Brevet FR2302483A1 — publié le 19760924

La présente invention concerne un procédé d'évaporation et d'oxydation thermique d'effluents liquides permettant, à partir d'effluents liquides contenant des corps combustibles, de vaporiser ces effluents et de porter les substances combustibles contenues dans lesdits effluents à une température suffisante pour qu'elles soient oxydées thermiquement c 'est-à-dire brulées et éliminées. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On sait qu'il est souvent indispensable d'éliminer les produits polluants toxiques des effluents liquides sortant de nombreuses installations industrielles telles que raffineries, papeteries, usines de transformations chimiques du pétrole et de fabrication de colorants, etc. Lorsque les matières polluantes contenues dans les effluents liquides sont sous forme de particules de taille notable, il est possible de les faire décanter ou de les filtrer suffisamment rapidement pour que ces opérations soient rentables et ensuite de brûler les boues recueillies. Toutefois, lorsque les particules polluantes sont de faible taille, il s'est avéré nécessaire de brûler celles-ci en portant les effluents liquides à haute température, pour les vaporiser et brûler les particules contenues dans ces effluents. Une des techniques de l'art antérieur visant à la destruction des composants indésirables contenus dans des effluents liquides fait appel à la préparation d'une émulsion effluent-mazout. Cette émulsion est injectée dans une chambre à parois chaudes par un brûleur produisant une forte recirculation. Dans ce type d'appareils, l'apport de la chaleur des gaz recirculés vers le jet pulvérisé conduit à l'éclatement des gouttes de mazout par les gouttelettes d'eau qui y sont attachées et donne ainsi une pulvérisation extrêmement fine des composants de l'émulsion. La chaleur apportée par la combustion du mazout, chaleur qui peut être aussi fournie par la combustion de certains composants inflammables de l'effluent liquide permet de vaporiser l'eau et de brûler les agents polluants contenus dans l'effluent liquide. Cette technique présente dans sa forme actuelle plusieurs désavantages. Un premier désavantage est que des variations de la concentration en effluent liquide de l'émul- sion liquide mazout, risque d'éteindre la flamme du brûleur puisque l'effluent est mélangé au mazout avant que celui-ci soit envoyé dans le bruleur. Ce risque nuit à la fiabilité de l'appareil. De plus, les appareils de l'art antérleur ne permettent pas d'utiliser du gaz combustible en lieu et place du mazout liquide. I1 s'est avéré que la pulvérisation de l'effluent liquide par le gaz carburant lui-même en vue de la réalisation d'un mélange intime qui aurait permis simultanément la combustion et l'évaporation de l'eau, conduit en réalité à un retard d'inflammation du gaz et à une instabilité globale de combustion. La présente invention dans son procédé tout comme dans son dispositif d'application permet d'éliminer ces désavantages, en introduisant dans une chambre un carburant sous forme gazeuse ou liquide, mais préférentiellement gazeuse, mélangé à du comburant (par exemple de 1 'air) dans un volume distinct du volume occupé par un jet d'effluents, pulvérisé à l'entrée de la chambre également. Dans le procédé selon l'invention, on sépare à l'entrée du bruleur l'introduction de la flamme dans la chambre et l'introduction d'effluents ; ce n'est que dans la chambre de vaporisation et de combustion que les échanges de chaleur s'effectuent entre la flamme et les effluents liquides pulvérisés. Plus précisément, dans le procédé selon l'invention, on met en rotation un jet de comburant gazeux, on introduit ensuite un carburant fluide dans le jet dudit comburant, on introduit le mélange comburant-carburant enflammé dans une chambre selon un jet géométriquement distinct au voisinage de l'entrée de ladite chambre d'un jet d'effluents liquides simultanément pulvérisés dans ladite chambre, on évapore et on brûle par le Det de mélange enflammé les substances combustibles desdits effluents liquides. Le dispositif selon l'invention comporte tous les moyens pour la mise en oeuvre du procédé, deux éléments caractéristiques du dispositif étant, l'utilisation de moyen pour mettre en rotation le comburant gazeux (air ou air enrichi en oxygène) et l'usage d'un ouvreau, à 1'entrée de la chambre, de forme divergente, ce qui permet de séparer les Jets, de mélanges carburant-comburant enflammés et d'effluents liquides. Bien que s'appllquant, dans un mode préférentiel de l'invention à des carburants gazeux, le procédé tout comme le dispositif peuvent être également utilisé avec un carburant liquide. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de pulvériser ce carburant liquide avant de le mélanger au comburant gazeux pour réaliser un mélange inflammable à l'entrée de la chambre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté : - sur la figure 1, un schéma du dispositif d'introduction de mélange carburant-comburant et d'effluents liquides à l'entrée d'une chambre de vaporisation et de combustion, - sur les figures 2a, 2b, et 2c différentes formes de la structure divergente de l'ouvreau d'entrée de la chambre de vaporisation et de combustion, - sur la figure 3, une variante d'introduction et de mise en rotation du comburant avant inflammation, - et sur la figure 4, une vue à plus grande échelle d'un détail de réalisation de l'entrée de la chambre dans le cas où le mélange carburant est liquide. Sur la figure 1, on a représenté un dispositif d'introduction séparée d'effluents et de mélanges enflammés dans une chambre de réaction 2 dans laquelle les effluents sont vaporisés et où les substances combustibles sont brillées. Ce dispositif comprend un conduit central Cb contenant l'effluent liquide introduit selon la flèche 11, lequel est pulvérisé à la sortie du conduit en 4 pour donner le jet d'effluents liquides pulvérisé 6. Un conduit Cc annulaire entourant le conduit Cb est alimenté en carburant gazeux introduit selon la flèche 8. La canalisation Cb est percée d'ouvertures telles que 10, ces ouvertures débouchant dans la canalisation Ca entourant la canalisation Cc. La canalisation Ca est adjacenté à la canalisation Cc et alimentée en comburant par un dispositif de type classique non représenté sur la figure, le comburant circulant à l'entrée selon la flèche i3. Une turbine 12 permet la mise en rotation du comburant, en général de l'air sous l'influence de son énergie cinétique avant l'introduction par les ouvertures telles que 10 du mélange carburant ; la flamme représentée en 18 résulte de l'inflammation du mélange comburant-carburant, la flamme suit la structure divergente 20 de l'ouvreau d'entrée de la chambre 2 pour être spatialement distinct du jet d'effluents liquides 6.Dans ce dispositif, le carburant par la canalisation Cc, le comburant par la canalisation Ca et l'effluent liquide par la canalisation Cb sont introduits simultanément. A l'intérieur de la chambre, la chaleur apportée par la flamme 18 chauffe l'effluent liquide par l'intermédiaire de courants de convection représentés par le trait mixte interrompu 22, cette convection étant grandement favorisée par la combinaison de la mise en rotation de la turbine 12 et la structure divergente de l'ouvreau 20. Cette turbulence dans la chambre favorise notablement les échanges thermiques entre le 7et d'effluents liquides pulvérisé 6 et la flamme 18. Dans ce dispositif la combustion du gaz apportant la chaleur à la chambre est rendue indépendante de la pulvérisation de l'effluent.La combustion est alors d'une stabilité remarquable et la flamme une fois allumée est suffisamment stable pour rendre inutile un bruleur pilote. C'est la recirculation gazeuse dans la chambre qui est le facteur essentiel du processus d'évaporation de l'eau et d'oxydation thermique des effluents. Sur la figure 1, la mise en rotation du comburant par la turbine 12 précède l'introduction de carburant introduit par la canalisation Cb. Ceci est un mode de réalisation préférentiel de l'invention, mais il va de soi que l'on peut lntro- duire tout aussi bien le carburant avant la mise en rotation du comburant auquel cas c'est le mélange carburant-comburant qui serait mis en rotation avant d'être introduit par l'ouvreau 20 dans la chambre. Pour des questions de sécurité ainsi que pour des problèmes d'encrassement de turbine, il est préférable comme représenté sur la figure 1 d'engendrer la rotation du comburant avant que d'introduire le carburant. La pulvérisation de l'effluent liquide par l'extrémité 4 du conduit Cb peut se faire de différentes manières, classi ques en elles mêmes. On peut soit mettre le liquide contenu dans la canalisation Cb sous pression, ce qui entraîne grâce aux petites ouvertures de l'extrémité 4 du conduit Cb une pulvérisation du liquide, soit utiliser une pulvérisation pneumatique ; dans ce cas, on introduit un gaz tel que l'air, par un dispositif non représenté, dans la canalisation Cb, ce qui permet une pulvérisation d'une plus grande souplesse en utilisant des pressions d'injection de gaz et de liquide plus faibles. Dans le système de pulvérisation pneumatique, système préférentiel de réalisation de l'invention, on utilise de l'air à basse ou moyenne pression (de l'ordre d'une demi-atmosphère par rapport à la pression atmosphérique). Sur les figures 2a, 2b et 2c, on a représenté différentes formes d'ouvreau 20. L'ouvreau 20 peut avoir la structure 20a représentée sur la figure 2a, c'est-à-dire une forme tronconique rectiligne ou la forme 20b représentée sur la figure 2b ou encore la forme 20c représentée sur la figure 2c. Sur la figure 3, on a représenté une vue en coupe d'une section d'une variante du dispositif 'd'introduction de comburant, variante selon laquelle le comburant est mis en rotation dans la canalisation Ca non pas par une turbine telle que 12 compte dans la réalisation de la figure 1 mais par des conduits d'amenée tangentiels du comburant 30, 32 et 34. L'amenée du fluide par introduction tangentielle permet de réaliser deux fonctions simultanément : introduire le comburant et lui donner un mouvement tourbillonnaire dans la canalisation Ca. Sur la figure 4, on a représenté un dispositif de réalisation de l'invention spécialement adapté à l'utilisation de carburant liquide, tel que du mazout. Outre les canalisations Ca, Cb et Cc comme pour la réalisation représentée sur la figure 1, le dispositif selon l'invention, dans le cas où la tubulure Cc est alimentée en carburant liquide, comprend un conduit supplémentaire Cd permettant d'envoyer un let de gaz selon la flèche 50 au voisinage de l'ouverture 52 de la tubulure Cc. La canalisation Cd est alimentée en gaz sous pression, (par exemple de l'air comprimé) et comprend également au voisinage de sa sortie une turbine munie de pales telles que 54 permettant la mise en rotation du gaz, ledit gaz pulvérisant le carburant liquide contenu dans le conduit Cc à la sortie 52.Il va de soi que verte turbine est citée à titre d'exemple de reaiisation. On peut utiliser tout moyen de mise en rotation du gaz à la sortie de ia canalisation Cd par exemple par des fentes, gorges ou Drlflces d'amenée tangentiels du gaz classique. La flamme 18 est créée par le mélange de comburant, introduit par le conduit Ca et mis en rotation par une turbine telle que 12 non représentée sur cette figure (mais identique au système de la figure 1;, , et de carburant pulvérisé issu de la zone 56. Tout comme dans le cas de la figure 1, l'inflammation du mélange carburant-comburant se fait au voisinage de la base de la partie conique de l'ouvreau 20 qui de ce fait est porté à une température élevée assurant ainsi la stabilisation et l'accrochage de la flamme même en l'absence d'un brûleur piiote. La combustion continue encore à l'extérieur de l'ouvreau le long des parois de la chambre 2. L'angle w d'ouverture du jet d'effluents pulvérisés 6 et la position exacte de la structure d'injection comprenant les canalisations Ca, Cb, Cc sont fonction de la forme de 1'ouvreau L'angle d'ouverture - du jet est, dans le cas d'un carburant gazeux compris entre 20 et 45 et l'angle d'ouverture de l'ouvreau entre 45 et 806 Dans le cas d'un carburant liquide, il est avantageux de réduire l'angle O d'injection de l'effluent liquide. Le carburant, sous forme liquide peut être du mazout, du toluène, de méthanol, etc., et sous forme gazeuse du gaz naturel. Avec ie dispositif selon l'invention on a pu évaporer et brûler totalement les substances organiques contenues dans 3 3,5 1 d'eau avec 1 m3 de gaz naturel ; en injectant de l'ordre de 8 1 d'eau par la canalisation Cb toutes les matières organiques contenues dans l'eau ne sont pas brûlées mais la flamme ne s 'éteint pas. La température dans la chambre est de l'ordre de 850 à 950"C. Il va de soi que i on peut également utiliser tout mélange de carburant iiquide et carburant gazeux par le dispositif selon I lnvention, celle-ci ayant pour originalité principale, comme on l'a dé7à indiqué, l'injection séparée dans le brûleur du combustible et de l'effluent. Une forte mise en rotation du gaz comburant associée à la forme divergente de i'ouvreau du brûleur permet d'obtenir une flamme conique coliée à LtouvZeau du brûleur et aux parois de la chambre. REVENDICATIONS 1. Procédé d'évaporation et d'oxydation thermique d'effluents liquides selon lequel on vaporise en continu lesdits effluents par une flamme, caractérisé en ce qu'on met en rotation un jet de comburant gazeux, en ce qu'on introduit ensuite un carburant fluide dans le jet dudit comburant, en ce qu'on introduit le mélange comburantcarburant enflammé dans une chambre selon un jet géométriquement distinct au voisinage de l'entrée de ladite chambre, d'un jet d'effluents liquide simultanément pulvérisé dans ladite chambre, et en ce qu'on évapore et brûle, par le jet de mélange enflammé, les substances combustibles desdits effluents liquides. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication l, ledit dispositif incluant un conduit Cb et un pulvérisateur envoyant un jet d'effluents pulvérisés dans une chambre de vaporisation et de combustion caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens pour mettre en rotation dans un conduit Ca un gaz comburant, - une canalisation d'amenée d'un fluide carburant et des moyens pour, au voisinage de l'entrée de la chambre, envoyer un jet de fluide carburant à partir de cette canalisation Cc dans le gaz comburant, le mélange carburant-comburant enflammé étant envoyé dans la chambre, - et en ce que l'entrée de la chambre a une structure divergente. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend un conduit central Cb d'amenée des effluents liquides, un organe pour pulvériser lesdits effluents au voisinage de l'entrée en forme de structure divergente de la chambre, un conduit annulaire d'amenée Cc du carburant fluide entourant ledit conduit Kb, ledit conduit Cc étant muni d'ouvertures sur sa paroi de plus grand diamètre, ouverture en communication avec le conduit annulaire Ca entourant ledit conduit Cc. 4. Dispositli selon une quelconque des revendica dans 2 et 3, caractérisé en ce que le carburant est sous firme gazeuse dans le conduit Cc. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le carburant est, dans la canalisation d'amenée Cc sous forme liquide, et en ce que ledit dispositif comprend de plus des moyens pour pulvériser ie carburant liquide en sortie de la canalisation Cc. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise en vitesse d'un fluide auxiliaire pour pulvériser l'effluent sous forme de 7et au voisinas de l'entrée de la chambre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de détente de l'effluent sous pression afin de le pulvériser sous forme de jet au voisinage de l'entrée de la chambre. 8. Dispositif selon ia revendication 5, caractérisé en ce que les moyens polir pulvériser ledit carburant liquide comprennent une canalisaticn Cd, insérée entre les canalisarions Ca et Cc, munie à sa sortie, de moyens de mise en rotation du gaz comprimé contenu dans la canalisation Cd, ladite canalisa tion Cd débouchant au voisinage des ouvertures de la canalisation Cc, ouvertures mettant en communication la canalisation Cc avec la canalisation Ca, et une alimentation en gaz comprimé envoyant du gaz dans ladite canalisation Cd. 9. Dispositif selon ia revendication 8, caracterisé en ce que lesdits moyens de mise en rotation du gaz comprime contenu dans la candlisation Cd consistent en une turbine mue par le Jet d'air comprimé contenu dans ladite canalisation Cd. 10. Dispositif selon i'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'air ou de l'air enrichi en oxygène. 11. Dispositif seLon la revendication 4, caractérisé en ce que le carburant est du gaz. 12. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le carburant est du mazout.