Brevet FR2509016A1 — publié le 19830107

DISPOSITIF UTILISABLE POUR LA COMBUSTION DE PRODUITS CORROSIFS PROCEDE METTANT EN OEUVRE CE DISPOSITIF La présente invention a pour objet un dispositif utilisa- ble notamment pour la combustion de résidus corrosifs tels que ceux contenant des hydrocarbures halogénés, notamment chlorés Elle concerne également le procédé de combustion mettant en oeuvre ledit dispositif. La fabrication industrielle de composés organiques chlorés engendre d'abondantes quantités de résidus contenant souvent du chlore Ces résidus peuvent se présenter soit à l'état de gaz comme par exemple dans le cas de la fabrication du chlorure de vinyle, ou de ses polymères ou copolymères, soit à l'état de liquide et/ou de solides goudronneux obtenus dans la fabrication d'hydrocarbures chlorés aliphatiques, cycloaliphatiques et/ou aromatiques La compo- sition de ces résidus chlorés varie suivant leur origine Certains résidus comprennent des produits goudronneux chlorés dont au moins quelques uns des constituants renferment plus de 7 atomes de carbone par molécule D'autres résidus chlorés comprennent des composés en C 4 chlorés et/ou des composés en C 6 chlorés Ces résidus chlorés peuvent être accompagnés d'autres composés comprenant des consti- tuants en C 1 à C 4 chlorés. Un moyen de résoudre le problème de l'accumulation de ces résidus et de la pollution de l'air et/ou des eaux dans lesquelles ils peuvent être déversés est de les briâler à hautes températures, par exemple entre 900 et 1450 'C dans une chambre de combustion avec récupération d'acide chlorhydrique gazeux que l'on peut mettre sous forme de solution aqueuse, et éventuellement production de vapeur d'eau. Le brûlage de ces résidus s'accompagne d'une combustion vive qui ne peut être obtenue de façon stable et continue que dans des appareillages spécialement adaptés En effet, la combustion de ce type de résidus s'accompagne de difficultés et problèmes d'ordre divers: bouchages des brûleurs et des injecteurs notamment lorsque les résidus sont visqueux, réglages difficiles en vue d'obtenir une combustion totale donnant de l'acide chlorhydrique ne contenant qu'un minimum de chlore libre, conjointement avec une production nulle de carbone, corrosion, dégradation rapide des pièces d'un brûleur si l'on ne protège pas certains organes ou parois de l'appa- reillage par un revêtement réfractaire et/ou antiacide, ou par des dispositifs spécifiques, par exemple d'injection d'un volume impor- tant de gaz froid non combustible autour de la flamme On peut en outre mentionner les difficultés liées à l'extrapolation du dispo- sitif à un appareillage de très grande taille par exemple capable de traiter 3 t/h de résidus, en raison notamment des quantités très importantes de résidus à traiter. Dans la demande française 79 16367 on propose de faire appel à un flux d'air tourbillonnaire dont le rôle essentiel est de stabiliser la flamme et de modeler la forme de ladite flamme, la dispersion de la phase à brûler étant elle-même obtenue par un flux d'air d'atomisation, la phase à brûler et l'air d'atomisation étant introduits à co-courant et sensiblement selon l'axe de révolution (ou de répétition ou de symétrie) de la flamme. Dans le brevet français 2 257 326 on a revendiqué un pro- cédé de mise en contact de substances se présentant dans des phases différentes. Selon ce brevet on fait appel à un écoulement puits- tourbillon symétrique pour réaliser à la fois la dispersion de la substance à traiter et le traitement de ladite substance. Le procédé selon ce brevet a pu être appliqué avec succès à de nombreuses applications Toutefois dans le cas du brûlage des résidus se posent certains problèmes particuliers évoqués plus haut. Il faut notamment réussir à maintenir une flamme stable dans une chambre de combustion sans endommager ladite chambre, et en parti- culier le fond de la chambre. La présente invention a pour objet un dispositif utili- sable notamment pour la combustion de produits ou mélanges de pro- duits corrosifs ou susceptibles de générer des produits corrosifs, par mise en contact desdits produits à l'état dispersé avec un fluide comburant à une température permettant l'incandescence du nuage de particules formé, ledit dispositif comprenant une chambre de combustion ( 7), une tête de dispersion de la phase à brûler dans ladite chambre ( 1) et une plaque de liaison de ladite tête de 2590 1 6 dispersion avec la chambre de combustion ( 2), ledit dispositif étant caractérisé en ce que la tête de dispersion comporte A/ des moyens d'arrivée axiale de la phase à brûler ( 12) et des moyens d'introduc- tion d'une fraction primaire de la phase comburante dans la chambre de combustion ( 15), ( 16), ( 17) sous forme d'un écoulement puits- tourbillon, auquel est imparti une quantité de mouvement suffisante pour provoquer, par transfert de la quantité de mouvement, la dis- persion de la phase à brûler, B/ des moyens d'introduction dans la chambre de combustion d'une fraction secondaire de la phase combu- rante ( 21) et des moyens de déflection ( 24) de ladite fraction secondaire vers la base de la zone de combustion, les moyens B étant dimensionnés et disposés de manière à permettre aux fractions combu- rantes secondaires de constituer le complément de la phase combu- rante nécessaire à la combustion et d'assurer à la fois la stabili- sation du nuage incandescent et le refroidissement des moyens de déflection mentionnés sous B et de la plaque de liaison. Selon une modalité préférentielle la tête de dispersion du dispositif conforme à l'invention comprend a) une chambre de mise en rotation de la fraction primaire de la phase comburante, cette chambre comportant une entrée tangentielle ( 15) conduisant la phase comburante dans un espace annulaire compris entre une enveloppe externe ( 16) et une enveloppe interne ( 17) perforée à sa partie amont et se comportant comme une multitude d'entrées tangentielles, b) le dispositif d'introduction du fluide contenant les produits à brûler ( 8), la zone de sortie de la chambre de rotation a) de la phase comburante et le dispositif b) étant dimensionnés et disposés de manière à former un passage annulaire restreint (références 26 et 27), c) un dispositif ( 24) de déflection vers la base de la zone de combustion de la fraction secondaire de la phase comburante, ledit dispositif délimitant, autour de la zone de combustion, un passage ( 28). Dans la réalisation du dispositif conforme à l'invention, on recommande de dimensionner les différentes pièces concernées de manière telle que le rapport du diamètre externe ( 27) au diamètre interne ( 26) du passage annulaire restreint soit compris entre 1,1 et 1,6 et de préférence entre 1,15 et 1,4 et que la rapport du dia- mètre ( 28) du passage laissé par le dispositif déflecteur au diamè- tre ( 27) mentionné ci-avant soit compris entre 1,5 et 5, et de pré- férence entre 2 et 4,5. Il appartient à l'homme du métier de choisir les rapports précis, à l'intérieur des limites recommandées ci-dessus, en fonc- tion notamment des débits choisis pour les différentes phases et de la nature desdites phases carburantes et comburantes Des valeurs de débit seront précisées plus loin. L'invention concerne également un procédé de brûlage de produits divers et plus particulièrement de produits corrosifs ou susceptibles d'engendrer des produits corrosifs, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il est réalisé à l'aide du dispositif décrit ci-avant. Plus précisément l'invention concerne un procédé selon lequel on introduit la phase contenant les produits à brûler sous forme fluide selon l'axe du puits-tourbillon formé par la fraction primaire de la phase comburante sensiblement jusque dans la zone de dépression dudit puits-tourbillon, la quantité de mouvement conférée au puits-tourbillon étant suffisante pour provoquer la dispersion de la phase à brûler en particules par transfert de la quantité de mouvement, on introduit séparément la fraction secondaire de la phase comburante à un débit et selon une ou des directions permet- tant d'assurer simultanément le complément de phase comburante nécessaire à la combustion, le -refroidissement de la partie du dispositif entourant la zone de combustion et notamment de la plaque de déflection de la fraction secondaire vers la base de la zone de combustion et la stabilisation du nuage incandescent. D'une manière préférentielle, les produits à brûler sont introduits sous forme gazeuse et/ou liquide et/ou pulvérulente de faible granulométrie, à une vitesse de l'ordre de 1 à 10 m/s La vitesse de la fraction primaire de la phase comburante peut aller préférentiellement de 100 à 400 m/s En fait, la relation phase comburante primaire/phase à brûler s'exprime préférentiellement en termes de transfert de quantité de mouvement D'une manière géné- rale, le rapport de la quantité de mouvement de cette phase pri- maire, au niveau du puits-tourbillon à la quantité de mouvement de la phase à brûler est d'au moins 100 et, de préférence est compris entre 500 et 10 000. 25090 16 Dans la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, la zone de combustion est en dépression, de l'ordre de 10 à 1500 Pa en dessous de la pression atmosphérique, la pression de la fraction primaire étant de 0,2 à 0,8 10 Pa et de préférence de 0,4 à 0,6 10 Pa supérieure à la pression mesurée dans la zone de combus- tion. La fraction secondaire de la phase comburante peut être introduite dans la chambre de combustion par aspiration du fait de la dépression régnant dans ladite chambre On peut évidemment aider cette aspiration par la mise en oeuvre de moyens permettant d'envoyer la phase comburante sous pression Cette fraction secon- daire peut être introduite sous forme d'un seul flux, rabattu vers la zone de combustion au moyen de la plaque de déflection mentionnée précédemment ou sous forme de deux flux circulant de part et d'autre de ladite plaque de déflection. Le rapport du débit de fraction secondaire au débit de la fraction primaire est avantageusement compris entre 0,1 et 10. Suivant une variante du procédé et en fonction notamment de la nature des produits à br ler, on peut apporter un carburant d'appoint sous forme fluide Il est avantageux d'utiliser le flux tourbillonnaire pour assurer la dispersion de ce fluide Dans ce but il suffit d'introduire ce fluide dans le dispositif coaxialement au produit à brûler Ce combustible d'appoint peut, par exemple, gtre constitué par du gaz propane. Selon une autre variante, on peut effectuer un appoint de phase comburante tertiaire par arrivée coaxiale Le râle essentiel de cette phase d'appoint est de modifier la configuration du nuage de particules D'une manière générale, ce comburant d'appoint peut être introduit sous une pression comprise entre 10 et 105 Pa. D'une manière générale, le comburant est constitué par l'oxygène de l'air et les indications qui précèdent relatives aux différentes fractions de la phase comburante sont basées sur la combustion par l'air Il va sans dire que l'une ou l'autre, ou la totalité des fractions de la phase comburante, pourrait consister en oxygène ou, plus généralement, en un fluide comburant autre que l'air. Dans les figures jointes, on donne à titre purement illus- tratif des exemples de réalisation du dispositif conforme à l'inven- tion. La figure 1 représente le dispositif dans son ensemble dans une des positions verticales. La figure 2 représente le détail du dispositif d'arrivée axiale de la phase à brûler et des phases annexes éventuelles. La figure 3 représente le détail du dispositif générateur du puits-tourbillon. Les figures 4 et 5 représentent deux variantes de réalisa- tion de la plaque de liaison de la tête de dispersion avec la cham- bre de combustion. Les figures 6 et 7 représentent deux variantes de l'ensem- ble tête de dispersion / plaque de liaison / base de la chambre de combustion. La figure 1 représente les éléments essentiels du disposi- tif conforme à l'invention. Ce dispositif comporte la tête de dispersion ( 1), la plaque support ou plaque de liaison ( 2), la chambre de combustion ( 7), les différents moyens d'arrivée des fluides ( 3), ( 4), ( 5), les moyens de déflection d'une fraction de la phase comburante ( 6) Sur cette figure on a représenté en outre le conduit de sortie des gaz ( 30) et un joint d'explosion ( 29). La figure 2 représente un détail de l'arrivée axiale ( 3). Elle comporte: un guide ( 9) un tube ( 12) d'amenée du fluide contenant les produits à brûler. Sur cette figure on a représenté également les arrivées coaxiales annexes, à savoir les tubes ( 10), ( 11) et,( 12) qui permet- tent, par les espaces annulaires ( 13) et ( 14), d'introduire les carburants et/ou comburants d'appoint La modification de la géomé- trie du tube ( 10) permet de modifier également la configuration du nuage de combustion et de remplir une fonction de réglage. La figure 3 illustre plus particulièrement la formation de l'écoulement puits-tourbillon grâce à une entrée tangentielle ( 15) qui conduit la phase comburante dans un espace annulaire compris 25090 1 6 entre les enveloppes externe ( 16) et interne ( 17); cette enveloppe ( 17) est perforée à sa partie amont ce qui lui permet de se compor- ter comme une multitude d'entrées tangentielles Elle est prolongée par un embout ( 18) sur cette figure 3 Cette disposition permet de manière simple d'assurer la symétrie de l'écoulement tourbillon. Selon la forme de réalisation illustrée figure 4, la plaque de liaison ( 19) porte des viroles ( 20) et un déflecteur ( 24). Elle présente des orifices d'admission ( 21) pour une fraction secon- daire de la phase comburante et des moyens de fixation ( 22) régla- bles en marche par rapport à la sole ( 25) de la chambre de combus- tion Entre la sole ( 25) et la plaque ( 19) est ménagé un espace annulaire de fuite ( 23) qui permet l'introduction d'une deuxième partie de la fraction secondaire de la phase comburante. Le dispositif selon la figure 5 correspond à un ensemble dans lequel le c 8 ne ( 18) et les viroles ( 20) (selon figure 3) ont été supprimées Par contre on a disposé sur la plaque à l'extrémité du panier perforé ( 17) (selon figure 3) un diaphragme. Comme dit précédemment les figures 6 et 7 correspondent à deux formes de réalisation du dispositif selon les assemblages autour de la plaque support explicités respectivement aux figures 4 et 5. Le dispositif conforme à l'invention permet d'assurer la combustion de résidus corrosifs, notamment de résidus chlorés dans des conditions remarquables On observe en effet une combustion complète évitant en particulier les dépôts de carbone alors que la température de la plaque de liaison tête de dispersion/chambre de combustion n'excède pas 50-60 . Les exemples qui suivent, donnés à titre purement indica- tif, illustrent le procédé conforme à l'invention. EXEMPLE 1 L'installation complète se compose d'un ensemble brûleur (figures 2, 3, 4 et 6) dans ce dispositif: le rapport ( 27) (figure 6) est de 1,18 ( 26) et le rapport ( 28) (figure 7) est de 4,10 ( 27) d'une chambre de combustion (figure 1), d'un dispositif de trempe ( d'un train de 3 absorbeurs ( non représentés type Venturi et ( sur les figures d'une tour de neutralisation ( La dépression est créée dans la chambre de combustion grâce à trois Venturi en série. Cette installation est utilisée pour la combustion de résidus renfermant 15 Z en poids de résidus de polychlorobiphényles (PCB) constitués par un mélange de 60 % (poids) d'hexachlorobiphé- nyle et de 40 t de trichlorobenzène (formule brute C 2 H Ci). Ces résidus sont amenés dans le brûleur par le tube central ( 12) de l'injecteur à un débit de 800 kg/h La température de la chambre de combustion est maintenue à 1200 'C La dépression dans cette même chambre est de l'ordre de 1000 Pa Par l'espace annulaire ( 27) on réalise la pulvérisation par un écoulement ( 26) puits-tourillon au moyen d'un air primaire (arrivée tangentielle 15) d'un débit de 1500 N m 3/h sous 0,5 10 Pa. La dépression créée dans la chambre de combustion grâce au train de 3 Venturi en série permet l'admission de l'air secondaire nécessaire à la combustion Cet air est divisé en deux flux Un premier flux d'un débit de 1 500 N m 3/h aspiré à travers les ouvertures ( 21) de la plaque de fond ( 19) et guidé à la base de la combustion par le c 6 ne déflecteur ( 24) Cet air refroidit l'intérieur du c 6 ne déflecteur ( 24). Un second flux d'un débit de 1 500 N m 3/h est aspiré par l'espace annulaire de fuite ( 23) en complément de la combustion Cet air refroidit également l'ensemble du brûleur et l'extérieur du c 6 ne déflecteur ( 24). Une ambiance incandescente-stable de couleur jaune-orangee clair s'établit à la température de 12000 C En recyclant 1 t/h de solution chlorhydrique à 30 % d'HCI dans la chambre de combustion, les fumées ont la composition suivante (pourcentages pondéraux): 02 3,5 X N 2 57,1 % Co 2 * 19,4 Z C 12 0,004 % H Cl 8 % % H 20 12,0 A partir de ces fumées on obtient une solution chlorhy- drique titrant 30 % d'H Cl, parfaitement limpide, les fumées rejetées à l'atmosphère ne contenant aucune trace décelable de carbone ou de chlore libre Les analyses effectuées tant sur la solution HC 1 que dans les effluents gazeux montrent que la teneur en PCB est inté- rieure à 1 ppm par tonne de résidus incinérés; le polychlorodiben- zofurane et le polychlorodibenzodioxine (limite de détection 10-8 g/ml) ne sont pas non plus détectés. EXEMPLE 2: Dans une installation en tous points semblables à celle de l'exemple précédent à l'exception des rapports ( 27) = 1,22 et ( 28) = 4 ( 26) ( 27) on se propose de détruire un effluent liquide en provenance d'un atelier de tétrachlorure de carbone et perchloréthylène et dont la formule brute globale est: C 2 H 0,127 C 12,294 La composition de cet effluent est (pourcentages pon- déraux): Hexachlorobutadiène 50 % Hexachlorobenzène 31,8 % Tétrachlorobenzène 10 % Pentachlorobenzène 7,2 % Hexachloréthane 1 % Ce résidu est un liquide très visqueux dont le point de cristallisation est supérieur à 160 C. Ce résidu dont le débit est de 100 kg/h est amené au brûleur par le tube central ( 12) tandis que 10 kg/h de fuel lourd sont alimentés par le tube concentrique ( 11) de façon à apporter suffisamment de calories et à maintenir la température de la chambre de combustion à 1200 C La dépression dans cette chambre est mainte- nue à environ 1000 Pa. On introduit 250 Nm 3/h d'air de pulvérisation sous 0,5 10 Pa par l'espace annulaire ( 27). ( 26) On injecte 10 Nm 3/h d'air tertiaire par l'espace annulaire ( 14) compris entre les tubes ( 10) et ( 11). Un premier flux d'air secondaire aspiré à travers les trous ( 21) de la plaque de fond ( 19) a un débit de lfl 9 m 3/h. Un deuxième flux d'air secondaire aspiré à travers l'espace annulaire de fuite ( 23) a un débit de 100 N m 3/h. Compte tenu de certains recyclages internes à l'unité - comme dans l'exemple 1 la composition des fumées au sortir de la chambre de combustion est la suivante (pourcentages pondéraux): 02., % 02 3,7 N 2 57,0 2. 57,0 % CO 2 20,3 % C 02 20,3 % C 12 0,4 % C 12 0,4 % HC 1 14,5 Z 2. 4,2 % H 20 4,2 x Après traitement de ces fumées comme dans l'exemple précé- dent on obtient une solution chlorhydrique limpide titrant 30 % en poids d'H Cl. 25090 1 6 REVENDICATIONS 1 Dispositif utilisable notamment pour la combustion de produits ou mélanges de produits corrosifs ou susceptibles de générer des produits corrosifs, par mise en contact desdits produits à l'état dispersé avec un fluide comburant à une température permet- tant l'incandescence du nuage de particules formé, ledit dispositif comprenant une chambre de combustion ( 7), une tête de dispersion de la phase à brûler dans ladite chambre ( 1) et une plaque de liaison de ladite tête de dispersion avec la chambre de combustion ( 2), ledit dispositif étant caractérisé en ce que la tête de dispersion comporte A/ des moyens d'arrivée axiale de la phase à brûler ( 12) et des moyens d'introduction d'une fraction primaire de la phase combu- rante dans la chambre de combustion sous forme d'un écoulement puitstourbillon ( 15), ( 16), ( 17), auquel est imparti une quantité de mouvement suffisante pour provoquer par transfert de la quantité de mouvement la dispersion de la phase à brifler, B/ des moyens d'introduction dans la chambre de combustion d'au moins une fraction secondaire de la phase comburante ( 21) et des moyens de déflection ( 24) de ladite fraction secondaire vers la base de la zone de combustion, les moyens B étant dimensionnés et disposés de manière à permettre aux fractions comburantes secondaires de constituer le complément de la phase comburante nécessaire à la combustion et d'assurer à la fois la stabilisation du nuage incandescent et le refroidissement des moyens de déflection mentionnés sous B et de la plaque de liaison. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de dispersion comprend a) une chambre de mise en rota- tion de la fraction primaire de la phase comburante, ladite chambre comportant une entrée tangentielle ( 15) conduisant la phase combu- rante dans un espace annulaire compris entre une enveloppe externe ( 16) et une enveloppe interne ( 17) perforée à sa partie amont et se comportant comme une multitude d'entrées tangentielles, b) le dispo- sitif d'introduction du fluide contenant les produits à br Gler ( 8), la zone de sortie de la chambre a) et le dispositif b) étant dimen- sionnés et disposés de manière à former un passage annulaire restreint ( 26), ( 27), c) des moyens d'introduction de la fraction secondaire de la phase comburante et un dispositif de déflection vers la base de la zone de combustion de ladite fraction secondaire, ledit dispositif délimitant, autour de la zone de combustion, un passage ( 28). 3 Dispositif selon la-revendication 2, caractérisé en ce que le rapport du diamètre externe ( 27) au diamètre interne ( 26) du passage annulaire restreint est compris entre 1,1 et 1-,6 et le rapport du passage ( 28) au diamètre externe ( 27) est compris entre 1,5 et 5. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que le rapport ( 27) est compris entre 1,15 et 1, 4 ( 26) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2, 3 et 4, caractérisé en ce que le rapport ( 28) est compris entre 2 et 4,5 ( 27) 6 Procédé de brûlage de produits ou mélanges de produits corrosifs ou susceptibles de générer des produits corrosifs, carac- térisé en ce qu'il consiste à effectuer ledit brûlage dans un dispo- sitif selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 et 5. 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que a) la phase contenant les produits à brûler est introduite, sous forme fluide, selon l'axe du puits-tourbillon formé par la fraction primaire de la phase comburante, sensiblement jusque dans la zone de dépression dudit puitstourbillon, la quantité de mouvement conférée au puits-tourbillon étant suffisante pour provoquer la dispersion de la phase à brûler en particules par transfert de la quantité de mouvement, b) la fraction secondaire de la phase comburante est introduite séparément à un débit permettant d'assurer simultanément le complément de la phase comburante nécessaire à la combustion, le refroidissement de la partie du dispositif entourant la zone de combustion et notamment la plaque de déflection de la fraction secondaire vers la base de la zone de combustion et la stabilisation du nuage incandescent. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que la vitesse d'introduction de la phase à brûler est comprise entre 1 et 10 m/s, la vitesse d'introduction de 25090 1 6 la fraction primaire de la phase comburante étant comprise entre 100 et 400 m/s. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6, 7 et 8, caractérisé en ce que le rapport de la quantité de mouvement de la fraction primaire de la phase comburante, au niveau du puits- tourillon à la quantité de mouvement de la phase à brûler est d'au moins 100 et, de préférence, est compris entre 500 et 10 000. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8 et 9, caractérisé en ce que la zone de combustion est en dépression de l'ordre de 10 et 1500 Pa au-dessous de la pression atmosphérique, et en ce que la pression de la fraction primaire de la phase comburante est de 0,2 à 0,8 10 Pa supérieure à la pression mesurée dans la zone de combustion. 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications 6, 7, 8, 9 et 10, caractérisé en ce que le rapport du débit de la fraction secondaire de la phase comburante au débit de la fraction primaire de ladite phase est compris entre 0,1 et 10.