Brevet FR2272955A1 — publié le 19751226

La présente invention concerne les matériels destinés au traitement des résidus industriels et a' protéger l'environne- ment, et en particulier les incinérateurs pour le traitement des eaux résiduaires industrielles contenant des impuretés organiques ou des impuretés organiques et minérales. L'incinérateur cyclone suivant l'invention peut être utilisé avec succès pour le traitement par le feu des eaux résiduaires locales dans les industries chimiques et pétroléochimiques, dans la papeterie, dans les industries pharmaceutiques, etc... L'application des procédés de traitement,largement répandus, des eaux résiduaires industrielles (notamment des procédés chimiques et biochimiques) n'aboutit souvent pas å des résultats positifs. Il est particulièrement difficile de traiter les eaux résiduaires de l'industrie qui contiennent une grande variété d'impuretés organiques et minérales à des teneurs élevées. Un grand nombre d'impuretés contenues dans les eaux résiduaires industrielles sont toxiques pour les micro-organismes et ne peuvent être neutralisées par le procédé biochimique. On a largement mis en oeuvre pour la destruction de ces eaux l'incinération dans des fours de conceptions variées. Les appareils universels les plus efficaces pour le traitement des eaux résiduaires industrielles sont des incinérateurs cyclones. Les incinérateurs cyclones peuvent être utilisés avec le plus de succès pour le traitement des eaux résiduaires des industries chimiques qui contiennent des impuretés organiques et minerales â haute concentration et dont la purification par les procédés biochimiques exigerait une dilution multiple par l'eau puressdevenant par ce fait désavantageuse au point de vue économique. L'incinérateur cyclone dejà connu pour les eaux résiduaires industrielles (cf. le certificat d'auteur de l1U.R.S.S. nO 219 735) est constitué par une chambre verticale - cylindrique dont les dimensions sont fonction de la composition chimique des impuretés et du débit de l'incinérateur en eaux résiduaires. La partie supérieure de la chambre est réalisée en briques réfractaires et calorifuges et comporte un couvercle conique, plat ou en forme de dôme. A la partie supérieure de la chambre sont disposés tangentiellement et sont répartis en cercle des brûleurs à courte flamme pour l'admission de combustible et d'air comburant pour la partie organique du combustible aussi bien que pour les constituants organiques des eaux résiduaires. Le garnissage en brique de la partie supérieure de l'inci- nérateur cyclone sert de stabilisant efficace pour la combustion du combustible. Au-dessous de la partie supérieure de la chambre de l'incinérateur cyclone se trouve la chambre de service qui se termine par une embase à orifice circulaire qui met en communication la chambre de service avec le carneau à gaz servant à évacuer les produits gazeux de la combustion ainsi que des matières en fusion. La chambre de service est refroidie à l'eau et comporte un garnissage. La chambre de service est munie d'injecteurs destinés à pulvériser les eaux résiduaires. Ces injecteurs sont logés dans un plan transversal de la chambre qui se trouve à une distance de l'axe des brûleurs égale à une fraction de 0,4 à 0,7 de son diamètre intérieur. Il sont orientés radialement. A la partie inférieure du carneau à gaz se trouve un trou de coulée destiné à évacuer les impuretés minérales à l'état de fusion. On admet dans la partie supérieure de la chambre de 1 'in- cinérateur cyclone,par par des brûleurs,le combustible et l'air com- 'burent nécessaire aussi bien à la combustion du combustible qu' à la combustion de la partie organique des eaux résiduaires. La combustion du combustible s'achève dans la partie supérieure de l'incinérateur cyclone après quoi les fumées du combustible portées à haute température sont dirigées avec un excès d'oxygène de l'air dans la chambre de-service où l'on introduit par les injecteurs l'eau résiduaire à l'état finement pulvérisé.Parvenues dans la chambre de service les gouttes de l'eau résiduaire s 'évaporent, les impuretés organiques se décomposent et sont oxydées en produits gazeux inoffensifs alors que les impuretés minérales fusibles libérées de 1'humidité sont appliquées par les forces centrifuges de l'écoulement gazeux contre les parois refroidies de la chambre de service, entrent en fusion, descendent sous forme d1un film liquide, pénètrent par le trou pratiqué dans l'embase de la chambre de service dans le carneau et sortent par le trou de coulée de l'incinérateur. Le trou dans l'embase de la chambre de service joue le role d'un générateur de turbulence et effectue un brassage actif du mélange vapeur-gaz d'eau dans l'incinérateur cyclone ce qui permet de réaliser la post-combustion des impuretes organiques des eaux résiduaires. Les produits de la combustion du combustible et des constituants combustibles des eaux résiduaires sont dirigés depuis le carneau à gaz dans le système d'épuration des gaz ou bien dans le circuit de récupération et sont ensuite rejetés dans l' atmosphère. Les avantages de principe des incinérateurs cyclonesstex- pliquent essentiellement par leurs caractéristiques aérodynamiques (par la structure turbulente de l'écoulement gazeux) ce qui permet de réaliser une combustion intense du combustible avec de faibles pertes au foyer et avec un coefficient d'excès dtair (rapport de la quantité d'air effective à la quantité d'air stoechiométrique) minimuntout en réalisant les conditions les plus favorables possibles d'échange de chaleur et de masses entre le milieu gazeux et les gouttes d'eaux résiduairessà cause des hautes vitesses relatives et de la forte turbulence, ce qui permet de réaliser un appareil ramassé fonctionnant à charges spécifiques élevées dépassant des dizaines de fois celles des fours à chambre et des fours à cuve. Dans ces incinérateurs cyclones la zone de combustion est séparée de la zone de vaporisation des eaux résiduaires et d' oxydation des impuretés organiques du fait que la ceinture des injecteurs destinés à pulvériser les eaux résiduaires est située au-dessous de la ceinture des brûleurs ce qui contribue à une combustion intense et stable du combustible tout en excluant 1' influence inhibitrice exercée sur la combustion du combustible de certaines impuretés présentes dans les eaux résiduaires. Pour intensifier la combustion du combustible gazeux on utilise des brûleurs à mélange préalable ou imparfait qui forment une zone de combustion la plus courte possible, alors que pour le chauffage au combustible liquide l'introduction combinée du combustible et de l'air assure la finesse nécessaire de la pulvérisation du combustible. Pour pulvériser les eaux résiduaires on utilise les injecteurs à giration mécaniques qui sont les plus économiques. La haute fiabilité de l'incinération des résidus liquides combustibles ainsi que des eaux résiduaires industrielles dans des incinérateurs cyclones s'explique par la possibilité de conversion totale à haute température des impuretés organiques toxiques en produits gazeux inoffensifs de la combustion totale tels que C02, N2, 1120. On réalise cette conversion grâce à des paramètres de régime judicieusement choisis, et à une géométrie appropriée de l'appareil d'incinération, tels que : niveau de température dans la chambre de service, charge spécifique thermique du volume, niveau de turbulence, finesse de pulvérisation des eaux résiduaires, etc.. Les incinérateurs cyclones, qui utilisent divers combustibles, permettent d'atteindre des allures de combustion élevées et d'obtenir de fortes charges pondérales spécifiques du volume utile en eaux résiduaires. Le faible encombrement des incinérateurs cyclones facilite l'emploi des garnissages refroidis à 1' eau ce qui garantit un long potentiel d'utilisation dans le traitement des eaux résiduaires contenant des impuretés organiques et des impuretés minérales fusibles.La mise en oeuvre dans les incinérateurs cyclones d'une séparation centrifuge efficace aboutit dans ce cas à la captation de la plupart des substances minérales pour leur évacuation subséquente hors de l'incinérateur sous forme de matières en fusionsce qui simplifie considérablement le circuit de traitement des fumées en vue de les libérer des vapeurs de substances minérales et des poussières avant de les rejeter dans le milieu ambiant. Toutefois l'incinérateur cyclone connu est entaché de 1t inconvénient qui tient à ce que la totalité de l'air nécessaire à la combustion du combustible et des impuretés combustibles des eaux résiduaires est admis dans les brûleurs disposés à sa partie supérieure. En cas de haute teneur en impuretés combustibles des eaux résiduaires ou bien en cas de pouvoir calorifique élevé des impuretés présentes dans les eaux résiduaires le coefficient d'excès d'air dans les brûleurs peut atteindre une valeur égale à 2 ou davantage. Le fonctionnement des brûleurs à mélange préalable à "flamme blanche" devient impossible à cause du tXdécro- chage" des flammes.En outre dans les incinérateurs cyclones connus à teneur élevée en impuretés combustibles des eaux résiduaires la formation du mélange gazeux se détériore et la combustion des impuretés combustibles est compromiseJétant donné le défaut de mélange préalable des eaux résiduaires avec l'air comburant nécessaire à la combustion des impuretés combustibles. Cela étant posé, il n'est pas possible de traiter d'une façon satisfaisante dans les incinérateurs cyclones connus les eaux résiduaires industrielles à pouvoir calorifique supérieur à 800 kcal/l. L'incinérateur cyclone connu présente également cet incon vénient qu'en cas d'une haute teneur en impuretés minérales fusibles des eaux résidualres on constate la formation de loups" provenant des impuretés minérales sur la paroi interne de la chambre de service,ce qui compromet le coefficient de captation des sels minéraux dans le volume de l'incinérateur cyclone. L'invention se propose donc de créer un incinérateur cyclone pour le traitement des eaux industrielles usées qui permette d'effectuer un traitement stable des eaux industrielles résiduaires à forte teneur en impuretés organiques et minérales,ainsi qu'une captation efficace des matières minérales en fusion, allant de pair avec des consommations minimales en combustible et des immobilisations modérées. La solution consiste en ce qu'un incinérateur cyclone, destiné au traitement des eaux industrielles résiduaires qui contiennent des impuretés organiques et minérales, constitué par une chambre cylindrique verticale avec des brûleurs disposés tangentiellement à partie supérieure, destinés à l'admission dans cette chambre du combustible et de l'air primaire,et avec des injecteurs disposés au-dessous dans un plan transversal destinés à l'admission des eaux résiduaires, ladite chambre comportant un trou dans son embase inférieure la mettant en communication avec le carneau à gaz pour l'évacuation des produits de combustion1 ainsi qu'un trou de coulée disposé dans la partie inférieure du carneau à gaz destiné à évacuer les impuretés minérales à l'état de fusion, est muni, suivant l'invention, de tuyères destinées à l'admission de l'air secondaire combinées avec les injecteurs d'admission des eaux résiduaires. Les injecteurs pour l'admission des eaux résiduaires peu vent être disposés à 11 intérieur des tuyères et être orientés en sens inverse de l'écoulement de l'air secondaire, dans le cas du traitement des eaux résiduaires ne contenant que des impuretés organiques à des concentrations dont la limite inférieure correspond à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal/l, alors que la limite supérieure correspond à une combustion autonome Dans le cas du traitement des eaux résiduaires contenant des impuretés organiques à une concentration dont la limite inférieure correspond à une chaleur de combustion de 600 à 700 kcal/l alors que la limite supérieure correspond à une combustion autonome,ainsi que des impuretés minérales fusibles à teneur élevée, il est recommandé de disposer l'injecteur destiné à 1' admission des eaux résiduaires à l'intérieur des tuyères et de l'orienter dans le sens de l'écoulement de l'air secondaire. Dans le cas du traitement des eaux résiduaires contenant des impuretés organiques à concentrations inférieures à celle correspondant à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal/l ainsi que des impuretés minérales fusibles à teneur élevée il est a avantageux de disposer les injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires à la sortie des tuyères parallèlement à l'axe des tuyère et de les orienter dans le sens de l'écoulement de l'air secondaire. Dans le cas du traitement des eaux résiduaires contenant des impuretés organiques et des impuretés minérales à faible teneur on peut disposer les injecteurs pour l'admission des eaux résiduaires au débouché des tuyères et les orienter radialement. Les recherches effectuées ont montré que dans les incinérateurs suivant l'invention il est possible de traiter des eaux industrielles résiduaires polluées par des impuretés de différentes classes organiquesJtelles que les alcools, les acides, les cétones, les aldéhydes, les phénols, les amines, les composés organiques du soufre, du chlore, du phosphore et du sodium ainsi que les sels connexes tels que les chlorures, les carbonates, les sulfates, etc.., etc.. Les incinérateurs cyclones permettent de réaliser un traitement efficace des eaux industrielles résiduaires à teneur en impuretés organiques comprise dans un large intervalle de valeurs depuis les micro-concentrations jusqu'à des concentrations correspondant à un pouvoir calorifique supérieur à 1700 kcal/l, et une incinération stable de mélanges combustible-air pauvres, ainsi qu'un haut degré de captation des impuretés minérales dans les limites du volume utile de l'incinérateur. Dans les incinérateurs cyclones suivant l'invention l'action inhibitrice des impuretés contenues dans les eaux résiduaires sur le processus de la combustion est exclue. Les essais d'une unité expérimentale d'un débit maximal de 0,25 m3/heure pour le traitement d'une solution aqueuse d' acétone à 25% d'un pouvoir calorifique -jusqu'à 1700 kcal/l et d'une unité dtun débit jusqu a 4m3/heure pour le traitement des eaux résiduaires de ia fabrication de la caprolactame contenant des impuretés hétéroorganiques et à pouvoir calorifique de 1 700 kcal/l ont démontré leur haute fiabilité en service. Les caractéristiques de l'invention seront mieux comprises à la lecture de la description qui va suivre des exemples de sa réalisation et en se référant aux dessins annexés dans lesquels la Fig.1 représente schématiquement en coupe transversale I'lllcinérateur cyclone, suivant l t l'invention; la Fig.2 représente la coupe suivant II-II de la figure 1; les Fig.3, 4, 5, 6 représentent les coupes transversales de l'incinérateur cyclone par les tuyères pour l'admission de l'air secondaire,pour des dispositions relatives variées des injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires et des tuyères destinées à l'admission de l'air secondaire, suivant 1' invention. L'incinérateur cyclone pour le traitement des eaux résiduaires industrielles contenant des impuretés organique s ou des impuretés organiques et minérales est constitué par une chambre cylindrique verticale I (figure 1). A la partie supérieure de la chambre 1 sont disposés tangentiellement des brûleurs 2 (figures 1 et 2) de conception connue par lesquels on introduit dans la chambre 1 le combustible et l'air primaire comburant indispensable à la combustion du combustible. Dans l'embase inférieure 3 (figure 1) de la chambre 1 est pratiqué l'orifice 4 destiné à mettre en communication la chambre 1 et le carneau 5 pour l'évacuation des produits de combustion. A la partie inférieure du carneau 5 est prévu un trou de coulée 6 destiné à évacuer les sels minéraux à l'état de fusion. Sous les brûleurs 2-dans le plan transversal de la chambre I sont disposés les injecteurs 7 destinés à l'admission des eaux résiduaires et combinés avec des tuyères pour l'admission de l'air secondaire nécessaire au traitement des eaux résiduaires. La disposition relative des injecteurs et des tuyères peut différer suivant la composition des eaux résiduaires à traiter. La figure 3 indlque la disposition des injecteurs 7 et des tuyères 8 dans le cas du traitement des eaux résiduaires ne contenant que des substances organiques à une teneur dont la limite inférieure correspond à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal/l alors que la limite supérieure correspond à une combustion autonome des eaux résiduaires. Les injecteurs 7 SOLt disposés à l'intérieur des tuyères 8 et sont orientés en sens inverse de l'écoulement de l'air secondaire ce qui contribue à une pulvérisation fine des eaux résiduaires et à un brassage efficace des gouttes et des vapeurs par l'air secondaire. La figure 4 représente la disposition des injecteurs dans les tuyères 8 dans le cas du traitement des eaux résiduaires contenant des composés organiques à une teneur dont la limite inférieure correspond à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal /1, alors que la limite supérieure correspond à une combustion autonome des eaux résiduaires, et des composés minéraux fusibles. Le montage des injecteurs 7 dans les tuyèresoorientés dans le sens de l'écoulement de l'air secondair)contribue à un brassage efficace des gouttes avec l'air et à une captation maximale des composés minéraux dans les limites de l'incinérateur cyclone. La figure 5 montre la disposition des injecteurs 7 au débouché des tuyères 8 et parallêlement à l'axe des tuyères 8 dans le sens de l'écoulement de l'air. Pareil montage des injecteurs 7 est utilisé dans le cas du traitement des eaux résiduaires contenant des composés organiques à une teneur inférieure à la teneur correspondant à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal/l et une haute teneur en composés minéraux fusibles. Dans une telle version de fonctionnement de l'incinérateur cyclone on peut se dispenser d'admettre l'air secondaire dans les tuyères 8. La disposition indiquée des injecteurs contribue à une captation maximale des composés minéraux à l'état de fusion. A la Fig. 6 des injecteurs 7 sont disposés au débouché des tu yères 8, les injecteurs 7 étant orientés radialement. Cette version est utilisée dans le cas où l'on traite des eaux résiduaires contenant seulement des composés organiques à une teneur inférieure à celle qui correspond à un pouvoir calorifique de 600 à 700 kcal/l. Dans ce cas, on peut se dispenser d'envoyer l'air secondaire dans les tuyères. La disposition considérée des injecteurs 7 contribue à une pulvérisation fine des gouttes par l'écoulement des gaz et à une incinération totale des composés organiques. Le nombre de brûleurs 2 (figure 1) et de tuyères 8 munis d'injecteurs 7 est choisi en fonction du débit imposé de l'incinérateur cyclone. Les parois de la chambre 1 de l'incinérateur cyclone sont inunies d'un garnissage. Dans ce cas pour le traitement des eaux résiduaires qui ne contiennent pas ou qui contiennent en quantités infimes des impuretés minérales fusibles, de pair avec des composés organiques, ou bien dans le cas où le traitement des eaux résiduaires aboutit à la formation de quantités infimes d'impuretés minérales on met en oeuvre des incinérateurs cyclones à garnissage en briques. Pour réduire 1 'épaisseur du garnissage en maçonnerie on utilise des chemises en acier ordinaire. Pour le traitement des eaux résiduaires qui contiennent des impuretés minérales fusibles, ou qui donnent lieu à la formation d'impuretés pendant le traitement, on emploie des incinérateurs cyclones à garnissage. Pour un tel revêtement intérieur on prévoit un système de refroidissementà écoulement d'eau ou un système de refroidissement par évaporation. Pour améliorer la fiabilité des brûleurs 2 on refroidit également leurs tuyères par eau Un incinérateur cyclone fonctionne de la manière suivante. On admet dans les brûleurs 2 le combustible et l'air primaire comburant nécessaire à la combustion du combustible. La combustion du combustible s'achève à la section de la chambre n dans laquelle sont disposées les tuyères 8 destinées à l'admission de 1 'air secondaire et les injecteurs 7 destinés à l'admission des eaux résiduaires. Gn introduit dans les produits de combustion portés à haute température au moyen des injecteurs 7 l'eau résiduaire pulvérisée de concert avec un écoulement d'air qui pénètre par les tuyères 8. Au cours du mélange de l'écoulement de l'air secondaire avec les produits de combustion du com bustibie les gouttes d'eau résiduaire s'évaporent et les impuretés combustibles sont oxydées par 1'oxygène de l'air secondaire. Les produits de la combustion traversent l'orifice 4 et sont activement brassés ce qui contribue à la post-combustion des impuretés combustibles. Les particules fondues des composés minéraux se séparent sur les parois de la chambre 1 et sont évacuées par l'orifice 4 avec les produits de la combustion dans le carneau 5. Les composés en fusion sont extraits par le trou de coulée 6. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs ou procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples, et ce, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICAI9NS 1. Incinérateur cyclone pour le traitement des eaux ré siduaires industrielles contenant des impuretés organique s ou des impuretés organiques et minérales, constitué par une chambre cylindrique verticale munie de brûleurs disposés tangentiellement à sa partie supérieure, pour l'admission dans la chambre du combustible et de 1 1air primaire, et dtinåecteurs disposés au-dessous dans un plan transversal pour l'admission des eaux résiduaires, comportant un orifice pratiqué dans l'embase inférieure de la chambre, qui la met en communication avec un carneau pour-l'év-acuation des produits de combustion, comportant un trou de coulée à la partie inférieure dudit carneau, pour l'évacua tion des impuretés minérales à l'état fondu, caractérisé en ce qu'il est muni de tuyères pour l'admission de l'air secondaire qui sont associées à des injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires. 2.- Incinérateur cyclone suivant la revendication-1, caractérisé en ce que les injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires sont disposés à l'intérieur des tuyères et sont orientés dans le sens contraire au sens de l'écoulement de l'air secondaire. 3.- Incinérateur cyclone suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires sont disposés à l'intérieur des tuyères et sont orientés dans le sens de l'écoulement de l'air secondaire. 4.- Incinérateur cyclone suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs destinés à l'admission des eaux résiduaires sont disposés au débouché des tuyères, parallèlement à l'axe des tuyères, et sont orientés dans le sens de 1' écoulement de l'air secondaire. 5.- Incinérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les injecteurs pour l'admission des eaux résiduaires sont disposés au débouché des tuyères et sont orientés radialement.