus solides comprenant des fractions combustibles et des fractions non-combustibles comprend : (a) un réacteur fermé disposé verticalement ayant une première chambre intérieure adaptée a contenir un lit hautement fluidifié de matières solides inertes, une seconde chambre intérieure située directement au-dessous de la première et communiquant avec elle pour contenir un lit modérément fluidifié de matières solides inertes ; (b) une plaque de distribution interposée entre la première et la seconde chambres intérieures et reliant celles-ci, cette plaque de distribution supportant un lit de matières solides inertes dans la première chambre, ladite plaque de distribution compor tant des parois latérales s'inclinent vers le bas à partir du pourtour de la première 'chambre intérieure en direction du centre de cette première chambre, ladite plaque de distribution et la seconde chambre intérieure étant percées d'une multitude de passages pour le gaz de fluidisation ; (c) des moyens pour fournir un gaz de fluidisation audits passages de la plaque de distribution et à la seconde chambre intérieure afin de produire un lit hautement fluidifié dans la première chambre intérieure et un lit modérément fluidifié dans la seconde chambre intérieure ; (d) des moyens pour chauffer le lit fluidifié (e) des moyens d'alimentation pour fournir des détritus solides à la premiere chambre intérieure, lesdits moyens d'alimentation comportant un dispositif d'étanchéité espacé de la surface extérieure du réacteur pour empêcher le gaz de fluidisation de s'échapper du réacteur à travers les moyens d'alimentation ; et, (f) dans la seconde chambre intérieure, des moyens pour permettre l'evacua- tion deInatières solides non-réagies de cette chambre sans interrompre le fonctionnement de l'installation. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel - la figure I est une vue schématique, partiellement en coupe et partiellement en écorché d'une installation de destruction de détritus conforme à l'invention ; - la figure 2 est une vue de détail montrant la face d'extrémité du tampon d'étanchéité - la figure 3 est une vue latérale partielle, partiellement en écorché, montrant la structure de la plaque de distribution et la seconde chambre intérieure du réacteur de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue schématique illustrant le degré de fluidisation du premier et du second lits fluidifiés pendant le fonctionnement du réacteur de la figure 1. En se référant à la figure 1, on voit un réacteur vertical 10 utilisé pour la pyrolyse ou l'incinération. Ce réacteur est alimenté en détritus solides, comme l'indique la flèche 12, par un dispositif d'alimentation 14. Un premier convoyeur à vis 15 est monté à rotation dans une enveloppe 16. La vis 15 ne s'étend pas sur toute la longueur de l'enveloppe 16 afin de ménager une zone d'évacuation à l'extrémité du convoyeur. Le convoyeur évacue les détritus solides 12 contre un poussoir 18. Le poussoir 18 est constitué par la combinaison d'une face de pression 20, d'une tige 22 et d'un piston24. Le poussoir 18 est monté à mouvement alternatif et à rotation dans un cylindre 25. Le mouvement de rdation peut etre produit par des moyens quelconques, par exemple, à l'aide d'un moteur associé à un train d'engrenages (non-représenté). Pendant leur transfert entre l'entrée 26 et la sortie 28 de l'enveloppe 16 du convoyeur, les détritus 12 sont comprimés en une tige pratiquement sans lacunes 30. La tige 30 s'étend à la sortie de l'enveloppe 16 du convoyeur et constitue un joint permettant au réacteur 10 d'opérer à une pression élevée Le poussoir 18 est aligné axialement avec la vis 15 et est principalement conçu pour tourner autour de son axe longitudinal. La face 20 du poussoir 18 porte un dispositif de coupe 32 fixé le long de sa surface périphérique. Le dispositif 32 comprend une ou plusieurs lames qui, quand le poussoir tourne, cisaillent et fragmentent la tige compacte 30 de détritus sortant de l'enveloppe 16 et entrant dans le réacteur 10. Dans le cas où, pour une raison quelconque, la tige pleine 30 ne devait pas assurer ltétanchéité nécessaire pour maintenir le réacteur 10 à sa pression de fonctionnement, ceci aurait pour conséquence de déplacer le poussoir 18 vers l'avant, en réponse à une diminution prédéterminée de la pression, c'est-à- dire, vers la sortie 28 de l'enveloppe 16 du convoyeur afin de produire un joint entre l'extrémité postérieure 34 de la face 20 du poussoir et la sortie 28 de l'enveloppe 16 du convoyeur. On voit donc que le dispositif d'alimentation cidessus assure l'étanchéité du réacteur soit au moyen de la tige de détritus exempte de lacunes, soit à l'aide du poussoir dans le cas d'une défaillance de cette tige.Il ressort également de la description précédente, que le dispositif d'étanchéité est espacé de la surface extérieure du réacteur et est éloigné de la zone chaude de celui-ci. Les détritus solides 12 destinés à alimenter le réacteur 10 sont délivrés par le premier convoyeur à vis 15 dans la chambre d'expansion 36 dans laquelle la tige pleine et désagrégée par le poussoir rotatif 18. Les détritus 12 sont ensuite transportés par un second convoyeur à vis 37 monté à rotation dans une enveloppe 38 et sont délivrés par une ouverture percée dans une plaque de distribution 40. Bien qu'il soit généralement préférable que l'entrée des détritus soit située dans le côté de la plaque de distribution, cette entrée pourrait également être placée nettement au-dessus de cette plaque, et même au sommet du réacteur. La plaque de distribution 40 s'abaisse du pourtour du réacteur vers son centre et, dans le mode de réalisation représenté, a la forme d'un tronc de cône, La petite base 41 de la plaque de distribution 40 se raecorde à un cylindre ou à un conduit allongé 42 s'abaissant de celle-ci et qui forme la partie intérieure de la base du réacteur 10. Ainsi, le réacteur 10 comprend deux chambres intérieures 44 et 50. La première chambre 44 s'étend approximativement du centre 46 de la partie conique de la plaque de distribution 40 et est comprise entre les parois latérales inclinées de celle-ci et le sommet 48 du réacteur 10. La seconde chambre 50 s'étend approximativement du centre 46 de la partie conique de la plaque de distribution 40 et -le fond 52 du cylindre allon- gé 42.La plaque de distribution 40 et la seconde chambre intérieure 50 sont représentée plus en détail sur la figure 3. L'examen des figures 1 et 4 montre clairement que la première chambre intérieur 44 et la seconde chambre intérieure 50 communiqusent entre elles. Une chambre de fluidisation 54 est placée directement sous la plaque de distribution 40 et comporte deux raccords d'entrée situés à l'extérieur du réacteur 10. Un gaz de fluidisation est introduit dans cette chambre par les raccords 56 et 58. Ce gaz s'élève à travers une multitude d'ouvertures ou de trous 62 percés dans la plaque 40 et de trous 63 du cylindre 42 qui font communiquer respectivement la chambre 54 avec les deux chambres intérieures 44 et 50. Dans le réacteur 10 représenté, la première chambre intérieure 44 est chauffée indirectement au moyen de brûleurs à flamme plate (non-représentés). La chaleur est transférée par les parois du réacteur 10 au lit fluidifié qu'il contient. Une chambre de chauffage 64 est prévue autour du réacteur 10 pour supporter les brûleurs et pour contribuer à la distribution de la chaleur de ceux-ci au-dessus d'une grande étendue de la-surface extérieure du réacteur 10. D'autres moyens pourraient etre utilisés pour fournir au réacteur la chaleur nécessaire, c'est ainsi, par exemple, qu'on pourrait chauffer le gaz de fluidisation. Les moyens adoptés dépendent principalement du mode de fonctionnement de l'installation cvest- -dire, s'il s'agit d'une pyrolyse, d'une incinération partielle ou d'une incinération totale. Sur la figure 4, on a représenté schématiquement l'état des lits flui difiés 74, 76 de la première et de la seconde chambres intérieures 44 et 50. On vit que le lit fluidifié 76 de la seconde chambre intérieure n'est que modérément fluidifié. Par contre, le lit 74 de la première chambre intérieure 44 est plus fortement fluidifié. Le degré de fluidisation du lit de chaque chambre dépend principalement du débit du gaz de fluidisation alimentant celle-ci débit qui est fonction de la section des conduits d'admission, de la pression du gaz, qui est produite par une pompe ou un compresseur approprié, du volume de la chambre que le gaz de fluidisation traverse, ainsi que de la densité et de granulométrie de la matière du lit.Le degré de fluidisation varie avec la nature des matières solides non-combustibles et non-réagies se déposant dans la seconde chambre intérieure. Le fonctionnement de l'installation à lit fluidifié de l'invention est le suivant : les détritus solides 12, qui sont stockés dans un caisson, sont introduits dans le premier convoyeur à vis 15 où ils sont comprimés, comme il a été expliqué ci-dessus, avant que le second convoyeur 37 les reprenne pour en alimenter le réacteur. Le réacteur 10 est préchauffé (indirectement) par des brûleurs à flamme plate à une température comprise entre environ 550 et 7600C. A la mise en route, il est généralement préférable de chauffer le gaz de fluidisation au moyen d'un brûleur 60 (chauffage direct) à une température d'environ 550 à 870"C. Le gaz de fluidisation introduit dans la chambre 54 traverse les trous 62 de la plaque de distribution 40 et les trous 63 du cylindre 42. Ce gaz peut être de l'air lorsque le réacteur fonctionne en incinérateur, ou bien peut être un gaz pratiquement exempt d'oxygène, par exemple, de l'azote et/ou du bioxyde de carbone quand le réacteur opère en pyrolyse. L'installation peut aussi fonctionner avec n'importe quelle quantité d'air ou d'oxygène présente en plus d'un gaz de fluidisation inerte, afin de la faire travailler en pyrolyse ou en incinération partielle. Pendant la pyrolyse, les gaz résultant de la décomposition des détritus peuvent être récupérés et recyclés en tant que milieu de fluidisation. Lorsqu'on opère en pyrolyse, les produits de décomposition contiennent des hydrocarbures légers, tels que le méthane, l'éthane, l'éthylène, ainsi que de l'hydrogène, du bioxyde de carbone, des huiles et des goudrons. Le réacteur fonctionne à une pression positive élevée aussi bien pour la pyrolyse que pour l'incinération, cette pression se situant généralement entre 2 2 environ 0,070 kgXcm2 et 0,700 kg/cm2. Quand le réacteur opère en incinérateur, les produits de décomposition sont principalement du bioxyde de carbone et de l'eau. Les produits gazeux résultant du fonctionnement du réacteur à lit flui difié, ainsi que les résidus du lit sont entraînés du sommet du réacteur 10 dans un séparateur cyclone 66 qui sépare les matières solides des produits gazeux. Les gaz de fluidisation et les produits gazeux sont dirigés vers une batterie de traitement en vue de la récupération des composés de valeur, de la séparation des divers composants et de leur traitement en vue dreviter la pollution atmosphérique. Les matières non-combustibles, telles que le verre, les métaux et les substances minérales descendent dans le second lit fluidifié. La différence de pressions de part et d'autre du second lit, qui résulte en partie des différences decoulement des gaz à travers le réacteur constitue la force de propulsion qui enlève les matières non-combustibles du second lit fluidifié. Ces matières sont évacuées du second lit par des moyens quelconques. Ltun de ces moyens consiste à prévoir un sas 68 à la partie inférieure de la seconde chambre intérieure. Les matières non-combustibles et les déchets du lit tombent dans le sas 68 quand la trappe 70 est ouverte. La trappe 70 se ferme périodiquement et une autre trappe 72 s'ouvre pour permettre aux matières solides non-combustibles et non-réagies et taux déchets du lit de sortir du réacteur. Les matières solides peuvent être séparées en matières utiles et inutiles, les matières utiles pouvant être réutilisées suivant le besoin. Comme autre moyen pouvant être utilisé pour évacuer les matières solides recueillies dans la seconde chambre intérieure consiste à prévoir un sas rotatif capable d'opérer à une température élevée. Dans le réacteur à lit fluidifié de l'invention, il est nécessaire que le lit de la première chambre intérieure soit hautement fluidifé afin d'assurer un important transfert de chaleur entre la matière du lit et les matières solides introduites, et d'assurer des débits élevés pour assurer Meva- cuation des produits gazeux qui se forment dans la zone de réaction. Quand le réacteur opère en pyrolyse, ce qui implique une réaction endothermique, il est également nécessaire d'utiliser un milieu de fluidisation assurant un transfert de chaleur élevé entre la source de chaleur et la matière du lit. Le lit flui difié inférieur doit communiquer directement avec le lit supérieur. La force de propulsion qui oblige le verre, les métaux et les autres matières non-combustibles à descendre du lit supérieur dans le lit inférieur, est la gravité.Autrement dit, ces substances ont une densité supérieure à celle des lits fluidifiés supérieur et inférieur. Le principal avantage qui résulte de l'utilisation d'un lit fluidifé inférieur opérant avec une vitesse inférieure des gaz superficiels est de former un lit fluidifé qui est légèrement plus dense, rendant ainsi plus improbable que les matières solides non-combustibles entrant dans le lit inférieur soient reprojetées dans le lit supérieur. Par fluidisation "modérée", on entend que le gaz traverse la matière du lit à une vitesse ne dépassant pas environ 2 fois la vitesse de fluidisation minimale et qui est généralement comprise entre 1, 2 et 1,5 fois cette vitesse minimale. Par fluidisation "élevée", on entend que le courant de gaz traverse le lit fluidifié à plus de deux fois la vitesse de fluidisation minimale calculée. La vitesse de fluidisation minimale U f est donnée par l'équation suivante où umf : vitesse de fluidisation minimale est donnée en cm/sec. : : facteur de sphéricité est sans dimention s d : diamètre des particules du lit s'exprime en cm p densité des particules du lit est donnée en g/cm3 p g : densité du gaz de fluidisation s'exprime en g/cm3 P : viscosité du gaz s'écrit en g/cm.sec. g : accélération de la pesanteur est exprimée en g/sec.2 : mf : degré de vacuité à la vitesse de fluidisation minimale est sans mf dimension. L'équation ci-dessus est valable pour décrire la vitesse de fluidisa tion minimale dans les systèmes à lit fluidifié dans lesquels le nombre de Reynolds du gaz est inférieur à 20. Cette équation est expliquée en détail dans l'Ouvrage de Kunii D. et Levenspiel intitulé "FLUIDIZATION ENGINEERING" éditions John Wiley & Sons 1969. La matière constituant le lit fluidifié peut être l'une quelconque des matières-solides connues utilisées à cette fin. Parmi ces matières, celles convenant particulièrement bien sont le sable, le carbone et l'oxyde d'aluminium. Le système à lit fluidifié de l'invention a été décrit comme pouvant être utilisé à la fois pour la pyrolyse et pour 1 'incinération. Le terme "pyrolyse" entend désigner ici la décomposition à la chaleur des matières solides combustibles pratiquement en l'absence d'oxygène. Par contre, par incinération on entend la combustion des matieres solides contenues dans les détritus d'alimentation en présence de suffisamment d'air pour que les produits de la réaction soient principalement transformés en bioxyde de carbone et en eau. REVENDICATIONS 1. Installation a lit fluidifié pour la pyrolyse ou l'incinération de détritus solides comprenant des fractions combustibles et des fractions non combustibles, caractérisée en ce qu'elle comprend a) un réacteur disposé verticalement ayant une première chambre intérieure adaptée à contenir un lit de matières solides inertes, hautement fluidifié b) une plaque de distribution ayant une multitude de passages pour le gaz de fluidisation, ladite plaque supportant le lit de matières solides inertes dans la première chambre et comportant des parois latérales s'inclinant vers le bas à partir du pourtour de la première chambre intérieure en direction d'une sortie au centre de cette première chambre c) un tube communiquant avec la sortie dans la plaque de distribution et s'étendant vers le bas, ledit tube formant une seconde chambre intérieure située directement au-dessous de la première et communiquant avec elle pour contenir un lit modérément fluidifié de matières solides inertes, ledit tube ayant une multitude de passages pour le gaz de fluidisation, ces passages communiquant avec la seconde chambre intérieure d) des moyens pour l'alimentation en gaz de fluidisation auxdits passages de la plaque de distribution afin de produire un lit hautement fluidifié dans la première chambre intérieure et pour alimenter en gaz de fluidisation les passages du tube, de façon à réaliser un lit modérément fluidifié dans la seconde chambre intérieure ; e) des moyens de chauffage du lit fluidifié dans ladite première chambre;; f) des moyens pour alimenter en détritus solides la première chambre in intérieure, lesdits moyens comportant un dispositif d'étanchéité pour empêcher le gaz de fluidisation de s'échapper du réacteur à travers les moyens d'alimentation ; et g) des moyens permettant l'évacuation des matières solides non-réagies de la seconde chambre intérieure, sans interrompre le fonctionnement de l'installation. 2. Installation à lit fluidifié selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matières solides entrent dans la première chambre intérieure à un point d'introduction situé au-dessus de la plaque de distribution. 3. Installation à lit fluidifié selon la revendication 1, caractérisée en ce que les matières solides entrent dans la première chambre intérieure par une ouverture percée dans la paroi latérale de la plaque distributrice. 4. Installation à lit fluidifié selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz de fluidisation est pratiquement exempt d'oxygène, l'installation opérant pour pyrolyser les détritus. 5. Installation à lit fluidifié selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz de fluidisation est l'air, l'installation opérant en incinérateur. 6. Installation à lit fluidifié selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens permettant d'évacuer les matières solides de la seconde chambre intérieure comprennent un sas ayant un côté d'entrée et un côté de sortie, le côté d'entrée, lorsqu'il est ouvert, permettant aux matières solides non-réagies et aux particules de lit de passer de la seconde chambre à l'intérieur du sas et d'y rester tant que la sortie de celui-ci est fermée, puis, quand cette entrée a été fermée et que la sortie a été ouverte, permettant au contenu du sas d'en être évacué. 7. Installation à lit fluidifié selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'alimentation en gaz de fluidisation aux première et seconde chambres intérieures comprennent une chambre de fluidisation entourant le côté inférieur de la plaque de distribution et le tube jusqu'à un niveau au-dessous des passages du gaz de fluidisation prévus dans le tube et au-dessous de l'arrivée de gaz de fluidisation prévue pour la chambre de flui disation,les passages de gaz dans ladite plaque de distribution ayant une grandeur effective totale supérieure à celle des passages de gaz dans le tube afin d'assurer simultanément un lit hautement fluidifié dans la première chambre et un lit modérément fluidifié de la seconde chambre. 8. Procédé pour la mise en oeuvre d'une installation à lit fluidifie pour la pyrolise ou l'incinération de détritus solides comprenant des fractions combustibles et des fractions non-combustibles, procédé caractérisé en ce qu'il consiste à a) alimenter en détritus solides la première chambre intérieure du réacteur à lit fluidifié b) faire passer le gaz de fluidisation vers le haut à travers une plaque de distribution au fond de la première chambre intérieure a une vitesse suffisante pour produire un lit hautement fluidifié de matières solides inertes dans ladite première chambre intérieure, ladite plaque de distribution supportant un lit de matières solides inertes et comportant des parois latérales s'inclinant vers le bas en direction d'une sortie au centre de cette première chambre ;; c) chauffer le lit fluidifié dans ladite première chambre ; d) permettre aux résidus non-combustibles les plus lourds et n'ayant pas réagi d'évacuer la première chambre par la sortie au fond de la plaque de distribution et de parvenir dans la seconde chambre intérieure située directement au-dessous de la première et communiquant avec elle ; e) faire passer le gaz de fluidisation dans ladite seconde chambre a une vitesse suffisante pour produire un lit modérément fluidifié dans la seconde chambre intérieure, afin de consolider et de rendre plus dense le résidu tout en permettant une réaction ultérieure des matières solides du résidu n'ayant pas réagi ; f) évacuer périodiquement le résidu de la seconde chambre intérieure sans interrompre ie fonctionnement de l'installation. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la vitesse du gaz de fluidisation passant dans la seconde chambre intérieure est inférieure à deux fois la vitesse de fluidisation minimale nécessaire pour la fluidisation de matières solides inerties, et en ce que la vitesse du gaz de fluidisation passant dans la première chambre intérieure est supérieure à deux fois ladite vitesse minimale de fluidisation 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la vitesse du gaz de fluidisation passant dans la seconde chambre intérieure est comprise entre environ 1,2 et 1,5 fois ladite vitesse minimale de fluidisation. 11. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que les détritus solides sont introduits dans la première chambre intérieure par une ouverture percée dand la paroi latérale de la plaque de distribution. 12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le gaz de fluidisation est pratiquement exempt d'oxygène de sorte que l'installation produit une pyrolyse des détritus solides. 13. Procedé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le gaz de fluidisation est l'air de sorte que l'installation produit une incinération des détritus solides.