Brevet FR2283719A1 — publié le 19760402

L'invention due à Satoshi IHARA et Hiromitsu YAMAMOTO est relative à un procédé perfectionné pour traiter les gaz d'échappement dun foyer, notamment d'un incinérateur, et plus particulièrement à un procédé pour rendre inoffensifs de tels gaz avant qu'ils soient rejetés dans l'atmosphère. Les gaz d'échappement d'un foyer, par exemple d'un incinérateur, sont pré-refroidis dans une chaudière à chaleur perdue ou par d'autres moyens de refroidissement, puis sont lavés dans l'eau ou dans une solution aqueuse alcaline, ce qui élimine les matières nocives qu'ils contiennent, et sont rejetés dans l'atmosphère d'une manière classique. Les gaz d'échappement rejetés dans l'atmosphère après avoir été ainsi humidifiés par lavage se trouvent habituellement à une température très supérieure à la température ambiante, et sont saturés de vapeur d'eau, ces conditions étant fonction de la température des gaz d'échappement et des conditions climatiques, et la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement se condense à son contact avec l'air atmosphérique.En particulier, lorsque des gaz d'échappement présentant une teneur en vapeur d'eaukelativement forte sont évacués à une température relativement élevée, cette évacuation s'effectue sous forme de fumées blanches. En outre, les poussières restant dans les gaz d'échappement sont humidifiées par la vapeur d'eau et des gouttelettes d'eau formées par condensation de l'eau sur ces poussières sont en même temps disséminées sous forme de poussières humides. En vue de réduire au minimum la nocivité de ces effluents, on a cherché jusqu'à présent à empecher la formation de fumées blanches par les gaz d'échappement. Lorsque les gaz d'échappement à traiter ont un débit relativement faible et présentent une faible teneur en vapeur d'eau, on peut empêcher la formation de fumées blanches dans les gaz d'échappement en chauffant ces gaz à l'aide d'un combustible, tel que du kérosène ou du gaz d'éclairage, ce qui amène les gaz d'échappement à un état non saturé. Les gaz d'échappement ainsi traités sont alors rejetés dans l'atmosphère. Toutefois lorsque les gaz d'échappement à traiter ont un débit important et présentent ainsi une teneur en vapeur d'eau élevée, une installation capable d'effectuer un tel traitement de chauffage sera très importante et sa consommation de combustible sera très couteuse. En outre, il se produira des gaz nocifs dus à la combustion du combustible nécessaire au chauffage et, par conséquents 1 est souhaitable de pouvoir rejeter les gaz d'échappement dans l'atmosphère, si possible, sans aucun traitement de chauffage. Un but de l'invention est donc d'empêcher toute formation de fumées blanches par les gaz d'échappement. Un autre but de l'invention est d'éliminer tout risque dû aux poussières humides qui accompagnent la formation de fumées blanches. Un autre but de l'invention est de fournir un procédé pour économiser le combustible nécessaire au chauffage. Un autre but encore de l'invention est de fournir un procédé pour rendre inoffensifs, d'une manière économiquement avantageuse, les gaz d'échappement d'un foyer. Les recherches effectuées en vue de satisfaire à ces buts de l'invention ont montré qu'il était très difficile de réduve les fumées blanches et la densité des poussières contenues dans les fumées blanches, lorsqu'un fort débit de gaz d'échappement issus d'un incinérateur important est traité selon le procédé classique pour empêcher la formation de fumées blanches, en chauffant directement des gaz d'échappement présentant une forte teneur en vapeur d'eau, immédiatement après une humidification par lavage dans l'eau. Ces recherches ont montré que la majeure partie de la vapeur d'eau contenue dans ces gaz est condensée par mise en contact direct des gaz d'échappement, après leur humidification par lavage, avec de l'eau de refroidissement, ce qui a pour effet de refroidir les gaz d'échappement à une température relativement basse, voisine de la température ambiante, en amenant la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement à des conditions correspondant à la saturation, de manière à amener la teneur en vapeur d'eau des gaz d'échappement à une valeur au plus égale à 25 % en volume, et, du fait de cette réduction de la teneur en vapeur d'eau des gaz d'échappement, aucun chauffage consécutif des gaz d'échappement n'est nécessaire ou, si un tel chauffage venait à se révéler indispensable ce chauffage ne nécessiterait que de très faibles quantités de combustible; dans ces conditions, on a réussi à empêcher la formation de fumées blanches et à réduire la quantité de poussières évacuées avec les gaz d'échappement. Conformément à l'invention, un procédé pour traiter des gaz d'échappement issus d'un foyer consiste à pré-refroidir ces gaz d'échappement chauds sortant du foyer, à les humidifier par lavage, à mettre en contact ces gaz, présentant alors une teneur en vapeur d'eau élevée, avec de l'eau de refroidissement de manière à les refroidir à une température relativement basse et à amener leur teneur en vapeur d'eau aux conditions correspondant à la saturation, puis à rejeter les gaz dans l'atmosphère, éventuellement après chauffage. L'invention est décrite plus en détail ci-après, à l'aide d'un de ses modes de réalisation, pris à titre illustratif mais nullement limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure l est un diagramme illustrait le principe mis en oeuvre par l'invention, et - la figure 2 est un schéma fonctionnel d'un mode de réalisation d'une installation de traitement conforme à l'invention. La figure l montre graphiquement la relation qui existe entre la température, portée en abscisses, et la concentration (en volume) de vapeur d'eau, portée en ordonnées, des gaz d'échappement d'un foyer, jusqu'à ce que ces gaz soient rejetés dans l'atmosphère. La courbe y est une courbe de saturation de vapeur d'eau desgaz d'échappement et la courbe w est une courbe limite indiquant la possibilité de formation de fumées blanches visibles lorsque des gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère, à une température ambiante de 200C et présentant une humidité relative de 70 %. La courbe w est tangente à la courbe de saturation en un point q qui correspond aux conditions de température et d'humidité relative de l'atmosphère.Des gaz d'échappement de combustion issus d'un foyer dans les conditions correspondantà peu près au point a (température 800 C, concentration de vapeur d'eau de 10% en volume) sont mis directement en contact avec de 1'eau, dans un ensemble de refroidissement à pulvérisation d'eau et sont refroidis. La concentration de la vapeur d'eau des gaz d'échappement est ainsi augmentée et les gaz d'échappement arrivent à peu près dans les conditions correspondant au point b (température 300"C, concentration de vapeur d'eau 34 X en volume) à la sortie de 1 'ensemble de refroidissement. En outre, les gaz d'échappement sont refroidis approximativement jusqu'au point d'ébullition de l'eau de lavage, puis lavés dans une solution dépendant du genre de composants contenus dans ces gaz, habituel liement de l'eau ou une solution aqueuse alcaline, et arrivent à peu près aux conditions correspondant au point c situé sur la courbe de saturation r (température 77,5 OC, concentration de vapeur d'eau 42 % en volume).Lorsque les gaz d'échappement se trouvant dans de telles conditions sont rejetés dans l'atmosphères des fumées blanches se produisent, et ces gaz sont chauffés pour élever leur température jusqu'air conditions correspondant au point e de la ligne w (température 360oC, concentration de vapeur d'eau 42 % en volume), puis ils sont rejetés dans l'atmosphère de la manière classique.Autrement dit, on a besoin du combustible nécessaire à ltechauffement correspondant au segment c e, mais dans le cas de l'invention, ces gaz d'échappement sont directement mis en contact avec l'eau de refroidissement, ce qui les refroidit jusqu'aux conditions correspondant à peu près au point d itempérature 45 C, concentration de vapeur d'eau i0 % en volume) de la courbe de saturation y, dont la température est de préférence aussi voisine que possible de la température ambiante.Par conséquent, dans le cas de l'invention, il suffit d'un échauffement correspondant au segment d f , allant i un point f (température 60 C, concentration de vapeur d'eau 10 % en volume) de la courbe limite w, pour empêcher la formation de fumées blanches lorsque les gaz d'échappement sont rejetés dans l'atmosphère après leur refroidissement.Comme on le voit sur la figure l, en comparant la longueur du segment c e correspondant au cas où les gaz sont chauffés et la-longueur du segment d f correspondant au cas où les gaz sont refroidis jusqu'à la température corresponIant au point d puis chauffés, et en considérant la réduction de la concentration de vapeur d'eau, c'est-à-dire la différence d'ordonnées des points e et d, fournie par l'invention, l'invention entraîne une économie importante de combustible. De plus. dans la plupart des cas, le chauffage correspondant au segment d f n'est pas absolument indispensable lorsqu'on refroidit les gaz d'échappement à une température aussi voisine que possible de la température ambiante, selon les conditions climatiques.De plus la capture de poussières entraînées est considérablement augmentée par le refroidissement direct par eau et par la condensation qui en résulte de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échauffement. Un mode dCréalisation d'installation mettant en oeuvre le principe conforme à l'invention exposé ci-dessus va maintenant être décrit en se référant à la figure 2. Des gaz d'échappement chauds, sortant d'un four 1 sont refroidis dans une tour à pulvérisation d'eau 2, puis refroidis jusqu'à une température presque égale au point d'ébullition d'une solution de refroidissement dans une chambre de refroidissement intermédiaire 4 prévue en amont d'une tour de lavage 3. puis envoyé dans cette tour de lavage 3 dans laquelle les composants gazeux nocifs et les poussières sont éliminés des gaz d'échappement. Le liquide de lavage utilisé est de l'eau ou une solution aqueuse alcaline du genre de celles utilisées habituellement dans les tours de lavage. L'effluent gazeux qui sort de -la tour de lavage est envoyé dans un ensemble de chauffage 5 du genre utilisé dans le procédé classique mais, dans le cas de l'invention l'effluent gazeux est envoyé dans une tour de déshumidification 6, disposée à la sortie de la tour de lavage 3 et dans laquelle il est déshumidifié par contact avec de l'eau de refroidissement à l'intérieur de cette tour 6. Les gaz d'échappement déshumidifiés sont rejetés directement dans l'atmosphère par une cheminée (non représentée sur la figure) ou, si c'est nécessaire, sont traités dans ensemble de chauffage 5, avant d'être rejetés dans l'atmosphère par une telle cheminée. A A l'intérieur de la tour de déshumidification 6 prévue par l'invention des gaz d'échàppement sont refroidis jusqu'à une température relativementbasse, aussi voisine que possible de la température ambiante, de préférence à une température différant au plus de 250C de la température ambiante, afin d'amener la teneur en vapeur d'eau des gaz d'échappement aux conditions de la saturation. Dans ce cas, il peut parfois être nécessaire de chauffer les gaz d'échappement avant de les rejeter dans l'atmosphère, selon les conditions climatiques, par exemple une température ambiante basse et une forte humidité. Toutefois, lorsque les gaz d'échappement sont refroidis jusqu'à une température différant de moins de 100C de la température ambiante, ce chauffage n'est pas absolument indispensable.Dans la tour de déshumidification 6 le rapport du débit de l'eau de refroidissement à celui du gaz d'échappement peut être choisi à volonté mais est au moins de l'or- dre de 0,3 litre d'eau par mètre cube de gaz. Il est avantageux de refroidir l'eau utilisée dans la tour de déshumidification 6 ; pour cela à la sortie de la tour 6, cette eau est amenée à un refroidisseur à air ou à une tour de refroidissement 7 et est ramenée circuit fermé à la tour de déshumidification 6. On peut parfois utiliser d'autres moyens de refroidissement, par exemple des moyens de refroidissement utili sant l'eau de mer. Lorsque l'eau de refroidissement de la tour de déshumidification 5 est refroidie dansun échangeur thermique indirect tel qu'un refroidisseur à air il nty a pas de pertes d'eau par évaporation spontanée de celle-ci ; dans ces coalitions, le volume d'eau de refroidissement est progressivement augmenté par la condensation de l'eau contenue dans les gaz d'échappement traités.Dans ces coditions, cet excédent d'eau peut être récupéré et utilisé comme eau de refroidissement pour la tour de pulvérisation 2 ou la chambre de refroidissement intermédaire s ou la tour de lavage 3, ce qui permet d'établir un équilibre des consommations d'eau des divers éléments de l'installation. On peut utiliser dans l'installation conforme à l'invention une tour de lavage du genre connu utilisé jusqu'à présent mais, du fait que les gaz d'échappement à traiter sont des gaz de combustion provenant d'ordures ménagères, de déchets de matière plastique, d'huiles minérales et autres déchets industriels, ces gaz d'échappement sont susceptibles de contenir beaucoup de composants gazeux nocifs et beaucoup de poussières et, dans ces conditions, des éléments assurant le contact gaz-liquide un bon rendement de contact et qui sont aussi peu exposés que possible à la colmatation, par exemple ils sont constitués de plateaux susceptibles d'être complètement, retournés ou basculés, tels que ceux décrits dans les brevets japonais n044 429/72 et 3749/73. Dans la tour où est assuré ce contact gaz-liquide, on peut obtenir un rendement de contact élevé avec quelques plateaux seulement, sans risque de colmatation due au dépôt de poussières ou e sels formés. Du côté amont de la tour de lavage est installé un ensemble intermédiaire de refroidissement tel qu'un ensemble à venturis et une tour à parois de ruissellement et les gaz d'échappement sont mis en contact avec la solution intermédiaire de refroidissement et refroidis dans la chambre intermédiaire de refroidissement : l'action de cette chambre intermédiaire de refroidissement accroît en même temps le rendement de lavage. Comme appareillage ou tour de déshumidification, disposé en aval des précédents, on peut utiliser une tour à parois de ruissellement, une tour à garnissage. une tour à pulvérisation d'eau, etc.... contenant des garnitures ou des clayettes intérieures. D'une manière avantageuse, on peut utiliser un ensemble compact comprenant l'appareillage de déshumidification et la tour de lavage réunis dans une enveloppe commune, pour le traitement de gaz d'échappement selon le procédé conforme à l'invention. Le chauffage, éventuellement mis en oeuvre selon l'invention, est obtenu par combustion de kérosène ou de gaz de ville ou par échange thermique entre les gaz d'échappement et de la vapeur, des gaz chauds ou toute autre source de chaleur. Conformément à l'invention, les gaz d'échappement provenant d'un foyer sont épurés par pré-refroidissement et par lavage et soumis ensuite à une condensation, dans une tour de déshumi dification, puis rejetés dans l'atmosphère. Dans ces conditions, la teneur en vapeur d'eau des gaz d'échappement finaux est siffai- ble que les possibilités de formation de fumées blanches sont très faibles. Par conséquent, le combustible utilisé pour le chauffage qui peut se révéler nécessaire peut être dans une grande mesure économisé, en comparaison du procédé classique.L'eau de refroidissement utilisée dans la tour de déshumidification est refroidie par contact avec l'air atmosphérique et le coût du refroidissement est si faible qu'il est facile d'installer un foyer en un emplacement éloigné avantageux. La condensation de#peur d'eau dans la tour de déshumidification a pour effet d'augmenter considérablement la quantité de poussières captées. Le procédé conforme à l'invention convient particulièrement bien pour le traitement de gaz d'échappement provenant de foyers, notamment d'un incinérateur, mais est également applicable au traitement de gaz d'échappement présentant une teneur en vapeur d'eau élevée, de 30 % en volume et même davantage, et contenant des poussières, tels que les gaz d'échappement provenant d'une chaudière chauffée à l'huile minérale ou d'une installation analogue. L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'exemples détaillés. Exemple 1 Des gaz d'échappement à environ 8000C provenant d'un incinérateur d'ordures ménagères ont été refroidis à environ 300 C dans une tour à pulvérisation d'eau alimentée avec un débit d'eau de 0,5 m3/heure, amenés à un ensemble intermédiaire de refroidissement, monté en aval d'une tour de lavage, et ont été refroidis à 900 par une solution intermédiaire de refroidissement. Ensuite, les gaz ont été introduits dans la tour de lavage, alimentée avec un débit de 10 heure d'une solution aqueuse de soude caustique à 8 s en poids. Environ 8 650 m3/heure (dans les conditions normales de pression et de température) de gaz d'echappement (concentration de vapeur d'eau de 48 % en volume) à BlOC à la sortie de la tour de lavage ont été amenés à une tour de refroidissement à pulvérisation d'eau, parcourue par 130 m3/heure d'eau de refroidissement à 270C, et refroidis à 40 C, moyennant quoi le débit d'écoulement des gaz d'échappement (concentration de vapeur d'eau 7,5 % en volume) s'est trouvé réduit à 4 860 m3/heure (dans les conditions normales de pression et de température3. Les gaz d'échappement ont été ensuite évacués dans l'atmosphère à une température ambiante de 250C et présentant une humidification de 70 % sans qu'on est observé de fumées blanches. Par ailleurs l'eau à la sortie de la tour de refroidissement à pulvérisation d'eau avait une température de 42 C, était envoyée à une tour de refroidissement où elle était refroidie puis était réutilisée. Exemple 2 Les gaz d'échappement qui sortaient de la tour de lavage dans les mêmes conditions physiques et au même débit d'écoulement que dans le cas de l'exemple 1 étaient refroidis jusqu'à 630C dans une tour de refroidissement à pulvérisation d'eau parcourue par 97 m3/heure d'eau à 28 C. Dans ces conditions le débit d'écoulement des gaz d'échappement(concentration de vapeur d'eau de 22 % en volume) était réduit à environ S 770 m3/heure tdans les conditions normales de pression et de température). Lorsque ltef- fluent gazeux ainsi obtenu était rejeté dans l'atmosphère à travers une cheminée, sans aucun chauffage dans un ensemble de post chauffage, on observait une légère fumée blanche.Dans ces conditions, les gaz d'échappement devaient être chauffés à 1300C dans un ensemble de post-chauffage avant d'être évacués dans l1atmos- phère par la cheminée, et l'on n'observait aucune fumée blanche. La quantité de kérosène consommée par l'ensemble de post-chauffage s'élevait à 20 1/heure seulement. A titre de comparaison, lorsque les gaz d'échappement quittant la tour de lavage étaient chauffés directement, sans refroidissement, la température d'échauffement nécessaire pour faire disparaître les fumées blanches s'élevait à 4000C et le kérosène nécessaire au chauffage soulevait à 127 I/heure. Exemple 3 Des gaz d'échappement sortant à environ 8000C d'un incinérateur étaient refroidis à environ 2800C dans une tour de refroidissement à pulvérisation d'eau parcourue par 5 m3/heure d'eau, étaient refroidis encore jusqu'à 900C dans un ensemble refroidisseur intermédiaire prévu en amont d'une tour de lavage à contrecourant parcourue par 10 m3/heure d'eau, puis lavés dans une tour de lavage parcourue par 36 m3/heure d'une solution aqueuse à 10 % en poids de soude caustique.Lorsque environ 80 000 m3/heure (dans les conditions normales de pression et de température) de gaz d'échappement (concentration de vapeur d'eau 47 % en volume, densité de poussières de 0,073 gramme par mètre cube de gaz dans les conditions normales de pression et de température) sortant de la tour de lavage à 800C étaient rejetés dans l'atmosphère, à une température ambiante de 20'C et présentant une humidité relative de 60%, on observait une fumée blanche s'élevant à environ 20 me- tres.Dans ce6 conditions, les gaz d'echappement étaient refroidis à 280C dans une tour de refroidissement à pulvérisation d'eau parcourue par 1 180 m3/heure d'eau à 24 C, moyennant quoi le débit d'écoulement des gaz d'échappement (concentration de vapeur d'eau 3,7 X en volume, densité de poussières 0,027 g/mètre cube de gaz dans les conditions normales de pression et de température) était réduit à environ 43 300 m3/heure (dans les conditions normales de pression et de température). Lorsque les gaz d'échappement obtenus étaient rejetés dans l'atmosphère par une cheminée, on n'observait absolument pas de fumée blanche. L'eau de refroidissement sortant de la tour de refroidissement à pulvérisation d'eau était refroidie dans un refroidisseur à air de 400C à 24 C. Du fait que la quantité d'eau de refroidissement parcourant la tour de refroidissement à pulvérisation d'eau était augmentée de l'eau provenant de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les gaz d'échappement le surplus d'eau était appliqué aux ensembles de pré-refroidissement et de refroidissement intermédiaire disposés en amont et le reste d'eau était utilisé pour humidifier les cendres d'incinération ou pour d'autres usages. 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 plus particulièrement REVE!#DICATI0NS 1. Procédé pour traiter les gaz d'échappement 'un foyer. notamment d'un incinérateur caractérisé en e qu'il consiste à pré-refroidir les gaz d'échappement brûlants sortait du foyer, à les laver, à mettre en contact les gaz d'échappement obtenus présentant une teneur en vapeur d'eau élevée avec de l'eau de refroidissement, ce qui les refroidit à une température relativement basse, tout en les déshumidifiant, ce qui amène la vapeur d'eau qu'ils contiennent à des conditions correspondant à la saturation, et à rejeter les gaz d'échappement dans l'atmosphère. 2. Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que les gaz d'échappement à traiter qui présentent une teneur en vapeur d'eau élevée après leur lavage sont refroidis à une température qui ne diffère pas de plus de 250C de la température ambiante, lorsqu'ils sont mis en contact avec l'eau de refroidissement. 3. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que l'eau de refroidissement après avoir été en contact avec les gaz d'échappement présentant une teneur en vapeur d'eau élevée à la suite de leur lavage est mise en contact avec l'air atmosphèrique, pour être refroidie puis réutilisée. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'eau de refroidissement utilisée par la déshumidification est refroidie dans un appareillage de refroidissement à l'air et en ce que le surplus d'eau de refroidissement provenant de la condensation est envoyé aux dispositifs de pré-refroidissement et est réutilisé. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications pré cédantes, caractérisée en ce que les gaz d'échappement sont chauf fës avant d'être rejetés dans l'atmosphère.