Brevet FR2484294A1 — publié le 19811218

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de traitement de produits humides, afin d'en extraire des composants valorisés et/ou de l'énergie. L1invention s'applique en particulier aux ordures ménagères et autres résidus urbains, mais peut être appliquée aussi à des produits qui ne sont ni des déchets ni des résidus, mais des matiêres premieres humides telles que tourbe, végétaux, paille, foin, par exemple. I1 est bien entendu que si dans le texte ci-aprâs, l'on se réfàre davantage aux ordures ménagûres, c'est parce que l'invention apporte dans ce cas un avantage particuliûrement important, mais qu'elle n'est en aucun cas limitêe i cette application La ccémuation des d6chets de toutes sortes, notammaent des ordures m9nagres, pose un probl!me, car il faut les faire disparaitre, pour le minimum de dépense. Uïne des difficultés est la teneur en humidité imiportante des déchets, environ un tiers en moymnne par exemple pour les ordures m nagères. Les tntallations connors de traitement des ordures mGnagêres procdent gînCralement soit par combustion ou pyrolyse des déchets bruts, soit par fabrication d7n compOSt destine à l'agriculture et obtenu par différents triage, broyages et criblages des tEms déchets bruts. Dans un cas comme dans l'autre, la dépense est importante0 Selon la présente invention, on traite des déchets ou analogue, ayant une forte teneur en humidités de la façon suivante on comprime les déchets pour les deshydrater on réchauffe les déchets deshydratea à une température comprise entre 600 et 1200'C pour en dégager des gaz combustibles et en faire du coke; on brale une partie des produits obtenus pour le râchauffage des déchets déshydratés. La compression est opérée sous une pression très élevée, plusieurs centaines de bar. Les produits humides sont ainsi libMrês de l'eau de façon économique et rapide, et les gateaux résultaWt dO I ccicpression constituent un produit combustible de qualité suffisante pour réaliser la pyrolyse tout en laissant un bilan calorifique positif permettant une utilisation supplémentaire, telle que le chauffage d'une serre ou la combustion dans une cimenterie, ce qui implique une implantation voisine de l'installation de trai- tement des produits humides. Généralement, le pouvoir calorifique (PCI) des ordures brutes est de 1500 à 1800 Kcal/kg et environ un tiers de leur masse est de l'eau. Après deshydratation par compression, le PCI de ce produit sec passe a une valeur de l'ordre de 2000 à 3000 Kcal/kg, ce qui permet de le considérer comme un véritable combustible, alors que cela est impossible avec les ordures brutes. Avantageusement, un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comporte: un tube rectiligne avec une extrémité d'entrée et une extrémité de sortie; une presse disposée à l'entrée (pour comprimer des produits humides) avec au moins un piston disposé dans l'axe du tube, de section sensiblement égale à celle de l'entrée dudit tube (pour pouvoir pousser et faire avancer des produits comprimés dans le tube); un manchon entourant le tube depuis la sortie jusqu'à un premier emplacement entre l'entrée et la sortie; un foyer cons- titué par un volume fermé, dans lequel débouchent la sortie du tube et le volume annulaire compris entre le tube et le manchon; des moyens d'injection d'air et de carburant, dans le volume annulaire et dans le foyer; et des moyens d'extraction d'éléments solides hors du foyer, sans laisser sortir les gaz. Tout ou partie des parois de la chambre de com- pression de la presse sont munies d'orifices, ou d'autres systèmes, aptes à laisser sortir l'eau et les matières organi- ques fluables sous l'action de la pression. Les boues ainsi exprimées sont collectées dans une ou plusieurs tubulures dans lesquelles elles circulent sous l'action de la pression d'ex- traction elle-même. Par rapport aux ordures brutes, on trouve dans le tube un matériau sec et débarrassé de l'essentiel des matières organiques à faible pouvoir calorifique et surtout à combustion très polluante. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, donnée à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Les figures 1 à 4 sont des coupes schématiques, la figure 1 par un plan vertical, les autres par un plan horizontal, d'un exemple de réalisation de la partie com- pression d'un dispositif selon l'invention; La figure 5 est une vue en coupe longitudinale schématique de l'ensemble d'un dispositif selon l'invention. Un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention comprend dans son ensemble trois parties principales: une installation de compression, un four tubu- laire de pyrolyse, et un foyer. L'installation de compression chasse mécaniquement l'eau hors du produit humide, ce qui donne de façon économique un produit ayant un pouvoir calorifique suffisant pour récu- pérer de l'énergie. Un exemple d'installation de compression est représenté schématiquement sur les figures 1-à 4. Il est bien entendu que l'on peut utiliser toute installation permet- tant de chasser l'eau suffisamment et de former un résidu sec dense et calibré, et notamment une presse à séparation de phases comportant un (ou plusieurs) poinçon pénétrant dans un matière déjà compactée. La figure 1 représente la presse en élévation avec coupe partielle schématique. Un vérin hydraulique 1 pousse un piston 2 dans l'axe du tube 11 alors que les produits humides, par exemple des ordures ménagères sont introduites devant le piston de la chambre de compression 3. La figure 2 montre la môme presse, vue de dessus, alors que le piston 2 poussé par le vérin 1 a formé un gateau ou lingot comprimé 4 devant lui. L'eau et les matières organiques fluables-formant des boues sont extraites au moins par les orifices 5 pratiqués dans la plaque mobile 6 du fond ou par des orifices 5' (figure 3) pra- tiqués dans la paroi cylindrique de la chambre. Pendant la compression, les canaux transversaux 7 et/ou 7' collectant les boues communiquent avec les canaux extérieurs 8 et/ou 8' par des raccords appropriés pour les rifices fixes 5' et par coin- cidence des orifices pour les orifices 5 de la plaque mobile 6. Les canaux collecteurs 7 débouchent alors dans au moins une des faces latérales de glissement de la plaque de façon à venir en coincidence avec des orifices de canalisations d'éva- cuation quand la plaque est en position d'obturation de la chambre. On peut également utiliser des tuyaux flexibles. Dans le cas des ordures ménagères, les boues issues de la compression, qui sont une gêne en tant que combustible, devien- nent très intéressantes en tant que matériau biodégradable puis- qu'elles sont constituées pour plus des deux tiers de matières organiques (soit plus du double d'un compost classique). Les boues, prises telles quelles, ou séchées et la cas échéant pas- teurisées, avec éventuellemnt des additifs, peuvent servir d'engrais de qualité élevée, ou d'aliment pour animaux (porcs, poissons et crustacés etc). Comme représenté sur la figure 3, après la compression des déchets, la plaque 6 est translatée, par exemple à l'aide du verin 9 (figure 1) de façon à amener l'orifice 10 dans le prolongement de la chambre de compression 3. Enfin, la figure 4 montre comment le lingot 4 est poussé dans le tube de chauffe il, par le piston 2 ou un élément de ce piston, qui peut être la face 2a du piston, poussée par la tige 2b formant vérin téles- copique, en poussant devant lui toute la-colonne des lingots 4 injectés au cours des opérations précédentes. Le piston 2, la chambre de compression 3, l'orifice 10 de la plaque 6 et le début du tube 11 sont sensiblement de même section. Différents types de presse peuvent convenir, à partir du moment o ils peuvent fournir un lingot dont la section fron- tale reste constante. Les presses doivent être capables égale- ment de comprimer les produits à une pression suffisamment forte pour que l'extraction de l'eau et des matières organiques fluables soit possible. Plusieurs centaines de bar sont le plus souvent nécessaires. Les boues sont collectées par un ou plusieurs canaux 8 et les lingots sont injectés en force dans un tube 11 de sensi- blement même section lla (figure 5) qu'eux; de cette façon, à aucun moment, les lingots, qui possèdent après compression une importante élasticité, n'ont pu se détendre radialement. Ainsi, leur succession sur une certaine longueur (par exemple quelques épaisseurs de lingot) dans le tube 11 est &tanche aux gaz qui seront produits en aval. Ce tube est ensuite avan- tageusemtent rendu cônique divergent de quelques degrés (11b) ou de plus grande section, de façon à viter tout arcbout@i@ent des lingots injectés en forcez A titre d'exemple, le diamètre peut passer de 330 A 500 if0o En outre, la compression à plusieurs centaines de bar desdits lingots garantit leur absence da poro- sité. Après la partie divergente llb, le tube cimporte i ue autïe partie cylindEique 11ce dont la longueur est détermine pour l'toprtion de pyrolyse que 18on va décrire maintenanto A son extremi!t& de sortie (û Iroite sur la figure 5}) lQ tube 11 daboiuche dans un foyer 15 dont la partie inferi ure 16 peut Qtre en rfrataireo La partie lIc du tube 12 eat ent@oure d un manchon 18 d ot lentremité droite dsgbuche dans le foyGer 16 laàtaichI lt& '(tant anssurge autour du racccdewent au fCoyer du manchon 18o Sur le coté gauche, le n chon 18 est f@' rr& en 38e autour du tube 1!1 et un tube pe19 % llgchappement des gas et fumes vers u e ou plusieurs directions possibles 20, 212 au moyen d'un volet 22 par sempleo Un coresseur 25 fournit de l'air c iburant au foyer 16o Un aut1e compressezr 2G fournit de l'air à la partie sup&rieure due foyer, pour parfaire la combustion ou assurer la combustion d'une partie ou de la tota- lité des gaz de pyrolyse. Un brûleur 27 peut être prtguî afin de fournir du carburant pour la mise en route de l installation. Pour assurer l'tanch&!té, dans un exemple de rOalseation le bas du foyer plonge dans une cu3re 31 pleine d'eau. Des moyens 32 sont prO.us pour extraire les produits solides tombant au fond de l'eau. Selon un autre mode de réalisation de l!'invention, on peut utiliser un réservoir clos, formant sas, ce qui peràeti de r*cupérer la partie coke sans la mouiller et sans produire de gas à l'eau ni vapeur. Dans ce dernier cas, le tube de pyro- lyse doit &tre chaeuffé indirectement par ailleurso Suivant une disposition préférentielle, le dispositif Fonlcti5nne de la fagon 8ui7ante0 Des lingots 4, pouss$s les uns L a,suite des autres avancent dans le tube l L2 tanechEt est assurée dans la partie lla, à la sortie de la presse, comme indiqué ci-dessus. La partie divergente llb évite les blocages et permet à la presse de faire avancer un train de lingots de grande longueur sans dépense excessive de puissance. Dans la partie ulc, les lingots avancent avec un jeu assez large, pour présenter moins de résistance, et laisser passer les gaz de pyrolyse. Sur toute la partie 1c, le tube est chauffé à une température de l'ordre de 600 à X2DO0C par les gaz de com- bustion du foyer 16. Ces fumées passent autour du tube 11, entre le tube et le manchon 18, de façon à chauffer le tube 11, qui peut comporter dans ce but des ailettes 27, de toute forme appropriée, ondulée, hélicoïdale, etc. Sous l'effet du chauffage, les éléments volatils se dégagent dans le tube 11 et se dirigent vers la sortie, à droite. Les lingots se transforment progressivemrent en coke jusqu'à ce qu'ils basculent dans le foyer 16. La longueur de la partie lic du tube doit être établie pour permettre une pyrolyse complète: l'extérieur étant porté de 600 à 10000C, les lingots doivent être distillés et pyrolysés à coeur. Il faut que les linqots restent un temps suffisant, en fonction de leur diamètre. Par exemple, pour des lingots de 380 mm, il faut enviro une heure: ce qui conduit à une longueur de 25 m pour une presse pouvant débiter 4 tonnes/heure. Avec un tube de sortie de presse de 250 mm (2T/h), il faut environ 12 m. Les lingots transformés en coke, tombent dans le foyer 16 o ils brûlent avec de l'air envoyé en quantité ap- propriée par le compresseur 25. En dosant convenablement l'air, on peut avoir une combustion complète. Avec des résidus d'or- dures ménagères de type ordinaire, le coke est porté à une température de 1600 à 2000 . Après combustion dans la chambre, il tombe dans le fond des stérils fondus: verre, métal, qui se granulent dans l'eau et sont extraits par un moyen approprié quelconque 32. L'eau constitue un moyen commode pour refroidir et assurer l'étanchéité, mais cette disposition n'est pas limi- tative de l'invention. Les fumées de combustion du coke, avec les gaz de pyrolyse qui sont chauds, passent dans le manchon 18 et entre- tiennent, maintiennent la température du tube 11 et ressor- tent en 19 après avoir cédé une partie de leur enthalpie. En régime permanent, la combustion du coke suffit dans la plupart des cas pour réchauffer suffisamment les lingots progressant dans le tube 11. Si c'était nécessaire pour des produits particulièrement pauvres, on peut en outre brûler les gaz en injectant de l'air au moyen d'un compresseur 26. Un brûleur 27 est prévu pour le démarrage de l'installation (gaz ou huile combustible). On se rend compte à ce stade que l'ensemble peut fonctionner en incinérateur. Il suffit que la quantité d'air injectée soit suffisante pour brûler l'ensemble des solides et gaz combustibles. Dans le cas général, le gaz à l'air mélange aux fu- mées du coke est prélevé en 19 et peut être utilise, par exem- ple dans une cimenterie ou pour chauffer une serre. Un volet de déviation permet d'orienter le gaz vers l'une ou l'autre utilisation, ou vers une torchère pour le brler, si l'instal- lation consommatrice est à l'arrêt. On placera un tel disposi- tif selon l'invention au voisinage d'une utilisation des calo- ries, pour conserver au maximum la température du gaz sortant en 19 (environ 6000C). A ce gaz à l'air se mélangera du gaz à l'eau, provenant de la vapeur d'eau émise lors de la chute dans l'eau des scories incandescentes. Le gaz pourra aussi être pré- levé à un autre endroit, par exemple directement hors du tube 11 par une tuyauterie placée dans la zone voisine de la zone la plus chaude de façon à obtenir un gaz le plus possible exempt de goudrons, de vapeur d'eau et de gaz malodorants. Au moins dans la partie la plus chaude du tube 11 et du manchon 18, et pour le haut du foyer 15, on utilisera des tôles réfractaires, pouvant résister à 10000C. On peut avantageusement prévoir une régulation, fonc- tion de la distribution des températures dans l'espace compris entre le tube et le manchon. Si la température monte trop, on peut diminuer l'entrée d'air, mais ceci conduit à des imbrûlés, et l'on peut avoir des dépôts qui peuvent colmater l'installa- tion. On peut aussi injecter de l'eau ou de la vapeur d'eau. Si, par contre, la température descend trop, on ajoute de l'air, et on brûle une partie des gaz de pyrolyse. Par rapport aux divers procédés connus, notam- ment pour l'élimination des ordures, celui-ci présente les avantages d'être continu, et de fournir un bilan positif, au lieu de consommer de l'énergie. Il va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'il serait possible de les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVEND ICAT IONS 1) Procédé de traitement de produits humides tels que des déchets ou des ordures ménagères ou autres produits, en particulier agricoles ou forestiers comme foin, en vue de leur transformation avec récupération de produits de valeur et d'énergie, caractérisé en ce qu9il comporte les opérations suivantes - - on com:prime les dëchets pour les deshydrater et rcupârer- des liquióes ou bou.es le plus souvent valorisableSo on réchauffe iles déchets deshydrates à une tom= pârature c-rise entre 600' et 1200 C, pour en dégager des gaz ïobustSzbles eten faire du coe on brt'le une partie des produits obtenus pour la rechauffage des déchets deshydratéso 2) Procâcqg selon la revendication Il caractérisé en ce q-ua los dchets suivernt Pn trajet rectiligne au cours des r6chauff é. 4) Procédo selon une des revendications précdentese caractêris en óce que l'on brale le gaz et on recupëre le coke 5) Procédé selon une des revendications 1 k 3, carace têris. ence que Iloi brlie le coke et on récupère le gaze 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procidê de la revendication 1, caract-risé en ce qu'il comporte un tube rectlîgne a vec une extrémitg dmentrée et une extrémité de sortie; - une presse disposée à l'entrée (pour comprimar des produits humides) avec au moiîns un piston disposé dans l'axe du tube, de section sensiblement égale à celle de l'entrée dudit tube, {pour pouvoir pousser et faire avancer des produits com- primés dans le tube); u manchoen entourant le tube depuis la sortie jusqu'ê un premier etpFlacement entre l'entrée et la sortie p - fm foyer constitué par un volume fermé, dans lequel débouchent la sortie du tube et le volume annulaire compris entre le tube et le manchon; - des moyens d'injection d'air et de carburant dans le volume annulaire et dans le foyer; et - des moyens d'extraction d'éléments solides hors du foyer, sans laisser sortir les gaz. 7) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section du tube est plus grande du coté sortie, a partir d'un deuxième emplacement entre l'entrée et le premier emplacement. 8) Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un dispositif déflecteur est disposé au premier empla- cement du tube (pour capter des gaz sortant du volume annulai- re). 9) Dispositif selon une des revendications précéden- tes, caractérisé en ce que le fond du foyer est obturé par un joint d'eau (permettant l'extraction de cendres, coke et mache- fer sans entrée d'air). ) Dispositif selon une des revendications préceden- tes, caractérisé en ce que la paroi extérieure du tube, dispo- sée à l'intérieur du manchon, porte des ailettes ou nervures, droites, en chicane, spirale ou analogue. 11) Dispositif pour comprimer des déchets en vue de les déshydrater comportant une chambre de compression cylin- drique, un piston mobile axialement actionné par une extrémité de la chambre cylindrique, l'autre extrémité pouffant être ob- turée par une paroi plane perpendiculaire a l'axe de la chambre, cette paroi étant mobile dans son plan pour permettre de déga- ger l'ouverture correspondante de la chambre, des perforations étant prévues dans la paroi mobile et/ou dans la paroi cylin- drique pour l'évacuation de la phase liquide pendant l'opéra- tion de compression. 12)Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les orifices formés dans la plaque mobile débou- chent dans des canaux collecteurs formés dans la plaque mobile, ces canaux débouchant sur au n#oins une des faces latérales de glissement de la plaque, de façon à venir en coïncidence avec des canalisations d'évacuation quand la plaque est en position d'obturation de la chambre.