Brevet FR2668815A1 — publié le 19920507

"Procédé d'incinération de déchets urbains dans une unité comportant un foyer à lit fluidisé et une chaudière, avec épuration intrinsèque des fumées" L'invention se rapporte à un procédé d'incinération de déchets urbains ou analogues, avec épuration intrinsèque des fumées, o l'on introduit les déchets, préalablement fragmentés à une granulométrie appropriée, dans un foyer à lit fluidisé dense alimenté à sa base en air comburant primaire, o brûlent des parties fixes tandis que s'en dégagent des parties volatiles comprenant, avec des gaz combustibles, des polluants tels qu'oxydes de soufre et gaz halogénés notamment, et emportant des particules solides; on injecte de l'air comburant secondaire dans une chambre de post-combustion surmontant le foyer à lit fluidisé, o brûlent lesdits gaz combustibles avec formation de fumées, et l'on récupère l'énergie thermique des fumées dans une chaudière avec des parois munies de tubes d'eau, divisée par des chicanes en parcours verticaux successifs, alternativement ascendants et descendants, le premier parcours, ascendant, prolongeant la chambre de post- combustion. D'une façon générale, l'épuration des fumées des fours d'incinération est soumise à des exigences de plus en plus contraignantes pour éviter des détériorations irréversibles de l'environnement Le problème devient particulièrement aigu lorsqu'il s'agit de l'incinération de déchets urbains ou analogues, tels que déchets végétaux et déchets industriels, en raison de la variabilité de composition, de pouvoir calorifique et de teneur en humidité de ces déchets, qui entraînent des variations des conditions de fonctionnement des foyers d'incinération, et en corollaire de composition des fumées brutes. En effet, la composition des fumées dépend non seulement de la composition du combustible, mais également des températures atteintes au cours des diverses phases de la combustion et de la vitesse d'évolution de la température des fumées Ainsi les teneurs en dioxines, furannes et oxydes d'azote des fumées brutes peuvent varier dans des proportions considérables en fonction de l'évolution des températures suivant le trajet des fumées. Pour des installations d'incinération de déchets, l'utilisation de foyers à lits fluidisés tend à se répandre, ces foyers à lits fluidisés permettant un réglage beaucoup plus souple des conditions de combustion. Parmi les foyers à lits fluidisés, l'intérêt se porte surtout sur les lits fluidisés circulants, bien adaptés à la combustion des charbons Toutefois les foyers à lits fluidisés denses présentent l'avantage d'une séparation presque complète des combustions des parties fixes du combustible (carbone et produits hautement pyrolysés) dont la combustion va se confiner presque entièrement dans le lit fluidisé, et des parties combustibles volatiles dont la combustion va s'effectuer en présence de l'air secondaire dans la chambre de post-combustion. En outre les lits fluidisés denses sont plus tolérants sur la granulométrie du combustible. Mais avec ces foyers à lits fluidisés denses, s'il est possible de réduire les teneurs des fumées en produits polluants formés au cours de la combustion suite à des conditions de combustion défavorables, tels les oxydes d'azote, le monoxyde de carbone, les dioxines et les furannes, il n'en est pas de même pour les polluants de masse, qui résultent inéluctablement de la combustion de certains composants de déchets, tels les oxydes de soufre et les gaz halogénés, chlorure et fluorure d'hydrogène, qui doivent être éliminés de toute façon avant que les fumées puissent être dispersées dans l'atmosphère. Or ces polluants de masse se manifestent essentiellement par leur caractère corrosif à basse température L'élimination en aval, avant la dispersion par la cheminée, est inefficace pour protéger les parties aval de la chaudière contre la corrosion Or celle-ci a pour conséquence, outre une usure prématurée des installations, des pertes de rendement de récupération d'énergie en raison de la limitation du refroidissement des fumées nécessaire. La présente invention a pour objectif un procédé d'incinération de déchets urbains ou analogues qui intègre l'épuration des fumées au processus de combustion, et contr 8 le efficacement les conditions de combustion et leur évolution du foyer à la sortie de la chaudière, en sorte que les fumées soient pratiquement débarrassées des polluants gazeux au sortir de la chaudière. A cet effet, l'invention propose un procédé d'incinération de déchets urbains et analogues, avec épuration intrinsèque des fumées, o l'on introduit les déchets préalablement fragmentés à une granulométrie appropriée, dans un foyer à lit fluidisé dense alimenté à sa base en air comburant primaire, o brûlent des parties fixes, tandis que s'en dégagent des parties volatiles comprenant, avec des gaz combustibles, des polluants tels qu'oxydes de soufre et gaz halogénés notamment, et emportant des particules solides; on injecte de l'air comburant secondaire dans une chambre de post-combustion surmontant le foyer à lit fluidisé, o brûlent lesdits gaz combustibles avec formation de fumées; et l'on récupère l'énergie thermique des fumées dans une chaudière avec des parois munies de tubes d'eau, divisée par des chicanes en parcours verticaux successifs, alternativement ascendants et descendants, le premier parcours, ascendant, prolongeant la chambre de post-combustion, procédé caractérisé en ce que, la chaudière étant divisée en au moins trois parcours de fumée, on introduit dans le lit fluidisé du calcaire en excès stoechiométrique au moins par rapport aux composés soufrés, comptés en oxydes de soufre; on injecte, en début de troisième parcours ascendant, de la chaux pulvérulente en quantité au moins suffisante pour neutraliser les gaz halogénés; on recueille les solides pulvérulents en partie basse entre les deuxième et troisième parcours et on introduit ces solides pulvérulents dans le foyer à lit fluidisé. L'introduction de calcaire dans le lit fluidisé a pour résultat de fixer, à l'état de sulfate de calcium, pratiquement tous les oxydes de soufre qui naissent de la combustion des composés sulfurés dans le lit fluidisé, et à l'état de chlorure et fluorure de calcium une part non négligeable des gaz halogénés qui se seraient dégagés. Par ailleurs la température de la chambre de post- combustion et les conditions d'introduction d'air peuvent être réglées pour minimiser la formation d'oxydes d'azote, de dioxines et de furannes, tandis que la longueur de trajet dans les parcours successifs de la chaudière assure un refroidissement régulier des fumées, ce qui réduit sensiblement la teneur des fumées en composés endothermiques métastables. L'injection de chaux en début de troisième parcours assure une neutralisation efficace des gaz halogénés restant dans les fumées, celles-ci ayant atteint une température particulièrement appropriée pour la neutralisation. Enfin le retour des solides pulvérulents de la partie basse entre les deuxième et troisième parcours assure un taux d'imbrûlés particulièrement bas dans les cendres. De préférence on ajuste corrélativement la température et le débit de l'air primaire en sorte de maintenir le lit dans une plage de température prédéterminée, comprise entre 8000 et 9000 C, afin que les parties fixes se consument pratiquement totalement, tandis que les parties volatiles peuvent brûler efficacement dans la chambre de post- combustion. De préférence on analyse en permanence la teneur en oxygène des fumées, et l'on règle le débit d'air secondaire pour maintenir cette teneur entre 5,5 et 7,5 % Ces taux correspondent à un excès d'air global compris entre 40 et t. De préférence également le rapport stoechiométrique entre le calcaire introduit dans le lit et la teneur en soufre des déchets, comptée en oxydes de soufre est compris entre 2,5 et 3, valeur déterminée expérimentalement. En disposition préférée un quatrième parcours, descendant, fait suite au troisième parcours, pour amener la température des fumées à une valeur suffisamment basse, ce qui améliore le rendement de l'installation. On placera de préférence à la suite de ce quatrième parcours un échangeur, dit économiseur, pour le réchauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière On arrive ainsi à abaisser la température des fumées jusqu'à 1400 C environ, température o les métaux lourds se condensent Ces métaux lourds seront ainsi éliminés avec les poussières résiduelles avant que les fumées soient envoyées à la cheminée. L'injection de chaux, en début de troisième parcours, sera particulièrement efficace si on exécute cette injection pneumatiquement dans un jet d'air porteur, le jet étant dirigé verticalement en direction ascendante, pour une durée de contact maximale entre le jet de chaux et les fumées, ascendantes dans le troisième parcours. Des caractéristiques secondaires et les avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre à titre d'exemple, en référence à la figure unique annexée. Celleci représente schématiquement une chaudière à foyer à lit fluidisé, équipée de façon appropriée à mettre en oeuvre le procédé de l'invention. La chaudière 1, selon la représentation de la figure, comporte une enveloppe générale la qui contient un foyer à lit fluidisé 10, dense, surmonté par une chambre de post- combustion 13, suivis par quatre parcours de fumée 16, 17, 19 et 21 verticaux successifs et à direction alternée, les premier 16 et troisième 19 parcours étant ascendants, tandis que les deuxième 17 et quatrième 21 sont descendants Ces parcours sont délimités par des parois 35, 36, 37, 38 et 39 formant chicanes et incorporant des tubes d'eau connectés par des collecteurs tels que 40, communiquant avec un bouilleur 2 On notera que les connexions de tubes d'eau sont très schématiquement représentées, et que leur disposition réelle relève des connaissances de l'homme du métier. Après le quatrième parcours 21, les fumées traversent un échangeur 22, dit économiseur, qui reçoit en 22 a l'eau alimentaire pour la chauffer jusqu'à 1200 C environ et fournir cette eau alimentaire chauffée au bouilleur 2 à travers la canalisation 22 a Les fumées, refroidies jusqu'à 1400 C, traversent un dépoussiéreur 23 à manches, pour être reprises par un ventilateur de tirage 24 qui les refoule en base d'une cheminée 25. Le lit fluidisé 10 est alimenté en air de fluidisation ou air primaire à travers une grille à pyramides 11, l'air de fluidisation refoulé par un ventilateur 33 parvenant à la grille 11 après avoir traversé un échangeur 30 alimenté en vapeur de soutirage qui chauffe cet air Entre l'échangeur 30 et la grille 11 se trouve une rampe d'allumage 31, alimentée en gaz naturel lors de la mise en route du foyer à lit fluidisé. Les déchets urbains sont déversés en surface de lit fluidisé après tri, o sont éliminés pour l'essentiel les verres, ferrailles et matières plastiques recyclables, et un broyage qui assure que les particules les plus volumineuses ne dépassent pas 150 mm dans leur plus grande dimension, par une vis sans fin 12 agencée pour éviter des fuites de fumée. Les cendres sont évacuées par un conduit 10 a partant de la base du foyer 10. Les parois du foyer 10 et de la chambre de post- combustion 13 qui le surmonte sont garnies de réfractaire 13 a, en briques de carbure de silicium La chambre de post- combustion 13 est munie de buses 14 alimentées en air secondaire à travers un registre de réglage 15 Les buses 14 sont réparties sur la périphérie de la chambre de post- combustion 13 et orientées de telle sorte qu'elles engendrent de fortes turbulences, pour que les gaz combustibles émanant du lit fluidisé 10 puissent brûler dans toute la section de la chambre 13. Tout ce qui précède ne se distingue pas fondamen- talement des dispositions classiques. Selon l'invention, le lit fluidisé 10 comporte en outre un alimenteur à vis sans fin 28 qui introduira dans le foyer 10 du calcaire en particules, par exemple du genre cru de cimenterie, et un couloir d'alimentation 29 qui part de la base en trémie 18, de la jonction entre les deuxième et troisième parcours de fumées 17 et 19 respectivement, de façon que les particules volantes, entraînées depuis le foyer , qui se déposent dans cette trémie 18, retournent au foyer , pour en achever la combustion On remarquera que le lit fluidisé 10 ne comporte pas d'échangeur noyé. En outre un dispositif pyrométrique 32 a détermine en permanence la température du lit fluidisé, et attaque l'entrée d'un régulateur 32 capable d'agir de façon ordonnée sur le débit d'air primaire fourni par le ventilateur 33, et la température d'injection de cet air primaire, déterminée par le réglage de l'échangeur 30. Par ailleurs, à la partie inférieure du troisième parcours 19, ascendant, est disposé un injecteur 20, vertical, qui injecte, dans le flux ascendant de fumée, un jet ascendant de chaux pulvérisée, propulsée hors d'un mélangeur statique 20 a par de l'air comprimé introduit par la canalisation 20 b. En outre, un analyseur de taux d'oxygène 26 prélève, à travers une canne 26 a, des fumées en fin de quatrième parcours 21, et agit sur le registre 15 d'introduction d'air secondaire pour maintenir la teneur en oxygène dans les fumées entre 5,5 et 7,5 %, qui correspond à un excès global d'air de combustion compris entre 40 et 60 t. Le régulateur 32 sera ajusté de telle sorte que la température dans le lit fluidisé soit comprise entre 8000 et 9000 C, typiquement 8500 C Compte tenu de la composition moyenne des déchets urbains, typiquement: Pouvoir calorifique inférieur PCI 8 000-13 000 k J/kg Teneur en matières volatiles 65-75 % Humidité 25-35 % Cendres 10-25 % les conditions opératoires sont sensiblement comme suit Rapport des volumes d'air primaire/air secondaire 40-60 environ Vitesse de fluidisation 1-1,5 m/s Vitesse des fumées dans la chambre de post-combustion 3,5-4,5 m/s Température en limite du réfractaire 13 a 1 200 C Température en sortie de premier parcours 900 C Temps de séjour à plus de 850 C 2,5 à 3,5 sec. Température des fumées à la jonction entre deuxième 17 et troisième 19 parcours 500-600 C Température des fumées à l'entrée de l'économiseur 22 350 O C environ Température des fumées en sortie d'économiseur 140 C environ Le rapport stoechiométrique entre calcaire injecté dans le lit fluidisé 10 et teneur en soufre des déchets, comptée en oxydes de soufre 502 et 503, est compris entre 2,5 et 3 Cela correspond à une fixation pratiquement totale des composés du soufre sous forme de sulfate de calcium, et d'une partie des composés halogénés sous forme de chlorure et fluorure de calcium. L'injection de chaux pulvérisée dans le troisième parcours 19, dans les fumées à 500 -600 O C, achève la fixation des composés halogénés, sous forme de chlorure et fluorure de calcium, qui pour partie sont dirigés vers le foyer 10 par le couloir 29, et pour le reste sont arrêtés dans le dépoussiéreur. On notera que les métaux lourds sont pratiquement condensés dans les fumées refroidies à 140 C, et seront retenus dans les filtres à manches du dépoussiéreur. Ces métaux lourds peuvent avoir été volatilisés dans les fumées soit à l'état élémentaire pour les métaux sublimables à basse température, soit à l'état de composés volatils. Grâce à la combustion en deux temps des déchets, parties fixes dans le lit fluidisé 10, parties volatiles dans la chambre de post-combustion, la limitation des températures et le régime de refroidissement des fumées de combustion, on réduit au minimum la formation des oxydes d'azote, dioxines et furannes. En outre, grâce au recyclage des fines volantes, le taux d'imbrûlés dans les cendres est inférieur à 1 %. Par ailleurs, en raison de la basse température de rejet des fumées, et de la limitation de leur volume résultant de la combustion avec un faible excès d'air, l'énergie perdue dans les fumées est sensiblement réduite, conduisant à un rendement thermique très élevé, de l'ordre de 88 %. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit, mais embrasse toutes les variantes du procédé, dans le cadre des revendications. REVENDICATIONS 1 Procédé d'incinération de déchets urbains et analogues, avec épuration intrinsèque des fumées, o l'on introduit les déchets {en 12) préalablement fragmentés à une granulométrie appropriée, dans un foyer ( 10 > à lit fluidisé dense alimenté à sa base ( 11) en air comburant primaire, o brûlent des parties fixes, tandis que s'en dégagent des parties volatiles comprenant, avec des gaz combustibles, des polluants tels qu'oxydes de soufre et gaz halogénés notamment, et emportant des particules solides; on injecte de l'air comburant secondaire dans une chambre de post- combustion ( 13) surmontant le foyer ( 10) à lit fluidisé, o brûlent lesdits gaz combustibles avec formation de fumées; et l'on récupère l'énergie thermique des fumées dans une chaudière ( 1) avec des parois 135, 36, 37, 38, 39) munies de tubes d'eau, divisée par des chicanes en parcours verticaux ( 16, 17, 19, 21) successifs, alternativement ascendants et descendants, le premier parcours ( 16), ascendant, prolongeant la chambre de post-combustion ( 13), procédé caractérisé en ce que, la chaudière , en début de troisième parcours le lit fluidisé dans une plage de température prédéterminée. 3 Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ladite plage de température prédéterminée est comprise entre 8000 et 900 'C. 4 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'on analyse (en 26) en permanence la teneur en oxygène des fumées, et l'on règle comptée en oxydes de soufre, est compris entre 2,5 et 3. 6 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'un quatrième parcours de fumées ( 21), descendant, fait suite au troisième parcours. 7 Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'on refroidit les fumées, en sortie du quatrième parcours ( 21), jusqu'à 1400 C environ, par passage dans un échangeur ( 22 > alimentant en eau la chaudière , dit économiseur. 8 Procédé suivant la revendication 7, caractérisé en ce que l'on dépoussière dans l'atmosphère. 9 Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'injection de chaux, en début de troisième parcours ( 19), est exécutée pneumatiquement, dans une direction verticale ascendante.