Brevet FR2666817A1 — publié le 19920320

PROCEDES DE TRAITEMENTS THERMIQUES EN LIT FLUIDISE ET APPLICATION AU DECAPAGE DE PIECES METALLIQUES DESCRIPTION Le domaine de l'invention est celui des traitements thermiques en lit fluidisé et chauffé. L'invention s'applique particulièrement au décapage des pièces métalliques à haute température, dégageant des effluents gazeux chargés de composés organiques volatils, qu'il est généralement nécessaire de détruire avant de rejeter à l'atmosphère L'invention concerne également une installation utilisant ce procédé. Pour le décapage de pièces métalliques sur lesquelles se trouvent divers produits organiques, plusieurs procédés sont actuellement employés On utilise le décapage chimique, le jet d'eau sous haute pression, la cryogénie et le brûlage à la flamme On utilise également le décapage thermique, et en particulier un nettoyage en lit fluidisé. En effet, ce dernier procédé résout beaucoup de problèmes, tant sur le plan du rendement que sur celui de la manipulation Dans un tel procédé, l'élément de nettoyage proprement dit du four est constitué par un bain chaud fluidisé d'alumine en poudre, dans lequel sont plongées les pièces métalliques à nettoyer L'alumine transmet aux pièces la chaleur engendrée par le moyen de chauffage, la température éLevée et l'oxygène de l'air oxydent les dépôts évacués ensuite sous forme gazeuse. Les gaz résiduels de cette opération sont, soit évacués directement, soit conduits dans un four de post-combustion, ce qui évite toute pollution de l'air ambiant extérieur En effet, les réglementations actuelles imposent d'importantes réductions quant aux émissions de composés organiques volatils polluants A cet effet, les gaz résiduels ou effluents gazeux sont incinérés à haute température par une post-combustion L'énergie nécessaire à ce traitement est en partie obtenue à partir du produit lui- même, l'énergie d'appoint étant du gaz ou de l'électricité. Dans ce type d'installations thermiques, on cherche constamment à améliorer le rendement et à minimiser l'énergie d'apport nécessaire au fonctionnement de ces installations, ce qui est le but de la présente invention. A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de décapage thermique de produits organiques sur des pièces métalliques et de traitement des effluents par post-combustion électrique Le procédé consiste à: gazéifier les produits organiques à basse température en lit fluidisé; et incinérer les effluents gazeux par post-combustion à haute température dans une enceinte. Selon l'invention, l'enceinte de post-combustion est placée dans le lit fluidisé pour transmettre une partie de l'énergie de la post-combustion des effluents gazeux au lit fluidisé. De préférence, cette post-combustion est obtenue par passage des effluents gazeux sur des résistances électriques placées dans l'enceinte de post-combustion. Dans la plupart des réalisations prévues, les gaz chauds, issus de la post-combustion, sont utilisés pour préchauffer les effluents gazeux à incinérer au moyen d'un échangeur thermique à haute température, et pour préchauffer l'air de fluidisation du lit fluidisé à l'aide d'un échangeur thermique à basse température. L'échangeur thermique à haute température peut se trouver dans le lit fluidisé, à l'entrée et à la sortie de l'enceinte de post-combustion. Dans les réalisations à envisager, la post-combustion peut être régulée de différentes manières Une première consiste à régler le débit de fluidisation du lit fluidisé Une deuxième consiste à régler la puissance électrique mise en jeu dans l'enceinte de post-combustion. Un deuxième objet principal de l'invention est une installation pour la mise en oeuvre du procédé qui vient d'être résumé et qui comprend un moufle à l'intérieur duquel se trouve le lit fluidisé et des moyens supports des pièces à décaper. Selon l'invention, il comprend: un premier échangeur thermique à haute température, connecté d'une part à une sortie du lit fluidisé et à une entrée de l'enceinte de post-combustion, pour recevoir et chauffer les effluents gazeux à incinérer, et connecté d'autre part à une sortie de l'enceinte de post- combustion pour récupérer une partie des calories issues de la post-combustion. L'installation peut se compléter d'un deuxième échangeur thermique à basse température, connecté d'une part à une sortie du premier échangeur thermique à haute température, pour récupérer une partie des calories issues de la post-combustion et connecté d'autre part, à une arrivée d'air de fluidisation et à une entrée du lit fluidisé pour préchauffer l'air de fluidisation. D'autres procédés et instal Lations de traitements thermiques, utilisant un lit fluidisé, possèdent des moyens de chauffage de ce lit fluidisé. Ces moyens de chauffage sont souvent conséquents et nécessitent un apport d'énergie important pour délivrer La quantité de chaleur nécessaire au chauffage du lit fluidisé à sa température de fonctionnement Ceci peut être le cas dans Le domaine de l'imprimerie et pour le dégraissage métallique. Un deuxième but de l'invention est de permettre La mise en oeuvre de ces procédés en réduisant au maximum Les dimensions et l'importance des moyens de chauffage du lit fluidisé, et en réduisant, comme précédemment, l'énergie d'apport nécessaire au fonctionnement des installations. A cet effet, un troisième objet de l'invention est un procédé de traitement thermique en lit f Luidisé chauffé, utilisant un gaz à une première température déterminée, dégageant ledit gaz transformé par son passage dans Le lit fluidisé à une deuxième température déterminée supérieure à la première température déterminée. Selon l'invention, le gaz dégagé à la deuxième température est réutilisé pour transmettre une partie de son énergie calorifique au lit fluidisé, par l'intermédiaire d'un échangeur thermique p Lacé à l'intérieur du lit fluidisé. Une application de ce dernier procédé est prévue pour la destruction des composés organiques volatils, le gaz étant chargé à l'entrée de composés organiques vo Latils, le lit fluidisé étant un catalyseur ou contenant des produits actifs pour épurer les composés organiques volatils par adsorption, le gaz étant de L'air à la sortie du Lit f Luidisé. Des caractéristiques techniques secondaires peuvent venir se greffer sur les procédés selon l'invention Notamment, une épuration des gaz rejetés à l'atmosphère peut être effectuée par adaptation du PH du lit fluidisé. Cette invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture de la description, donnée à titre explicatif et non limitatif Elle est annexée des figures suivantes, représentant respectivement: figure 1, une vue schématique de l'installation pour la mise en oeuvre d'un premier procédé selon l'invention; figure 2, un schéma de l'ensemble réunissant l'enceinte de post-combustion et l'échangeur thermique haute température, utilisé dans l'installation selon l'invention décrite par la figure I; et figure 3, un schéma d'un moufle utilisé pour un deuxième procédé selon l'invention. L'installation selon l'invention, représentée sur la figure 1, est une installation pour le décapage thermique de pièces métalliques recouvertes de produits organiques Cette utilisation du procédé selon l'invention pour le décapage thermique est un exemple de réalisation de l'invention Cette dernière peut également être utilisée pour la destruction pure et simple des composés organiques volatils dans les domaines de l'imprimerie et pour le dégraissage métallique. Néanmoins, le principe général de l'invention sera décrit en se référant à cette figure 1. L'opération de traitement thermique, et plus précisément celle du décapage des pièces métalliques, s'effectue sur la gauche de cette figure 1, à l'intérieur d'une enceinte réfractaire, repérée 2 et appelée moufle Les pièces à traiter sont placées à l'intérieur de celui-ci au moyen d'un panier 4 qui peut être suspendu au couvercle 5 du moufle 2 Ce panier est plongé dans un lit fluidisé 10 occupant la majeure partie de l'intérieur du moufle 2 L'état fluide du lit fluidisé 10 est entretenu au moyen d'un courant de gaz dont l'entrée 6 se trouve à la partie inférieure du moufle 2 et dont la sortie 8 se trouve dans la partie supérieure du moufle 2, en l'occurrence sur le couvercle 5. Le décapage est obtenu par le fait que le lit fluidisé 10 est chauffé En effet, les gaz, et plus précisément l'air, arrivent à l'entrée 6, chauffés à une première température déterminée T 1. Par un mouvement ascendant, ils traversent ensuite le lit fluidisé 10 et par là-même, l'ensemble des pièces contenues dans le panier 4 Le moufle 2 comprenant des moyens de chauffage, en l'occurrence des résistances électriques 12 placées à l'intérieur de celui-ci, les gaz issus de l'entrée 6 se réchauffent Ils véhiculent ainsi à travers le lit fluidisé 10 les calories apportées par les moyens de chauffage 12 et transmettent partiellement ces calories aux pièces maintenues dans le panier 4. L'élévation de température provoque sur ces pièces une réaction physico-chimique favorisant leur décapage Les gaz ayant traversé le lit fluidisé et les pièces s'échappent du moufle 2 par la sortie 8 à une deuxième température déterminée T 2 supérieure à la première température T 1 Le gaz à souffler à L'entrée 6 est de préférence de l'air, dans le cas du décapage thermique A la sortie 8, le gaz, ayant contribué au décapage des pièces, est porteur d'effluents gazeux, c'est-à-dire des produits organiques volatils. Dans les systèmes de l'art antérieur, toute l'énergie thermique est apportée au lit fluidisé par les moyens de chauffage, en l'occurrence des résistances électriques Selon l'invention, le gaz dégagé à la sortie 8 est réutilisé pour transmettre une partie de son énergie calorifique au lit fluidisé 10 A cet effet, on utilise un échangeur de chaleur 14 Celui-ci reçoit les effluents gazeux à une troisième température T 3, venant de la sortie 8 par l'intermédiaire d'une première canalisation 16 des effluents gazeux Il est placé à l'intérieur du moufle 2 pour restituer une partie de son énergie calorifique au lit fluidisé 10 Les effluents gazeux rentrent donc dans cet échangeur de chaleur haute température à une troisième température déterminée T 3, légèrement inférieure à la deuxième température T 2, suite aux légères pertes calorifiques dues au transport des effluents gazeux par la première canalisation 16 des effluents gazeux Dans le cas de la figure 1, cette restitution se fait indirectement. En effet, la figure 1 représente L'application du procédé selon l'invention à une installation de décapage thermique Or, dans le cadre de la dépollution, Les réglementations en vigueur imposent L'incinération des composés organiques volatils En conséquence, on utilise un traitement de ces composés organiques volatils par post-combustion Cette opération consiste à réchauffer ces effluents gazeux à une haute température Pour effectuer cette opération, il est possible d'utiliser des résistances électriques. C'est pourquoi, sur la figure 1, une enceinte de post-combustion 20 reçoit les effluents gazeux issus de la sortie 8 pour leur faire subir, au moyen de résistances électriques haute température 18, un chauffage à haute température T 5 de l'ordre de 800 C. Les effluents gazeux sont d'ordinaire évacués vers l'atmosphère. Une caractéristique de l'invention consiste donc à placer l'enceinte de post-combustion 20, et/ou l'échangeur thermique haute température 14, à l'intérieur du lit fluidisé 10 De ce fait, il est possible d'utiliser l'énergie calorifique des effluents gazeux, chauffés à la cinquième température T 5, pour chauffer partiellement le lit fluidisé A cet effet, l'enceinte de post- combustion possède une enveloppe thermique 22 entourant celle-ci, et éventuellement l'échangeur thermique haute température 14, excepté sur la fin du parcours des effluents gazeux à l'intérieur de celle-ci et dans la deuxième chambre de l'échangeur thermique à haute température 14, de manière à favoriser un échange de chaleur entre l'intérieur de l'enceinte de post-combustion et le lit fluidisé 10. Dans le cadre de l'utilisation pour le décapage thermique, la grande différence de température entre la température de post- combustion T 5 et la température T 3 à la sortie de la première canalisation 16 des effluents gazeux est importante; c'est pour cette raison qu'on utilise l'échangeur de chaleur haute température 14 pour préchauffer les effluents gazeux à L'aide des mêmes effluents ayant subi la post-combustion. Dans le cadre d'un procédé de traitement thermique en lit fluidisé n'utilisant pas la post-combustion, l'échangeur thermique assure seul et directement la restitution au lit fluidisé d'une partie de l'énergie des gaz issus de la sortie 8. Ceux-ci étant entrés à la température T 3 en ressortent donc à une température T 4 inférieure à la température T 3. Sur la figure 1, l'échangeur de chaleur haute température 14 et l'enceinte de post-combustion ont été représentés juxtaposés La figure 2 détaille plus loin un ensemble groupant ces deux appareils En utilisant un tel agencement, la température T 6 à la sortie du moufle 2, peut être de l'ordre de 300 C On comprend donc qu'une grande partie de l'énergie calorifique apportée aux effluents gazeux tors de la post-combustion est restituée au lit fluidisé 10 Cette restitution se fait directement par une partie de l'enceinte de post-combustion 20 exempte de l'enveloppe thermique 22 et indirectement par l'intermédiaire de l'échangeur thermique haute température 14 qui récupère une partie de l'énergie calorifique de post-combustion pour préchauffer les effluents gazeux avant cette même post-combustion. Au cas o la température T 5 des effluents gazeux à la sortie de l'enceinte de post-combustion n'est que légèrement supérieure à la température T 3 à l'entrée du moufle 2, l'échangeur de chaleur haute température 14 peut être supprimé. La circulation des gaz dans le lit fluidisé se fait en utilisant, en amont de l'entrée 6, un surpresseur 26 et un exhausteur 28 placés en aval de la deuxième conduite des effluents gazeux 24, à la sortie du moufle 2. La température de sortie T 6 du moufle 2, dans le cas du décapage thermique peut être de l'ordre de 300 Il est alors possible d'utiliser un deuxième échangeur thermique 30, fonctionnant à basse température, pour préchauffer l'air, ou de manière générale le gaz utilisé pour alimenter le lit fluidisé 10 En effet, l'air ambiant utilisé pour le décapage thermique est capté à une température de l'ordre de 20 C Il peut éventuellement subir une légère élévation de température dans le surpresseur 26 pour atteindre une température de C Il est alors possible de récupérer une partie de l'énergie calorifique des effluents gazeux circulant dans leur deuxième canalisation 24 à une température légèrement inférieure à T 3 ( 300 C) pour préchauffer cet air destiné à la fluidisation On peut ainsi chauffer cet air jusqu'à une septième température T 7 qui peut atteindre 200 C. Dans ce cas, les effluents gazeux traités peuvent descendre à une huitième température T 8 de l'ordre de 150 C. Dans l'installation qui vient d'être décrite, une régulation des gaz circulant est nécessaire pour obtenir un équilibre thermique de fonctionnement entre le rôle de décapage rempli par le lit fluidisé 10 et la post-combustion des effluents gazeux La régulation d'une telle installation peut se faire en agissant sur le débit du gaz de fluidisation en agissant sur le surpresseur 26 et l'exhausteur 28 Une vanne de retour 32 peut être connectée en amont du surpresseur 26 et en aval de l'exhausteur 28 pour réinjecter une partie des effluents traités dans Le lit fluidisé. 1 1 Pour affiner le traitement de ces composés organiques volatils avant leur remise à l'atmosphère, il est possible de les faire passer dans un filtre 34, placé en aval de l'exhausteur 28. L'épuration des gaz rejetés à l'atmosphère peut également être modifiée par l'adaptation du p H, c'est-à-dire le potentiel hydrogène, du lit fluidisé 10. En référence à la figure 2, l'échangeur de chaleur haute température 14 et l'enceinte de post-combustion 20 sont cumulés dans un seul ensemble ou dispositif qui est placé au milieu du lit fluidisé Les effluents gazeux sont introduits dans ce dispositif au moyen de la première conduite 16 qui est recouverte de préférence d'une gaine calorifuge 36 Ils pénètrent dans une chambre d'entrée 38 de l'échangeur de chaleur haute température 14 Par l'intermédiaire d'une cloison 42, ils reçoivent une partie de l'énergie calorifique qui leur est apportée par la post-combustion Leur cheminement se poursuit dans une chambre de post-combustion 44 o est placé un nombre suffisant de résistances électriques 18 pour les porter à la température T 5 de post-combustion qui est de l'ordre de 800 C. Les effluents continuent leur cheminement vers une chambre de maintien en température 46 o ils séjournent au moins une seconde Ce maintien à la température T 5 a pour fonction d'assurer la complète post-combustion des effluents gazeux La chambre de sortie 40 de l'échangeur de chaleur haute température 14 succède à cette chambre de maintien 46 Elle se trouve en regard de la chambre d'entrée 38 de cet échangeur, de l'autre côté de la paroi 42 La différence entre les températures d'entrée T 3 ( 300 C) et de sortie T 5 ( 800 C) étant de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, un important échange de chaleur a lieu à travers la cloison 42. Une autre partie de cette énergie acquise lors de la post-combustion est restituée partiellement lors du passage des effluents gazeux traités dans une conduite externe de restitution de chaleur 48 placée à l'extérieur du dispositif englobant l'échangeur de chaleur haute température 14 et l'enceinte de post-combustion 20 Cette conduite de restitution de chaleur 48 a une surface externe importante en communication avec le lit fluidisé 10. Pour améliorer le rendement de la post-combustion, une enceinte calorifuge 22 est placée autour de l'enceinte de post-combustion 20 et autour de l'échangeur thermique haute température 14, de manière à ce que l'énergie apportée par les résistances électriques 18 soit entièrement utilisée pour la post-combustion des effluents gazeux Ces derniers sont évacués vers l'échangeur basse température, non représenté sur cette figure, au moyen de la deuxième conduite des effluents gazeux 24, entourée également d'une gaine calorifuge 36. Les effluents sont alors retombés à la température T 6 qui est de l'ordre de 300 C. La figure 3 décrit partiellement l'installation selon l'invention dans une version destinée à la destruction pure et simple de composés organiques volatils On y retrouve un moufle 2 contenant un lit fluidisé 50 Le gaz pénétrant à une température d'entrée T 9 dans le lit fluidisé par l'entrée 56 est constitué des composés organiques volatils à traiter Ceux-ci traversent donc le lit fluidisé 50 qui est chauffé au moyen de résistances électriques 62 Le lit fluidisé 50 comprend des produits actifs, tels que des charbons actifs pour fixer certains éléments contenus dans les composés organiques volatils, tels que le chlore Les composés volatils ainsi traités s'échappent du moufle 2 par la sortie 58 communiquant avec une conduite 54 entourée d'une gaine calorifuge 60 Les effluents ainsi traités ont donc acquis une température de sortie T 10 supérieure à la température d'entrée T 9. Pour appliquer le même concept de l'installation précédemment décrite, ces effluents chauffés sont réinjectés par l'entrée 52 dans le lit fluidisé 50 au moyen de la conduite 54 Celle-ci, complétée d'un, ou faisant office d'échangeur thermique, ne comporte plus de gaine calorifuge. Au contraire, ses parois possèdent de bonnes qualités d'échange thermique avec le lit fluidisé 50 Une partie de l'énergie calorifique ainsi communiquée aux composés organiques traités est donc réutilisée pour le maintien en température du lit fluidisé Ce type d'installation peut être utilisé dans l'imprimerie ou dans le cadre du dégraissage métallique. A la sortie, les effluents ainsi traités sont composés principalement d'air et de gaz carbonique La température du lit fluidisé n'excède pas 400 C. L'échangeur de chaleur haute température peut être du type à céramiques L'échangeur de chaleur basse température peut être du type tubulaire ou à plaques. Bien que deux réalisations de L'invention aient été décrites, le concept de réutilisation des gaz issus du lit fluidisé pour réchauffer ce même lit fluidisé, ou préchauffer, les gaz devant pénétrer dans le lit fluidisé, peut être appliqué à d'autres traitements thermiques utilisant une enceinte telle qu'un moufle contenant un lit fluidisé. REVENDICATIONS 1 Procédé de décapage thermique de produits organiques sur des pièces métalliques et de traitement des effluents gazeux par post-combustion électrique consistant à: gazéifier les produits organiques à basse température en lit fluidisé; et incinérer les effluents gazeux par post-combustion à haute température dans une enceinte de post-combustion ( 20), caractérisé en ce que l'enceinte de post- combustion ( 20) est placée dans le lit fluidisé ( 10) pour transmettre une partie de l'énergie de la post-combustion des effluents gazeux dans le lit fluidisé ( 10). 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la post-combustion est obtenue par passage des effluents gazeux sur des résistances électriques ( 18) placées dans l'enceinte de post-combustion ( 20). 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les effluents gazeux chauds, issus de la post-combustion, sont utilisés pour préchauffer les effluents gazeux froids à incinérer, au moyen d'un échangeur thermique de chaleur à haute température ( 14). 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les effluents gazeux chauds, issus de la post-combustion sont utilisés pour préchauffer l'air de fluidisation au moyen d'un échangeur de chaleur basse température ( 30). Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur haute température ( 14) est placé dans le lit fluidisé ( 10) à l'entrée et à La sortie de l'enceinte de post- combustion ( 20). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la post-combustion est régulée par réglage du débit de fluidisation. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que la post-combustion est régulée par réglage de la puissance électrique de chauffage mise en jeu pour cette post-combustion. 8 Procédé de traitement thermique en lit fluidisé ( 10, 50) chauffé utilisant un gaz à une première température déterminée (T 1) et dégageant ledit gaz transformé par son passage dans le lit fluidisé ( 10, 50) à une deuxième température déterminée (T 2) supérieure à la première température déterminée (T 1), caractérisé en ce que le gaz dégagé à la deuxième température (T 2) est réutilisé pour transmettre une partie de son énergie calorifique au lit fluidisé ( 10, 50) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur ( 14, 54) placé à l'intérieur du lit fluidisé ( 10, 50). 9 Procédé selon la revendication 8, consistant à détruire des composés organiques volatils, caractérisé en ce que, le gaz à l'entrée ( 56) du lit fluidisé ( 50) contenant des composés organiques volatils, le lit fluidisé ( 50) est un catalyseur, le gaz à la sortie ( 58) du lit fluidisé ( 50) étant de l'air et du gaz carbonique (préambule). Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la destruction des composés organiques volatils se fait par adsorption sur des produits actifs placés dans le lit fluidisé ( 50). 11 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une opération d'épuration des gaz rejetés à l'atmosphère par adaptation du p H du lit fluidisé ( 10). 12 Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant un moufle ( 2) à l'intérieur duquel se trouve le lit fluidisé ( 10) et des moyens de support ( 4) des pièces, caractérisé en ce qu'il comprend: une chambre de post-combustion ( 20) placée à l'intérieur du moufle ( 2); un premier échangeur de chaleur à haute température ( 14) connecté, d'une part, à la sortie ( 8) du lit fluidisé ( 10) pour recevoir les effluents gazeux et à l'entrée de l'enceinte de post-combustion ( 20) pour que les effluents gazeux y soient chauffés et incinérés, et connecté, d'autre part, à la sortie de l'enceinte de post-combustion ( 20) pour récupérer une partie de l'énergie calorifique des effluents issus de la post-combustion. 13 Installation selon la revendication 12, associée à la revendication 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un deuxième échangeur thermique à basse température ( 30) connecté, d'une part, à la sortie du premier échangeur thermique à haute température ( 14) pour récupérer une partie de l'énergie calorifique issue de la post-combustion, et d'autre part, à une arrivée d'air de fluidisation pour réchauffer l'air de fluidisation, ce dernier étant envoyé à l'entrée ( 6) du moufle ( 2).