Brevet FR2634192A1 — publié le 19900119

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DESTRUCTION DES BOUES DE DECHETS Cette invention se rapporte de façon générale a la destruction des boues de déchets telles que boues d'égouts municipaux essentiellement organiques et boues dérivées du traitement de déchets industriels. Plus particulièrement, l'invention est orientee vers la destruction de telles boues par séchage et brûlage dans un four, tel qu'un four à soles multiples, un fourneau rotatif ou un four électrique, a travers lequel les boues et les gaz chauds passent a contre-courant et la donnent des produits séparés: effluents gazeux humides, sales et cendres résiduelles. Un problème mondial majeur est la destruction des déchets. De façon typique, les eaux usees sont traitées pour séparer l'eau, qui est récupérée, des matieres solides dont on se débarrasse, souvent par séchage et brûlage. Les boues de déchets produites à partir du traitement d'eaux usees sont, de façon typique, desséchées jusqu'a 16 a 25% en matières solides totales avec des presses a bande ou des centrifugeuses et 26 à % avec des filtres-presses. Le gâteau humide resultant est ensuite séché et brûlé pour donner des cendres et des produits gazeux qui doivent aussi être complètement oxydés (brûlés) et nettoyes. Le seul procédé efficace connu pour éliminer les matieres organiques et autres matieres combustibles des effluents gazeux est la rétention a haute température en présence de l'oxygène adéquat. Un temps de rétention de 1 à 3 secondes et une température dans le domaine de 760 C - 1100 C sont des exigences normales, le temps de rétention plus court correspondant aux températures plus elevees. 26 3 4 1 92 Un facteur majeur de coût des systèmes précédents est la post-combustion des effluents gazeux contenant les produits de séchage et de combustion des boues. Ces gaz, qui sont humides et charges avec des matières particulaires et d'autres contaminants, ne peuvent pas être utilisés dans des échangeurs de chaleur parce qu'ils encrasseraient rapidement l'équipement et creeraient un risque d'incendie. A cause de ceci, les effluents gazeux sont soumis à la post-combustion tels qu'ils sont (humides et sales) et sont ensuite immédiatement épurés et refroidis; et aucune partie de l'enthalpie n'est disponible pour préchauffer les effluents gazeux. Un probleme lié, inhérent aux systèmes existants, provient de la nécessité de préparer (chauffer) les effluents gazeux pour une post- combustion immédiate. La rentabilité de la post-combustion exige souvent que la température du four soit si elevee qu'elle entraine un "fumage" indésiré de métaux lourds dans le four, avec des problemes consécutifs difficiles d'élimination de métaux lourds. Le principal objet de cette invention est de prévoir des méthodes et des moyens améliorés pour la destruction des boues de déchets par combustion, avec nettoyage et désodorisation subséquents de produits gazeux de séchage et de combustion. Le procéde de l'invention exige l'étape de refroidissement des effluents gazeux à moyenne température, depuis plus de 260 C nettement au-dessous, jusqu'a un domaine de 25 C - 50 C et seulement par la suite de réchauffement des gaz jusqu'a une température finale d'au moins 760:C - 12000C. Selon l'invention, les refroidissement et nettoyage initiaux donnent des effluents gazeux conditionnes qui sont purifiés et ont été refroidis a 250C - 50 C. Le lavage aura éliminé les matières particulaires, tandis que le refroidissement aura élimine par condensation et par séparation la majeure partie de l'humidité et d'autres gaz volatiles condensables. En consequence, les exigences subséquentes en combustible dans la chambre de post-combustion sont sensiblement réduites. Le refroidissement et le nettoyage des effluents gazeux avant d'entrer dans la chambre de post-combustion rendent possible une modification du fonctionnement du four de maniere a effectuer encore plus, mais de façon moins évidente, d'economie de combustible dans la chambre de postcombustion. Par exemple, il n'est plus necessaire d'ajouter autant d'exces d'air pour le four qu'on le faisait précédemment. En réduisant l'air pour le four, le volume des effluents gazeux résultants est en consequence réduit d'autant plus, diminuant l'exigence en combustible dans la chambre de post-combustion. Les caractéristiques de l'avantage offert par l'utilisation de l'invention sont les suivantes: 1. Le four peut fonctionner a une allure plus élevée, jusqu'a 30% de plus. 2. Le four n'a pas besoin d'être controlé de près pour minimaliser les emissions. 3. Le four peut fonctionner avec un exces d'air réduit, augmentant encore le débit et le rendement. 4. Le four peut fonctionner a température plus basse pour éviter la production de NO et le "fumage" de x métaux lourds, et la pollution résultante des gaz, difficile a traiter. 5. L'enthalpie de l'air de refroidissement du four peut être mieux utilisée, pour réduire les frais de combustible. 6. La consommation de combustible, pour la désodorisation à haute température, peut être réduite de a 90%. 7. Les frais de combustible pour élever la température finale de combustion de 760 C a 1100 C sont insignifiants. 8. Les contraintes sur l'équipement sont moins severes, réduisant de cette façon les frais d'entretien et de remplacement. 9. Puisque les effluents gazeux sont oxydés thermiquement après épuration par voie humide, les matières volatiles, telles que le chloroforme, extraites de l'eau d'épuration, sont complètement détruites. 10. Les gaz de la cheminée purifiés n'auront aucune consequence de pollution visuelle telle qu'un nuage de vapeur. 2 Le four est un four a sept soles (250 m) au diamètre extérieur de 7,80 m, avec un débit d'apport maximum de 10.000 kg/h de gateau avec une teneur en matieres solides de 18,6% en matieres solides totales. Le four a été conçu a l'origine pour fonctionner jusqu'a 760 C lors de la post-combustion sur la sole supérieure de dégagement. Selon les modifications de l'invention, la sole supérieure du four est maintenant utilisée pour le séchage de boues. Le nouveau système utilise l'épurateur laveur-refroidisseur existant suivant immediatement le four, une chambre de post-combustion séparée ajoutée suivant l'épurateur, et un échangeur de chaleur à rendement élevé ajoute et situé de façon fonctionnelle entre l'épurateur et la chambre de post-combustion pour récupérer la chaleur en provenance des gaz de la chambre de postcombustion et pour préchauffer les effluents gazeux conditionnés en provenance de l'épurateur laveur- refroidisseur devant la chambre de post-combustion. On peut prévenir le fumage de la majorité des métaux lourds en les conservant au-dessous de 1110 C (600 C). Puisque le lit de matieres solides et de cendres dans un four a soles multiples est de 90 O C a 150 C plus froid que le gaz, la combustion de la plupart des vapeurs organiques peut toujours avoir lieu à 650 C - 760 C sans fumage excessif de métaux lourds. Une amélioration ultérieure du rendement et de l'efficacité de l'opération selon l'invention serait de préchauffer l'air de combustion dans la chambre de post- combustion à 4250C - 6500C. Afin que l'invention soit plus facilement comprise et amenée a execution, référence est faite aux dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique d'un système repreésentant l'invention. La figure 2 est un graphe qui met en contraste le profil des températures d'un 'flux de gaz produit par la mise en pratique de cette invention avec celui produit à partir de la pratique anterieure. La figure 3 est un graphe exprimant les économies de combustible typiques que l'on peut réaliser avec cette invention, par comparaison avec un systeme anterieur typique. La figure 1 illustre l'invention représentée dans un système qui emploie un four à soles multiples. Elle comprend un four 10 avec une pluralité de soles 11 espacees verticalement. Une cuve creuse verticale 12 s'étend depuis le bas du four vers le haut à travers celui-ci. La cuve a une pluralité de bras horizontaux creux 13 s'étendant à partir de là par-dessus les soles respectives et desquels dépendent des rateaux 14 pour remuer des matières solides sur ces soles pour les faire tomber en cascade sur des soles inférieures successivement. La cuve verticale, les rateaux, etc, tournent grâce a un mécanisme d'entra nement classique 17. De l'air ou un autre gaz porteur d'oxygène est introduit dans une partie basse du four en un endroit approprié 18 pour passer vers le haut a travers celui-ci, tandis que la combustion des boues continue a partir de la pour sortir par le haut par l'intermédiaire d'un conduit convenable 19. Du combustible auxiliaire et/ou de l'air est introduit par un orifice d'admission convenable. Le gâteau de boues humides est introduit par un orifice d'admission convenable 15 en haut du four, alors que les cendres résiduelles sortent par un orifice d'évacuation de fond convenable 20. Les effluents gazeux sortant de la zone de séchage de la sole superieure sont conduits par le conduit 19 dans le système nettoyeur-refroidisseur, qui comprend le venturi 24 et l'épurateur 25 d'o l'eau de l'épurateur est rejetée en 26, tandis que les effluents gazeux conditionnes sont conduits au moyen d'un conduit 27 et du ventilateur de tirage par aspiration 28 dans un echangeur de chaleur 29 ou ils sont préchauffes par contact indirect avec des gaz purifiés et chauds, conduits a partir de la chambre de post-combustion 31 via un conduit 32 à l'échangeur de chaleur 29. Les effluents gazeux préchauffes sont conduits a la chambre de postcombustion 31 par un conduit 33, tandis que les gaz de rejet de la chambre de post-combustion,maintenant refroidis,sont libérés dans l'atmosphère via une cheminee convenable 34. Du combustible auxiliaire et de l'air de combustion sont injectés dans la chambre de post-ccmbustion en 36. Si de l'air de refroidissement du four est utilise comme air de combustion dans la chambre de post-combustion, il est conduit sans inconvenient a partir du four par le conduit 37. La portion épurateur par voie humide du systeme est conçue pour réduire les matieres particulaires entraînees par le gaz jusqu'aux concentrations exigees par les divers bureaux de surveillance. Cet étage va aussi éliminer des contaminants tels que chlorures, sulfates et autres gaz de fumée ou composes à l'état de vapeur nuisibles à l'échangeur de chaleur, tout en condensant l'humidité en provenance des gaz. Les effluents gazeux conditionnes quittant cet étage seront a une température dans le domaine allant de 25 C à 500C, contiendront tres peu d'humidité (90% ayant été éliminé dans l'épurateur), mais contiendront encore des hydrocarbures, gaz de fumée organiques et composes organiques complexes tels que dioxines, aldéhydes, chloroforme, etc..., et carbone fixe (suie) qui exigent une élimination. Puisque ces effluents gazeux conditionnés sont libres de matières particulaires et sont essentiellement secs, ils sont adaptés à l'utilisation dans un échangeur de chaleur a rendement éleve. Ainsi, conformément a cette invention, ils sont conduits dans un échangeur de chaleur dans lequel se produit une relation d'échange de chaleur indirect par ecoulement a contre-courant avec les gaz chauds en provenance de la chambre de post-combustion. A ce propos, on notera que les gaz chauds en provenance de la chambre de post-combustion sont essentiellement des gaz produits. Ils sont purifiés et adaptés de façon spécifique à l'utilisation dans des échangeurs de chaleur a rendement élevé pour refroidir, avant rejet dans l'atmosphere. Les effluents gazeux conditionnés et préchauffes quittent l'échangeur de chaleur a une température de 760 C - 1100 C (en fait, aussi élevée que 1200 C pour les matieres organiques resistantes thermiquement). En fonction de la conception du dispositif de préchauffage, ces gaz peuvent etre préchauffés jusqu'a moins de 65 C de la température des gaz d'échappement de la chambre de post-combustion. Des températures différentielles faibles sont possibles dans les échangeurs de chaleur de type à régénération, dont l'utilisation est permise par cette invention. Les gaz préchauffes sont charges dans une chambre de post-combustion 31 a haute température ( 760 C à 1100 C) dans laquelle ils sont gardes pendant 1 a 3 secondes, pour réduire de cette façon les contaminants à un niveau acceptable pour le rejet. Les gaz chauds en provenance de la chambre de post-combustion vont s'ecouler a travers le dispositif de préchauffage pour en être finalement rejetés a une température relativement basse de 94 C à 176 C. Parce que les gaz sont essentiellement secs et chauds, aucun rejet ou nuage visible ne sera la conséquence de leur liberation dans l'atmosphère. L'air de combustion pour la chambre de post- combustion peut être soit de l'air ambiant, soit de l'air de refroidissement existant dans le four. Ce dernier est economique, puisqu'il a été préchauffé jusqu'a environ C à 232 C lors du refroidissement de la colonne centrale et des bras de raclage du four. Si on le désire, cet air affluent peut être préchauffé par échange de chaleur avec les. gaz de rejet de la chambre de post- combustion. Puisque le dispositif de préchauffage échangeur de chaleur a rendement élevé peut être conçu pour maintenir une température differentielle spécifique entre l'échappement de la chambre de postcombustion et les effluents gazeux préchauffés affluents, il y aurait seulement une utilisation nominale de combustible ajoute pour chauffer la température des gaz d'échappement de la chambre de post-combustion a 760 C, 820 C, ou meme au- dessus de 930 C. Comme le montre le mode de réalisation de la figure 1, l'échangeur de chaleur 29 est un appareil a fonction unique et à compartiment unique dans lequel les effluents gazeux conditionnes sont introduits a une extrémité, pour s'écouler de façon ininterrompue a travers celui-ci, pour sortir a l'autre extrémité du parcours vers la chambre de post-combustion. Seuls les effluents gazeux conditionnes vont a travers l'échangeur en relation d'échange indirect par rapport aux gaz d'échappement de la chambre de post- combustion a contre-ccurant. La figure 2 illustre graphiquement des economies typiques en combustible auxiliaire réalisees par la modification d'un système existant anterieurement pour mettre en pratique l'invention. La courbe A montre la pratique conventionnelle, dans laquelle on utilise la post-combustion pour chauffer immédiatement les effluents gazeux. La courbe B montre le procédé selon l'invention, dans lequel les effluents gazeux humides et sales sont épurés et refroidis avant la post-combustion. La figure 3 compare le profil des températures d'effluents gazeux d'un système antérieur avec le profil des températures anticipé des effluents gazeux du même système mettant en pratique la nouvelle invention. La courbe supérieure est conforme à la pratique antérieure.- Elle suit la température des effluents gazeux en commen- çant à la sole de séchage finale du four jusqu'à la pos- combustion immédiate à haute température, puis le refroi- dissement. La courbe inférieure suit la température des effluents gazeux dans le nouveau système. Les gaz commen- cent à la même sole de séchage, mais au lieu d'être chauffés, sont immédiatement refroidis et nettoyés. Par la suite, ils sont préchauffés par échange de chaleur et sont finalement chauffés par post-combustion à la tempé- rature maximum. Il convient de noter que dans la pratique antérieure, il y a 55 000 kg/h d'effluents gazeux à mani- puler dans la chambre de post-combustion, alors que dans la nouvelle pratique, la charge dans la chambre de post- combustion est réduite à 33 200 kg/h de gaz. Dans le procédé selon l'invention, des gaz de support de la combustion dans la zone de traitement peu- vent contenir initialement de l'oxygène libre dans un montant ne dépassant pas soixante quinze pour cent du montant exigé stoechiométriquement pour oxyder tout le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le soufre dans les boues et le combustible fournis à la zone, pour donner du dioxyde de carbone, de l'eau et du dioxyde de soufre. De même, les gaz de support de la combustion et les effluents gazeux fournis à ladite chambre de post- combustion peuvent contenir de l'oxygène libre dans un montant compris dans le domaine allant d'environ trente pour cent à environ soixante quinze pour cent de celui exigé stoechiométriquement pour oxyder tous les consti- tuants oxydables et le combustible-dans lesdits effluents gazeux fournis à ladite chambre de post-combustion. REVENDICATIONS 1. Procédé pour l'incinération des boues de déchets, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de déplacement de boues à travers une zone de traitement thermique (10) à contre-courant par rapport à l'écoulement de gaz et de produits de combustion à travers celle-ci tout en maintenant les conditions dans la zone de traitement pour séquentiellement sécher puis faire entrer en combustion lesdites boues, pour donner et rejeter de cette façon en tant que produits séparés des résidus solides et des effluents gazeux, lesquels effluents.gazeux contiennent aussi bien des matieres particulaires que des vapeurs d'eau et d'autres matieres et sont à une température dans le domaine allant d'environ 260 C à environ 600 C; laver et refroidir lesdits effluents gazeux (24, 25), pour donner des effluents gazeux conditionnés qui sont sensiblement exempts de matieres particulaires et sont à une température dans le domaine allant d'environ 25 C à environ 38 C; introduire lesdits effluents gazeux conditionnés dans une zone de chambre de post-combustion (31); bruler du combustible dans de l'air de combustion dans ladite zone de chambre de post- combustion; garder lesdits effluents gazeux conditionnés dans ladite zone de chambre de post-combustion pour produire des effluents gazeux chauds entièrement traités quii sont a une température à partir de 760 C jusqu'a environ 1200 C; faire écouler lesdits effluents gazeux chauds entierement traités et lesdits effluents gazeux conditionnés à travers une zone d'échange de chaleur (29), avant que lesdits effluents gazeux conditionnés soient chauffés dans ladite zone de chambre de post- combustion, pour préchauffer de cette façon lesdits effluents gazeux conditionnés tout eh refroidissant lesdits gaz entierement traités; et rejeter lesdits gaz entierement traités. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel des gaz de support de la combustion dans ladite zone de traitement contiennent initialement de l'oxygène libre dans un montant ne dépassant pas soixante quinze pour cent du montant exigé stoechiométriquement pour oxyder tout le carbone, l'hydrogène, l'oxygène, l'azote et le soufre dans les boues et le combustible fournis a ladite zone, pour donner du dioxyde de carbone, de l'eau et du dioxyde de soufre. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les gaz de support de la combustion et les effluents gazeux fournis a ladite chambre de postcombustion contiennent de l'oxygène libre dans un montant compris dans le domaine allant d'environ trente pour cent a environ soixante quinze pour cent de celui exige stoechiométriquement pour oxyder tous les constituants oxydables et le combustible dans lesdits effluents gazeux fournis a ladite chambre de post-combustion. * 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'air de combustion fourni a la zone de chambre de post- combustion est d'abord préchauffé par contact indirect d'échange de chaleur avec les effluents gazeux chauds entierement traités en provenance de la zone de chambre de post-combustion. 5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel de l'air de l'atmosphère est utilisé comme air de refroidis- sement pour refroidir ladite zone de traitement de matieres solides et, de cette maniere, pour chauffer de façon préliminaire ledit air de refroidissement, et dans lequel ledit air de refroidissement est par la suite préchauffé davantage par échange de chaleur avec lesdits gaz chauds entièrement traites en provenance de la chambre de post-combustion et est ensuite fourni a ladite chambre de post-combustion pour y servir d'air de combustion. 6. Procédé selon n'importe laquelle des revendications 4 ou 5, dans lequel des effluents gazeux chauds entièrement traités s'écoulent en ayant une relation d'échange de chaleur, d'abord avec ledit air de combustion, puis avec lesdits effluents gazeux conditionnes. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les conditions dans la zone de traitement sont contrôlées pour y maintenir les matieres solides des boues et les cendres à une température inférieure a celle a laquelle des quantités importantes de métaux lourds contenus dans lesdites boues et cendres sont transformées en fumee. 8. Dispositif pour la destruction des boues de déchets humides et des effluents gazeux résultants, caracterise en ce qu'il comprend la combinaison d'un four (10) du type adapté pour sécher et brûler des boues tandis qu'elles passent a travers celui-ci à l'encontre de l'écoulement de gaz, comprenant des produits de la combustion, à travers celui-ci, ledit four étant adapté pour'sécher des boues dans une zone d'o des effluents gazeux sont rejetés dudit four; d'un dispositif de nettoyage et épurateur (25) adapté pour laver et refroidir des effluents gazeux dans le domaine de température allant d'environ 25 C à environ 50 C, d'un échangeur de chaleur (29) du type dans lequel un echange de chaleur a lieu entre des gaz, d'une chambre de post- combustion (31) qui comprend une chambre de combustion adaptée pour brûler du combustible et des gaz en présence d'oxygène pour donner des gaz chauds dans le domaine allant d'environ 760 C à environ 930 C, d'un premier conduit (19) situé pour conduire des effluents gazeux à partir dudit four jusqu'audit dispositif de nettoyage et épurateur, d'un deuxième conduit (27) situé pour conduire des gaz rejetes a partir dudit épurateur jusqu'audit échangeur de chaleur, d'un troisieme conduit (33) situé pour conduire des effluents gazeux à partir dudit échangeur de chaleur jusqu'à la dite chambre de post- combustion, d'un quatrieme conduit (32) situé pour conduire des gaz chauds a partir de ladite chambre de post-combustion jusqu'audit échangeur de chaleur, et d'une évacuation finale (34) sur ledit échangeur de chaleur pour rejeter a partir de la lesdits gaz dernièrement cités, après passage a travers celui-ci. 9. Dispositif comme celui de la revendication 8, dans lequel ledit dispositif est disposé en série dans l'ordre enonce; four a contrecourant ayant un orifice d'évacuation séparé pour les résidus solides (20) et les effluents gazeux (19), épurateur d'effluents gazeux et refroidisseur (24, 25), échangeur de chaleur (29), chambre de postcombustion (31), moyens de guidage (19, 27, 28, 33) pour l'écoulement des gaz reliant de façon fonctionnelle lesdits compartiments de telle sorte que les effluents gazeux en provenance dudit écoulement du four soient guidés pour s'écouler sans interruption et en séquence a travers lesdits composants, moyen conduit (32) pour conduire les gaz à partir de ladite chambre de post-combustion jusqu'audit échangeur de chaleur, et moyens d'évacuation finale comprenant une cheminée (34) pour libérer les gaz de la chambre de post-combustion a partir 2.5 dudit échangeur de chaleur. 10. Dispositif selon la revendication 9, avec l'adjonction audit four d'une admission d'air pour le refroidissement du four (18) et d'une évacuation d'air pour le refroidissement du four, et de moyens conduits indépendants (37) pour conduire ledit air de refroidissement a partir dudit four jusqu'a ladite chambre de post-combustion.