Brevet FR2590805A1 — publié le 19870605

La présente invention concerne un procédé, et une instal- lation en vue de la mise en oeuvre de ce procédé, en vue de la récupération optimum d'énergie thermique à partir de résidus et déchets.. L'invention concerne plus spécialement le traitement de résidus et déchets d'origine agricole ou industrielle comme de déchets d'origine urbaine tels que des ordures ménagères. Le traitement d'ordures ménagères par voie d'incinération en vue d'une production d'énergie thermique, comme de déchets industriels ou agricoles, est une des voies permettant d'une part des économies d'énergie et d'autre part l'évacuation de déchets polluants. Cependant le traitement de déchets par voie d'incinération pose de nombreux problèmes sur le plan notamment de l'écologie. En effet les fours à incinération alimentés en déchets divers notamment dans le cas d'ordures ménagères, condui- sent à brûler des sous-produits en vrac et qu'il est difficile de séparer tels que des produits d'origine synthétique; or ces derniers délivrent dans les gaz de combustion une proportion non négligeable de vapeurs acides corrosives. Ces vapeurs corrosives ne peuvent être rejetées dans l'atmosphère et il est donc nécessaire pour éviter cet inconvénient de prévoir des installations soit de dilution de gaz, soit de lavage de fumée. Mais ces installations si elles permettent le rejet dans l'atmosphère de fumée débarrassée d'un pourcentage excessif de vapeurs nocives, débitent des eaux acides qu'il est alors nécessaire de traiter par voie chimique avant d'en permettre le rejet dans la nature. Et dans ces conditions les installations procèdant par incinération de déchets trouvent une limite économique en raison des problèmes de pollution qu'elles posent à leur tour et qu'il est donc nécessaire de régler. L'invention concerne un procédé original présentant l'avantage de prévoir une neutralisation des vapeurs acides -s'échappant dans les gaz de combustion en permettant par conséquent le rejet de ces gaz dans l'atmosphère sans engendrer en tant que sous-produits polluants la présence d'acides en phase liquide dont il serait nécessaire d'assurer préalablement une neutralisation chimique. A cet effet l'invention concerne en premier lieu un procédé d'exploitation de résidus ou rejets d'origine industrielle agricole ou urbaine, en vue de l'exploitation du pouvoir calorifique de ces résidus et procèdant par incinération de ces derniers dans un four à combustion desservant au moins un échangeur de chaleur pour la production d'énergie thermique sous forme de fluide caloporteur à haute température, et le procédé est caractérisé en ce que les vapeurs et fumées de combustion chargées en anhydrides et acides sont neutralisées après passage dans l'échangeur par rencontre à contre-courant d'un flux d'un liquide de neutralisation de pH basique et constitué d'un lait formé d'une part d'eau et d'autre part des cendres provenant dudit four de combustion et mises en suspension et/ou solution dans ladite phase aqueuse. 3 2590805 1 Selon un développement de l'invention les fumées au sortir de la phase de neutralisation sont soumises à condensation pour éliminer la vapeur d'eau, l'eau provenant de cette condensation étant récupérée pour constituer avec les cendres le lait de neutralisation. Selon une autre caractéristique du procédé les résidus constituant la matière première de départ, sont soumis à une opération de séparation granulométrique, par exemple dans un crible à tambour en vue de l'élimination des particules les plus fines constituées principalement de matières organiques, seuls les éléments plus grossiers formant le refus de criblage et constitués de matières combustibles et inertes, étant utilisés pour alimenter le four d'incinération. Et selon une autre caractéristique la phase de condensation des fumées épurées est prévue avec recyclage de l'eau chaude provenant de la condensation des vapeurs en-dessous du point de rosée et cette eau est recyclée pour rencontrer à contre-courant les vapeurs épurées, l'eau chaude-alimen- tant avant son recyclage au moins un échangeur de chaleur basse température auquel elle cède ses calories. L'invention concerne également une installation en vue de la mise en oeuvre du procédé, cette installation comportant un four d'incinération pourvu d'une chambre de post-combus- tion laquelle dessert un échangeur-de chaleur tel qu'une chaudière tubulaire dans lequel les gaz de combustion permettent la production d'énergie thermique véhiculée par un fluide caloporteur tel que de la vapeur sèche ou de l'eau surchauffée, l'échangeur thermique étant relié à une chambre de neutralisation à laquelle aboutissent les gaz de combustion sortant de l'échangeur, ladite chambre de neutralisation comportant en son entrée au moins une rampe 4 2590805 1 de pulvérisation d'un lait basique, les fumées épurées au sortir de la chambre de neutralisation aboutissant à un condenseur constitué d'une colonne à garnissage alimentée en son sommet par de l'eau de ruissellement à basse tempé- rature amenant les fumées à une température égale ou inférieure au point de rosée en provoquant la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées, l'eau de ruissellement réchauffée par échange thermique et accrue de l'eau de condensation, à une température légèrement infé- rieure au point de rosée étant recueillie à la base de ladite colonne à garnissage et étant recyclée au sommet de la colonne après passage par au moins un échangeur de chaleur auquel elle cède ses calories, l'installation comportant encore un bac de mélange et de formation du lait- de neutralisation alimentée en eau de condensation des fumées épurées depuis le condenseur formé de la colonne à garnissage et le bac étant alimenté par un convoyeur en cendres de combustion depuis le four d'incinération, ledit bac étant relié par un circuit de recyclage à la rampe de pulvérisation située à l'entrée et au sommet de la chambre de neutralisation et comportant des moyens d'évacuation des résidus solides décantés à la base du bac. Par ailleurs la phase solide constituée des particules les plus fines ayant passé une étape du criblage en amont de l'incinération est récupérée pour constituer un amendement ou engrais organo-minéral par enrichissement possible en principes minéraux grace à l'incorporation des cendres provenant de la combustion dans la phase liquide constituée du lait de neutralisation des vapeurs acides dans la chambre de neutralisation. 1 L'installation comporte encore de préférence un mélangeur apte à recevoir les particules les plus fines ayant passé des moyens de criblage situés en amont du four d'incinéra- tion, et qui sont acheminées vers le mélangeur par des moyens de convoyage depuis ledit crible, le mélangeur étant relié également par des moyens de convoyage à la base d'un bac contenant les laits de neutralisation et ainsi aptes à acheminer les extraits solides sédimentés dans ledit bac jusqu'au mélangeur. Selon une autre caractéristique l'ensemble de l'installa- tion comporte des moyens de pilotage programmables aptes à commander de façon automatique l'ensemble des paramètres de fonctionnement de l'installation notamment l'alimentation du four d'incinération en matière combustible, l'alimenta- tion du/des brûleur (s) de combustion et post-combustion, l'alimentation et le recyclage du lait basique entre le bac correspondant et la chambre de neutralisation, l'alimenta- tion et le recyclage de l'évaporateur de condensation des jus de filtration du digestat, les circulateurs interposés sur les circuits de fluides, les motorisations des moyens de convoyage des phases solides et boueuses. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit et qui est donnée en rapport avec une forme particulière présentée à titre d'exemples non limitatifs et à la lumière des dessins annexes. La figure 1 représente une vue d'un schéma général des opérations d'incinération suivie de neutralisation des gaz de combustion. 6 2590805 1 La figure 2 représente une vue en coupe transversale de la chambre de neutralisation. La figure 3 représente une vue de détail des parois à chicane équipant la chambre de neutralisation. Selon l'ensemble des trois figures la matière de départ utilisée dans le cadre de l'installation et du procédé selon l'invention est constituée de résidus d'origine industrielle ou agricole ou encore de résidus urbains provenant de la collecte des ordures ménagères. Ces résidus sont mis au tas 1 après avoir été soumis à une opération d'enlèvement des métaux et férailles par des moyens (non représentés) électro-magnétiques connus. La matière première est prise au tas T-et (après traitement éventuel dans un concasseur) acheminée vers un ensemble de criblage ou de séparation constitué éventuellement comme indiqué à titre d'exemple dans la figure 1, d'un premier crible à tambour rotatif 10; la partie destinée à consti- tuer le combustible soumis à incinération et constituant le refus de criblage est acheminé vers la trémie d'alimenta- tion 14 desservant un convoyeur d'alimentation par exemple du type à vis d'archimède 15 ou tout autre appareil contrôlant ainsi l'alimentation du four à incinération 16. La combustion dans ce four est contrôlée de manière à respecter des consignes de température à chaque étage de leur oxydation par la présence de br leurs et de disposi- tifs de régulation de l'air comburant. 1 Ce four comporte une chambre de post-combustion 17 et des brûleurs (non représenté) et alimentés en combustible fluide (gaz, fuel) depuis une source extérieure indépen- dante 18. Et l'apport de ce combustible d'appoint permet d'obtenir une parfaite régularité dans le fonctionnement de l'ensemble, en compensant les variations dans les pouvoirs calorifiques des charges successives du combustible principal. Les gaz de combustion sortant de la chambre de post-combus- tion 17 à une température de l'ordre de 900 à 1000 C passent dans un premier échangeur de chaleur formé par exemple d'une chaudière tubulaire 19 produisant en 18 un fluide caloporteur à haute température tel qu'une vapeur sèche ou de l'eau surchauffée ou-tout autre fluide thermique; ce liquide caloporteur est dirigé vers les utilisations possibles telles qu'une turbine de production d'énergie électrique ou toute utilisation conventionnelle. Les gaz de combustion sortant de l'échangeur 19 à une température de l'ordre de 250 à 350 C ne peuvent être rejetés dans l'atmosphère car ils sont fortement chargés en anhydrides ou vapeurs acides (N02,HCl et S03) ces produits nocifs provenant généralement de la décomposition et de la combustion de matières plastiques et généralement des matières synthétiques (notamment PVC). Il est donc impossible de rejeter ces fumées dans l'atmosphère; par ailleurs il est souhaitable de récupérer la ehaleur latente et la chaleur sensible contenues dans ces fumées qui au sortir de la chaudière 19 sont encore à une température élevée. 1 L'invention résout avec élégance ce problème en assurant le lavage des fumées et leur neutralisation à haute tempéra- ture avant que ces fumées soient refroidies pour atteindre le point de rosée, au-delà duquel seraient formés les acides corrosifs et agressifs pour les métaux constituant les enceintes de l'installation. A cet effet les gaz de combustion sont traités et neutrali- sés dans un ensemble de neutralisation formé de la chambre de neutralisation 20 associée à un bac inférieur 21. Dans la chambre de neutralisation 20 est prévu au sommet une ou plusieurs rampes 22 projetant dans la chambre contenant les gaz de combustion en transit une pluie d'un liquide constituant un lait de neutralisation à pH basique et provenant du bac 21. Ce lait forme un bain à la partie inférieure de la chambre d'o il est recyclé par le circuit de recyclage 23 avec pompe 24'. Le lait basique de neutralisation qui est recyclé en permanence reçoit un appoint liquide de l'éfluent 31 prove- nant de la tour de condensation 25 décrite ultérieurement et alimentant le bac 21 et auquel sont incorporées les cendres provenant du four à incinération 16 acheminées depuis le circuit de convoyage 26. Un mélangeur 30 éventuellement intermittent assure l'homo- généité de l'ensemble au sein du bac 21 tandis que les particules sédimentées à la base du bac 21 sont acheminées par le convoyeur 27 vers un filtre presse 28 ou un autre système de séparation d'o le liquide de filtration par exemple est recyclé en 29. Ce filtre presse 28 reçoit également par le circuit 32 les boues sédimentées à la base de la chambre de neutralisation 20. 1 Le combustible alimentant le four d'incinération comporte généralement un pourcentage non négligeable de résidus (papier, emballage, carton) comportant une forte proportion de charges minérales aboutissant à un pourcentage de cendres de l'ordre de 10 à 16 %; ces cendres minérales sont formées de sels contenant une proportion importante d'oxydes de calcium et de potassium et sont donc fortement basiques. Ces cendres sont déversées dans la phase liquide du bac 21 o elles sont mises en suspension ou.(totalement ou partiellement) en solution pour constituer un lait à pH fortement basique lequel peut être prélevé depuis par exemple une goulotte périphérique ou tout autre système par le circuit 23 aboutissant à la rampe de pulvérisation 22. Au sein de la chambre la phase liquide formée du lait basique ci-dessus décrit rencontre les vapeurs acides qui sont neutralisées en aboutissant à la formation de sels généralement insolubles lesquels sédimentent dans le fond de la chambre 20 pour aboutir par exemple par le circuit d'évacuation 32 et au filtre presse 28. La figure 2 donne une vue détaillée de la constitution de la chambre de neutralisation 20. Les fumées chargées en vapeurs acides arrivent par l'ouverture d'alimentation 33 pour se répandre dans l'ensemble de l'enceinte constituée par la chambre 20. Mais dès le débouché de l'ouverture d'alimentation 33, les vapeurs traversent un premier rideau de lait de neutralisa- tion déversé depuis la rampe 22'. 2590805 1 Cette rampe est positionnée au débouché de la canalisation 33 et elle permet une première précipitation des sels insolubles formés rapidement étant donné le choc thermique auquel sont soumis les vapeurs qui débouchent à une tempé- rature comprise entre 200 et 3000 et qui rencontrent alors un rideau de pluie à une température voisine de la tempera- ture ambiante. Ensuite les fumées traversent la chambre 20 dans un parcours tourbillonnaire provoqué par la présence des dispositifs à chicane 34,35,36. Chacun de ces dispositifs est lui-même constitué de deux parois 37,38 (figure 3) ces parois étant pourvues d'ouver- tures 39,40,39',40' qui sont disposées en quinconce d'une paroi à l'autre. On voit que dans ces conditions les filets gazeux qui ont traversé une ouverture 39,40 d'une paroi 37 arrivent dans l'espace interstitiel entre les deux parois 37 et 38 sans rencontrer en face d'eux une ouverture correspondante. Les filets gazeux sont donc détournés et conduits à suivre un parcours engendrant des remous tourbillonnaires (comme représenté sur la figure 3) avant de s'écouler à travers le second jeu d'ouvertures 391,40' disposé sur la seconde paroi 38, les bords des ouvertures comportent un rebord ou - retour légèrement incurvé 47,47'. Après avoir passé un premier dispositif à chicane 34 les fumées doivent passer successivement un second 35 et un troisième 36. 1 Et ces dispositifs à chicane 34,35,36 sont arrosés en permanence depuis les rampes 22 de sorte que les filets des fumées traversant les dispositifs à chicane traversent en réalité un rideau de pluie et lèchent en permanence les parois 37,38 qui comportent un film en couche mince de la phase liquide déversée depuis les rampes 22 et constituée du lait basique de neutralisation. On obtient ainsi un système dans lequel l'interface entre les deux phases gazeuses et liquides représente une surface extrêmement importante en facilitant les échanges et les réactions entre les deux phases, les vapeurs acides contenues dans la phase gazeuse étant appelées à se combiner avec les principes basiques contenus dans le lait de neutralisation. Et dans ces conditions les vapeurs et fumées qui arrivent sur la partie droite de la chambre de neutralisation, lorsqu'elles vont s'échapper par la conduite 41 sont pratiquement débarrassées de toute acidité. Le lait de neutralisation s'accumule dans la partie inférieure de la chambre 20 o il constitue un bain d'o il est prélevé par la conduite 42 à crépine 43 et recyclé par la pompe 24', vers le circuit d'alimentation 23 lui-même alimenté par la pompe 24 depuis le bac inférieur 21. L'alimentation de la chambre 20 en lait de neutralisation peut-être par conséquent réglée à partir des pompes 24,24' dont le fonctionnement peut être lui-même modulé depuis la sonde de niveau 44 par les circuits d'asservissement 45,46. 12 2590805 1 Mais on pourrait également prévoir, dans le cadre d'une programmation et d'une commande centralisée que les données enregistrées par la sonde de niveau 44 soient envoyées à une unité centrale apte à déclencher des ordres en fonction de l'ensemble des données reçues, ceci tant en ce qui concerne le recyclage et l'alimentation de la chambre de neutralisation que les autres éléments composant la chaîne d'ensemble. Les gaz épurés sortant de la chambre de neutralisation 20 et fortement chargés en vapeur d'eau peuvent alors être soumis à une opération de condensation dans la chambre de condensation ou condenseur 25 o ils rencontrent à contrecourant une eau de ruissellement provenant du ou des pulvérisateur (s) supérieur (s) 34. L'eau provenant du ou des pulvérisateur (s) 34 s'écoule sur un garnissage connu tel qu'un garnissage du type anneau de Rachig 35 qui peut être avantageusement du type décrit dans les brevets d'invention français n 7 930 419 et 8 113 369. L'eau de ruissellement, enrichie de l'eau de condensation provenant des gaz épurés est évacuée à la base de la colonne.25 d'o elle est partiellement recyclée par le circuit 31 vers le bac 21 tandis que la majeure partie est acheminée depuis le circulateur 37 vers un échangeur de chaleur 39 basse température. Les fumées épurées sortent du sommet de la tour 25 ayant perdu sensiblement toutes leurs calories et peuvent être forcées par le circulateur 49 vers la cheminée 48 de rejet dans l'atmosphère. REVENDICATIONS 1 1 - Procédé d'exploitation de résidus ou rejet d'origine industrielle, agricole ou urbaine, en vue de la récupéra- tion du pouvoir calorifique de ces résidus et procèdant par incinération de ces derniers dans un four (16) à combustion desservant au moins un récupérateur de chaleur (19) pour la production d'énergie thermique sous forme de fluide caloporteur à haute température, caractérisé en ce que les vapeurs et fumées de combustion chargées en anhydrides et acides sont neutralisées après passage dans l'échangeur (19) par rencontre à contre- courant d'un flux d'un liquide de neutralisation de pH basique et constitué d'un lait formé d'une part d'eau et d'autre part des cendres provenant dudit four de combustion et mises en suspension et/ou solution dans ladite phase aqueuse. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que selon un développement de l'invention les fumées au sortir de la phase de neutralisation sont soumises à condensation pour éliminer la vapeur d'eau, l'eau provenant de cette condensation étant récupérée pour constituer avec les cendres le lait de neutralisation. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les résidus constituant la matière première de départ, sont soumis à une opération de séparation granulométrique, par exemple dans un crible à tambour (10) en vue de l'élimination des particules les plus fines constituées principalement de matières organi- ques, seuls les éléments plus grossiers formant le refus de criblage et constitués de matières combustibles et inertes, étant utilisés pour alimenter le four d'incinération (16). 14 2590805 1 -4 - Procédé selon l'une des revendications 1,2 ou 3, caractérisé en ce que la phase de condensation des fumées épurées est prévue avec recyclage de l'eau chaude provenant de la condensation des vapeurs en-dessous du point de rosée et cette eau est recyclée pour rencontrer à contre-courant les vapeurs épurées, l'eau chaude avant son recyclage alimentant au moins un échangeur de chaleur basse température 39 auquel elle cède ses calories. - Installation en vue de la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 4 et caractérisée en ce qu'elle comporte un four d'incinération (16) lequel dessert un récupérateur de chaleur (19) tel qu'une chaudière tubulaire dans lequel les gaz de combustion permettent la production d'énergie thermique véhiculée par un fluide caloporteur tel que de la vapeur sèche ou de l'eau surchauffée, ce récupérateur thermique (19) étant relié à une chambre de neutralisation (20) à laquelle aboutissent les gaz de combustion sortant du récupérateur (19), ladite chambre de neutralisation comportant en son sein au moins une rampe de pulvérisation (22) d'un lait basique provenant d'un bac de mélange (21) et de formation du lait de neutralisation alimentée en eau d'une part et alimenté d'autre part par un convoyeur (26) en cendres de combustion depuis le four d'incinération (16), ledit bac (21) étant relié par un circuit de recyclage (23) à la rampe de pulvérisation (22) située dans la chambre de neutralisation et le bac (21) comportant des moyens d'évacuation (27) des résidus solides décantés à la base du bac. 1 6 - Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un condenseur alimenté par les fumées épurées au sortir de la chambre de neutrali- sation et chargées d'humidité, ces fumées aboutissant au condenseur constitué d'une colonne à garnissage (25) alimentée en son sommet par de l'eau de ruissellement à basse temperature amenant les fumées à une température égale ou inférieure au point de rosée en provoquant la condensation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées, l'eau de ruissellement réchauffée par échange thermique et accrue de l'eau de condensation (à une température légère- ment inférieure au point de rosée) étant recueillie à la base de ladite colonne à garnissage et étant recyclée au sommet de la colonne (25) après passage par au moins un échangeur de chaleur (39) auquel elle cède ses calories, une partie de ladite eau recueillie à la base de la colonne étant dirigée vers le bac 21. 7 - Installation selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce qu'elle comporte encore de préférence un mélangeur (12) apte à recevoir les particules les plus fines ayant passé des moyens de criblage (10) situés en amont du four d'incinération, et qui sont acheminées vers le mélangeur par des moyens de convoyage depuis ledit crible, le mélangeur étant relié également par des moyens de convoyage (27,32), à la base du bac (21) et à la base de la chambre (20) et ainsi aptes à acheminer les extraits solides sédimentés dans ledit bac (21) et la chambre (20) jusqu'au mélangeur pour l'obtention d'un amendement organo-minéral. -16 259.0805 - 1 8 - Installation selon l'une des revendications 5, 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de pilotage programmables aptes à commander de façon automatique l'ensemble des paramètres de fonctionnement de l'installa- tion notamment l'alimentation du four d'incinération (16) en matière combustible, l'alimentation (18) du/des brûleur (s) de combustion et postcombustion, l'alimentation et lé recyclage du lait basique entre le bac (21) correspondant et la chambre de neutralisation (20), l'alimentation et le recyclage du condenseur (25), les circulateurs interposés sur les circuits de fluides, les motorisations des moyens de convoyage des phases solides et boueuses. 9 - Installation selon l'une des revendications 5, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce que la chambre.de neutralisation (20) comporte une première rampe (22') déversant un lait de neutralisation obtenu par mise en suspension des cendres dans une phase aqueuse, cette.rampe étant située au débouché de la conduite 33 par laquelle les fumées pénètrent dans ladite chambre. - Installation selon l'une des revendications 5 à 9 ci-dessus, ' caractérisée en ce que la chambre de neutralisation (20) comporte un dispositif àachicane (34,35,36) formé de parois (37,38) dont les ouvertures (40,40') permettant ie passage des fumées sont décalées d'une paroi à l'aute obligeant les fumées à suivre un parcours complexe selon un.régime tourbillonnaire'.- 11 - Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que les dispositifs à chicane sont formés de plaques métalliques (37,38), telles qu'en acier inoxydable et dont les ouvertures (39,39',40,40') non concordantes d'une paroi à l'autre comportent sur leurs bords un retour incurvé (47,47'). 12 - Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce que les parois formant chicane sont arrosées par des secondes rampes (22) déversant sur lesdites parois et dans l'espace interstitiel entre les parois une pluralité de rideaux de pluies formés dudit lait basique de neutralisation. 13 - Installation selon l'une des revendications 8,9,10,11 ou 12, caractérisée en ce que la chambre de neutralisation (20) comporte à sa base un bain formé du lait de neutralisation accumulé et provenant des rampes (22,22') et la chambre est pourvue d'une sonde de niveau dudit bain contrôlant la recirculation de la phase liquide de ce dernier vers le circuit de recyclage (23) par lequel la phase liquide provenant dudit bain rejoint le lait provenant du bac (21) inférieur de mélange des cendres et d'une arrivée d'eau. 14 - Installation selon l'une des revendications 8 à 13, caractérisée en ce que les boues décantées à la base de la chambre (20) de neutralisation et les boues décantées à la- base du bac (21) de mélange sont aptes à être acheminées par un circuit d'évacuation (27,32) vers un dispositif de filtration (28) dont la phase liquide est apte à être recyclée par un circuit (29) vers ledit bac (21).