Brevet FR2541428A1 — publié le 19840824

La présente invention se rapporte aux tech- niques de destruction des bitumes ou brais par combus- tion Elle s'applique notamment, bien que de façon non limitative, à la combustion des bit ayant servi au stockage par-enrobage des déchets radi 3 act Efs issus du fonctionnement des centrales nucléé 4 res f Il existe des cas dans l'industrie, o l'on souhaite détruire des masses de bitmne iur ne certaine importance et l'idée qui vient à l'esprit immédiate- ment est de réaliser cette destruction par combustion dans l'air ou une atmosphère plus ou moioas enrichie en oxygène Or, c'est un fait bien connu des spécialistes que les bitumes, qui sont pourtant constitués essen-, tiellement d'hydrocarbures, brûlernt très difficile- ment. La présente invention a précisément pour ob- jet un procédé de combustion particulièrement efficace d'une mise en oeuvre très simple. Ce procédé se caractérise en ce qu'on ramol- lit d'abord le bitume par un préchauffage et en ce qu'on l'introduit ensuite dans une chambre de combus- tiorf proprement dite, parcourue pax de l'oxygène en excès soumis à une ionisation par un champ électrique UHF intense, de façon à porter la surface du bitume à une température supérieure à 10000 C et à assurer sa vaporisation et sa combustion rapide dans le plasma d'oxygène ainsi créé. Grâce au procédé, objet de l'invention, on réalise ainsi la combustion aisée du bitume préalable- ment ramolli par un préchauffage, en combinant l'asso- ciation de deux moyens qui agissent en synergie, à savoir la présence d'oxygène en excès et la production d'un plasma de ce gaz que l'on ionise par un champ électrique à ultra haute fréquence UHF destiné à por- ter la surface du bitume à une température supérieure 2 2541428 à 10001 C et couramment comprise entre 1100 et 13001 C. Selon une caractéristique secondaire de la présente invention, on choisit pour le champ électri- que UHF une fréquence comprise de préférence entre 50 et 100 M Hz et une puissance de 5 à 60 KW. Selon l'invention, ce chauffage à UNF du plasma d'oxygène est une des caractéristiques indis- pensables au bon fonctionnement du procédé de combus tion des bitumes. le La fréquence du champ électrique UHF est ajustée dans chaque cas particulier en fonction de la composition du bitume à traiter Dans le cas général, et de préférence, une gamme de fréquences comprises entre 50 et 100 M Hz convient parfaitement et permet de chauffer le liant plutôt que les matériaux de structu- re (tel que le quartz ou les différentes céramiques). La puissance utile de chauffe est le plus souvent comprise entre 5 et 60 KW et la combustion s'arrête si l'on fait tomber l'énergie en-dessous d'un certain seuil. Le champ UHF applique a pour effet de prcvo- guer et d'entretenir à la fois le chauffage ainsi que la vaporisation du brai dans l'atmosphère d'oxygène; la flamme de la combustion est généralement -très courte. Le brai ou-bitume à détruire par combustion tombe en général à l'état visqueux par gravité dans une chambre de combustion à parois isolantes dans la- quelle une pression d'oxygène est entretenue à une va- leur de 1 à 2 bars absolus. Comme chaque kilogramme de brai produit en- viron 10 000 kilocalories en se consumant, et que l'excitation de l'oxygène par U 3 F dégage une puissance de plusieurs KW, il en résulte un excès de calories important dans la chambre de combustion, calories 3 2541428 qu'il est nécessaire d'évacuer A cet-effet, la cham- bre de combustion est entouree d'une chemise refroidie par exemple à l'eau pour éliminer la chaleur de radia- tion et balayée à l'eótérieur par un flux d'air qui extrait également une partie des calories par conduc- tion, l'eau chauffée peuvant servir au préchauffage du bitume. La présente invention-a également pour objet une application du procédé de combustion du bitume précédent au retraitement des bitumes chargés par dé- chets radioactifs aux fins de séparer et récupérer ces derniers que l'on peut ainsi utiliser en vue d'un traitement ou reconditionnement nltérieur. En effet, il peut être-nécessaire d'effec- tuer ce retraitement pour séparer les produits-radio- actifs et les incorporer dans d'autres systèmes de stockage tels-que les verres, le béton ou les résines époxy Quoi qu'il en soit, le procédé objet de l'in- vention permet dans ce cas de transformer tous les résidus minéraux et notammènt les déchets radioactifs qui se trouvent le-plus souvent sous forme de sels dans la masse du bitume en oxydes qui viennent se dé- poser par floculation dans une goulotte située à la base de la chambre de combustion, d'o on peut les transférer et les accumuler dans un récipient de stockage. Si l'on prend de plus la précaution de réa- liser la combustion en présence d'une quantité d'oxy- gène suffisante (en réglant notamment la pression de gaz dans la chambre de combustion) et en jouant sur la température, c'est-à-dire sur la puissance fournie par le générateur, on évite alors tout processus réduc- teur, le brai brûle complètement et toutes les charges minérales sont transformées en oxydes Les gaz de com- bustion et l'oxygène en excès sont évacués par une canalisation comportant une vanne automatique de régu- lation de pression protégée par un filtre fin Ces mêmes gaz de combustion sont épurés par un filtre ab- solu qui en retirent tous les composés toxiruus CU radioactifs (gaz, aérosols, poussières, etc J avant de les rejeter dans l'atmosphère. Pour vérifier que l'oxydation de to, S Ces produits au cours de-la combustion dans l'oxygi nvt est complète, un détecteur d:oxyde carbonique CO contenu dans ces gaz de combustion est placé à la sortie de la chambre de combustion et permet d'alerter l'opéra teur; dans le cas o un tel gaz est détecté, il suf- fit alors de réagir en augmentant la température et/ou la pression d'oxygène pour augmenter le taux d'oxygé- nation, c'est-à-dire de combustion de l'ensemble du brai et des déchets ou composés divers qu'il contient. Dans ces conditions, les seuls gaz de combustion qui sortent dans l'atmosphère après passage dans le filtre absolu sont l'oxygène, le gaz carbonique, l'eau et l'anhydride sulfureux selon la teneur en soufre du bi- tume consumé Dans certains cas il peut être nécessai- re de prévoir une épuration des ions SO 3 éventuelle- ment produits et contenus dans les gaz de combustion. La mise en oeuvre du procédé objet de 'Vin- vention possède un certain nombre d'avantages que l'on peut résumer ci-après. Ce procédé assure une combustion compl Tte du bitume et produit le minimum de gaz de combustion a rejeter dans l'atmosphère En effet, la combustion dans l'oxygène pur à très haute température permet, sans utiliser de système compliqué de pulvérisation, d'obtenir une combustion totale sans production de carbone pulvérulent à haut pouvoir adsorbant. Par ailleurs, le procédé met en jeu unique- ment la quantité d'oxygène nécessaire à la combustion avec toutefois un léger excès pour pallier les risques d'insuffisance d'oxydation, mais sans azote qui se- rait, dans le cas o l'on utiliserait de l'air, un ralentisseur de réaction important et produirait en outre, des oxydes d'azote très nocifs. Te volume de l'installation est réduit au strict minimum et la chambre de combustion en matériau réfractaire, tel que quartz ou, alumine, est entière- ment close à la circulation près de l'oxygène, ce qui 1 à facilite le confinement des produits radioactifs rési- dus de la combustion Ceux-ci qui proviennent de la charge radioactive initiale du bitume et les cendres normales de ce bitume sont obtenues sous forme d'une poudre sèche ayant un degré d'oxydation maximale, c'està-dire dans un état qui les rend très facilement utilisables pour un traitement ultérieur de vitrifica- tion ou d'insertion dans un béton bu une résine époxy en cas de nécessité. De toute façon, l'invention sera mieux com prise en se rapportant à la description qui-suit d'un exemple de mise en oeuvre du procédée description qui sera faite à titre illustratif et non limitatif -en se référant à la figure unique ci-jointe qui montre en coupe schématique selon l'axe une installation possi- ble pour la mise en oeuvre du procédé. Sur la figure unique, on a représenté un fût de brai 1 renversé dans un récipient 2 en forme d'en- tonnoir équipé d'une résistance électrique ou d'une circulation de liquide de chauffage 3 permettant d'ob- tenir le préchauffage et le ramollissement du brai 4 qui s'écoule à la partie inférieure du récipient 2 Une buse d'alumine 5 conduit ce brai fondu jusque dans l'enceinte de combustion 6 dont la partie supérieure 7 est en quartz et dont la partie inférieu- re 8 est en acier inoxydable avec une chemise latérale 9 parcourue par une circulation d'eau de refroidisse- ment A la partie supérieure de la chantre 6 est situé un joint en alumine 10 assurant l'étanchéité avec la buse d'alumine 5 et, autour de la partie cylindrique en quartz de la chambre de combustion 6, se trouve un certain nombre de spires ll destin Cr^s > tre alimen- tées par les conducteurs 12 et 13 en courant électri- que à treès haute fréqpence Dans la chaïnbre 6 sont prévues une entrée-14 pour Il'admission d'oxygène sous pression et une sortie 15 pour l'évacuation des gaz de réaction et de l'oxygène en excès Sur la canalisation de sortie 16 se trouve située en outre une vanne de régulation automatique de débit 17 qui permet de con- tr 8 ler la quantité et la pression de l'oxygène traver- sant la chambre de combustion 6, un détecteur 18 d'oxyde de carbone CO éventuellement présent dans les gaz d'échappement et un filtre absolu 19 à la sortie duquel les gaz de combustion épurés sont rejetés dans l'atmosphère selon les flèches 20. Dans l'axe de la chambre 6 est également si- tué un collecteur en forme d'entonnoir 21 qui rassem- ble les cendres issues de la combustion du bitume 4 dans la chambre 6 et les conduit-par gravité dans une goulotte 22 soumise aux vibrations d'un marteau à per- cussion 23 jusque dans un récipient 24 de collection desdites cendres radioactives situées à la partie in- férieure de l'installation. Dans l'installation -décrite précédemment, le préchauffage du brai 4 dans l'enceinte 2 est effec- tué grâce au moyen de chauffage 3 à une température de l'ordre de 100 à 1500 C selon son point de ramollisse- ment Une grille calibrée à 1/4 du diamètre du tube d'évacuation et non représentée sur la figure peut être utile pour retenir les particules les plus gros- ses Dès sa sortie de la buse 5 en céramique, le brai est rapidement surchauffé à l'aide du champ UHF inten- se produit par les spires 11, champ dont la fréquence est de l'ordre de 100 M Hz dans un exemple particulier de mise en oeuvre, la puissance électrique mise en Jeu étant de l'ordre de 5 à 60 KW pour porter la surface du brai à une température comprise dans ce même exem- ple entre 11000 C et 13000 C Celui-ci est alors vapori- sé et rapidement brûlé ens présence d'oxygène injecté avec turbulences autour de la buse (vortex), tous les résidus minéraux étant transformés en oxydes grâce à la puissance dégagée par induction dans le plasma d'oxygène ainsi créé et à la pression de cet oxygène que l'on choisit par exemple de 1 à 2 bars absolus. Pour compléter le refroidissement de la chambre de combustion 6 o se dégage un nombre élevé de calories, on peut adjoindre à la chemise d'eau 9 un apport de flux d'air froid sur les parois à l'aide de tout dispositif connu non représenté. Comme déjà précisé précédemment, on choisit lé débit et la pression du gaz oxygène pénétrant en 14 dans l'enceinte 6 de façon que la combustion ait lieu en présence d'un excès de ce gaz de -façon à éviter toute combustion incomplète qui serait alors détectée sous forme de l'existence d'oxyde de carbone CO au niveau du détecteur 18 Dans cette hypothèse bien en- tendu, il suffirait d'agir sur le débit et la pression de l'oxygène ainsi que sur la puissance UHF transmise a la chambre 6 pour que le brai et tous les produits qu'il contient soient oxydés au maximum De toute fa- çon, à la sortie 20 du filtre absolu 19 ne figurent que les gaz 02 i-CO 2, H 20 et SQ 2 complètement débarras- sés de toute trace de radioactivité ou de poussières ou d'aérosols corrosifs. Les paramètres de la combustion étant ainsi parfaitement connus, il est possible dans une version améliorée du dispositif de la figure unique, de régu- ler automatiquement le fonctionnement, notamment à partir de la vanne de réQulation 17 elle-même rendue automatique. Bien entendu, dès variantes de mise en oeu- vre et de réalisation de l'icitallation sont parfaite- ment possibles sans que l'on sorte pour autant du ca- dre de la présente invention - c&est ainsi que l'arri- vée d'oxygène dans la chambre 6 peut se faire par exemple à l'aide d'une canalisation coaxiale à la buse d'alumine 5 ou que les parois de la chambre 6 pour- raient être intégralement réalisées en quartz ou en alumine au lieu d'être comme dans l'exemple décrit, partiellement en quartz et partiellement en acier inoxydable De toute façon, il est bien évident que la transmission de l'énergie UEF apportée par les spires ll ne peut avoir lieu dans la chambre 6 qu'au travers d'une paroi non conductrice de l'électricité, tel que le quartz ou l'alumine. 9 2541428 REVENDICATIONS 1 Procédé de combustion du bitume, caract 6- risé en ce qu'on ramollit d'abord le bitume par un préchauffage et en ce qu'on l'introduit ensuite dans une chambre de combustion ( 6) proprement dite, paxcout rue par de l'oxygène en excès soumis à une ionisation par un champ électrique UHF intense, de façon à porter la surface du bitume à une température supérieure à 10000 C et à assurer sa vaporisation et sa combustion rapide dans le plasma d'oxygène ainsi creé. 2 Procédé de combustion du bitume selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit pour le champ électrique UHF une fréquence comprise de préférence entre 50 et 100 M Hz et une puissance de 5 à 60 KW. 3 Application du procédé selon l'une quel- conque des revendications 1 et 2 au retraitement des bitumes chargés en déchets radioactifs pour séparer et récupérer ces derniers en vue d'un traitement ulté- rieur.