Brevet FR2651561A1 — publié le 19910308

Procédé et installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques. L'invention concerne un procédé et une installation pour la destruction par combustion d'effluents gazeux toxiques. Le probLème de l'élimination de tels effluents s'est notamment posé dans les unités de fabrication de circuits intégrés o, pour doper les matériaux, sont employés des gaz chargés en hydrures d'arsenic (arsines), et/ou hydrures de phosphore (phosphines) et/ou hydrures de silicium (silanes)... Ces gaz sont toxiques et le courant gazeux les contenant doit absolument faire l'objet d'une épuration avant d'être rejeté dans l'atmosphère. Un procédé de traitement connu consiste à faire brûler lesdits gaz; les produits de combustion n'étant pas toxiques ou pouvant être éLiminés facilement (par exemple par filtration pour l'oxyde arsénieux). Le brevet FR 87 03 729 publié sous le numéro 2 612 606 décrit un tel procédé avec son dispositif associé. Selon ce brevet, l'effluent est amené dans une zone de combustion par un conduit central entouré d'une tubulure amenant le gaz combustible, elle- même entourée de trois conduits annulaires amenant l'air comburant. On s'efforce de rester le plus longtemps possible en flux laminaire au-deLà même du brûleur pour repousser la zone d'inflammation afin d'éviter le dépôt d'oxydes sur le brûLeur. Les débits et les vitesses d'injection des gaz sont régLés dans ce but. Dans le même but, la veine de gaz combustible constitue une gaine de protection pour l'effluent vis-à-vis du gaz comburant. La Demanderesse propose présentement un procédé de combustion dans lequel, au contraire de l'art antérieur, on crée une turbulence importante. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dans une flamme comportant un dard alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, procédé dans lequel ledit effluent gazeux et un gaz comburant dit secondaire sont introduits séparément au niveau dudit dard, ledit gaz comburant secondaire étant introduit sous forme d'au moins un jet dirigé vers l'axe dudit dard à un débit et une vitesse suffisants pour assurer un excès en comburant, le maintien en température dans le tunnel de combustion et créer une masse gazeuse turbulente au niveau dudit dard; l'effluent gazeux toxique étant introduit dans ladite masse gazeuse turbulente. L'invention s'applique particulièrement à des effluents gazeux chargés en silane et/ou en autres composés chimiques contenant les atomes B, P, As, Te, Se, Cl, F. Par exemple, elle convient aux gaz utilisés dans l'industrie électronique et contenant des hydrures: phosphines, arsines... Une telle énumération n'est pas limitative. Le dard est obtenu à partir d'un brûleur classique disposé dans le tunnel de combustion, alimenté en gaz combustible (gaz naturel par exemple) et en gaz comburant (air par exemple). Ce gaz comburant est dénommé primaire dans le texte de la présente demande pour le distinguer des autres courants de comburant. Avantageusement, le débit de ce gaz comburant primaire est réglé de façon à assurer la combustion, avec un faible excès de gaz comburant (10 % environ). Au cours du traitement des effluents toxiques, on peut faire varier ce paramètre pour piloter la combustion ou pour assurer le maintien en température du tunnel de combustion. Selon l'invention, du gaz comburant dit secondaire est envoyé vers le dard sous forme de jet, à un débit suffisant pour assurer un excès de comburant, par rapport à la quantité nécessaire à la combustion de l'effluent toxique, et à une vitesse suffisante pour créer une masse gazeuse turbulente au niveau du dard. Le gaz comburant est par exemple de l'air. Le débit et la vitesse du gaz comburant secondaire sont tels que l'apparence du dard se trouve modifiée: il change de couleur, sa forme est perturbée et on observe des mouvements tourbillonnaires. On dit alors que la masse gazeuse est turbulente. Ce phénomène est connu de l'homme du métier. Lorsque L'effluent, toxique sera amené, on observera une fLamme turbuLente. Le débit et la vitesse du gaz comburant secondaire doivent être également déterminés pour assurer le maintien en température du tunnel de combustion et l'excès de comburant. Les vitesses sont en général de plusieurs dizaines de m/s. Le gaz comburant secondaire est introduit sous forme d'un ou plusieurs jets dirigés vers l'axe dudit dard. Ces jets peuvent converger vers l'axe du dard ou bien être dirigés de façon à créer un mouvement tourbillonnaire du comburant autour dudit dard; dans ce cas, l'orientation du jet participe à la création de la turbulence. De façon préférée, le gaz comburant secondaire est amené par deux circuits différents produisant: - au moins un jet dit fixe avec un débit et une vitesse constants et suffisants pour obtenir une masse gazeuse turbulente, et la température de combustion voulue; - au moins un jet dit modulable avec un débit variable pour stabiliser la température; les deux jets assurant également l'apport de comburant en excès (pour par exemple ne pas risquer des explosions lorsque de l'hydrogène est présent, ce qui est le cas dans le traitement des effluents de l'industrie électronique o le gaz porteur est de l'hydrogène). Le courant de gaz comburant modulable refroidit la masse gazeuse et permet d'abaisser la température du tunnel si besoin. Par l'absence dudit courant, on provoque la remontée en température, qui peut être accélérée par réglage du débit de gaz comburant primaire. Il suffit, dans le cadre de l'invention, que l'effluent gazeux toxique soit introduit sous forme de jet dans la masse gazeuse turbulente (un ou plusieurs jets). Peu importe l'endroit o arrive(nt) le (ou les) jet(s) d'effluent par rapport à (aux) l'arrivée(s) de gaz comburant secondaire, il suffit que la turbulence soit créée sur la masse gazeuse. Lorsque les effluents toxiques sont de nature différente, ils peuvent être introduits sous forme de jets séparés au niveau du dard, ou bien être mélangés avant d'être introduits. L'effluent toxique peut être introduit épisodiquement. Le débit secondaire de gaz comburant est généralement asservi à la mesure de la température dans le tunnel de combustion. Le procédé de l'invention permet, de façon avantageuse, de traiter des effluents dont on ne contrôle pas le débit et la vitesse; il suffit alors de régler les débits et vitesses en gaz comburant pour aboutir à la combustion. La température dans le tunnel de combustion est en général supérieure à 900 C pour le traitement des gaz toxiques cités. Elle est choisie de façon à obtenir une destruction des gaz toxiques à au moins 99 % sur l'ensemble de l'installation -c'est-à-dire tunnel de combustion complétée éventuellement d'une zone de post-combustion dans laquelle se termine la réaction- dans laquelle le procédé de l'invention est mis en oeuvre. En l'absence d'effluent à traiter, il est intéressant de mettre en veille à environ 700 C. Pour abaisser la température de combustion, éviter une éventuelle dispersion des gaz vers l'extérieur et faciliter l'extraction des gaz issus de l'installation, on a intérêt à mettre ladite installation en dépression par rapport à l'atmosphère extérieure au tunnel (atmosphère ambiante). Pour permettre à la réaction de combustion de se prolonger, il est avantageux de faire dévier les gaz issus du tun- nel de combustion vers une zone dite de post-combustion contenant un garnissage en matériaux réfractaires. Le temps de séjour des gaz dans l'installation est augmenté par passage à travers ledit garnissage, porté à une température supérieure à celle de combustion, le garnissage assurant également la filtration des gaz et une meilleure répartition des calories dans l'installation. Dans ce cas, il peut être judicieux de provoquer dans le haut de cette zone (partie opposée au fond contenant le garnissage) une fuite amenant un léger courant de gaz comburant dit tertiaire (air en général) qui garantit un excès de comburant dans la zone de post-combustion. On a intérêt alors à maintenir la dépression dans l'installation entre - 1 et - 5 mbars. Les débits et vitesses des gaz comburants sont réglés de façon à obtenir une température de 900 à 1 200 C, 1 000 C environ de préférence, dans la zone de post-combustion, dans le cadre d'une application aux effluents toxiques énumérés ci-dessus. Les gaz sortant peuvent être rejetés directement dans l'atmosphère ou être traités, selon la quantité de toxiques résiduels et les normes de rejet en vigueur. La présente invention a également pour objet une telle installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques mettant en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. Ladite installation comporte: - un tunnel ou zone de combustion dont le fond est constitué d'une paroi conique ouverte sur ledit tunnel et de même axe que lui, un brûleur alimenté en gaz combustible et en gaz comburant primaire étant disposé sur cet axe de façon à ce que la base du dard se situe à proximité du fond du tunnel, au moins une tubulure pour amener le gaz comburant secondaire au niveau du fond dudit tunnel, la(les)dite(s) tubulure(s) étant orientée(s) pour que ledit gaz comburant soit dirigé en jet(s) vers le dard, - au moins une tubulure pour amener l'effluent gazeux toxique au niveau du fond dudit tunnel, la(les)dite(s) tubulure(s) étant orientée(s) pour que l'effluent soit dirigé en jet(s) convergent(s) vers l'axe du dard. L'installation selon l'invention comporte un tunnel de combustion dont le fond est constitué par une paroi conique. Cette paroi est généralement constituée de matériaux réfractaires sur une épaisseur suffisante pour assurer l'isolation thermique de l'installation vis-à-vis de l'extérieur. Dans le fond du cône est aménagé un évidement pour le brûleur. Le brûleur comprend une tubulure pour l'arrivée du gaz combustible et une autre tubulure pour l'arrivée du gaz comburant. Ce peut être par exempLe un ouvreau ménagé au fond du tunneL, dans lequel débouche Le brûleur, le dard se développant alors dans l'ouvreau. Dans une autre réalisation, le brûleur comprend deux tubulures concentriques, et La tubulure amenant le combustible est placée en retrait du fond du cône du tunnel, afin de faciliter le mélange combustibLe/comburant primaire avant le développement du dard, la base du dard étant pratiquement au niveau du fond du cône du tunnel de combustion. Des moyens de réglage des débits sont prévus sur ces tubulures; ils sont de préférence asservis à la mesure de température dans l'installation. Sur la paroi conique du tunnel de combustion, débouchent les arrivées de gaz comburant secondaire et d'effluent toxique. Le gaz comburant secondaire est amené par une ou plusieurs tubulures qui traversent la paroi conique sur toute son épaisseur, les tubulures sont dimensionnées pour que le gaz s'échappe sous forme de jet. On peut donner à ces tubulures une forme de fente de façon à couvrir par les jets une surface plus grande. Une réalisation plus faborable consiste à prévoir plusieurs tubulures par exemple trois ou quatre, disposées régulièrement sur le pourtour de la paroi conique. Selon les cas, les tubulures sont disposées de façon que les jets convergent vers l'axe du dard sensiblement en un même point, ou bien elles sont inclinées identiquement sur le pourtour de la paroi conique de façon à créer un mouvement rotatif du gaz comburant introduit. La (les) tubulure(s) amenant l'effluent, traverse(nt) également la paroi conique et est (sont) disposée(s) de façon à diriger le(s) jetCs) d'effluent vers l'axe du dard sensiblement en un même point. De préférence, on dispose plusieurs tubulures réparties régulièrement sur le pourtour de la paroi conique. De façon préférée, on prévoit des tubulures de gaz comburant secondaire pour jets dits fixes et des tubulures pour jets dits modulables, chaque type de jet étant piloté indépendam- ment de l'autre. Dans une réalisation particulière, sont prévues des tubulures séparées en deux parties par une paroi, les jets débouchant alors sensiblement au même endroit. Les dimensions du tunnel de combustion sont déterminées par l'homme du métier en fonction des produits traités, de la température de combustion à obtenir, du temps de séjour... Un dispositif, par exemple un ventilateur d'extraction, est monté sur la tuyauterie d'extraction des gaz pour créer une dépression dans l'installation. Une installation intéressante comporte un tunnel de combustion suivie d'une zone de post-combustion, ladite zone comportant également des parois en réfractaire et son axe faisant un angle avec celui du tunnel de combustion. Le fond de ladite zone est muni d'un garnissage en matériau réfractaire et une tubulure latérale permet la sortie des gaz ayant traversé ledit garnissage. Dans le haut de la zone (le haut étant opposé au fond), un clapet peut être aménagé, permettant le passage du comburant (tertiaire) vers le fond de la zone de post-combustion. Les figures ci-après illustrent l'invention: - les figures 1A et 1B représentent des réalisations préférées de l'installation selon l'invention; - les figures 2A, 2B et 3A montrent en coupe (vue selon l'axe du tunnel de combustion) le fond du tunnel avec le brûleur et les tubulures pour les gaz, la figure 3B montre une vue en coupe de l'installation 1B selon la direction F. La figure 1A montre une installation comprenant un tunnel de combustion 1 d'axe (D) suivie d'une zone de post-combustion 2 disposée perpendiculairement audit tunnel. Le fond du tunnel 1 est constitué par une paroi conique 3 ouverte sur le tunnel. Le tunnel avec son fond est entouré d'une épaisseur 4 de briques (ou autre matériau) réfractaires pour assurer l'isolation thermique. Dans le fond du tunnel, un évidement est aménagé selon l'axe (D) et sur toute l'épaisseur de la paroi conique. Un brûleur y est encastré, qui comprend une conduite 6 d'arrivée de gaz combustible (gaz naturel) et une conduite 7 amenant le gaz comburant primaire. Un dard 8 se développe dans le fond du tunnel. Sur la figure 1A, la base du dard est au fond du cône de la paroi conique; sur la figure lB, elle est située dans l'ouvreau placé sur l'évidement aménagé dans le fond du cône. Des tubulures 9 et 10 traversent la paroi conique pour amener respectivement le gaz comburant secondaire et l'effluent toxique. Dans l'exemple illustré figures 1A et 2A, on a disposé trois tubulures 9 et trois tubulures 10. Les tubulures 9 sont disposées de façon que leurs axes convergent sur l'axe (D) du tunnel en un point A, les tubulures 10 en un point B et le point B est situé au-delà du point A. Par contre, dans la figure lB, les tubulures 9 convergent aux points A1 et A2, les tubulures 10 au point B et les points A1 et A2 sont situés au-delà du point B. Sur la coupe figure 2A, selon un mode de réalisation de l'invention, les tubulures 9 amenant le gaz comburant secondaire ont une forme de fente alors que les tubulures 10 ont une forme circulaire. La figure 3A présente une variante préférée, dans laquelle les tubulures 9 sont séparées en deux parties par une cloison 11. Dans la partie 12, la plus proche du brûleur, circule le gaz comburant secondaire à jet fixe et dans la partie 13 le gaz comburant secondaire à jet modulable. Les deux parties sont alors alimentées par des tuyauteries différentes. Sur les tuyauteries d'alimentation, sont placés des moyens appropriés de réglage en débit et vitesse. La figure lB montre des tubulures séparées 9A et 9B pour amener le gaz comburant secondaire sous forme de jet respectivement modulable et fixe. La figure 2B montre en coupe les tubulures 9B inclinées de façon à créer un mouvement rotatif du gaz comburant secondaire dit à jet fixe autour du dard. Les tubulures 10 sont réparties en trois groupes de trois tubuLures 10A, lOB, 10C qui amènent chacune un effluent toxique de nature différente, par exemple. Les tubuLures des groupes sont régulièrement disposées sur le pourtour de la paroi conique. Selon la figure 1A, les gaz issus du tunnel de combustion 1 sont déviés vers la zone 2 de post-combustion qui contient en son fond un garnissage 14 (en carbure de silicium par exemple) pouvant être évacué par une porte de soutirage 15 et amené par une porte 16. La porte 16 peut comporter un clapet 17 par lequel arrive alors le comburant tertiaire (air) qui est entraîné avec les gaz de combustion vers le garnissage. Les gaz ayant traversé le garnissage, quittent l'installation par la tuyauterie 18. On a par exemple traité dans une telle installation un gaz chargé en arsine à 6 000 ppm, à un débit de 14 m3/h. Les gaz issus de la zone de post-combustion ont été refroidis (refroidis- seurs et dilution par l'air) jusqu'à 100-120 C, puis filtrés pour retenir les poussières, essentiellement l'oxyde arsénieux. Les gaz rejetés contiennent 0,5 ppm en arsine, soit un rendement d'épuration de 99,95 %, en tenant compte de la dilution par l'air. Une telle installation est particulièrement bien adaptée à l'épuration des gaz issus de l'industrie électronique, non seulement il y a combustion pratiquement compLète des éLéments combustibles toxiques, mais la formation d'oxydes d'azote ou autres gaz toxiques est évitée. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dans une flamme, comportant un dard alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, caractérisé en ce que ledit effluent gazeux et un gaz comburant dit secondaire sont introduits séparément au niveau dudit dard, ledit gaz comburant secondaire étant introduit sous forme d'au moins un jet dirigé vers l'axe dudit dard à un débit et une vitesse suffisants pour assurer un excès en comburant, le maintien en température dans le tunnel de combustion et créer une masse gazeuse turbulente au niveau dudit dard; l'effluent gazeux toxique étant introduit dans ladite masse gazeuse turbulente. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit gaz comburant secondaire est introduit - sous forme d'au moins un jet dit fixe, à débit et vitesse constants et suffisants pour obtenir une masse gazeuse turbulente et la température de combustion voulue; - et sous forme d'au moins un jet dit modulable, à débit variable, permettant de stabiliser ladite température de combustion; les deux jets assurant également l'apport de comburant en excès. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le débit de gaz comburant secondaire est asservi à la mesure de la température dans le tunnel de combustion. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les gaz issus du tunnel de combustion sont déviés vers une zone de post-combustion. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tunnel de combustion et la zone de post-combustion éventuellement présente, sont en dépression par rapport à l'atmosphère ambiante. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'un courant de gaz comburant supplémentaire (dit comburant tertiaire) est introduit dans les gaz issus du tunnel de combustion, pour garantir en excès en comburant dans la zone de post-combustion. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il règne dans la zone de post-combustion une température comprise entre 900 et 1 200 C, et de préférence une température d'environ 1 000 C. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que l'effluent traité contient au moins l'un des constituants suivants: silane, B, P, As, Te, Se, Cl, F. 9. Installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite installation comportant un tunnel de combustion (1) dans le fond duquel se trouve un brûleur (5), alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, caractérisé en ce que: - le fond dudit tunnel (1) est constitué par une paroi conique (3) ouverte sur ledit tunnel (1) et de même axe (D) que lui; le brûleur (5) étant disposé sur cet axe (D), de façon à ce que la base du dard se situe à proximité du fond dudit tunnel (1), - au moins une tubulure (9) pour amener le gaz comburant secondaire au niveau du fond dudit tunnel (1) , la(les)dite(s) tubulure(s) (9) étant orientée(s) pour que ledit gaz comburant soit dirigé en jet vers le dard, - au moins une tubulure (10) pour amener l'effluent gazeux toxique au niveau du fond dudit tunnel (1), la(les)dite(s) tubulure(s) (10) étant orientée(s) pour que l'effluent soit dirigé en jet(s) convergent(s) vers l'axe (D) du dard. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce que la(les) dite(s) tubulure(s) (9) amenant le gaz comburant secondaire a(ont) une forme de fente. 11. Installation selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux tubulures (9) pour amener le gaz comburant secondaire, l'une étant réservée au jet fixe, l'autre au jet modulable. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'extrac- tion des gaz issus de l'installation, créant une dépression dans le tunnel. 13. Installation selon l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisée en ce que le tunnel de combustion (1) est prolongé par une zone de post-combustion (2) dont l'axe fait un angle avec celui (D) du tunnel, ladite zone (2) étant munie en son fond d'un garnissage de matériaux réfractaires (14). 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'un clapet (17) est disposé dans le haut de la zone de post- combustion (2); ledit clapet (17) permettant l'arrivée d'un gaz comburant dit tertiaire. -