Brevet FR2598783A1 — publié le 19871120

INCINERATEUR DE DECHETS URBAINS La présente invention concerne un incinérateur destiné à l'incinération de résidus urbains, notamment pour des capacités comprises entre 1 et 05 3 tonnes/heure, tel que les gaz rejetés comprennent des émissions polluantes en quantités inférieures aux installations actuelles, et aux limites imposées par les nouvelles réglementations. De manière typique, les incinérateurs 10 couramment utilisés se composent d'un foyer sous la forme d'une chambre comportant une sole, ou grille inférieure sous laquelle est disposée une boite à cendres, et une paroi extérieure en matériau réfractaire. Un dispositif d'alimentation débouche de l'extérieur vers 15 la chambre pour introduire des résidus à incinérer au fur et à mesure de la combustion. Une combustion aussi complète que possible est assurée par insufflation d'air primaire au dessous de la sole, et d'air secondaire au dessus de la masse en 20 combustion, pour assurer une oxydation complète des gaz de combustion et des résidus solides qu'ils entraînent. Dans certains cas, on injecte une partie de l'air secondaire au sein de la masse en combustion depuis la périphérie de la chambre de combustion, 25 toujours dans le but de rendre la combustion aussi complète que possible. Cependant, malgré les précautions prises, on constate que le taux d'imbrûlés gazeux ou solides reste souvent nettement au-delà des limites réglementaires. Dans le but de réduire ce taux d'imbrûlés à un niveau aussi bas que possible, et compatible avec la réglementation en vigueur, la présente invention propose un incinérateur comprenant une chambre de combustion comportant une sole ou grille inférieure sous laquelle 35 est disposée une boite à cendres et une paroi 15 25 35 35 extérieure en matériau réfractaire, un dispositif d'alimentation destiné à introduire des matériaux à incinérer, un circuit d'alimentation d'air primaire comportant une boite d'insufflation disposée sensiblement au centre de la sole, et un circuit d'alimentation d'air secondaire comportant des buses d'insufflation réparties à la périphérie de la chambre de combustion et disposées suivant au moins un étage compris dans la hauteur de la masse en combustion, caractérisé en ce qu'une partie au moins desdites buses est formée de paires de buses orientées suivant un angle prédéterminé, l'une au dessus et l'autre au dessous d'un plan horizontal, ainsi que suivant un second angle prédéterminé de part et d'autre d'un plan vertical diamétral de la chambre de combustion. Ainsi, grâce à l'invention l'air secondaire est insufflé suivant des jets dirigés tant vers le haut que vers le bas par rapport à l'horizontale et dirigés d'un côté et de l'autre par rapport à la verticale, ce qui produit de multiples turbulences de l'air secondaire et un excellent contact entre cet air secondaire et Les éléments solides et gazeux de la masse en combustion, donc une combustion encore plus complète. A titre complémentaire, l'appareiL comprend également un autre étage d'insufflation d'air secondaire comportant des buses d'insufflation réparties à la périphérie de la chambre de combustion et disposées suivant au moins un étage au-dessus de La hauteur de la masse en combustion. Ces buses d'insufflation peuvent être uniques et dirigées simplement radialement, ou encore être constituées de buses doubles comportant les mêmes particularités d'orientation que précédemment. Dans Les deux cas, on obtient un excellent contact entre l'air secondaire et les gaz de combustion s'échappant de la masse en combustion, ce qui permet une meilleure oxydation de ces gaz de combustion et une réduction complémentaire du taux d'imbrûlés. L'invention prévoit en outre une chambre de 05 réaction, placée au-dessus de la chambre de combustion, dans laquelle les gaz de combustion sont admis suivant une colonne ascendante sensiblement au centre de ladite chambre de réaction et dans laquelle on insuffle de l'air frais de réaction, suivant un flux 10 annulaire hélicoîdal descendant autour de la colonne ascendante de gaz de combustion. De la sorte, on crée de multiples turbulences entre la colonne ascendante de gaz de combustion et du flux annulaire descendant d'air frais, grâce auxquelles on obtient une oxydation complémentaire des imbrûlés présents dans les gaz de combustion et une réduction importante de la température des gaz de combustion avant leur rejet à l'atmosphère. A titre d'avantage complémentaire, on remarquera que la paroi 20 extérieure de la chambre de réaction est refroidie par le flux annulaire d'air frais de réaction, qui est insufflé par un ventilateur correspondant, ce qui permet de réaliser cette paroi extérieure en matériau moins coûteux tout en garantissant une longévité 25 suffisante. D'autres détails et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de la description qui va suivre, en se référant aux dessins annexes, dans lesquels: - la figure 1 est une vue latérale d'un incinérateur conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en coupe agrandie de la partie inférieure, ou chambre de combustion, de l'incinérateur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en coupe agrandie 15 20 30 de la partie supérieure, ou chambre de réaction, de L'incinérateur de la figure 1; et - la figure 4 est une vue schématique en perspective de l'agencement des buses d'insufflation d'air secondaire dans la chambre de combustion. L'incinérateur, représenté dans son ensemble à la figure 1, a une forme générale cylindro-cônique d'axe XX vertical et se compose successivement, de bas vers le haut: - d'une trémie 12 de réception de cendres - d'une chambre de combustion 14 - d'une chambre de transfert et d'échappement 16, et - d'une chambre de réaction 18. La structure et le fonctionnement de chacune de ces composantes seront explicités ultérieurement. On notera à ce stade que cette construction étagée de l'incinérateur en fait un ensemble modulaire qui peut être construit tronçon par tronçon. Ceci constitue un avantage appréciable pour la maintenance ou les réparations éventuelles. L'ensemble de l'incinérateur est supporté par un bâti 20, de façon à ménager une surélévation entre le sol et l'embouchure inférieure de la trémie de réception des cendres. Le bâti a également pour rôle de supporter un certain nombre de passerelles 22 d'accès aux différents niveaux de l'incinérateur. A côté de l'incinérateur sont prévus une trémie de stockage 24, une trémie de chargement 26 et un poussoir d'alimen-tation 28. Les déchets à incinérer sont reçus dans la trémie de stockage 24 o un convoyeur 25 les élève jusqu'à la trémie de chargement 26. Au fond de cette dernière est raccordée une goulotte verticale 27, commandée par une trappe motorisée 30, qui débouche dans une goulotte d'alimentation 29, dans laquelle se déplace le poussoir d'alimentation 28. La goulotte d'alimentation 29 débouche en 05 partie haute de la chambre de combustion, o elle est obturée par une porte de chargement basculante 32. En se référant maintenant à la figure 2, on remarque que la chambre de combustion 14 comporte une paroi cylindrique 34, en matériau réfractaire, et une 10 voûte supérieure 36 ménageant une ouverture centrale 38 pour le passage des gaz de combustion vers la chambre de transfert 16 comme il sera vu plus loin. A la base de la chambre de combustion, une grille de foyer 40 reçoit les matières en combustion 15 introduites par le poussoir 28. Cette grille est de préférence formée de barreaux oscillants de manière à permettre l'évacuation des cendres et mâchefers vers la trémie de réception des cendres. Pour simplifier la figure, le mécanisme d'oscillation des barreaux a été 20 omis. Au centre de la grille de foyer est disposée une boite d'insufflation 42 d'air primaire, qui est alimentée au moyen d'un ventilateur primaire 44 via un conduit 46 traversant la partie supérieure de la trémie 25 de réception des cendres, et qui diffuse de l'air primaire au sein du matériau en combustion, sensiblement au centre de la chambre et à la manière d'une pomme d'arrosage, c'est-à-dire dans toutes les directions et aussi uniformément que possible. De préférence, on 30 utilisera pour réaliser ce conduit 46 l'un des profilés rectangulaires creux faisant partie de la structure de support de l'ensemble de l'incinérateur. Au dessus du niveau de la grille et à plusieurs étages différents sont prévus des buses 48 35 d'insufflation d'air secondaire alimentées par un venti- : VR00E ::: V 0 : :): :: : d: :: V J : : r :: :: i: X:: :A:7 e: -: È 00 0 05 fX : -; : T m. 4 ::,. -::: D 10 : : : l 0 - D: D: :: 0. 0 15 : L:::.: de: -, f: - f :::: -:. i > Q aux 20 : g 7 :. :: D S : A,: * - 7. v S :-. I ? -à 4. 00 0 25 À:. X E S. : L. L'::.0= à-; : : i X 30 Y.; E., A, L- n VX d: Of: :: À::: C:: X 35 ,. x -:, -: y: f,., y f 0: 0 ? 0 * ES-:: . f: f Lateur secondaire 50 via un conduit 52 plaqué sur la paroi extérieure de La chambre de combustion, assurant la distribution d'air à des collecteurs annulaires 62 alimentant les buses précitées. Dans l'exemple illustré, il y a quatre étages d'insufflation d'air secondaire, soit, du bas vers le haut, trois étages 54, 56 et 58 destinés à insuffler de L'air secondaire au sein même du matériau en combustion et mis en service selon la hauteur de ce dernier, puis un étage 60 destiné à insuffler de l'air secondaire au dessus du matériau en combustion au sein des gaz de combustion. Comme illustré en détail à la figure 4, chacun des étages de buses, tout au moins des étages 54, 56, 58 est formé d'une série de buses réparties à la périphérie de la chambre de combustion, et ces buses, ou tout au moins une partie d'entre elles, sont formées de paires de buses 48a, 48b, orientées d'un angle prédéterminé a par rapport au plan horizontal, l'une des buses 48a étant orientée au-dessus de ce plan horizontal et l'autre buse 48b étant orientée au-dessous de ce plan horizontal. En outre, les buses sont orientées d'un second angle prédéterminé b de part et d'autre du plan vertical diamétral passant par la buse, c'est-à-dire que l'une des buses est orientée d'un angle b d'un côté de ce plan diamétral, et l'autre buse est orientée d'un angle b de l'autre côté. -1 En variante, seule une buse sur deux est formée d'une paire de buses, comme indiqué ci-dessus, les autres buses étant dirigées seulement radialement. Les multiples jets d'air secondaire ainsi insufflés dans le matériau en combustion provoquent, en raison de leurs orientations particulières, une pénétration optimale de l'air secondaire au sein du matériau en combustion et donc une combustion aussi complète que possible en minimisant le taux d'imbrûlés dans les gaz de combustion qui s'élèvent au- dessus de la masse en combustion. La hauteur de cette dernière est détectée au 05 moyen d'un détecteur et un dispositif de commande exploite cette information afin de mettre en service les différents étages d'insufflation d'air secondaire successivement en fonction de cette hauteur, au moyen de soupapes 55, 57, 59 (Fig. 1). Le quatrième étage d'insufflation d'air secondaire se compose également d'une série de buses réparties à la périphérie de la chambre de combustion qui sont elles aussi formées de paires de buses 60a, b. Ces buses peuvent, comme les précédentes, avoir les mêmes orientations caractéristiques, à savoir: - un angle a au-dessus/au-dessous du plan horizontal - un angle b d'un côté/de L'autre du plan 20 vertical diamétral de façon à provoquer de multiples turbulences et un brassage intense de l'air secondaire ainsi insufflé avec les gaz de combustion, ce qui complète la combustion des imbrûlés présents dans ces gaz. En variante, ces paires de buses peuvent être dirigées dans le plan horizontal (l'angle a étant égal à zéro) et orientées d'un angle b de part et d'autre du plan diamétral vertical, et produisant ainsi un rideau d'air secondaire au dessus de la masse en combustion. Ce 30 rideau a pour effet de constituer un barrage efficace contre l'entraînement de particules solides. Selon une autre variante, les buses 60 sont uniques et dirigées seulement radialement. préférentiellement, dans le cadre de l'invention, les angles a et b sont égaux ou inférieurs w -: : : v V:: * R 0 0:: - : A: - 0 05 -: f -. . s De : 10 , -à :, , 0 0 15 X -: :.- À: V; - 0 -,: R: :, :: ::; ' > 25 0. f:., ; -- 30 . . :,..: f. - 0 0 5 ... D. >. , . ... à 15 degrés. Les conduits 62 (figures 2 et 4) desservant chacun des étages de buses forment des anneaux ceinturant la chambre de combustion et situés dans l'épaisseur du matériau réfractaire qui constitue la paroi. Ceci permet un refroidissement de la paroi grâce à la circulation d'air secondaire et un réchauffement de ce dernier avant son insufflation dans la chambre de combustion. Au sommet de la chambre de combustion, l'ouverture de sortie 38 des gaz de combustion est entourée par une collerette focalisatrice 64, de forme tronconique, dont l'angle au sommet c est tel que le sommet soit situé sur l'axe XX sensiblement à la base de la chambre de réaction qui sera décrite en détail plus loin. Grâce à cette collerette 64, Les gaz de combustion sont groupés, ou focalisés, sous la forme d'une colonne ascendante 66 qui traverse la chambre 16 de transfert et d'échappement en entraînant à sa périphérie une faible quantité des gaz circulant sur le pourtour de cette chambre, et donc leur recyclage dans la chambre de réaction. La chambre de réaction 18 (figure 3) a également une forme tronconique, d'un angle au sommet d de l'ordre de 14 à 24 degrés (Figure 3), de préférence compris entre 15 et 18 degrés. La grande base, située à l'extrémité inférieure 68, correspond au sommet de la chambre 16 de transfert et d'échappement, et la petite base, située à L'extrémité supérieure 70, est coiffée par un circuit 72 d'admission d'air de réaction. Le circuit d'admission d'air de réaction se compose d'un ventilateur 74 et d'une couronne d'admission 76, de forme annulaire et équipée intérieurement d'une série d'aubes 78 inclinées, de telle sorte que l'air de réaction est introduit sous la forme d'un flux annulaire descendant "collé" à la paroi extérieure 80 de la chambre de réaction et animé 05 d'un mouvement hélicoldal et centrifuge ayant pour effet de refroidir la paroi intérieure 70 de la chambre de réaction et d'autre part de créer une dépression dans la zone axiale qui aspire à la grande base du cône une partie de l'air insufflé et la colonne de gaz et 10 fumées issus de la chambre de combustion. Il se crée entre ces deux courants de nombreuses turbulences 86 qui assurent un mélange poussé entre eux et un complément d'oxydation des imbrûlés éventuellement encore présents dans les gaz de 15 combustion, ainsi qu'une réduction importante de la température de ces derniers. A titre d'exemple illustratif, la température des gaz de combustion à la sortie de la chambre de combustion est de l'ordre de 900 à 950 degrés C et la température à la sortie de la 20 chambre de réaction, c'est-à-dire dans la zone annulaire sur le pourtour de la base de celle-ci, est de l'ordre de 750 à 800 degrés C. Pour le réglage de la vitesse d'insufflation d'air frais de réaction, le circuit d'admission 72 25 comporte un plongeur de réglage 73, sous la forme d'un cylindre fermé à son extrémité inférieure et que l'on peut descendre plus ou moins dans la couronne d'admission. A la base de la chambre de réaction 18, la 30 paroi 80 comporte une courte section 81 approximativement cylindrique, de telle sorte que le flux issu du mélange air de réaction/gaz de combustion est légèrement rabattu verticalement en direction de la colonne ascendante de gaz de combustion afin, d'une 35 part de bien confiner cette dernière dans la zone centrale de La chambre de transfert 16, et d'autre part de créer dans cette zone quelques turbulences de mélange et d'oxydation des gaz de combustion de la colonne. Le mélange sortant de la chambre de réaction 18 traverse enfin la chambre de transfert et d'échappement 16 dans la zone annulaire 88 entourant la colonne de gaz de combustion 66. Ce mélange s'écoule suivant un mouvement tournant dans le même sens que le mouvement hélicoldal d'air de réaction, puis s'échappe par un orifice 90 tangentiel d'o il est aspiré par un ventilateur d'extraction et de rejet qui n'a pas été représenté par simplification. La chambre de transfert et d'échappement a 15 une forme bi-cônique, à savoir: une portion tronconique supérieure 92 qui va en s'évasant vers le bas depuis la grande base de la chambre de réaction, puis une portion tronconique inférieure 94 qui va en se rétrécissant vers le bas jusqu'à une zone entourant la collerette focali20 satrice 64 au sommet de la chambre de combustion. Ceci détermine donc dans la zone annulaire 88 un écoulement du mélange air de réaction/gaz de combustion tout d'abord divergent avec détente du mélange et formation de turbulences qui augmentent le temps de séjour et de réaction, puis un écoulement Légèrement convergent par réflexion sur la partie tronconique inférieure qui entraîne un contact d'interface avec la colonne ascendante provenant de la chambre de combustion. Les matériaux employes pour les différentes parties de l'incinérateur seront, à titre d'exemple, les suivants: a) diffuseur d'air primaire acier réfractaire b) grilles de foyer fonte réfractaire c) paroi de la chambre de com- virole en tôle d'acier tion (de l'extérieur vers "CORTEN" l'intérieur) isolant en fibres céramiques béton réfractaire d) virole focalisatrice céramique réfractaire e) porte de poussoir fonte réfractaire f) paroi de la chambre de idem chambre de transfert et d'échappement combustion g) paroi de la chambre de virole (ext) en tôle réaction d'acier "CORTEN" garnissage intérieur en béton réfractaire ou en variante: virole (ext) en tôle d'acier "CORTEN" virole (int) en acier réfractaire avec circulation d'air intermédiaire Pour la conduite et le contrôle de l'incinérateur, on prévoira bien entendu tous les mécanismes et détecteurs nécessaires, ainsi que les installations de prélèvement de sécurité prescrites. Sur option, la conduite pourra être effectuée 25 manuellement ou automatiquement. Le dispositif de conduite automatique peut être restreint au fonctionnement en continu, les phases de démarrage et d'extinction étant pilotées manuellemment. Notamment, que la conduite soit manuelle ou 30 automatique, on notera quelques points importants: a) le fonctionnement du poussoir d'alimentation sera déterminé afin de conserver une hauteur constante de la masse dans la chambre de combustion; b) le nombre d'étages d'insufflation d'air secondaire 35 mis en service correspond à la hauteur de la masse en : 0: :: R -05 , . . L: 10 . : f 15 : *: i 0 f 20 : : a * D - - 25 : - 0 : :: 0.: : : : 0:' : RX combustion; ) le variateur de vitesse du ventilateur secondaire est commandé en fonction de la température des gaz de combustion, pour maintenir cette dernière dans une pLage de 900 à 950 degrés C pour éviter la fusion des verres et mâchefers dans La masse en combustion; d) le variateur de vitesse du ventiLateur d'admission d'air de réaction est commandé en fonction de la température des gaz dans La chambre d'échappement pour maintenir cette dernière dans une plage de 750 à 800 C et favoriser la pyrolyse et la combustion complète des imbrûlés gazeux ou solides dans les gaz de combustion; e) une détection de la teneur en poussières des gaz à l'échappement, au moyen d'un opacimètre, permet d'agir sur le ventilateur d'air de réaction dans Le sens d'un accroissement du débit, ainsi que sur le circuit d'air secondaire par diminution du débit et mise hors service d'un ou deux étages. On notera de la description qui précede que l'incinérateur permet un fonctionnement semi-continu, nécessitant un arrêt de courte durée (environ 2h et demi par jour) pour l'extraction des mâchefers et le réallumage. Cet allumage ne requiert aucun dispositif spécifique et est effectué manuellement à l'aide de papiers et de cartons, et d'une couche minimale de déchets. Ce type d'incinérateur est considéré comme autonome et fonctionne par auto-combustion. REVENDICATIONS 1. Incinérateur comprenant une chambre de combustion (14) comportant une sole ou grille inférieure (40) sous laquelle est disposée une boite à cendres (12) et une paroi extérieure (34)en matériau 05 réfractaire, un dispositif d'alimentation (24-32) destiné à introduire des matériaux à incinérer, un circuit d'alimentation d'air primaire (44, 46) comportant une boîte d'insufflation (42) disposée sensiblement au centre de la sole, et un circuit 10 d'alimentation d'air secondaire (50, 52) comportant des buses d'insufflation (48) réparties à la périphérie de la chambre de combustion et disposées suivant au moins un étage (54, 56, 58) compris dans la hauteur de la masse en combustion, caractérisé en ce qu'une partie au 15 moins desdites buses est formée de paires de buses (48a, 48b) orientées suivant un angle prédéterminé (a), l'une au dessus et l'autre au dessous d'un plan horizontal, ainsi que suivant un second angle prédéterminé (b) de part et d'autre d'un plan vertical 20 diamétral de la chambre de combustion. 2. Incinérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux étages (54, 56) de buses d'insufflation d'air secondaire compris dans la hauteur de la masse en combustion et des 25 soupapes (55, 57) commandant l'insufflation d'air secondaire par lesdits étages en fonction de la hauteur de ladite masse en combustion. 3. Incinérateur selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend 30 en outre un étage (60) de buses d'insufflation d'air secondaire situé au-dessus de la masse en combustion. 4. Incinérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 34, caractérisé en ce que lesdits angles prédéterminés (a) et (b) sont compris entre 0 et 35 15 degrés. 15 20 25 30 5. Incinérateur seLon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend une 'chambre de réaction (18), pLacée audessus de la chambre de combustion (12), dans laquelle les gaz de combustion sont admis suivant une colonne ascendante (82) sensiblement au centre de ladite chambre de réaction, et dans laquelle on insuffle de l'air frais de réaction suivant un flux annulaire descendant (84) animé d'un mouvement hélicoidal autour de la colonne ascendante de gaz de combustion. 6. Incinérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite chambre de réaction comporte une paroi extérieure (80) troncônique dont la grande base est située à l'extrémité inférieure (68) et ayant un angle au sommet (d) prédéterminé, compris entre 14 et 24 degrés. 7. Incinérateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'admission (72) d'air de réaction, situé à l'extrémité supérieure (70) de ladite chambre de réaction (16), composé d'un ventilateur (74) et d'une couronne d'admission (76) de forme annulaire et coiffant ladite chambre de réaction. 8. Incinérateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite couronne d'admission (76) est équipée d'une série d'aubes (78) inclinées, de telle sorte que le flux annulaire descendant d'air de réaction est animé d'un mouvement hélicoîdal. 9. Incinérateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la chambre de combustion comporte à sa partie supérieure une collerette focalisatrice (64) de forme troncônique dont L'angle au sommet (c) est tel que le sommet soit situé sensiblement à la base de ladite chambre de réaction (!8). 10. Incinérateur selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une chambre de transfert et d'échappement (16) interposée entre la chambre de combustion (14) et la chambre de réaction (18) et traversée en son centre par la colonne ascendante de gaz de combustion depuis la chambre de combustion vers la chambre de réaction, et à sa périphérie par le flux annulaire descendant d'air de réaction, mélangé aux gaz de combustion, provenant de la chambre de réaction.