Brevet FR2468072A1 — publié le 19810430

L'invention concerne un procédé combiné de combus- tion et de purification des déchets gazeux produits, dans lequel de la vapeur d'eau et autres substances indésirables présentes dans les déchets gazeux, telles que des composés soufrés des métaux lourds ou autres polluants, sont condensées et/ou élimi- nées sous forme de précipités, puis évacuées avec les matières solides en soumettant les déchets gazeux à une compression sui- vie d'un refroidissement et d'une détente dans un traitement en une ou plusieurs étapes. Les procédés de purification et/ou de desséchage des déchets gazeux sont bien connus de l'art antérieur, comme on pourra le constater en se référant par exemple à la Publica- tion Allemande 2.013.049, au brevet U.S.A. NO 3.012.629 ou au brevet suédois NO 345.006. CesSprocédés, cependant, ne sont pas suffisamment effiaces pour purifier des déchets gazeux obtenus par un processus de combustion, en particulier lorsque des gaz fortement contaminés, résultant de la combustion d'huiles lourdes à forte teneur en soufre, contiennent également des pourcentages relativement élevés de métaux lourds. On a donc tenté de pallier les difficultés ci-dessus en gazéifiant le carburant pour obtenir une combustion plus propre, et en effec- tuant la combustion en couches fluidifiées. Ces procédés, cepen- dant, ont conduit à des problèmes de contr8le du processus de combustion et de manipulation des produits résiduels, avec en outre une perte de rendement. L'invention a pour but de pallier les inconvénients ci-dessus de l'art antérieur en créant un procédé combiné de combustion et de purification des déchets gazeux permettant d'obtenir et de conserver un excellent rendement d'installation tout en effectuant une purification très poussée des déchets gazeux, même dans le cas de combustibles très pauvres tels que des charbons très humides à forte teneur en sulfures. A cet effet, l'invention concerne un procédé combiné de combustion et de purification des déchets gazeux obtenus, dans lequel de la vapeur d'eau et autres produits indésirables tels que des composés soufrés des métaux lourds et autres polluants, sont condensés et/ou précipités, puis élimi- nés avec les matières solides en soumettant les déchets gazeux à une compression suivie d'un refroidissement et d'une détente, dans un traitement en une ou plusieurs étapes; procédé caracté- risé en ce qu'après avoir soumis les gaz traités, c'est-à-dire l'air de combustion avant la combustion et les déchets gazeux après celle-ci, à une compression réalisée au moyen d'un com- presseur, et après avoir refroidi ces gaz pour en évacuer sous pression, l'eau, les particules de poussière et autres précipi- tés indésirables, ces déchets gazeux sont soumis, ainsi que les substances indésirables, à une rapide chute de pression obtenue par des moyens de détente; la puissance d'entrée du compres- seur, ainsi que l'augmentation de pression d'une part et le refroidissement d'autre part, étant réglés de manière à obtenir a la sortie des moyens de détente une température suffisamment basse pour produire la condensation et la précipitation des substances indésirables dans les déchets gazeux. Le procédé selon l'invention peut être considéré comme un procédé de pompage de chaleur car de l'énergie est cédée au compresseur du fait que l'énergie développée par la détente n'est pas suffisante pour mettre en oeuvre le processus de compression lié au procédé selon l'invention. La construction des chaudières haute pression classiques est un exemple de réalisation dans lequel une turbine à gaz perdus est utilisée pour entraîner le compresseur sans source de puissance supplé- mentaire. Un avantage important du procédé selon l'inven- tion est que les produits contaminants sont séparés sous forme "propre" et concentrée, sans combinaison chimique avec une subs- tance quelconque autre que de l'eau. Les combustibles pauvres contiennent souvent de grandes quantités d'eau qui, dans les procédés classiques du type ci-dessus, doivent être éliminées avant la combustion, avec les pertes d'énergie que cela entraîne. *Ce n'est pas le cas dans le procédé selon l'invention o, au contraire, l'énergie correspondante est utilisée. Les déchets gazeux contiennent de la vapeur d'eau mais, par refroidissement de ces gaz, en une ou plusieurs étapes, à une température infé- rieure aux points de rosée de l'eau et de l'acide sulfurique, on peut utiliser la chaleur de vaporisation tout en obtenant un excellent effet de purification. Comme les combustibles pauvres produisent de grandes quantités de cendres et de particules solides, il est souvent souhaitable de faire circuler les con- densations dans des buses spéciales au cours d'une étape de refroidissement, en utilisant de préférence un économiseur, et 3 2468072 de laver ces cendres et ces particules solides par des moyens de rinçage. Dans ces conditions, les divers éléments de l'ins- tallation, et en particulier ceux qui sont soumis à la pression, risquent de subir une corrosion. On peut cependant éviter cette corrosion en réalisant ces éléments en verre ou en matière plas- tique. De plus les moyens de détente peuvent être endommagés par cavitation si le liquide et les particules solides ne sont pas effectivement séparés en amont de ces moyens. Si l'on utilise une machine de détente rotative telle que par exemple une tur- bine à gaz il faut faire particulièrement attention à la lubrifi- cation, compte tenu des basses températures mises en jeu par le processus, et compte tenu également des risques de dommages causés par la formation de glace sur les pales de turbine. On peut cependant éviter ces problèmes en utilisant un détendeur de type à rotor à vis sans fin, au lieu d'une turbine. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'exemples non limitatifs de réalisation représentés sur les dessins ci-joints dans lesquels - la figure 1 illustre schématiquement l'alimen- tation du compresseur en gaz contaminés; - la figure 2 est une vue schématique, semblable à celle de la figure 1, mais dans laquelle la combustion du combustible se fait en aval du compresseur; et - la figure 3 illustre de façon plus facilement compréhensible le processus mis en oeuvre sur la figure 2. Dans la forme de réalisation représentée sur la figure 1, l'air et le combustible sont amenés à un poste de combustion constitué dans le cas présent par une chaudière à vapeur 1. Les gaz contaminés passent de la chaudière 1 à un refroidisseur 2, puis à un compresseur 3 à l'entrée duquel les déchets gazeux se trouvent dans l'état I. Ces déchets gazeux sortent du compresseur dans un état II, passent dans un refroi- disseur 4, en sortent dans un état III, passent dans une machine de détente 5 puis en sortent dans un état IV pour atteindre un récipient collecteur 6. Les gaz secs froids et propres ou m9me inertes, passent du récipient 6 dans une cheminée 7 o ils subissent un traitement tel qu'un chauffage ou un mélange avec de l'air ambiant pour les empêcher de s'accumuler au niveau du sol. Ces gaz froids peuvent cependant être utilisés plus effica- cement à des fins de refroidissement en passant par exemple dans le refroidisseur 2 ou dans des bâtiments, des installations industrielles ou des zones de loisirs utilisant du froid. La machine de détente 5 est conçue pour entrainer le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un arbre 8 de liaison entre ces deux appareils. Selon l'invention, une puissance sup- plémentaire est également fournie au compresseur 3 par un moteur 9 couplé à l'arbre d'entra nement du compresseur. La température et la pression sont réglées, sui- vant les états 1, II et III, de manière à obtenir la condensation voulue de la vapeur d'eau contenue dans les gaz, et la sépara- tion dans le refroidisseur 4 des condensations, de la suie, de la poussière, de l'acide sulfurique etc.... La température et la pression sont également réglées de façon que la température des gaz dans l'état IV soit si basse (entre -60 et -650C par exemple) qu'on puisse recueillir, dans le récipient 6, les produits de contamination résiduels et les cristaux de glace. On remarquera ici que l'établissement de la température et de la pression se font si vite que, pour la majeure partie des subs- tances de contamination, le passage de l'état gazeux à l'état solide se fait par l'intermédiaire d'une phase liquide de durée si courte qu'elle exclut toute possibilité de réaction chimique entre les différents précipités. Le procédé représenté d'une façon générale sur la figure 2 et d'une façon plus détaillée sur la figure 3 diffère de celui de la figure 1 par l'endroit de la combustion et la forme de la chaudière 2 qui se trouve ici du côté haute pression du compresseur 3. En variante de réalisation, on peut utiliser ici, pour réaliser la combustion, un moteur à combustion interne et de préférence un moteur diesel alimenté par le compresseur 3. Le procédé illustré sur la figure 3 comporte les différentes étapes décrites ci-après. Les valeurs données sur la figure sont basées sur un même volume de gaz traversant la chaudière, ce volume correspondant plus précisément à la quantité d'air nécessaire pour brûler 1 kg de fuel. L'air de combustion est pompé dans l'atmosphère de manière à passer dans le refroidisseur 2 o il est refroidi par les déchets gazeux froids, de manière à réduire la charge du compresseur. L'état I ci-dessus correspond à: Masse M = 15 kg Pression P1 = 1 bar Température Tl = 00C L'air contient alors 57 grammes de vapeur d'eau saturante. Cet air est ensuite comprimé dans le compresseur 3. Du fait des pertes de rendement, il faut pouvoir disposer d'une puissance d'entrée supérieure à la valeur théoriquement néces- saire. Il en résulte une augmentation de température au-dessus de celle correspondant à la compression adiabatique. L'état II correspond: Pression P = 5 bars Température T2 = 1870C On brûle alors le fuel avec l'air dans le système sous pression, et les déchets gazeux passent dans la chaudière 1 de façon classique. Comme on peut le voir sur la figure 3, la chau- dière 1 comprend, dans l'ordre, une chambre de combustion 11, un générateur de vapeur 12 relié à une cloche de vapeur 13, un sur- chauffeur 14 relié à une turbine à vapeur 15, un économiseur 16, et un épurateur de gaz 17 suivi par un refroidisseur de gaz 18. Entre la turbine à vapeur 15 et l'épurateur 17 est monté un condenseur 19 muni d'un circuit d'eau froide 20 également couplé au refroidisseur de gaz 18. Si la température de l'eau froide disponible est de 100C, la température du condenseur peut être maintenue à 'C. Cela supprime alors le besoin d'un refroidisseur de gaz en aval de l'économiseur. Si, au contraire, l'eau de refroidis- sement est à une température plus élevée, ou si les déchets gazeux doivent être purifiés de façon plus poussée, il faut alors utiliser un refroidisseur de gaz. L'état III mentionné ci-dessus correspond à Pression P3 = 5 bars Température T3 = 400C Le gaz contient alors 150 grammes de vapeur d'eau. Pendant le processus de combustion, une quantité de vapeur d'eau relativement importante est formée, bien que la majeure partie de cette vapeur d'eau se condense dans l'économi- seur en entraînant avec elle la majeure partiede la suie et des particules solides contenue dans les déchets gazeux. Ici se situe une cause importante de l'excellent rendement du procédé selon l'invention. En effet, l'eau de traitement ou de condensa- tion passe de la chaudière à une soupape sous pression. Après avoir traversé la chaudière, les déchets gazeux traversent la turbine 5 à laquelle ils cèdent une grande partie de leur énergie. La perte de chaleur adiabatique provoque la condensation en cristaux de glace de l'eau restant dans les gaz, ainsi que la précipitation progressive des produits de contamination. Le mélange boueux obtenu est évacué dans le réci- pient collecteur 6, en aval de la turbine 5. L'état IV (en aval de la turbine) correspond à Température T4 = 33C Pression P4 = 1 bar -Le gaz contient alors moins d'un gramme de vapeur d'eau. Si cette température finale ne permet pas d'obtenir un effet d'épuration suffisant, on peut augmenter la pression dans la chaudière ou, comme dans l'exemple ci-après, abaisser la température T3 à + 150C en utilisant le refroidisseur de gaz 18. T3 = + 150C donne une teneur en eau de 42 grammes pour tout le volume de gaz. T4 passe alors à - 660C. T4 résulte de: a) la différence de température adiabatique; b) les pertes de rendement de la turbine conduisant à une aug- mentation de la température du gaz; et c) la chaleur de vaporisation ajoutée à la chaleur de fusion de la quantité d'eau condensée en aval de la turbine. On peut montrer qu'une température finale de - 550 à - 600C permet d'obtenir un excellent effet de purifica- tion, et que la valeur convenable de T3 est alors de 200C envi- ron. Ainsi, dans l'exemple illustré sur la figure 3, l'utilisa- tion du refroidisseur de gaz 18 avec de l'eau de refroidisse- ment à 50C, conduisant à T = 20C, permet d'obtenir l'état IV correspondant à: Pression P4 =1 bar Température T4 = - 600C Lorsque la température finale est inférieure à -600C, le gaz carbonique commence à se condenser. Bien que le gaz carbonique soit un produit couramment utilisé dans le com- merce, sa production risque de poser dans le cas présent un certain nombre de problèmes. Comme le processus de combustion se fait sous pression dans la chaudière 1, le volume de la flamme est réduit tandis que la vitesse de combustion et la température de flamme, de même que l'intensité du rayonnement, augmentent comparative- ment au cas des chaudières classiques. Ainsi la chaudière uti- lisée selon l'invention est plus petite qu'une chaudière normale. Cela prend de l'importance, entre autres, lorsqu'on transforme un système ancien en un système moderne plus propre et plus économique tel que celui de l'invention, car il suffit simple- ment de remplacer la chaudière. Le processus de combustion selon l'invention per- met d'utiliser du fuel, du charbon ou de la tourbe présentant une teneur en eau de plus de 50 %. Dans les cas normaux utilisant une pression de 64 bars pour le cycle de vapeur, une température de condenseur de 300C et une pression de chaudière de 5 bars la teneur en eau est de 55 % pour le fuel et 56 % pour le charbon, ces pourcen- tages étant donnés en poids. Il apparaît à l'évidence que la possibilité de brûler efficacement un combustible fluide se présentant sous la forme d'une poudre-c-charbon à forte teneur en eau, est d'un grand intérêt pratique. Il est alors possible de pomper du charbon *en poudre, mélangé à de l'eau, dans la chambre de com- bustion de la chaudière. Ce carburant est appelé "charbon liquide" et peut se traiter de la même manière que le fuel. Un produit suédois de ce type est vendu sous le nom de "CARBOGEL" et contient du charbon en poudre fine mélangé à de l'eau et à des produits additionnels empêchant le charbon de s'agglomérer. Ce carburant présente une capacité énergétique de 8,9 MWh/m3 se comparant à une capacité de 10,3 MWh/m pour le fuel. On cons- tate ainsi que ces produits permettent d'utiliser des enceintes nettement inférieures à la moitié de celles à mettre en oeuvre pour brûler du fuel. Compte tenu du fait que le procédé selon l'inven- tion est un procédé continu permettant de traiter de grands volumes de gaz sans adjonction de produits chimiques, on peut constater que l'invention présente de nombreux avantages im- portants par rapport aux procédés classiques qui nécessitent la mise en oeuvre d'équipements très coûteux pour purifier les a 2468072 déchets gazeux, cette purification se faisant de manière dis- continue dans les systèmes et installations selon l'art anté- rieur. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Procédé combiné de combustion et de purifica- tion des déchets gazeux obtenus, dans lequel de la vapeur d'eau et autres produits indésirables tels que des composés soufrés des métaux lourds et autres polluants, sont condensés et/ou précipités, puis éliminés avec les matières solides en soumet- tant les déchets gazeux à une compression suivie d'un refroidis- sement et d'une détente, dans un traitement en une ou plusieurs étapes; procédé caractérisé en ce qu'après avoir soumis les gaz traités, c'est-à-dire l'air de combustion avant la combus- tion et les déchets gazeux après celle-ci, à une compression réalisée au moyen d'un compresseur, et après avoir refroidi ces gaz pour en évacuer sous pression, l'eau, les particules de poussière et autres précipités indésirables, ces déchets gazeux sont soumis, ainsi que les substances indésirables, à une rapide chute de pression obtenue par des moyens de détente; la puissance d'entrée du compresseur, ainsi que l'augmentation de pression d'une part et le refroidissement d'autre part, étant réglés de manière à obtenir à la sortie dés moyens de détente une température suffisamment basse pour produire la condensation et la précipitation des substances indésirables dans les déchets gazeux. ) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détente se présentent sous la forme d'une machine de détente rotative telle qu'un détendeur à rotor à vis sans fin utilisé pour entra ner le compresseur en même temps qu'une source de puissance motrice supplémentaire. ) Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 et 2, caractérisé en ce que le processus de combustion se fait après la compression mais avant le refroidissement.