Brevet FR2654021A1 — publié le 19910510

* 1 La présente invention concerne un procédé de vitrification de cendres volantes et un dispositif pour sa mise en oeuvre. Il est habituel, pour traiter les déchets industriels et ménagers de les éliminer dans un réseau d'incinération, et d'utiliser la combustion d'un matériau fossile, tel que le charbon, comme énergie dans les centrales thermiques. De telles solutions présentent l'inconvénient, dans le cas de centrales thermiques et de l'incinération des ordures ménagères, de conduire à deux grands types de résidus solides: les machefers, ou cendres de foyer qui sont des particules fondues ou ramollies dans le foyer qui s'agglomèrent et qui tombent à la base de la chambre de combustion les cendres volantes qui sont des particules très fines, trans- portées par les fumées et captées avant l'évacuation dans l'atmosphère par divers procédés mécaniques et/ou électrostatiques de filtration. Les cendres volantes, provenant, en France, de l'incinération de 17 millions de tonnes de déchets ménagers, représentent 250 000 tonnes et sont des produits pulvérulents, constitués par des particules très fines, dont la masse volumique varie de 1900 à 2400 Kg/m 3 et dont la finesse, mesurée par un perméabilimètre Blaine s'échelonne entre 2200 et 4000 cm 3/g. La dimension de ces particules est comprise entre 0,5 JD et 200 gv avec une répartition en pourcentage, en fonction du type de procédé de captation ou de filtration, du type: de 50 à 70 % ont une taille inférieure à 50 pu de 50 à 80 % ont une taille comprise entre 50 j' et 80 de 10 à 25 % ont une taille supérieure à 80 La grande finesse de ces particules pose un problème pour leur stockage, et ceci, notamment en raison de la dissipation de ces produits et du très grand risque de leur dispersion. L'étude de la composition chimique de ces cendres, dont l'humi- dité du produit brut est de 1 % à 2 %, et la solubilité de 30 à 40 % a montré qu'elles comprennent les composants tels que Ca (OH)2 50 % Ca (CO 3) 10 % Ca C 2 10 % Ca SO 3 0,3 % Ca F 2 0,1 % Carbone traces Cl 4 à 6 % Cd 0,04 % Cu: 0,15 à 0,20 % Fe 3 à 8 % Mn: 0,2 % Ni: 0,02 % Pb: 0,3 à 0,4 % Zn 2 à 3 % Hg: traces Dioxine traces la présence de tels sels métalliques, très solubles, facilement entraînables par les eaux pluviales, est une source importante de pollution des sols et des nappes phréatiques. Ce risque est d'autant plus grand, que très souvent, ces cendres volantes sont mélangées à des machefers produits par l'incinération, l'en- semble étant alors évacué et stocké sans précautions particulières. Les cendres volantes, produites par les centrales thermiques brûlant du charbon peuvent être évaluées annuellement à 300 000 tonnes, en France Leur granulomètrie est semblable à celle des cendres volantes provenant de l'incinération des déchets ménagers. L'analyse chimique de ces cendres a permis d'établir qu'elles sont généralement constituées par: Si O 2 42 à 45 % AI 203 22 à 32 % Fe 203 + Ti O 2 4 à 15 % Ca O 1 à 8 % Mg O 1 à 3 % K 20 2 à 5 % Na 20 0,5 % à 1 % So 3: 0,2 à 2 % Carbone 2 à 8 % Traces de Pb, Mn, B, Mb Bien que, une telle composition chimique soit différente de celle des cendres volantes provenant des usines d'incinération des ordures ména- gères et de ce fait ne présente pas les mêmes inconvénients de pollution et de toxicité, leur grande finesse les rend comparables à de la poudre de ciment, ce qui pose les mêmes problèmes pour leur manutention et leur stockage que ceux rencontrés par les cendres volantes issues des usines d'incinération. De plus, l'amélioration des moyens de mesure est susceptible à échéance de mettre en évidence des éléments toxiques présents à faible dose, de même que l'utilisation de combustible provenant d'exploitation de nouveaux gisements, plus ou moins diversifiés, peuvent conduire à l'appa- rition d'autres composés nocifs dans les résidus de combustion. Pour remédier à ces inconvénients, étant donné que ces cendres volantes ne sont pas admisssibles dans certaines décharges en raison de leur solubilité et de leur teneur en métaux lourds, il est connu de leur faire subir un pré-traitement avant leur dépôt dans celles-ci. Ce pré-traitement a un double objectif, d'une part de donner de la cohésion à ce matériau pulvérulent, afin de faciliter son transport vers sa mise en décharge, et, d'autre part, de rendre inertes ou d'extraire les métaux souvent toxiques qu'elles contiennent. Pour ce faire, un procédé suisse vise à solidifier ces cendres par adjonction de ciment et à les inerter en stabilisant le p H grâce à des adjuvants de type connu jouant le rôle de tampon Cette solution s'avère économique mais nécessite un lavage préalable des cendres avant le mélange au ciment de manière à éliminer toute trace de chlorure qui empêche sa solidification Il est alors nécessaire d'effectuer un traitement des eaux résiduaires afin d'écarter toute possibilité de pollution. Toutefois, étant donné la teneur élevée de ces cendres en métaux lourds, tels que le plomb ou le zinc, qui en raison du p H fortement alcalin se trouvent sous forme d'hydrocomplexes facilement solubles, le risque de pollution de ces substances par migration est très important, et ce même après leur solidification avec du ciment. Par ailleurs, d'autres procédés visent à conditionner ces cendres par stockage dans des sacs plastiques par ensachage, avant leur élimination dans une alvéole spécifique dans une décharge contrôlée de résidus urbains de ces sacs enrobés de chaux Quel que soit le mode de traitement choisi, ces résidus doivent être compactés dans une alvéole ou dans une partie bien délimitée de la décharge, afin de former une masse homogène et de faible surface qui ne soit pas en contact avec des substances biodégradables. En effet, le mélange, avec des ordures ménagères, entraîne des variations de p H tendant à solubiliser les sels métalliques, ce qui facilite la mobilité de substances toxiques telles que la dioxine. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en fournissant un procédé de vitrification de cendres volantes et un dispositif pour sa mise en oeuvre qui permettent une augmentation de la granulo- mètrie des cendres, évitant ainsi la dissipation dans l'atmosphère et la dispersion dans le sol de celles-ci, tout en garantissant l'insolubilité des composants qui restent stables dans le temps, confinés dans les particules vitrifiées, et en allégeant les contraintes de manutention de stockage ou de recyclage de tels composés. De surcroît, ce procédé favorise la réduction de la quantité des déchets par l'élimination du carbone résiduel et par la combustion et la destruction à haute température des produits toxiques. A cette fin, le procédé selon l'invention consiste à réaliser le chauffage des cendres volantes quelle que soit leur origine et de manière à atteindre leur point de fluidité à des températures comprises entre 1150 'C et 1450 'C la destruction de celles-ci à de très hautes températures (qui peuvent atteindre 20000 C) permettant de transformer en plasma les produits nocifs le refroidissement brutal du produit liquéfié à la température ambiante pour assurer un éclatement conduisant à une pulvérisation de manière à obtenir des grains dont la granulometrie permet un bon débit de coulée. Suivant une variante d'exécution, la deuxième étape du procédé consiste à traiter les cendres par adjonction de fondant de manière à maintenir et à confiner dans le résidu vitrifié les composants nocifs à la température la plus basse possible (inférieure à 1450 C). Ainsi, ces adjuvants servent d'une part à assurer la cohésion des produits,et d'autre part, joue le rôle de fondant de manière à permettre une liquéfaction à des températures inférieures à la température de fusion du produit "pur" en évitant ainsi le transfert de produits nocifs dans les gaz de combustion. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Suivant une forme d'exécution simple de l'invention ce dispositif comporte en combinaison: des moyens de cheminement des cendres volantes une chambre de fusion, comportant des moyens de chauffage, pour atteindre une température supérieure à 14500 C une chambre de solidification comportant des moyens de refroi- dissement permettant la précipitation du produit liquéfié des moyens de récupération et d'évacuation des cendres vitri- fiées une unité de traitement des gaz de combustion avant leur évacuation dans l'atmosphère. Suivant une forme de réalisation de ce dispositif, la fusion s'effectue à l'intérieur de la chambre de fusion dans un foyer permettant d'utiliser, soit un chauffage direct par combustible fossile du type charbon fuel ou gaz, ou encore par arcs électriques ou résistances électriques, soit un chauffage indirect. Avantageusement, l'utilisation du chauffage direct permet aux cendres volantes de subir directement l'opération de liquéfaction. Selon une autre forme de réalisation du procédé, le chauffage indirect peut être obtenu, soit par l'utilisation de combustible fossile du type charbon ou fuel ou gaz, ou encore par arcs électriques ou résistances électriques, soit par l'utilisation de brûleurs. En l'état actuel de la technique, les arcs électriques ou les résistances électriques permettent d'obtenir, grâce à leur simplicité de mise en oeuvre, une plage de température qui assure un bon fonctionnement du dispositif et une qualité optimale des cendres volantes liquéfiées. Avantageusement les brûleurs utilisés sont du type torche à plama électrobrûleur ou encore brûleur à gaz classique. Les torches à plasma ne présentent de véritable intérêt que pour des températures supérieures à 2000 'C. Les électrobrûleurs associant généralement un brûleur à gaz ou un dopage de flamme par arc électrique présentent eux un intérêt pour une température stable au dessus de 1600 VC. Enfin, les brûleurs classiques sont généralement suffisants pour ce type de vitrification, dans la mesure o ils fournissent une température stable entre 14501 C et 1500 'C. Avantageusement, l'utilisation de tels brûleurs sont d'un réglage facile de la combustion, ce qui permet de minimiser le volume de gaz produit. Toutefois, l'utilisation d'un procédé de chauffage classique est envisageable à condition de prévoir une adaptation des brûleurs Dans le cas de charbon pulvérisé, cette adaptation de la poche de fusion est alors constituée par une chaudière du type cyclone. Quelle que soit l'origine de la source de chaleur, celle-ci a pour but de permettre l'obtention de la température nécessaire à la fusion des cendres volantes, avec le réglage adapté au produit et susceptible d'assurer une marge de température permettant de garantir une qualité optimale du produit. Selon une caractéristique du dispositif, la vitrification se fait à l'intérieur d'une chambre de solidification dans un bac d'un cendrier hydraulique. Selon une autre caractéristique intéressante du dispositif, le bac comprend un orifice ménagé pour recevoir un conduit d'alimentation en eau et un trop plein. Avantageusement, le trop plein et l'alimentation en eau permet- tent de maintenir un niveau constant pour compenser l'évaporation ou diverses pertes, ainsi que d'obtenir une température de l'ordre 500 C qui favorise la bonne granulomètrie des cendres liquides, sous forme d'un magma, qui subissent un éclatement conduisant à leur pulvérisation dû à leur refroidissement brutal. Selon une caractéristique de l'invention, les grains vitrifiés ainsi obtenus ont une grosseur de quelques millimètres. Avantageusement, une telle grosseur est obtenue grâce au réglage indépendant ou simultané de la température de la chambre de fusion et du débit de la coulée du produit liquéfié. Selon une autre caractéristique de l'invention, les cendres sont amenées par des distributeurs adaptés à des produits pulvérulents du type chaînes à raclette. Ces cendres sont ensuite déversées dans la poche de fusion par l'intermédiaire d'un système d'injection. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système d'injec- tion est un mécanisme à poussoir Cela permet de réaliser une parfaite étanchéité de la poche de fusion. La coulée du produit se fait ensuite dans une enceinte revêtue de réfractaire du type bloc électro fondu ou silice. Selon une forme préférée de réalisation l'installation peut contenir des brûleurs latéraux, dont la technique dépend de la température recher- chée. Selon une caractéristique, l'évacuation, à la sortie de l'extracteur mécanique du cendrier des cendres vitrifiées, peut se faire soit par voie hydraulique ou soit par un transporteur à table vibrante. Ainsi, les cendres sont amenées jusqu'à une installation de stoc- kage ou d'évacuation vers un moyen de transport. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'unité de traite- ment comprend des moyens d'épuration et de décantation qui permettent d'assurer le nettoyage du gaz de combustion avant sa libération dans l'atmosphère Cela limite au maximum le rejet de gaz toxique provenant de la combustion des cendres volantes. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, dont la figure unique représente, une forme de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. L'unité de vitrification de cendres volantes représentée dessin comprend une chambre de fusion 2, une chambre solidification 12, des moyens de transport 1 des cendres volantes, et des moyens de récupé- ration 14 et d'évacuation 16 des cendres vitrifiées. Les cendres volantes sont acheminées par l'intermédiaire d'un convoyeur 1, adapté au produits pulvérulents, du type chaîne à raclettes, à l'entrée d'une enceinte fermée constituant la chambre de fusion 2. Un injecteur, du type mécanisme à poussoir, non représenté sur la figure, pouvant se déplacer par translation par des moyens connus suivant un axe horizontal, permet leur introduction dans la chambre de combustion 4 par une ouverture adaptée 3 située sur la partie haute de la chambre de combustion Un brûleur 5, du type connu, inséré dans la chambre de combustion 4 est alimenté par un conduit 6 extérieur d'arrivée en combus- tible et en alimentation électrique. Un ventilateur 7, situé à l'extérieur de la chambre de fusion 2 par l'intermédiaire d'un circuit auxiliaire 8 à air, refroidit le brûleur Les cendres volantes emportées par gravitation tombent dans le bas de la chambre de combustion 4 Elles y sont liquéfiées sous forme de magma et par entraînement débouchent dans un puit de coulée 9 de forme tronconique disposé dans le bas de la chambre 4 contre l'une de ces faces internes Ce magma liquide arrive ensuite dans une cuve substantiellement remplie d'eau, d'un cendrier hydraulique Il de la chambre de solidification 12. Cette cuve 10 comporte dans sa partie haute une première ouverture 12 ménagée pour recevoir l'arrivée d'un conduit en alimentation en eau et dans sa partie médiane une seconde ouverture 13 destinée à un conduit de trop plein qui débouche sur un circuit d'évacuation en eau non représenté sur la figure. Le magma liquide, au contact de l'eau se refroidit subitement, en se vitrifiant, puis se dépose dans le fond de la cuve 10 sous forme de grains de cendres vitrifiées Un extracteur mécanique 14 du type connu placé dans le fond de celui-ci convoie ces cendres vitrifiées vers une unité de décantation 15 du type connu Après leur passage dans celui-ci, ces cendres vitrifiées sont emportées par un convoyeur 16, du type transporteur à table vibrante, jusqu'à des moyens de transport 17. Un conduit extérieur 18 de sortie de gaz de combustion, placé en haut de la chambre de fusion permet l'évacuation des fumées vers une unité d'évacuation et de décantation 19. Un conduit en eau 20 fournit son alimentation et débouche dans une cuve 21 o les particules se déposent dans le fond par gravitation A la sortie de celle-ci, les particules sont emmenées par un convoyeur 12 vers l'unité de décantation 15 avant d'être acheminées avec les cendres vitrifiées par des moyens de transport 17. Les fumées, après épuration et filtration, sont évacuées dans l'atmosphère par une cheminée 23 placée à la sortie de l'unité 19. Le procédé de vitrification des cendres volantes se déroule comme décrit ci-dessous. Les cendres volantes, quelle que soit leur origine, sont amenées dans la chambre de combustion 2 par l'intermédiaire d'un convoyeur 1 Elles sont introduites dans la chambre de fusion 4 par une ouverture ménagée 3 grâce à un système de d'injection. A l'intérieur de cette chambre de fusion 4, ces cendres sont chauffées par des brûleurs 5 adaptés de manière à atteindre leur point de fluidité à des températures comprises entre 11501 C et 14501 C puis sont transformées à une température de 20000 C en plasma afin de détruire les composés nocifs qu'elles contiennent Ce plasma est alors refroidi bruta- lement dans une cuve 10 du cendrier hydraulique Il au contact de l'eau, ce qui permet un éclatement conduisant à une pulvérisation. Un extracteur 14 convoie ces cendres vitrifiées tombées par gravitation dans le fond de la cuve 10 vers une unité de décantation 15. Après le passage dans celle-ci elles sont emmenées par un transporteur à table vibrante 10 jusqu'à des moyens de transport 17. Les fumées provenant de la combustion de ces cendres sont captées à la sortie de la chambre de fusion 4 et sont traitées par une unité d'épuration et de décantation 19 Les particules issues, de celle-ci, sont ensuite acheminées vers l'unité de décantation 15 avant d'être convoyées avec les cendres volantes vers des moyens de transport 17. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution de ce dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé de vitrification de cendres volantes qui a été décrite ci-dessus à titre d'exem- ple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation et d'application en respectant le principe. C'est ainsi que l'on ne s'éloignera pas du cadre de l'invention, par l'utilisation de tout type de refroidissement brutal des cendres liquéfiées sous forme de magma ou par l'emploi d'autres types de chauffages directs et indirects utilisés seuls ou en combinaison. REVENDICATIONS 1 Procédé de vitrification de cendres volantes caractérisé en ce l'invention consiste à réaliser: le chauffage des cendres volantes quelle que soit leur origine de manière à atteindre leur point de fluidité à des températures comprises entre 11501 C et 14501 C la destruction de cellesci à de très hautes températures (qui peuvent atteindre 20000 C) permettant de transformer en plasma les produits nocifs le refroidissement brutal du produit liquéfié à la température ambiante pour assurer un éclatement conduisant à une pulvérisation pour obtenir des grains dont la granulomètrie permet un bon débit de coulée. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la deuxième étape du procédé consiste à traiter les cendres par adjonction de fondant de manière à maintenir et à confiner dans le résidu vitrifié les composants nocifs à la température la plus basse possible (inférieure à 14500 C). 3 Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le refroidissement brutal s'effectue dans une cuve substantiellement remplie d'eau. 4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: des moyens de cheminement des cendres volantes ( 1) une chambre de fusion ( 4) comportant des moyens de chauffage pour atteindre une température supérieure à 14501 C une chambre de solidification ( 12) comportant des moyens de refroidissement permettant à la précipitation du produit liquéfié des moyens de récupération ( 14) et d'évacuation ( 16) des cendres vitrifiées une unité de traitement des gaz de combustion ( 19) avant leur évacuation dans l'atmosphère. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusion s'effectue à l'intérieur de la chambre de fusion ( 4) dans un foyer permettant d'utiliser, un chauffage direct par combustibles fossiles du type charbon, fuel ou gaz. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusion s'effectue à l'intérieur de la chambre de fusion ( 4) dans un foyer il permettant d'utiliser un chauffage direct par arcs électriques. 7 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusion s'effectue à l'intérieur de la chambre de fusion ( 4) dans un foyer permettant d'utiliser un chauffage direct par résistances électriques. 8 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fusion s'effectue à l'intérieur de la chambre de fusion ( 4) dans un foyer par un chauffage indirect. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le chauffage indirect est obtenu par l'utilisation de combustible fossile du type charbon, fuel ou gaz. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le chauffage indirect est obtenu par l'utilisation d'un arc électrique. 11 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le chauffage indirect est obtenu par l'utilisation d'une résistance électrique. 12 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le chauffage indirect est obtenu par l'utilisation de brûleurs adaptés ( 5). 13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les brûleurs utilisés sont du type torche à plasma, électrobrûleur ou brûleur à gaz classique. 14 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la vitrification est réalisée à l'intérieur d'une chambre de solidification ( 12) dans une cuve ( 10) d'un cendrier hydraulique ( 11). Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que la cuve ( 10) comprend un orifice ménagé pour recevoir un conduit d'alimentation en eau ( 12) et un trop plein ( 13). 16 Dispositif selon l'une des revendications 4, 14, 15, caractérisé en ce que les grains vitrifiés obtenus ont une grosseur de quelques millimètres. 17 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les cendres volantes sont amenées par des distributeurs ( 1) adaptés à des produits pulvérulents ( 1) du type chaînes à raclettes. 18 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le système d'injection est un mécanisme à poussoir. 19 Dispositif selon l'une des revendications 4 et 14, caractérisé en ce que l'évacuation à la sortie de l'extracteur mécanique ( 14) du cendrier ( 11) des cendres vitrifiées s'effectue par voie hydraulique. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 14, caractérisé en ce que l'évacuation à la sortie de l'évacuation mécanique du cendrier hydraulique ( 11) des cendres vitrifiées est réalisé par un transporteur à table vibrante ( 16). 21 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'unité de traitement ( 19) comprend des moyens d'épuration et de décantation ( 19) qui permettent d'assurer le nettoyage du gaz de combustion avant sa libération dans l'atmosphère.