Brevet FR2350550A1 — publié le 19771202

Lt invention se réfère à un nouveau type de four pour l'incinération des ordures. Il existe à ce jour de nombreux procédés d'incinération mais les différentes réalisations exploitées démontrent la complexité du problème. D'autre part, les Pouvoirs Publics imposent aux constructeurs des normes très strictes quant ç la qualité des machefers obtenus et des gaz rejetés, ce qui ne manque pas d'alourdir les équipements et d'augmenter sensiblement les coûts de construction et d'exploitation. Un rapide exposé sur la transformation des déchets pendant leur incinération permettra de mieux comprendre par la suite les réflexions qui ont conduit à l'invention décrite. La transformation des déchets urbains au cours de leur traitement thermique passe par les stades suivants, sachant que l'eau qu'ils contiennent est sous deux formes : adsorbée et absorbée; dans cette deuxième forme. le pourcentage d'évaporation est fonction du flux de chaleur reçu et des propriétés physiques des déchets (diffusité thermique-conductivité-porosité etc. . En cours de traitement les phénomènes suivants apparaissent en fonction de l'élévation de la température. de 0 C à 100 C déshydratation en général et ramollisse ment des plastiques-. 1150C à 1500C apparition et élimination de vapeur d'eau 180C à 2000C apparition des gaz incondensables 1800C à 3800C gazéification des plastiques 2800C à 300"C apparition des hydrocarbures 350"C apparition de l'hydrogène 2000C à 6000C pyrolyse des matières organiques et des caoutchoucs. Les gaz et les déchets ne peuvent s'enflammer dans l'air tU'au-delà d'un seuil de température franchi par l'apport de source de chaleur extérieure. Cette source est en marche normale le flux gazeux à haute température provenant des couches en combustion. Les gaz simples ont des points d'inflammation relativement élevés (580 à 7500C), mais d'autres produits peuvent descendre jusqu'à 200 C. La température d'allumage se situe en général entre 250 et 6000 C. A la lecture de cet exposé, il apparat clairement que la combustion des déchets exige une installation complexe et de le construction particulièrement élaborée, ce qui sera démontré dans X paragraphe suivant. Dans un four d'incinération conventionnel, les déchets ont un comportement à la chaleur qui résulte de deux facteurs. a) Thermique : Leur température d'inflammation et leur vi tesse de combustion dépendent de leur composition chi mique (constitution moléculaire) et physique. Leur oxy dation par le comburant crée des conditions exothermi ques qui engendrent une accélération. b) Aérolique : Un contact permanent est nécessaire entre une proportion suffisante de molécules du déchet combusti ble et de celles du comburant gazeux. L'incinération des déchets se fait en général dans des fours statiques ou dynamiques, qui sont constitués d'une enceinte composée d'une sole ou d'une ou plusieurs grilles sur lesquelles les déchets sont brûlés, de parois et d'une voûte qui permettent le rayonnement des gaz de combustion sur les déchets et de canaliser le flux gazeux. La différence fondamentale qu'il y a entre un four statique et un four dynamique est que : dans un four statique, la couche en combustion ne subit ni brassage pour activer la combustion, ni déplacement lui permettant, sa combustion terminée, d'être évacuée dans un cendrier. Les fours dynamiques sont soit à grilles mobiles, soit à cellules tournantes. Dans ces types de fours, statiques ou dynamiques, pour ne pas nuire à la qualité du feu-, il est indispensable d'introduire les déchets fréquemment et en petites quantités; malgré ces précautions, et parce-que les déchets nouvellement introduits sont immédiatement soumis au rayonnement des gaz de combustion avant que la déshydratation des déchets humides ne puisse s'opérer, les déchets riches à combustion rapide, tels les papiers,cartons et plastiques, sont rapidement détruits, enrichissant seulement les gaz qui partent immédiatement à la cheminée.Avec la combustion qui se poursuit, la couche des déchets est traversée par un flux gazeux chaud et comburé engendrant des phénomènes de transformation thermique liés à l'élévation de la température de la masse des déchets, distillant une quantité de gaz aux proportions et de composition très variées.Il y a d'abord l'eau libérée qui pour sa vaporisation absorbe des calories en refroidissant les gaz et, résultat presque absurde, la vapeur obtenue est obligatoirement portée à la température des gaz. Puis il y a la distillation des produits organiques, cellulosiques et des produits de chaines moléculaires à combustion longue (caoutchoucs) dont l'oxydation par le comburant est difficilement dosable, ce qui se traduit par des imbrûlés dans les fumées nécessitant des équipements de post-combustion très élaborés. Mais pour être certain que le comburant soit en quantité suffisante, on l'introduit en excès dans le-four. Les inconvénients de cette façon d'opérer sont de trois ordres a) - l'excès d'air absorbe des calories pour être élevé à la température des gaz. b) - introduit avec une certaine pression sous la masse des déchets, sa vitesse d'écoulement au travers de la couche en combustion entralne des cendres dans les gaz. c) - l'excès d'air nécessite de l'énergie pour son injec tion et son extraction et exige une fumisterie de plus grande capacité. Il existe également d'autres types de réalisations où les déchets sont traités en les introduisant dans un puits à partir duquel ils progressent par gravité dans une chambre de combustion prolongée d'une chambre de post-combustion au niveau de laquelle est prévu un chauffage d'appoint et un orifice d'évacuation des résidus. Toutefois, ces réalisations utilisent-l'action directe du flux gazeux sur les déchets frais avec les inconvénients décrits plus haut et exigent souvent la liquéfaction à haute température des résidus pour leur évacuation. Le but de l'invention est de réaliser une installation qui permette le conditionnement thermique des déchets par stades successifs mais en une seule opération, en obtenant une montée progressive de la température de la masse des déchets afin de passer par tous les paliers de température exposés dans les pages précédentes sans que cette évolution thermique ait une incidence quelconque sur la combustion des gaz de pyrolyse et sans que le rayonnement direct du flux gazeux n'engendre l'inflammation prématurée de certains déchets tels que les papiers, cartons et plastiques. La production des gaz selon l'invention est réalisée de façon constante car la masse de déchets subissant un conditionnement thermique est telle qu'il y a homogénéisation des composants et que les gaz produits s'échappent en volume presque constant de la chambre de réaction. Un autre but de l'invention est de permettre l'extraction de la vapeur d'eau provenant de la déshydratation des déchets dans la chambre de réaction où ils sont placés, par un orifice différent de l'orifice où sont extraits les gaz de pyrolyse afin de ne pas abaisser leur pouvoir calorifique par la présence de l'eau. Cependant cette vapeur d'eau, chargée d'alcools et de goudrons, doit subir un traitement thermique avant son rejet à l'atmosphère; pour cela, elle est introduite après réchauffage dans la chambre de post-combustion des gaz pour y subir un craquage au moyen- du flux gazeux très chaud produit par la combustion des gaz de pyrolyse. L'invention a aussi pour but d'éviter l'entraînement dans le flux gazeux de quantités importantes de poussières comme cela se produit dans les installations décrites plus haut, par le fait que les déchets ne subissent aucun brassage et qu'ils ne sont pas traversés par l'air comburant en excès entraînant les poussières qui se retrouvent dans les gaz. Ce qui caractèrise également l'invention, c'est le procédé qui permet tous les niveaux justiciables de sa réalisation et de son utilisation, afin de tenir compte des avantages que l'on peut attendre de la disposition annulaire de deux cuves. C'est par conséquent un but de l'-invention de réaliser une installation de crémation entièrement statique dont la disposition des différents organes assure avec efficacité et simplicité, le stockage, le conditionnement thermique, la combustion complète des déchets dans des proportions appropriées, et l'éva- cuation de leurs scories. De façon avantageuse, les zones de stockage et de pyrolyse sont situées dans le prolongement inférieur de la trémie de chargement permettant, par gravité, l'enfournement, la progres-sion des déchets dans la chambre de réaction ainsi que l'dvacua- tion de leurs scories au cendrier. En partie inférieure de la cuve, les gaz de pyrolyse sont recueillis au travers d'une grille disposée au coeur des déchets afin d'augmenter la surface de captation. Aspirés vers le bas par la dépression régnant dans l'installation, les gaz sont extraits et dirigés sur la face externe du fond cônique de la cuve pour y être brûlés. Les gaz chaude obtenus par cette combustion sont répartis autour de la cuve de réaction où il s'opère par conductibilité un transfert de chaleur au travers des parois de ladite cuve, transfert qui élève progressivement la température des déchets stockés à traiter réalisant ainsi leur distillation ou pyrolyse. C'est également un autre but de l'invention d'assurer l'auto-protection des parois de la chambre de réaction des sollicitations thermiques des gaz chauds au moyen des déchets frais en cours de traitement. C'est aussi un but de l'invention d'utiliser l'espace annulaire obtenu par Iaddisposition des deux cuves pour tranquil-liser les gaz afin de permettre un dépoussièrage partiel par sédimentation. L'extraction des mâchefers à la partie inférieure de la cuve est assurée de façon périodique par le soulèvement de la grille centrale. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention tessortiront de la description qui suit, faite à titre d'exemple purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels La figure, est une vue en coupe latérale illustrant le procédé suivant de l'invention. La figure 2, est une coupe vue en plan de l'invention selon la ligne a-a. La figure 3, est une vue en coupe latérale de la zone de combustion des gaz et de l'évacuation des mâchefers. Le procédé de crémation des déchets selon l'invention est essentiellement constitué par une cuve centrale 1 appelée cuve de réaction et une cuve annulaire 2. La cuve centrale est surmontée d'une trémie d'alimentation 3. A la partie inférieure de la cuve 1 constituée par le cône 7, est disposée une grille verti-cale 4 destinée au captage des gaz et à la retenue des mâchefers;! C'est par cette grille que les gaz parviennent et commencent à brûler dans la chambre 6 pour être ensuite diffusés par l'est pace annulaire 8 dans la chambre de combustion 10. Les gaz de combustion provenant des chambres 10 et 10a sont ensuite évacués par le conduit 12 vers un échangeur gaz-gaz et/ou gaz/eau 13. La description du four de crémation réalisé selon l'invention sera bien comprise par les explications qui vont suivre. La cuve est remplie de déchets déversés par la trémie 3 et retenus par la grille 4* Les deux brûleurs 5 et Sa sont allumés. Lentement la température monte dans les chambres 10 et lova, les parois 41 et 42 s'échauffent progressivement, élevant la température des déchets stockés dans la cuve 1 et plus particulièrement ceux placés près desdites parois; il y a d'abord évaporation de l'eau contenue dans les déchets puis distillation progressive des matières en fonction des températures atteintes. La vapeur d'eau et les gaz de distillation sont retirés de la cuve 1 par le conduit Il et lla et la grille 4. Les gaz 49 extraits par le conduit 11 et lita, constitués principalement de vapeur d'eau et de gaz pauvres sont réchauffés dans l'échangeur 13a avant d'être brûlés dans les chambres 10 et lova. Les gaz 48 extraits par la grille 4 sont oxydés par l'air fourni en 14 et 14 a, introduits dans la-chambre 10 par l'espace 8 et brûlEs par la flamme des brûleurs 5 et 5a en présence d'air secondaire introduit en 15 que fournit le ventilateur 20.Lorsque le volume et la richesse calorifique des gaz extraits de la grille 4 sont suffisants et que la température de la chambre 10 a atteint au moins 9000C, les brûleurs 5 et 5a s'arrêtent et l'auto-descruction des déchets se réalise. Dans la grille 4 une partie des gaz peut être prélevée par le conduit 40 pour être utilisée comme gaz combustibles 50 dans un moteur à combustion interne. Cependant, obtenue de cette façon, la réduction des déchets dans la cuve 1 en absence d'oxygène produit des résidus charbonneux, aussi, pour brûler complètement ces résidus, de l'air comburant peut être fourni en 14 par des conduits 16 disposés à l'intérieur de la cuve 1 et du cône 7, alimentés par le ventilateur 20 relié à 16 par les dispositifs 13b, 17, 18 et 19. L'ensemble de l'installation de crémation est mis en dépression par l'extracteur de fumée 25. Les déchets à incinérer introduits par la trémie 3 progressent de façon continue par gr-avité au fur et à mesure de leur traitement, leur évacuation de la partie cônique 7 par l'orifice 4a est périodique par soulèvement de la grille 4 (figure 3). Sur les installations importantes, la grille peut être soulevée de façon avantageuse au moyen d'un vérin à commande hydraulique 26. Les mâchefers après leur évacuation du cône 7 sont exposés sur la table 27 au rayonnement des gaz 48 circulant en 6 pour parfaire leur combustion, puis glissent dans le cendrier où ils peuvent être refroidis à l'eau 47 avant leur évacuation par le système 46.L'air de combustion fourni par le ventilateur 20 est en partie directement introduit au point d'injection 14a par le conduit 30 afin de refroidir le système chargé de soulever la grille 4; la quantité d'air fourni est réglée par la vanne 28. Une autre partie de l'air fourni par 20 est préchauffée par contact indirect avec les gaz de fumée dans 1'échangeur 13b pour améliorer le rendement de l'installation et protéger les équipemehts de dépoussièrage et de mise en dépression du circuit des fumées, avant d'être introduite dans le four aux points 14 et 15 par réglage des vannes 19 et 31. Les brûleurs d'allumage 5 et 5a, disposés tangentiellement, sont uti--- lisés si nécessaire pour parfaire la combustion des gaz. Le conduit Il situé en partie haute de la cuve 1 sert également à la sécurité de l'installation; en effet, il est relié directement à la cheminée; en fonctionnement normal de l'installation le conduit est obstrué par un volet.-de sécurité 35 qui s'ouvre automatiquement en cas de surpression dans la cuve 1, surpression pouvant provenir d'une poche de gaz. L'espace annulaire iOa compris entre les cuves 1 et 2 peut recevoir des tubes d'eau 39pour une récupération d'énergie. L'exemple qui a été décrit ci-dessus n'a pour but que d'expliquer l'invention, en référence aux-dessins annexés et n'a aucun caractère limitatif, et de nombreuses modifications peuvent être apportées sans que l'on s'écarte du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1.- Procédé d'incinération de déchets, caractérisé par le fait que les gaz obtenus par la pyrolyse des déchets sont extraits de la cuvè 1 appelée chambre de réaction où a lieu la réaction endothermique en au moins deux points : l'un situé à la partie supérieure de la cuve, l'autre à la partie inférieure; ces deux flux de gaz sont brûlés dans un espace 10 délimité par la paroi externe de la cuve et une paroi supplémentaire formant une deuxième cuve 2 entourant la première; la combustion de ces gaz, grâce à un apport d'air extérieur, chauffe les déchets contenus dans la première cuve,- sans contact direct avec eux, à travers les parois 41 et 42 de la cuve centrale.La cuve centrale reçoit les déchets par une ouverture 3 située à sa partie supérieure, l'écoulement des déchets à l'intérieur de la cuve se fait par gravité, l'évacuation de leurs mâchefers se réalise par un orifice 4a commun au 2ème point de l'écoulement des gaz, situé à sa partie inférieure. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les cuves 1 et 2 peuvent avoir, en section, toute forme géométrique, telle que cylindrique et sensiblement concentrique, la cuve contenant les déchets se terminant en bas par un tronc de cône 7 inversé et ouvert vers le bas. 3.- Procédé selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce que le fond de la cuve centrale est équipé d'uné grille mobile 4 dont la fonction est double a) en appui sur le-fond cônique 7, elle retient les déchets placés dans la cuve en ne les libérant que pçriodiquement par un mouvement de dégagement vertical lorsqu'ils se sont transformés en mâchefers. b) par sa position au coeur des déchets elle capte les gaz de pyrolyse. 4.- Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la grille 4 réalisée en matériau réfractaire, est de forme cylindrique dans sa partie centrale, cônique dans sa partie supérieure pour faciliter 1 > écoulement des déchets frais, à doubles cônes inversés opposés par leurs grandes bases à sa partie inférieure afin d'augmenter la surface de contact avec les mâchefers et pour obturer le plus grand orifice possible de décendrage. 5.- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la masse de déchets frais enfournés assure la protection -des parois 41 et 42 de la cuve centrale contre les températures élevées des gaz de combustion dans l'espace annulaire formé par la disposition concentrique de deux cuves en absorbant par conductibilité une partie des températures fournies par lesdits gaz, les températures absorbées dessiquent les déchets, puis progressivement provoquent une combustion endothermique ou pyrolyse, qui décompose les matières organiques , cellulosiques, plastiques et minérales contenues dans les déchets. 6.- Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les conduits d'extraction 11 et lla des gaz de dessication situés en partie haute de la cuve centrale, sont en communication directe avec la cheminée au cas où une surpression se developperait accidentellement dans la cuve.Au cours de la marche normale du four un volet 35 à fermeture compensée obture le conduit de liaison avec la cheminée obligeant les gaz à passer dans la chambre annulaire de combustion 10 pour y etre brûlés après avoir été préalahlement réchauffés dans un échangeur gazgaz 13a avec les fumées pour éviter la condensation des goudrons 7.- Procédé selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que une partie de l'air comburant primaire est amené au coeur de la grille afin de permettre si nécessaire un début d'oxydation des gaz de pyrolyse. Cet air, sert également à refroidir le mécanisme qui assure le mouvement vertical de la grille. 8.- Procédé selon les revendications 3 et 4 caractérisé en ce que à l'intérieur de la grille et à sa partie supérieure un orifice relié à un conduit permet de capter une partie des gaz de pyrolyse afin que, par exemple, ils alimentent un moteur àcombustion interne entraînant un alternateur. 9.- Procédé selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce que les gaz de pyrolyse partiellement oxydés par l'air primaire sont, à leur sortie de la chambre centrale située sous le cône, définitivement brûlés dans la chambre annulaire dite chambre de combustion par l'air secondaire introduit au pied de la paroi extérieure de la chambre centrale par un dispositif de répartition et, si nécessaire, par les brûleurs utilisés pour la mise en route de l'installation ; lesdits brûleurs disposés tangentiellement à la paroi de la cuve annulaire mettent en ro- tation les gaz augmentant ainsi leur temps de séjour par un cheminement plus long. 10.- Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la chambre disposée sous le cône de la cuve centrale a, dans sa partie inférieure, une surface horizontale dont le rôle est de réfléchir la température des gas de pyrolyse et de parfaire re la combustion des mâchefers exposés sur ladite surface après leur évacuation de la cuve centrale par le soulèvement do la grille. 11.- Procédé selon les revendications i et 9 caractérisé en ce que la cuve centrale et son cane sont pourvus sur leurs faces intérieures d'un certain nombre de tubes disposés longitudinale- ment et destinés à introduire de l(air comburant dans la sone du cône par des trous réalisés dans les parois desdits tubos afin de faciliter l'allumage du four et/ou pour parfaire la combustion dos mâchefers. Ces tubes sont alimentés en air préalablement préchauffé dans un échangeur gas-gU. 12.- Procédé selon = revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que la cuve centrale repose par la face externe de son cône sur un support constitué par la paroi de la chambre située sous ledit cône. Le support est muni d'orifices afin de permettre l'écoulement des gu depuis la chaire centrale dans la chambre de combustion.