Brevet FR2596908A1 — publié le 19871009

PROBCEDE ET INSTALLATION D'ENROBAGE DE DECHETS LIQUIDES RADIOACTIFS OU TOXIQUES DANS DU BITUME La présente invention a pour objet l'enrobage dans du bitume des déchets liquides radioactifs ou toxiques. L'enrobage dans du bitume de déchets Liquides radioactifs ou toxiques constitués par exemple par une suspension aqueuse est généralement effectué en mélangeant la suspension aqueuse avec du bitume à l'état fluidifié, en procédant ensuite à 10 une évaporation de l'eau de la suspension et en coutant le mélange ainsi obtenu dans un récipient pour le solidifier. Le brevet français 2052093 du C.E.A. déposé le /7/1969 décrit une installation d'enrobage d'une suspension aqueuse de produits radioactifs au moyen de bitume, qui utilise 15 un évaporateur à couche mince et une pompe à engrenage pour extraire les produits enrobés obtenus à la base de l'évaporateur. Pour réaliser cet enrobage, on peut aussi utiliser des installations d'enrobage en continu, utilisant des extrudeuses à double ou à quadruple vis dans lesquelles s'effectuent Le mélange 20 des déchets avec le bitume et le séchage de la suspension. Le fait de réaliser simultanément le séchage et le mélange des déchets avec le bitume dans un évaporateur à couche mince ou dans une extrudeuse permet ainsi d'éviter l'étape de séchage préalable. Cependant, cette façon d'opérer présente certains inconvénients. En effet, le bitume doit être porté au préalable à une température suffisante pour présenter la fluidité nécessaire pour son transfert et son dosage au moyen d'une pompe. De ce fait, dans les systèmes d'évaporation à couche mince, on utilise 30 des bitumes très fluides ne présentant pas une bonne résistance mécanique, par exemple un bitume de distillation directe tel que le produit commercialisé sous le nom MEXPHALT 40/50, qui présente un indice de pénétrabilité à 250C de 4 à 5mm, un point de ramollissement de 47 à 600C et une température de pompabilité de 35 125 C. Dans le cas o l'on réalise l'enrobage dans une extrudeuse, on peut utiliser des bitumes plus visqueux, obtenus par soufflage, dont les caractéristiques ont été modifiées par déshydrogénation et oxydation partielles. Ainsi, le bitume 5 généralement choisi qui est par exemple le MEXPHALT 90/40, a un indice de pénétrabilité à 250C de 3,5 à 4,5mm, un point de ramollissement de 950C et une température de pompabilité de 1650C. Ces bitumes ont d'excellentes propriétés de confinement 10 des déchets, mais ils posent des problèmes de résistance mécanique car ils se présentent dans un état visco-élastique à la température ambiante. De glus, leur résistance à l'irradiation pour une dose intégrée de 10 rad est insuffisante. Par ailleurs, pour obtenir une évaporation correcte de l'eau présente dans la 15 suspension de déchets, il est nécessaire d'utiliser dans ces installations des températures de l'ordre de 160 C, ce qui entraÂne des risques d'incendie non négligeables. La présente invention a précisément pour objet un procédé d'enrobage de déchets liquides dans du bitume, qui pallie 20 les inconvénients des procédés rappelés ci-dessus. Le procédé selon l'invention d'enrobage de déchets liquides radioactifs ou toxiques dans du bitume comprend les étapes successives suivantes: a) soumettre les déchets liquides à un traitement 25 thermique pour les transformer en particules, b) introduire les particules dans une extrudeuse dans laquelle on introduit également du bitume, l'extrudeuse étant chauffée au moins en partie à une température suffisante pour obtenir à la sortie de celle-ci un mélange de bitume liquéfié 30 contenant lesdites particules, c) introduire ledit mélange dans un conteneur, et d) laisser durcir le mélange dans le conteneur. Le fait de réaliser selon l'invention un traitement préalable de conversion des déchets liquides en particules, avant 35 d'introduire ceuxci dans le bitume, permet d'obtenir de nombreux avantages. En effet, on peut utiliser une extrudeuse classique exactement adaptée aux impératifs de malaxage, facile à démonter et à décontaminer, et munie de manchons de chauffage à induction, 5 puisqu'il n'est pas nécessaire d'utiliser des surfaces importantes d'échange. On peut supprimer les circuits de fusion du bitume puisque celui-ci ne doit plus être introduit à L'état fondu dans L'appareil de mélange. De plus, étant donné que le chauffage a seulement pour but de fluidifier le bitume, on peut 10 limiter la zone à haute température à la dernière partie de l'extrudeuse uniquement pour faciliter l'écoulement du méLange de bitume liquéfié et de particules dans le conteneur. Enfin, Le procédé de l'invention permet l'utilisation de bitumes ayant de meilleures caractéristiques, par exemple des asphaltes sotides 15 tels que l'"asphalte au C5" obtenu par extraction sélective au pentane, qui contient une fraction de l'ordre de 30% d'asphaltêne. Cet asphatte présente un indice de pénétrabilité nul à 25 C, un point de ramollissement de 1500C, une température de pompabilité de 2500C et il est difficilement inflammable. Par 20 ailleurs, sa haute teneur en produits aromatiques (huiles et résines) et en composés hétérocycLiques (asphaltène) Lui confire une excellente résistance à l'irradiation. Aussi, dans l'invention, on utilise de préférence un bitume constitué par un asphalte contenant au moins 25% 25 d'asphaltène. On peut aussi utiliser des bitumes constitués par un mélange d'asphalte contenant au moins 25% d'asphaLtène et d'au moins un composé choisi parmi les bitumes ayant une teneur en asphaltène inférieure à 25%, les huiles aromatiques et Les huiles paraffiniques. Ceci permet de limiter la température de fusion à 30 la sortie de l'extrudeuse et aussi de réduire l'énergie mécanique nécessaire pour l'opération de mélange. A titre d'exemple, le bitume contenant au moins 25% d'asphaltène peut être de l'asphalte au C5 ou le produit vndu sous le nom MEXPHALTE 90/40; les bitumes ayant des teneurs en 35 asphaltènes inférieures à 25% peuvent être des bitumes cLassiqu-s tels que ceux utilisés dans L'art antérieur; Les huiLes aromatiques sont du type LCO (Light Cycle Oil), ce sont des résidus de distillation à 90X d'hydrocarbures cycliques. Les huites paraffiniques sont des huiles classiques de graissage de 5 mécanisme, par exemple des huiles contaminées des pompes let compresseurs d'installations nucléaires. Pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention, on soumet tout d'abord les déchets Liquides à un traitement thermique dans une installation séparée, ce qui permet de moduler 10 La température et la durée du traitement en fonction du type de déchets traités. Ce traitement peut consister en un séchage réalisé en introduisant les déchets liquides dans un réacteur avec un courant de gaz chaud. Ce traitement thermique peut également consister en une 15 incinération des déchets, ce qui conduit à l'obtention de déchets puLvérulents secs tels que des cendres. Les particules obtenues lors du traitement thermique sont ensuite introduites dans une extrudeuse classique o L'on effectue successivement ou simultanément Le mélange des 20 particules avec le bitume qui peut être introduit à froid sous forme de grains ou de fragments solides, et le réchauffage du mélange à la température de fusion du bitume pour obtenir un bon enrobage des particules et pouvoir introduire ensuite faciLement ce mélange dans le conteneur. On peut toutefois introduire le bitume dans l'extrudeuse à une température supérieure à la température ambiante pour favoriser l'opération de mélange, mais cette température est généralement inférieure à 1000C et ne nécessite pas d'installations de fusion du bitume comme dans l'art 30 antérieur. Les huiles aromatiques ou paraffiniques sont introduites en un ou plusieurs points de la cage de l'extrudeuse. Généralement, on réalise le transfert des particules obtenues lors du traitement thermique au moyen d'un courant 35 gazeux, puis on sépare au moins une partie des particules présentes dans le courant gazeux et on introduit la partie ainsi séparée dans l'extrudeuse. Cette séparation des particules du courant gazeux est réalisée de préférence en effectuant le cycle de traitement suivant: - séparer tout d'abord une partie des particules présentes dans le courant gazeux pour l'appauvrir en particules, - mettre en circulation le gaz ainsi appauvri en particules dans le premier compartiment d'un dispositif de filtration séparé en 10 un premier et un second compartiments par au moins une paroi poreuse et perméable ayant des pores de dimensions inférieures à celle des particules pour obtenir à la sortie de ce premier compartiment du gaz enrichi en particules et diffuser dans le second compartiment du gaz purifié, - récupérer le gaz purifié qui a diffusé dans le second compartiment, et - recycler le gaz enrichi en particules sortant du premier compartiment pour le soumettre à un nouveau cycle de traitement avec le courant gazeux à traiter. Généralement, les particules sont séparées du courant gazeux dans un séparateur cyclone et introduites directement dans l'extrudeuse à partir de ce séparateur. Pour obtenir un bon mélange des particules avec le bitume, on introduit généralement le bitume dans l'extrudeuse en 25 amont des particules pour que le bitume commence à se ramollir dans l'extrudeuse avant d'être mélangé avec les particules. Habituellement, la quantité de bitume utilisée représente de 35 X en poids à 70 % en poids du mélange de bitume et de particules. Ceci permet d'obtenir des blocs dans lesquels les déchets 30 radioactifs ou toxiques sont bien confinés à l'intérieur de la masse de bitume. Les déchets liquides radioactifs ou toxiques susceptibles d'être traités par le procédé de l'invention peuvent être en particulier des effluents aqueux provenant des centrales 35 nucléaires, des usines nucléaires et de nombreuses installations 2596908 - industrielles. Il est à noter que ces effluents peuvent être constitués uniquement par des solutions ou encore par des suspensions de particules de matières insolubles telles que des poudres fines, par exemple des poudres d'oxydes métalliques, des particules collomdales, etc. Dans tous les cas, lors du traitement thermique de ces effluents, on obtient des particules qui peuvent être constituées par une poudre, des cendres, etc. L'invention a également pour objet une installation de 10 traitement de déchets liquides radioactifs ou toxiques qui *: comprend: - un réacteur de séchage des déchets liquides comportant des moyens d'introduction des déchets liquides, des moyens d'introduction d'un gaz chaud et des moyens de collection des particules obtenues dans le réacteur de séchage, et une extrudeuse munie de moyens de chauffage, de moyens d'introduction de bitume et de moyens d'introduction des particules cellectées dans Le réacteur de séchage. De préférence, l'installation comprend de plus des 20 moyens pour transférer les particules collectées dans le réacteur de séchage au moyen d'un courant gazeux et des moyens de séparation des particules transférées par le courant gazeux. De préférence, les moyens de séparation des particules transférées, par le courant gazeux comprennent: - une boucle de traitement comprenant successivement un dispositif de filtration séparé en un premier et un second compartiments par au moins une paroi poreuse et perméable ayant des pores de dimensions inférieures à celles des particules, un dispositif de séparation de particules raccordé aux deux extrémités du premier compartiment du dispositif de filtration, et des moyens pour mettre en circulation le courant gazeux dans la boucle de traitement, - des moyens pour introduire le courant gazeux dans la boucle de traitement, - des moyens pour extraire le gaz ayant diffusé dans le second compartiment du dispositif de filtration, et - des moyens pour recueillir les particules séparées dans le dispositif de séparation et les introduire dans l'extrudeuse. De préférence, le dispositif de séparation est un 5 séparateur cyclone et les parois poreuses du dispositif de filtration sont constituées par des tubes délimitant intérieurement le premier compartiment. L'utilisation d'une telle boucle de traitement permet de réaliser l'enrobage en continu des déchets dans le bitume tout 10 en évacuant de la boucle de traitement du gaz purifié. Toutefois, le procédé de l'invention peut également être mis en oeuvre pour enrober des particules provenant d'un réacteur de séchage ou d'un incinérateur après que celles-ci aient été stockées. Dans ce cas, on reprend les particules 15 stockées soit directement par un dispositif d'extraction mécanique, soit par un courant gazeux et on les introduit dans la boucle de traitement décrite ci-dessus pour séparer les particules et les introduire directement dans l'extrudeuse. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 20 apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif en référence au dessin annexé sur lequel: - la figure 1 représente une installation d'enrobage en continu de déchets liquides radioactifs ou toxiques dans du 25 bitume, et - la figure 2 représente une variante de l'installation de la figure 1 dans laquelle il est prévu une enceinte de stockage de déchets avant leur enrobage dans le bitume. Sur la figure 1, on a représenté une installation 30 d'enrobage en continu d'effluents radioactifs mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Dans cette installation, les effluents à traiter sont stockés dans un réservoir I qui est équipé d'une conduite 3 et d'une pompe de circulation 5, d'un système de régulation de pH en ligne 7 et d'un dispositif d'injection de -c produits d'insolubilisation 9. Une conduite 11 munie d'une pompe volumétrique 13 permet d'injecter dans un réacteur de séchage flash 15 les effluents provenant du réservoir 1. Dans ce réacteur 15, on introduit par La conduite 17 de l'air chaud qui est aspiré à travers un filtre 19 par un surpresseur 21 et est chauffé dans 5 un réchauffeur 23. Ainsi, dans le réacteur flash 15 les effluents Liquides sont évaporés par L'air chaud et ils sont refroidis à la sortie du réacteur dans la boite de dilution 25 par de l'air de trempe qui est introduit par la conduite 27 après avoir été refroidi dans un échangeur 29. Le mélange sortant de la boÂte de 10 dilution 25 est donc constitué par de l'air chargé de poudres ou de grains. On traite ensuite ce mélange dans la boucle 31 munie d'un séparateur cyclone 33, d'un ventilateur de circulation 35 et d'un dispositif de filtration 37 séparé en un premier compartiment 37a et un second compartiment 37b par des tubes 37c poreux et perméables, le sens de circulation dans la boucle de traitement étant indiqué sur le schéma. On introduit ainsi l'air chargé de poudres et de poussières tout d'abord dans le cyclone 33 o une partie des poudres est séparée et recueillie dans l'écluse 39 tandis que le gaz appauvri en particules est repris 20 par le ventilateur 35, puis introduit dans le dispositif de - filtration 37. Dans ce dispositif de filtration 37, on a établi une différence de pression entre les compartiments 37a et 37b pour pouvoir extraire de ce dispositif par passage au travers de la 25 paroi des tubes poreux 37c de l'air purifié et récupérer à la sortie du premier compartiment de l'air enrichi en particules. On évacue par la conduite 41 l'air épuré, et on recycle l'air enrichi en particules dans le cyclone 33 avec un appoint d'air chargé de poussière provenant du réacteur flash 15. L'air 30 purifié sortant du dispositif de filtration par la conduite 41 est aspiré par la pompe 43 et il peut être évacué dans l'atmosphère après passage dans des filtres de sécurité 45. Dans cette installation, on traite en continu les particules séparées dans le cyclone 33 en Les introduisant 35 directement à travers l'écluse 39 dans une extrudeuse 47. On introduit également dans cette extrudeuse du bitume à partir d'une trémie 49 et l'on dose la quantité de bitume introduit au moyen de l'extracteur 51. Une pompe doseuse 59 est prévue pour injecter une quantité déterminée d'huile en un ou plusieurs 5 points de la cage de l'extrudeuse. L'extrudeuse est munie de manchons chauffants et le bitume est si nécessaire chauffé dans cette extrudeuse avant l'introduction des particules provenant du séparateur 33. Dans la dernière partie de l'extrudeuse 47, on poursuit le chauffage du mélange pour augmenter sa fluidité et 10 l'introduire directement dans un conteneur 53 muni d'une protection biologique et relié à un système de ventilation nucléaire par la conduite 55. On laisse ensuite le mélange durcir dans le conteneur 53 et l'on obtient ainsi un bloc de bitume contenant les particules radioactives provenant du réacteur de 15 séchage 15. Cette installation permet donc de traiter en continu des effluents liquides pour les enrober dans du bitume. Ceci permet de limiter le volume des déchets et de réaliser Leur conditionnement en continu dans de bonnes conditions. Sur la figure 2, on a représenté une variante de réalisation de l'installation de la figure 1 plus particulièrement adaptée à l'enrobage différé de poudres, grains ou cendres d'incinération. Dans ce cas, l'installation comporte une trémie de stockage 26 des particules et les particules 25 stockées dans la trémie 26 sont introduites ensuite dansla boucle de traitement 31 par un ensemble de transport pneumatique comprenant un ventilateur 61, un réchauffeur 63, une boite d'introduction 65 alimentée par une vis doseuse 67. Ainsi, dans cette variante, les particules sont 30 reprises par un courant gazeux, puis introduites dans la boucle de traitement 31 dans laquelle elles sont séparées en 33, puis introduites en continu dans l'extrudeuse 47 non représentée sur la figure 2. A titre d'exemple, on a utilisé une installation telle 35 que celles représentées sur les figures 1 et 2 pour traiter des poudres ayant une granulométrie moyenne de 1 à 5 micromètres en utilisant pour l'enrobage une extrudeuse à deux vis de 55cm de diamètre avec des contrefilets après la zone d'introduction des produits et avant La zone de chauffage final. Dans ces essais, La 5 vitesse de rotation des vis était de 120 t/min et te débit dans L'extrudeuse de 10 kg/h. Dans un premier essai, on a utilisé 50% en poids de poudre et 50% en poids de bitume constitué par un mélange comprenant 70% en poids de l'asphalte au C5 décrit précédemment 10 et 30% en poids d'huiles aromatiques et l'on a chauffé La dernière partie de l'extrudeuse à une température de 1500C. Dans un deuxième essai, on a utilisé 50X en poids de poudre et 50% en poids de bitume constitué par un mélange comprenant 70% en poids d'asphalte au C5 et 30% en poids d'huiles 15 de vidange et l'on a chauffé La dernière partie de l'extrudeuse à 1600C. Dans un troisième essai, on a utilisé 70% en poids de poudre et 30% en poids de bitume constitué par un mélange comprenant 70% en poids d'asphalte au C5 et 30% d'huiles 20 aromatiques et l'on a chauffé la dernière partie de L'extrudeuse à 1600C. Dans un quatrième essai, on a utilisé 50% de poudre et % de bitume constitué par le produit commercialisé sous le nom MEXPHALTE 90/40 et l'on a chauffé la dernière partie de 25 L'extrudeuse à 1400C. Dans ce dernier essai, le MEXPHALTE 90/40 a été introduit dans l'extrudeuse sous forme de granulés obtenus par broyage cryogénique et les poudres ont été mélangées au préalable avec les granulés de MEXPHALTE pour faciliter le dosage. Dans tous ces essais, on a obtenu des blocs de bitume présentant des bonnes caractéristiques mécaniques et assurant un exceltlent confinement des déchets radioactifs. Un examen d'échantillons au microscope électronique a montré que les grains étaient régulièrement disposés dans la 35 matrice. l1 REVENDICATIONS 1. Procédé d'enrobage de déchets liquides radioactifs ou toxiques dans du bitume, caractérisé en ce qu'il comprend Les étapes successives suivantes: a) soumettre les déchets liquides à un traitement thermique (en 15) pour les transformer en particules, b) introduire les particules dans une extrudeuse (47) dans laquelle on introduit également du bitume, l'extrudeuse étant chauffée au moins en partie à une température suffisante 10 pour obtenir à la sortie de celle-ci un mélange de bitume liquéfié contenant lesdites particules, c) introduire ledit mélange dans un conteneur (53), et d) Laisser durcir le mélange dans le conteneur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste à sécher les déchets liquides en les introduisant dans un réacteur avec un courant de gaz chaud. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on transfère les particules 20 obtenues lors du traitement thermique au moyen d'un courant gazeux, en ce que l'on sépare ensuite au moins une partie des particules présentes dans le courant gazeux et en ce que l'on introduit la partie ainsi séparée dans l'extrudeuse. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 3, caractérisé en ce que le bitume est constitué par un asphalte contenant au moins 25% d'asphaltene. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bitume est un mélange d'asphalte contenant au moins 25% d'asphaltène et d'au moins un composé 30 choisi parmi les bitumes ayant une teneur en asphattêne inférieure à 25%, les huiles aromatiques et les huiles paraffiniques. 6. Installation d'enrobage de déchets liquides radioactifs ou toxiques, caractérisée en ce qu'elle comprend - un réacteur de séchage (15) des déchets liquides comportant des moyens d'introduction (11) des déchets Liquides, des moyens d'introduction (17) d'un gaz chaud et des moyens de collection (25) des particules obtenues dans Le réacteur de séchage, et - une extrudeuse (47) munie de moyens de chauffage, de moyens d'introduction de bitume (49), de moyens d'introduction (39) des particuLes coLLectées dans le réacteur de séchage, et de moyens d'introduction d'huiLe (59). 7. Installation seLon la revendication 6, caractérisée 10 en ce qu'eLLe comprend des moyens pour transférer les particules coLLectées dans le réacteur de séchage au moyen d'un courant gazeux et des moyens de séparation des particules transférées par Lte courant gazeux. 8. Installation seLon la revendication 7, caractérisée 15 en ce que Les moyens de séparation des particules transférées par Le courant gazeux comprennent: - une boucle de traitement (31) comprenant successivement un dispositif de filtration (37) séparé en un premier et un second compartiments (37a, 37b) par au moins une paroi (37c) poreuse 20 et permeable ayant des pores de dimensions inférieures à ceLLes des particules, un dispositif de séparation de particuLes (33) raccordé aux deux extrémités du premier compartiment (37a) du dispositif de filtration, et des moyens (35) pour mettre en circulation Le courant gazeux dans La boucle de traitement, - des moyens pour introduire Le courant gazeux dans La boucLe de traitement, - des moyens (41) pour extraire le gaz ayant diffusé dans Le second compartiment du dispositif de filtration, et - des moyens (39) pour recueilLir Les particules séparées dans Le 30 dispositif de séparation et les introduire dans L'extrudeuse. 9. Installation seLon La revendication 8, caractérisée en ce que le dispositif de séparation (33) est un séparateur cyclone.-