Brevet FR2496491A1 — publié le 19820625

L'invention se rapporte à un procédé d'épuration des gaz de fumées émis par les installations de chauffage telles que les brûleurs à fuel dans lequel on élimine initialement les particules solides telles que les cendres volantes des gaz de fumée, puis on élimine les oxydes d' azote et le bioxyde de soufre des gaz de fumée avant que ces derniers ne soient rejetés dans l'air atmosphérique, éventuellement à travers un dispositif de neutralisation. L'invention se rapporte en outre à une installation pour la mise en oeuvre du procédé. Il est connu de débarrasser les gaz de fumées des particules solides ainsi que des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre et il est également connu de mettre à profit la chaleur des gaz de fumée. Les installations connues antérieurement assurent une réduction d'environ % de la quantité de bioxyde de soufre contenue dans les gaz de fumées. L'importance de la quantité restante du bioxyde de soufre implique que les fumées rejetées dans l'air atmosphérique sont particulièrement agressives, ces fumées étant habituellement rejetées à une température d'environ 60 à 70 OC. Le but de l'invention est de créer un procédé qui garantisse une réduction de 98 à 100 % de la quantité de bioxyde de soufre en même temps que les fumées sont refroidies à peu près à la température ambiante. Le procédé suivant l'invention est caractérisé en ce que, tout d'abord, on fait passer les gaz de fumées débarrassés des particules solides à travers une première aspersion de liquide aqueux éventuellement intermittente, puis à travers un échangeur de chaleur dans lequel la température des gaz de fumées est ramenée à environ 20 à OC, puis éventuellement à travers un rideau de liquide alcalin tel que du lait de chaux ou de chlorure de chaux, puis à travers une deuxième aspersion de liquide aqueux et, finalement, à travers un liquide de neutralisation de l'acide sulfurique contenu dans un récipient avant de les rejeter dans l'air atmosphérique ou de les envoyer dans un dispositif de neutralisation additionnel. Le résultat est que les fumées débitées sont épurées à tel point qu'elles sont comparables à l'air atmosphérique en ce qui concerne la teneur en gaz de combustion. La teneur en bioxyde de soufre et en acide sulfurique est presque entièrement éliminée, c'est-à-dire qu'il ne reste que de 0 à 2 % de ces substances. Il ne reste qu'une petite quantité d'azote et de bioxyde de carbone et le résultat de l'épuration est de permettre d'éviter totalement les frais de construction de cheminées de grande hauteur. En même temps, la chaleur des gaz de fumées peut être entièrement utilisée pour des applica- tions de chauffage, jusqu'à un niveau de 20 à 30 0C, puisqu'il n'est plus nécessaire de laisser à ces gaz une température d'au moins environ 150 0C à 160 0C pendant leur passage dans une cheminée. Cette haute température était nécessaire dans les installations antérieures pour garantir que la teneur en acide sulfurique des gaz de fumées ne devienne pas agressive à l'intérieur de la cheminée. Cet effet est dû à une coopération des différents liquides et au fort abaissement de température imposé aux gaz de fumées. L'abaissement de la température des gaz de fumées partiellement épurés après le premier traitement par une aspersion de liquide aqueux se traduit par un effet d'accélération intense de la transformation de SO2 et SO3 en H2SO3 et H2SO4. Le film ou rideau de liquide alcalin assure neutralisation du H2SO4 précédemment formé et une oxydation des oxydes d'azotesprésente. La dernière aspersion de liquide aqueux assure la transformation des quantités restantes de SO2 et SO3 en H2S03 et H2S04, qui sont éliminés pendant le passage à travers le liquide de neutralisation de l'acide sulfurique contenu dans un récipient avant le rejet dans l'air atmosphérique. A titre de mesure de sécurité additionnelle, les gaz de fumées épurés peuvent éventuellement traverser un dispositif de de neutralisation additionnel. La basse température des gaz de fumées refroidis assure un notable accroissement de la capacité d'absorption du bioxyde de soufre dans la quantité de liquide aqueux considérée. Dans les conditions normales, de dissolution du bioxyde de soufre par l'eau à 00, la dissolution ou l'absorption s'effectue avec les rapports suivants: une partie d'eau pour 80 parties de S02 et, chaque fois que la température croît de 20 'C, le nombre de parties de S02 est diminué de moitié. La tempé- rature de 20 à 30 0C des gaz de fumées obtenue suivant 1' invention implique donc que le liquide aqueux est capable d'absorber des quantité de SO2 beaucoup plus grandes que dans les installations connues antérieurement, de sorte que la consommation de liquide aqueux est relativement faible comparativement à celle des épurateurs opérant à des températures d'environ 70 'C à 80 'C. L'échangeur de chaleur permet de chauffer de 1' eau, par exemple de l'eau pour le chauffage urbain ou en- core de l'eau utilisée dans une chaudière, ainsi que de préchauffer l'air comburant pour la combustion. Le pré- chauffage de l'air comburant améliore la combustion, la combustion étant améliorée de 1,4 % par 10 'C d'accroisse- ment de la température de l'air comburant. Les pertes de chaleur de l'installation sont donc très faibles compara- tivement aux pertes qui se produisent dans les installa- tions équipées de cheminées. La plus-faible quantité de liquide nécessaire apporte la possiblité de rendre très petite et très compacte l'installation nécessaire pour la mise en oeuvre du procédé. Par ailleurs, l'élévation du rendrement au m3 de gaz de fumée et l'efficacité de 1' utilisation de la chaleur réduisent les frais d'exploitation. Suivant l'invention, les gaz de fumées peuvent être transportés à travers l'échangeur de chaleur conjointe- ment avec la première aspersion de liquide, dans une direction à peu près verticale descendante jusqu'à ce qu' ils entrent en contact avec le film ou rideau de liquide alcalin et avec la deuxième aspersion de liquide. Le ré- sultat est qu'il est possible d'utiliser efficacement la gravité et d'obtenir une transmission de chaleur particu- lièrement bonne entre les gaz et l'échangeur de chaleur. Par ailleurs, suivant l'invention, le liquide de la première et de la deuxième aspersions de liquide aqueux peut être un mélange d'eau et de peroxyde d'hydro- gène, de sorte qu'on obtient une oxydation particulière- ment efficace du bioxyde de soufre en trioxyde de soufre. Suivant l'invention, il est particulièrement préféré que la deuxième aspersion de liquide soit émise en sens inverse de l'écoulement du gaz. L'invention se rapporte en outre à une installa- tion d'cépuration pour la mise en oeuvre du procédé et cette installation d'épuration comprend un appareil dans lequel les particules solides telles que les cendres vo- lantes sont éliminées des gaz de fumées et un appareil pour l'élimination des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre des gaz de fumées, ce dernier appareil pouvant éventuellement être couplé à un dispositif de neutralisa- tion. Cette installation d'épuration suivant l'invention est caractérisé en ce que l'appareil prévu pour l'élimina- tion des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre comprend dans l'ordre suivant, considéré dans le sens de l'écoule- ment, un premier laveur de gaz de ftumée qui soumet les gaz de fumées qui le traversent à une aspersion de liquide, un échangeur à deux étages qui abaisse la température des gaz de fumée à un niveau de 20 à 30 0C et qui comprend un échangeur de chaleur à haute température et un échangeur de chaleur à basse température, l'échangeur de chaleur à haute température étant adapté pour transmettre la chaleur des gaz de fumées à de l'eau telle-que Veau d'une chaudière ou l'eau d'un réseau de chauffage urbain; cependant que l'échangeur de chaleur à basse température est adapté pour transmettre la chaleur des gaz de fumées à l'air envoyé à la combustion, en ce qu'en aval de l'échangeur de chaleur à deux étages, sont disposés des moyens qui étalent un film ou rideau de liquide alcalin qui leur est acheminé, par exemple du lait de chaux ou du chlorure de chaux, en travers de l'appareil à l'endroit en question et qu'un deuxième laveur de gaz de fumées est prévu en aval de ces moyens, ce deuxième laveur de gaz de fumées projetant un liquide en pluie sur les gaz de fumée qui le traversent et en ce que l'appareil servant à l'élimination des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre situé à l'extrémité de sortie comprend un récipient muni de sorties et qui reçoit les liquides provenant des laveurs de gaz de fumées et dans lequel les gaz de fumées sont contraints de traver- ser le liquide présent dans le récipient avant d'être rejetés. Cette installation d'épuration travaille de façon particulièrement efficace et l'utilisation de cap- teurs et moyens régulateurs appropriés permet d'obtenir une commande très fiable de cette installation. A cet égard, il est à remarquer que les gaz de fumées qui sont traités de la façon mentionnée au début sont débarrassés des par- ticules solides telles que les cendres volantes. Cette élimination peut être effectuée de nombreuses façons différentes, par exemple au moyen d'un appareil de sépara- tion des particules réalisé sous la forme d'un multicyclone ou de filtres. Dans le cas du chauffage au fuel, l'appareil de séparation des particules peut être remplacé par une installation à émulsion placée en amont du brûleur à fuel. Dans cette installation d'émulsion, l'eau est émulsifiée dans le fuel, d'une façon connue en soi, de manière à mo- 30.difier la tension superficielle du fuel et de manière qu' une goutte de fuel habituelle soit transformée en environ dix à vingt petites gouttes de fuel dans le brûleur. De cette façon, on obtient une meilleure division du fuel en fines particules pendant la combustion, ce qui se traduit par le fait que toutes les particules de carbone dispa- raissent des gaz de fumées et qu'on obtient une combustion optimum. Suivant l'invention, l'échangeur de chaleur à haute température peut être adapté pour provoquer un abais- sement de la température des gaz de fumée à un niveau d'envi- ron 70 à 80 0C et l'échangeur de chaleur à basse tempéra- ture peut être adapté pour provoquer un nouvel abaissement de la température des gaz de fumée à un niveau d'environ à 30 OC, de sorte qu'on obtient une utilisation parti- culièrement efficace de la chaleur. Finalement, suivant l'invention, le premier laveur de gaz de fumées, l'échan- geur de chaleur à deux étages, lesdits moyens d'étalement d'un film ou rideau de liquide alcalin, et le deuxième laveur de gaz de fumées peuvent être disposés en succes- sion et à peu près à la verticale l'un au-dessus de l'autre, le premier laveur de gaz de fumées étant situé en haut, de sorte que l'installation est d'une forme particulièrement ramassée. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple: - la Fig.l est une vue schématique d'une grande installation d'épuration des gaz de fumée prévue pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention; - la Fig.2 est une vue en coupe à plus grande échelle d'une partie de l'installation de la Fig.l. L'installation d'épuration des gaz de fumées représentée sur la Fig.l comprend successivement un ap- pareil 1 de séparation des particules, un appareil 2 prévu pour l'élimination du bioxyde de soufre et des oxydes d'azote ainsi que pour l'exploitation de la chaleur des gaz de fumées, un dispositif de neutralisa- tion 3 et un collecteur de gouttes 4 tel qu'un collec- teur de gouttes du type cyclone. A leur sortie de ce collecteur de gouttes, les gaz de fumées s'échappent directement dans l'atmosphère. Le dispositif de neutra- lisation ou, éventuellement, seule la partie basse de 7- de l'appareil 2 est reliée, par une liaison descendante, à un appareil de séparation 5 dans lequel le lait de chaux utilisé dans le dispositif de neutralisation et qui-contribue à neutraliser l'acide sulfurique contenu dans les gaz de fumées, est séparé du CaSo4 d'une façon généralement connue. Le sulfate de calcium hydraté est rejeté tandis que le lait de chaux restant est renvoyé par un tube 6 pour être utilisé dans l'installation d'épuration, éventuellement avec addition de lait de chaux neuf. Dans la forme de réalisation représentée, la partie basse de l'appareil 2 communique avec le dis- positif de neutralisation 3 par un tube 7 ainsi qu'on l'a mentionné plus haut de sorte que le liquide recueilli à la base de l'appareil 2 peut s'écouler dans le disposi- tif de neutralisation Etant donné que c'est uniquement à titre de mesure de sécurité que l'installation suivant l'invention peut être couplée à un dispositif de neutralisation, la liaison 7 peut être adaptée pour envoyer un liquide di- rectement dans le sens descendant à l'appareil de sépara- tion 5 qui est également d'un type généralement connu, par exemple constitué par un séparateur. Le collecteur de gouttes 4 élimine les résidus de lait de chaux éventuel- lement contenus dans les gaz de fumées épurés avant que ces gaz ne soient rejetés dans l'atmosphère. Ainsi qu'on l'a représenté sur la Fig.2, qui est une vue en coupe verticale de l'appareil 2 prévue pour l'élimination du bioxyde de soufre et des oxydes d'azote et pour l'exploitation de la chaleur des gaz de fumées, les gaz de fumées qui sortent de l'appareil de séparation des particules sont mis en contact avec un premier laveur de gaz de fumées situé à l'entrée de l'appareil 2. Le pre- mier laveur de gaz de fumées est suivi d'un échangeur de chaleur à deux étages qui comprend un échangeur de chaleur à haute température 9 et un échangeur de chaleur à basse température 10. A une petite distance audessous de l'échangeur de chaleur à basse température 10, est dispo- sé un disque conique Il d'un type général connu et qui est mis en rotation au moyen d'un moteur électrique 12. Immédiatement au-dessus du centre de ce disoue conique 11, débouche un tube 13 servant à acheminer au disque tournant 11 un liquide alcalin tel que du lait de chaux ou du chlorure de chaux. L'appareil 2 se termine par un coude 25 formant récipient ou cuvette, qui reçoit le liquide provenant des deux laveurs de gaz de fumées et du disque tournant. Etant donné que cette partie de l'ap- pareil 2 forme un coude, et si le niveau du liquide est convenablement réglé, les gaz de fumées sont obligés de traverser le liquide contenu dans le coude avant de sor- tir par la sortie 16 de l'appareil. Comme on l'a repré- senté, le coude 15 formant cuvette est muni à sa partie inférieure de sorties pour le liquide collecté, lequel est évacué par le tube 7 mentionné plus haut.Les deux laveurs de gaz de fumées 8 et 14 sont d'un type appro- prié quelconque adapté pour projeter une pluie ou as- persion d'eau contenant du peroxyde d'hydrogène sur les gaz de fumées en écoulement, le sens de l'écoulement de ces gaz de fumées en chaque point étant indiqué par des flèches à peu près verticales. Le premier laveur 8 pulvé- rise en outre la pluie de liquide sur l'échangeur de chaleur à basse température et, en même temps que les gaz de fumées, ce liquide cède sa chaleur à l'eau qui circule dans un faisceau de tuyaux et est envoyée à une chaudière ou à un réseau de chauffage urbain. Avant de pénétrer dans l'appareil 2, les gaz de-fumées ont une température de 200 à 260 OC et, après avoir traversé l'échangeur de chaleur à haute température, ces gaz de fumées ont une température de 70 à 80 0C, cependant que la température de l'eau passant dans l'échangeur de cha- leur s'est élevée à un niveau de 95 à 105 OC. En aval de l'échangeur de chaleur à haute température, le liqui- de et les gaz de fumées entrent en contact avec l'échan- geur de chaleur à basse température qui est de préférence réalisé sous la forme d'un grand nombre de tubes de ver- re transversaux, fait de préférence de verre Pyrex z qui résiste aux hautes températures et à l'acide sulfuri- que. L'air atmosphérique passe dans ces tubes de verre à une température de 10 à 15 OC et, pendant ce passage à travers l'échangeur de chaleur, la température de cet air est portée à un niveau de 45 à 55 0C, de sorte qu'il est approprié pour être utilisé comme air comburant. Après la traversée de l'échangeur de chaleur à basse température, la température des gaz de fumées est de à 30 OC et, en passant entre le disque tournant et la paroi 17 de l'appareil, qui est en forme d'entonnoir à cet endroit, les gaz de fumées entrent en contact avec un film de lait de chaux ou de chlorure de chaux qui est projeté par le disque tournant, de manière à entrer en contact aussitôt après avec l'aspersion de liquide émise par le deuxième laveur 14. Pendant le passage des gaz de fumées dans la partie supérieure de l'appareil 2, c'est-à-dire dans la partie de cet appareil qui comprend le premier laveur 8 et l'échangeur de chaleur à haute température 9, une partie du bioxyde de soufre entre en contact avec l'eau projetée par le laveur de gaz de fumées et elle est transformée en H2S03 tandis que d'autres parties du bioxyde de soufre sont oxydées en S03 par le peroxyde d'hydrogène et transformées ensuite en H2S04 en entrant en contact avec l'eau. L'eau du laveur de gaz de fumées assure en même temps un lavage continu des deux échan- geurs de chaleur. Pendant le passage des gaz de fumées à travers la partie de l'appareil 2 qui comprend l'échan- geur de chaleur à basse température 10, la température des gaz de fumées est abaissée à environ 20 à 30 0C ainsi qu'on l'a mentionné plus haut. A cette température, la capacité d'absorption du bioxyde de soufre de l'eau est considérablement augmentée comparativement à la capacité d'absorption qu'elle possède aux températures plus élevées. A une température de 20 0C, 40 volumes- de S02 se dissolvent dans un volume d'eau. Aux tempéra- tures adoptées suivant l'invention, on obtient donc un taux élevé de dissolution bien que la consommation d'eau soit très petite. Sous l'effet du contact entre les les gaz de fumée et le film de lait de chaux ou d'une substance équivalente une proportion considérable de l'acide sulfurique qui est présent à ce moment dans les gaz de fumées est neutralisée et, en même temps, la quantité d'azote que ces gaz contiennent est captée et oxydée. Pendant que, ensuite, les gaz de fumées tra- versent le deuxième laveur 14, les quantités restantes de S02 et de S03 sont captées et oxydées et transfor- mées en H2S04. Dans le coude 15 formant cuvette de l'appareil, les gaz de fumées sont ensuite contraints d'entrer en contact intense avec le liquide à base de chaux présente dans ce coude, ce liquide neutralisant les résidus restants de H2S04. Ensuite, les gaz de fu- mées s'échappent de l'appareil 2 à travers la sortie 16 et, à cet endroit les gaz de fumées ne contiennent que de 0 à environ 2% d'oxyde de soufre. Cette quantité inhabi- tuellement basse d'oxyde de soufre peut éventuellement être encore réduite au moyen du dispositif de neutrali- sation représenté sur la Fig.l. L'invention a été décrite à propos d'une forme préférée de réalisation. De nombreuses modifica- tions peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention. Le peroxyde d'hydrogène utilisé dans les deux laveurs de gaz de fumées est un peroxyde d'hydro- gêne à 3%. Le fonctionnement et la capacité des diffé- rents organes tels que les laveurs et le disque tour- nant sont ajustés d'une façon appropriée par des cap- teurs et moyens régulateurs non représentés. Le disque tournant peut être remplacé par d'autres moyens permettant d'étaler un film de liquide alcalin. - 11- - REVENDICATIONS - 1. Procédé d'épuration des gaz de fumées émis par des installations de chauffage telles que des brûleurs à fuel, dans lequel on élimine initialement les particules solides telles que les cendres volantes des gaz de fumées, après quoi on élimine les oxydes d'azote et le bioxyde de soufre des gaz de fuméesavant que ces derniers ne soient rejetés dans l'air atmosphérique, éventuellement à travers un dispositif de neutralisation,caractérisé en ce que, tout d'abord, on fait passer les gaz de fumées débarras sés des particules solides à travers une première aspersion de liquide aqueux, éventuellement intermit- tente, puis à travers un échangeur de chaleur (9,10) dans lequel la température des gaz de fumées est ramenée à environ 20 à 30'C puis éventuellement à travers un rideau de liquide alcalin tel que du lait de chaux ou du chlorure de chaux puis à travers une deuxième aspersion de liquide aqueux et, finalement, à travers un liquide de neutralisation de l'acide sulfurique contenu dans un récipient avant de les rejeter dans l'air atmosphérique ou de les envoyer à un dispositif de neutralisation additionnel (3). 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait passer les gaz de fumées à travers l'échangeur de chaleur conjointement avec la première aspersion de liquide, et dans un courant descendant à peu près vertical, avant qu'ils ne soient mis en contact avec le film de liquide alcalin et avec la deuxième aspersion de liquide. 3. Procédé suivant l'une des reven- dications 1 et 2, caractérisé en ce que le liquide de la première et de la deuxième aspersions de liquide aqueux est un mélange d'eau et de peroxyde d'hydrogène. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la -12_ deuxième aspersion de liquide est projetée en sens inverse de l'écoulement des gaz. 5. Installation d'épuration pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, comprenant un appareil (1) dans lequel les particules solides telles que les cendres volantes sont éliminées des gaz de fumées et un appareil (2) prévu pour l'élimination des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre des gaz de fumées, ce dernier-appareil étant éventuellement couplé à un dispositif de neutralisation (3), cette installation étant caractérisée en ce que l'appareil (2) prévu pour l'élimination des oxydes d'azote et du bioxyde de soufre comprend, considéré dans le sens de l'écoulement, un premier laveur de gaz de fumée (8) qui soumet les gaz de fumées qui le traversent à une aspersion de liquide, un échangeur de chaleur à deux étages qui abaisse la température des gaz de fumées à un niveau de 20 à 30C et qui comprend un échangeur de chaleur à haute tempéra- ture (9) et un échangeur de chaleur à basse température (10), l'échangeur de chaleur à haute température (9) étant adapté pour transmettre la chaleur des gaz de fumées de l'eau telle que l'eau d'une chaudière ou de l'eau de chauffage urbain, cependant que l'échangeur de chaleur à basse température (10) est adapté pour transmettre la chaleur des gaz de fumées à de l'air envoyé à la combustion, en ce que, en aval de l'échangeur de chaleur à deux étages (9,10) sont prévus des moyens (11) servant à étaler en travers de l'appareil, à l'endroit considéré un film de liquide alcalin qui leur est acheminé, par exemple du lait de chaux ou de chlorure de chaux, et qu'un deuxième laveur de gaz de fumée (14) est prévu en aval de ces moyens (11) ce deuxième laveur de gaz de fumées pulvérisant une aspersion de liquide sur les gaz de fumées qui les traversent et en ce que l'appareil prévu pour éliminer les oxydes d'azote et le bioxyde de soufre à l'extrémité de sortie comprend un récipient muni de sorties (7) et qui reçoit le liquide provenant des laveurs de gaz de fumée et des moyens (11) et dans lesquels les gaz de fumée sont contraints de traverser le liquide présent dans le récipient avant d'être rejetés. 6. Installation d'épuration suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le liquide pulvérisé dans le premier et le deuxième laveurs de gaz de fumées est de l'eau à laquelle est ajouté un agent oxydant tel que le peroxyde d'hydrogène. 7. Installation d'épuration suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le deuxième laveur de gaz de fumées (14) pulvérise son liquide en sens inverse de l'écoulement des gaz de fumées. 8. Installation d'épuration suivant l'une quelconque des revendications 5, 6 et 7, caracté- risée en ce que l'échangeur de chaleur à haute tempéra- ture est adapté pour provoquer un abaissement de la température des gaz de fumées qui la ramène à un niveau d'environ 70 à 80C et que l'échangeur de chaleur à basse température est adapté pour provoquer un nouvel abaissement de la température des gaz de fumées qui la ramène à un niveau d'environ 20 à 30C. 9. Installation d'épuration suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens (11) servant à pulvériser un liquide alcalin comprennent un disque rotatif. 10. Installation d'épuration suivant l'une quelconque des revendications 5, 6, 7, 8 et 9, caractérisée en ce que le premier laveur de gaz de fumées (8), l'échangeur de chaleur à deux étages (9,10), les moyens (11) servant à répandre un liquide alcalin et le deuxième laveur de gaz de fumées (14) sont disposés l'un à la suite de l'autre, à peu près les uns au-dessus des autres à la verticale, avec le premier laveur de gaz de fumées (8) en position supérieure.