Brevet FR2620351A1 — publié le 19890317

La présente invention concerne un procédé et un dis- positif pour éliminer par lavage des substances polluantes d'un courant de gaz d'échappement, grâce auxquels les maté- riaux ayant réagi avec le courant de gaz sont amenés à un état au moins peu nocif et sont, dans de nombreux cas, conver- tis par la réaction en des produits utiles. L'élimination par lavage des substances polluantes dans les gaz d'échappement est d'une manière générale coûteu- se avec des constéquences importantes pour l'environnement, o mais peu de retombées économiques ou même aucune, sauf s'il est possible de les convertir en des produits utiles, au mo- yen d'une élimination par lavage des produits résiduaires. Le coût de l'équipement initial est élevé. En outre les pro- duits pour réaliser le lavage, comme par exemple les oxydes, L5 les carbonates ou les hydroxydes de métaux alcalins et/ou de métaux alcalino-terreuy, entraînent une dépense permanente. En outre/ le rejet des produits de réaction, qui sont produits par la réaction des produits de lavage avec les gaz d'échap- pement, accroissent les coûts permanents, en particulier si Zo les produits de réaction contiennent des composants toxiques. Il existe un nombre croissant d'installations de chaudières, aui fonctionnent grâce à la combustion de subs- tances biologiques (désignées ci-après dans leur ensemble sous le terme de "biomasse"), incluant le bois, la tourbe ou des résidus de récoltes, au cxursde laquelle il n'existe qu'une fai- ble production ou aucune production d'oxyde de soufre et par conséquent lors de lagquelle aucune élimination par lavage des composés gazeux des gaz d'échappement n'est nécessaire ni n'est mise en oeuvre. 'D'autre part, les cendres produites par ces opérations contiennent des sels importants de métaux alca- lins et de métaux alcalino-terreux, apparaissant habituelle- ment sous la forme de l'oxyde de ces métaux ou, s'ils sont humidifiés par et/ou ont réagi avec du gaz carbonique, sous la forme de l'hydroxyde ou du carbonate ou peut être sous la forme de sels hydratés de ces métaux. On a découvert aue les cendres provenant d'instal- lations de chaudières, dans lesquelles des oxydes, hydroxydes et/ou carbonate de métaux alcalins et de métaux alcalino-ter- reux constituent une proportion importante des cendres, peu- vent être utilisées dans un procédé de lavage des gaz d'échap- pement, à la place des substances usuelles mentionnées précé- demment, afin de pouvoir utiliser des produits constituant sinon des déchets, & titre de remplacement de substances coû- teuses, que l'on doit acheter. On peut également utiliser d'autres substances à cet effet. Des déchets industriels ou ménagers, des cendres d'incinérateurs ou des produits secondaires contenant du potassium ou du sodium ou d'autres sels solubles, aui, lors- qu'ils sont dissous dans de l'eau, fournissent une solution basique (pH élevé) et qui, lorsqu'ils sont récupérés à partir des déchets ou des produits secondaires, fournissent un avan- tage économique, conviennent également. Dans la description aui va suivre, les cendres pro- venant de la matière de la biomasse en combustion et les dé- chets industriels ou ménagers ou d'autres sous-produits, uti- lisables dans le procédé selon l'invention, sont désignés d'une manière collective sous le terme générique de "cendres". Malheureusement la partie insoluble des cendres, ayant subi la réaction, doit habituellement encore être jetée en tant que déchet ou rebut, par exemple dans la plupart des applications utilisant des chaudières, et ne sont pas utili- sables dans d'autres buts. Cependant la matière des déchets n'est plus une subs- tance toxique et doit dans la plupart des cas être jetée en tant aue matériau de remblais peu nocif ou peut être utilisée comme matériau de couverture dans certaines décharges. Dans certains cas, lorsque la composition des résidus et les coûts de transport le permettent, on peut également l'utiliser en tant que matière première de fours à ciment. Dans d'autres cas. la partie insoluble de la substance de lavage peut être utilisée telle quelle pour la production de sulfate de cal- cium ou de plâtre ou bien en tant que substance de remplissa- ge minérale. Dans le cas o l'installation produisant les cendres ne comporte pas ellemême une installation à chaudière produi- sant un gaz d'échappement présentant une teneur élevée en sou- fre nécessitant un lavage, les cendres peuvent être amenées à d'autres installations de chaudières, dans lesquelles se pose le même problème, ou bien des installations dans lesquel- 0 les l'utilisation d'un combustible possédant une teneur supé- rieure en soufre fournirait un bénéfice économique. En outre étant donné que les cendres obtenues à partir d'une matière de la biomasse contiennent en général du potassium et d'au- tres sels de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux récupérables grâce à l'utilisation de la chaleur des gaz d'échappement ou d'autres sources de chaleur perdue, les sels- obtenus de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux peu- vent constituer un sous-produit précieux du procédé. Conformément à l'invention? il est prévu un nouveau !0 procédé d'épuration par lavage d'un courant de gaz d'échappe- ment d'une chaudière contenant des substances polluantes in- cluant un ou plusieurs oxydes acides du soufre, de l'azote et du carbone et des composés des halogènes, pour la pro- duction de produits utiles ou peu nocifs, caractérisé en ce qu'il consiste à mélanger à de l'eau, des cendres contenant comme substances solides un ou plusieurs sels de métaux alca- lins et de métaux alcalino-terreux de manière à obtenir une boue basique (pH supérieur à 7) contenant des substances soli- des non dissoutes dans une solution aqueuse, et à amener le 0 courant des gaz d'échappement en contact avec la boue, ce qui conduit les substances polluantes contenues dans ce courant de gaz à réagir avec l'eau de manière à produire des acides, et amène en outre ces derniers à réagir avec des oxydes, hydroxy- des et carbonates de métaux alcalins et alcalino-terreux ti- rés desdites cendres pour obtenir une solution contenant un ou plusieurs des éléments suivants: sels de métaux alcalins et sels de métaux alcalinoterreux incluant principalement les composés cationiques de métaux alcalino-terreux, à sa- voir des composés de calcium et de magnésium, des composés de métaux alcalins, à savoir des composés de potassium et de sodium, et des composés de selsanioniques,à savoir des carbo- nates, des sulfates, des sulfites, des nitrates et des nitri- tes, et des composés des halogènes, ainsi qu'un précipité des sels de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux avec tous les composants non dissous des cendres, ledit ccurant de gaz d'échappement sortant, après sa mise en contact avec la boue, sous la forme de gaz d'échappement épurés. Les procédés actuellement préférés incluent.une ou plusieurs des étapes suivantes consistant à: amener le cou- rant des gaz d'échappement en contact avec la boue en le fai- sant passer à travers cette dernière; séparer ladite solu- tion de sels de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux, dudit précipité et des composants non dissous, transférer la solution des sels de métaux alcalins et de métaux alcalino- terreux, le précipité et les composants non dissous dans un système séparateur, dans lequel ladite solution de sels est séparée dudit précipité et des composants non dissous; faire passer la solution de sels séparés dans un échangeur de cha- leur dans lequel la solution prélève de la chaleur du courant des gaz d'échappement avant que ce dernier vienne en contact avec la boue; refroidir le courant des gaz d'échappement pour enlever l'humidité avant l'étape de mise en contact; utili- ser la solution de sels pour refroidir et enlever l'humidité du courant des gaz d'échappement; utiliser la chaleur déli- vrée par le courant des gaz d'échappement pour retirer l'eau de ladite solution de sels et obtenir ladite chaleur en par- tie à partir d'un ou plusieurs des éléments suivants: (A)les gaz d'échappement chauds dudit courant, (B) la chaleur laten- te de vaporisation de l'humidité contenue dans ledit courant de gaz d'échappement,. (C) la réaction d'hydratation entre les cendres et l'eau, et (D) la compression desdits gaz avant la- dite étape de mise en contact. D'autres caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en réfé- rence au dessin annexé, sur lequel la figure unique donne une représentation schématique d'un dispositif utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention. Une boue constituée par des cendres et de l'eau, qui sort en 8 d'une cuve (non représentée) de mélange des cen- 0 dres et de l'eau, est entraînée par pompage par l'intermédiai- re d'une canalisation 10, dans la cuve de traitement 12, ain- si que l'eau additionnelle arrivant par une entrée 14 en pro- venance d'une source appropriée (non représentée), de manière & produire une boue diluée 16. Les cendres sont acheminées 3 depuis une source/comme par exemple une installation de pro- duction dans laquelle on brûle la biomasse ou bien un inciné- rateur dans lequel on brûle des matières de rebut. Les gaz d'échappement provenant d'un four à ciment, d'un incinérateur ou d'une chaudière (non représenté) contenant un ou plusieurs !O des produits tels que des oxydes de soufre, d'azote, de carbo- ne et/ou des composés d'halogènès et leurs oxydes, pénètrent par une entrée 18 dans un échangeur de chaleur 22 d'o ils ressortent sous la forme de gaz d'échappement refroidis. L'hu- midité des gaz d'échappement condensés est collectée-dans !5 l'échangeur de chaleur 22 et est envoyée à une cuve de trai- tement 12 par l'intermédiaire d'une canalisation 44. Les gaz d'échappement sont amenés alors jusqu'au compresseur 20 par l'intermédiaire de la canalisation 23 et sont délivrés, par l'intermédiaire de la canalisation 24, à des canalisations de distribution 26 à la base de la cuve de traitement 12. Pour empêcher le dépôt des substances solides sur le fond de la cuve de traitement 12, on peut agiter la boue et la faire re- circuler à l'aide de moyens appropriés, par exemple au moyen d'une pompe de recirculation 27. Les bulles des gaz d'échappement traversant la boue Z620351 16 formée par les cendres et l'eau sortent à la partie supé- rieure de la cuve sous la forme de gaz d'échappement épurés 28. La boue 16, qui se présente sous la forme d'un mélange de substances solides traitées, d'eau et de substances dissou- tes, est entraînée par une pompe 32 dans la canalisation 30 jusau'à la cuve de sédimentation 34, dans laquelle les matiè- res solides déposées sont évacuées par une pompe 38, et l'eau 37 chargée de sels dissous est entraînée par pompage en di- rection de l'échangeur de chaleur 22 de manière à réaliser le refroidissement des gaz d'échappement d'entrée. L'eau pro- venant de la solution de sels 37 s'évapore en formant une va- peur évacuée dans l'atmosphère par l'intermédiaire de la cana- lisation 40, ou bien l'eau s'évapore et se condense en for- mant un liauide servant à capter à nouveau la chaleur latente, en vue de sa réutilisation. Les sels provenant de la solution de sels 37 sont concentrés et/ou précipitent et sont collec- tés à partir de l'échangeur de chaleur par l'intermédiaire de la canalisation 42. Les composants cationigues des sels collectés sont principalement le calcium, le potassium, le magnésium et le sodium. Les composants anioniques des sels sont principalement des sulfates, des carbonates et des nitra- tes. La composition réelle des sels dépend de la composition initiale des cendres devant être traitées et de la composi- tion des gaz d'échappement. Les cendres provenant de systèmes de combustion de la biomasse peuvent contenir du carbone non brûlé qui, dans certains cas, flotte dans l'eau. Si on le désire, on peut modifier le procédé illustré, comme indiqué sur la figure afin de permettre l'élimination du carbone. L'eau 37 contenant du carbone non brûlé est entraînée par pompage à partir de la surface de la cuve de sédimentation en vue d'être filtrée ou d'être soumise à un autre traitement servant & éliminer le carbone, puis est renvoyée au processus. Si cela est néces- saire, on peut éliminer par des canalisations (non représen- tées) la solution contenant des sels dissous de métaux alca- lins et de métaux alcalino-terreux, de manière à la filtrer ou sinon en éliminer les substances particulaires, au niveau d'une unité d'élimination des particules. Puis la solution est envoyée à l'échangeur de chaleur 22. L'échangeur de chaleur 22 est une installation assu- mant un double rôle et formant échangeur de chaleur-unité de cristallisation, d'un type connu, qui extrait la chaleur des gaz d'échappement et utilise cette chaleur, incluant la cha- leur latente obtenue à partir de la condensation de l'humidi- o té des gaz d'échappement, pour faire évaporer l'eau. L'ensemble du système est formé d'éléments bien con- nus réunis selon des méthodes standards. Par exemple, de fa - çon typique, la cuve de traitement peut posséder un volume de 3 800 000 litres et peut comporter des moyens de distribu- tion et d'agitation des gaz et la cuve de sédimentation peut posséder un volume de 380 000 litres, ces deux cuves étant réalisées en acier inoxydable ou au moyen d'autres matériaux appropriés comme par exemple le caoutchouc, qui peut tolérer des solutions hautement alcalines ou acides. !0 Le principe de fonctionnement de base mis en oeuvre conformément à la présente invention est une recombinaison et une réaction de deux substances de rebut produites lors de la combustion, en vue d'obtenir une neutralisation mutuel- le des matières de rebut. Un courant de matières de rebut in- cluant les gaz et les oxydes gazeux, qui produisent des solu- tions acides dans l'eau., et les autres matières particulaires, à savoir des cendres obtenues à partir d'une biomasse ou d'ins- tallations de combustibn de déchets industriels ou municipaux, qui produisent des solutions basiques dans l'eau. Après dissolution partielle dans l'eau, les deux matières de rebut réagissent de manière à se neutraliser. Dans le cas des cendres, le procédé consiste à faire réagir ou à éliminer les composants caustiques, mais en rendant les substances solides neutres existantes, appropriées pour le rejet sous la forme de déchets non dangereux. Simultanément les gaz d'échappement traversant la boue dans la cuve de trai- tement sont nettoyés par suite de l'élimination d'une partie importante des composés des halogènes et des oxydes de soufre, d'azote et d'halogènes au moyen de la formation de sels de ces composants. On va donner ci-après un exemple. On peut envoyer les gaz d'échappement émanant par exemple d'une chaudière, au moyen d'une canalisation 18, à l'échangeur de chaleur 22 avec un débit de 6000 m3/mn grâce à l'utilisation d'un com- presseur 20. Les gaz d'échappement possèdent une composition variable, ne peuvent contenir en gros 10 % d'eau, 15 % de gaz carbonique, 65 % d'azote, 10 % d'oxygène et 500 à 1000 ppm d'oxydes d'azote et 100 à 1000 de dioxyde de soufre. Dans l'échangeur de chaleur 22, les gaz d'échappement sont refroi- dis et l'eau est condensée, ce qui entraîne une réduction du volume d'écoulement. Les gaz d'échappement sont ensuite en- traînés par le compresseur 20 dans la canalisation 23 de ma- nière à être délivrés, par l'intermédiaire la canalisation 24, aux canalisations de distribution 26 et à être amenés à réagir avec la boue 16, dans laquelle les halogènes et les oxydes de soufre, d'azote, de carbone et des halogènes réa- gissent. Les cendres peuvent être introduites dans la cuve de traitement 12 par exemple à un débit compris entre 7200 et 10 800 kg/h (poids à sec). On ajoute de l'eau pour former une boue diluée contenant jusqu'à 95 % d'eau. La teneur en eau de la boue est déterminée par la concentration initiale des sels de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux ou d'autres sels métalliques situés dans les cendres, et par le degré désiré d'élimination de ces sels à partir des résidus. Après avoir réagi avec les gaz d'échappement, la boue des cendres traitées est entraînée par pompage à un dé- bit égal à environ 760 litres par minute à la cuve de sédimen- tation 34. Dans cette cuve, les substances solides se dépo- sent en formant une boue contenant approximativement 35 % d'eau et 55 % de substances solides, au-dessous d'une solution d'eau et de sels solubles dissous pendant le traitement. La solution d'eau est entraînée par pompage depuis la sortie 37 jusqu'à l'échangeur de chaleur 22 à un débit d'environ 760 litres par minute de manière à refroidir les gaz d'échappe- ment et à provoquer l'évaporation de l'eau de ces gaz afin d'obtenir les sels constituant des produits secondaires. Tout le carbone flottant peut être éliminé comme cela a été expli- qué précédemment. Les sels constituant les produits secondai- 0 res, retirés par l'intermédiaire de la canalisation 42, sont produits à un débit compris entre environ 4500 et 18 000 kg/jour. Les sels constituant les produits secondaires incluent le sul- fate de potassium, le carbonate de calcium et d'autres sels avec des composants cationiques incluant les composés du po- tassium, du calcium, du magnésium et du sodium ainsi que des composants anioniques incluant des carbonates, des sulfates et des nitrates. Une partie des nitrates oxyde les sulfites en sulfate. Bien que l'on ait repésenté et décrit un procédé 0 et un dispositif actuellement préférés pour la mise en oeuvre de l'invention, on comprendra néanmoins que ce procédé et ce dispositif ont été indiqués uniquement à titre d'illustration et sans aucun caractère limitatif. - REVENDICATIONS 1. Procédé d'épuration par lavage' d'un courant de gaz d'échappement d'une chaudière contenant des substances polluantes incluant un ou plusieurs oxydes acides du soufre, de l'azote et du carbone et des composés des halogènes, pour la production de produits utiles ou peu nocifs, caracté- risé en ce qu'il consiste à: mélanger (en 12) à de l'eau, des cendres contenant comme substances solides un ou plusieurs sels de métaux alca- lins et de métaux alcalino-terreux de manière à produire.une solution basique (16) (pH supérieur à 7), et amener ledit courant de gaz d'échappement en con- tact avec ladite solution, ce qui conduit les substances polluantes contenues dans ce courant de gaz à réagir avec l'eau de manière à pro- duire des acides, et amener en outre ces derniers à réagir avec des cxy- des, des hydroxydes et des carbonates de métaux alcalins et de métaux alcalino-terreux, tirés desdites cendres pour produire une solution contenant un ou plusieurs des éléments suivants: sels de métaux alcalins et sels de métaux alcalino-terreux incluant principalement les composés cationiques de métaux alcalino-terreux, à savoir des composés de calcium et de ma- gnésium, des composés de métaux alcalins, à savoir des com- posés de potassium et de sodium, et des composés de sels anio- niques, à savoir des carbonates, des sulfates, des sulfites, des nitrates et des nitrites, et des composés des halogènes, ainsi qu'un précipité des sels de métaux alcalins et de mé- taux alcalino-terreux avec les ccmposants insolubles des cen- dres, et dégivrer ledit courant des gaz d'échappement scrtant,après sa mise en contact avec ladite solution ou boue (16), sous la forme de gaz d'échappement épurés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on met ledit courant des gaz d'échappement en con- tact avec ladite solution ou ladite boue-en lui faisant traverser cette dernière. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il inclut l'étape consistant à séparer ladi- te solution des sels de métaux alcalins et de métaux alcalino- terreux, dudit précipité et de composants insolubles. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il inclut l'étape consistant à transférer ladite so- lution de sels de métaux alcalins et de métaux alcalino-ter- 0 reux et ledit précipité et lesdits composants insolubles à un système de séparation, dans lequel ladite solution de sels est séparée dudit précipité et desdits composants in- solubles. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il inclut l'étape consistant à faire passer la solu- tion de sels séparée à travers un échangeur de chaleur- dans lequel ladite solution extrait de la chaleur dudit cou- rant de gaz d'échappement avant que cette dernière soit mise en contact avec ladite solution ou boue. o -6. Procédé selon la revendication 1, selon lequel ledit courant des gaz d'échappement est déshumidifié par re- froidissement avant ladite étape de mise en contact. 7. Procédé selon la revendication 6, selon lequel on utilise ladite solution de sels pour refroidir et déshumi- difier ledit courant de gaz d'échappement. 8. Procédé selon la revendication 7, selon lequel on utilise la chaleur provenant dudit courant de gaz d'échap- pement pour retirer l'eau de ladite solution de sels. 9. Procédé selon la revendication 8, selon lequel go ladite chaleur est tirée en partie de l'un ou plusieurs des éléments suivants: les gaz d'échappement chauds dudit cou- rant de gaz d'échappement, la chaleur latente de vaporisation de l'humidité contenue dans ledit courant de gaz d'échappe- ment, la réactiond'hydratation entre les cendres ou les matiè- res et l'eau et la compression desdits gaz avant ladite étape de mise en contact.