Brevet FR2668814A1 — publié le 19920507

Procédé et dispositif de combustion de matières carbonées et chlorées La présente invention concerne un procédé de combustion de matières carbonées et chlorées, dans lequel on réalise en lit fluidisé un traitement de séparation des matières volatiles contenues, dont le chlore, puis la combustion séparée des matières volatiles chlorées et du résidu carboné, formant les produits du traitement, la chaleur résultant de la combustion étant transmise à un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. Elle s'étend en outre à un dispositif pour sa mise en oeuvre. On sait que les combustibles solides fossiles, tels que le charbon, de teneur en chlore supérieure à 0,2% en poids, sont susceptibles de créer des phénomènes d'érosion-corrosion lorsque l'on veut effectuer leur combustion en lit fluidisé. I1 en est de même pour les déchets contenant des matières plastiques halogénées, telles que le polychlorure de vinyle. De manière générale, quand des combustibles possédent un faible pouvoir calorifique inférieur, leur traitement thermique en lit fluidisé consiste en une incinération pour laquelle le lit fluidisé ne permet pas une récupération de chaleur. Par contre, quand ils possèdent un pouvoir calorifique inférieur élevé, leur combustion à température contrôlée nécessite une récupération de chaleur, que l'on réalise dans les meilleurs conditions en disposant dans le lit fluidisé des tubes de refroidissement. On a déjà proposé d'assurer le traitement de combustibles à pouvoir calorifique élevé et contenant du chlore par des procédés de quatre types. Selon un premier procédé, à une seule étape, on effectue la combustion en lit fluidisé circulant, mais on court des risques de corrosion et rencontre des difficultés pour l'évacuation des déchets non combustibles. Selon un deuxième procédé, également à une seule étape, on réalise la combustion en lit fluidisé dense, mais se trouve confronté à des problèmes d'équilibrage des bilans thermiques, notamment dans le cas de déchets à pouvoir calorifique inférieur élevé ou de traitement simultané de déchets et de combustibles fossiles. Selon un troisième procédé, on effectue la séparation des matières volatiles et la combustion dans deux lits fluidisés denses, mais on n'assure pas une combustion complète des matières carbonées et chlorées, du fait d'un contact insuffisant dû au régime de lit dense. Selon un quatrième procédé, on effectue la séparation des matières volatiles dans un lit dense, et la combustion et l'échange de chaleur avec un lit fluidisé circulant. Mais il risque de se produire des agglomérations de particules dans le lit dense d'introduction des matières carbonées et chlorées. Le procédé de l'invention a pour but d'assurer une bonne séparation des matières volatiles et une combustion très complète des matières carbonées et chlorées, sans risque de corrosion rapide de l'appareillage, avec un bilan thermique favorable et peu de pertes de matières combustibles dans les cendres, tout en réduisant à un faible niveau la teneur des fumées en composés sulfurés gazeux et en oxydes d'azote, sans avoir à introduire avec les matières carbonées et halogénées traitées des quantités élevées d'agents de désulfuration. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que le traitement de séparation des matières volatiles s'effectue en lit fluidisé expansé dans une zone alimentée en matières carbonées et chlorées, à faible temps de séjour, sans échange de chaleur avec le fluide à vaporiser et/ou réchauffer, et en ce que la combustion des matières volatiles chlorées s'effectue au-dessus d'un lit fluidisé dense, tandis que la combustion du résidu carboné s'effectue au moins en majeure partie dans le lit dense, tout en réalisant un échange indirect de chaleur avec le fluide à vaporiser et/ou réchauffer et en que l'on fait passer un débit contrôlé du matériau du lit fluidisé dense de combustion vers le bas de la zone de séparation des matières volatiles des matières carbonées et chlorées. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristisques suivantes - On alimente également le lit dense en matières carbonées solides pauvres en chlore. - On introduit les matières carbonées et chlorées à un niveau intermédiaire de la zone de séparation des matières volatiles, niveau sous lequel on introduit de l'air, éventuellement additionné de fumées, on extrait du bas de cette zone des matières non combustibles, et du haut de cette zone les matières carbonées et chlorées, divisées en matières volatiles chlorées et résidu carboné, mélangées avec le matériau du lit dense, que l'on réinjecte dans la zone de combustion au-dessus du lit dense, une partie au moins des matières carbonées et chlorées sont introduites mélangées avec le matériau du lit fluidisé dense. - On introduit une fraction d'air auxiliaire, éventuellement additionnée de fumées, dans la zone de combustion à un niveau proche de celui de la réinjection des matières carbonées et chlorées, mélangées avec du matériau du lit dense, issues du sommet de la zone de séparation des matières volatiles. - On introduit une fraction d'air secondaire, éventuellement additionnée de fumées, dans la zone de combustion à un niveau plus élevé que celui de la réinjection des matières carbonées et chlorées, mélangées avec du matériau du lit dense, issues du haut de la zone de séparation des matières volatiles. - On effectue dans la zone de combustion, au-dessus de l'introduction d'air secondaire, un échange indirect de chaleur avec un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. Le dispositif de l'invention comporte un réacteur de séparation de matières volatiles et un réacteur de combustion, des moyens d'alimentation de ce réacteur de séparation en matières carbonées et chlorées divisées, des moyens d'introduction d'air de fluidisation, éventuellement additionné de fumées, dans une zone inférieure de ce réacteur, des moyens d'évacuation du bas de ce réacteur de matières non combustibles, des moyens de transport en débit contrôlé de matériaux du réacteur de combustion vers la zone inférieure du réacteur de séparation des matières volatiles, des moyens de transport des produits du traitement de séparation, mélangés au matériau introduit dans ce réacteur de séparation, du sommet de celui-ci vers la zone au-dessus du lit dense du réacteur de combustion, des moyens d'introduction d'air de fluidisation pour fluidiser le lit dense, et des moyens d'échange indirect de chaleur entre le lit dense et un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Il comprend en outre des moyens d'introduction dans le lit dense du réacteur de combustion de matières carbonées solides pauvres en chlore. - Il comporte en outre des moyens d'introduction d'air, et éventuellement de fumées, dans le réacteur de combustion, d'une part en tant qu'air auxiliaire, à proximité du niveau de réinjection des produits du traitement de séparation des matières volatiles des matières carbonées et chlorées, d'autre part à un niveau notablement plus élevé, en tant qu'air secondaire réparti sur la périphérie du réacteur. - Le réacteur de combustion comporte au-dessus des niveaux d'introduction des fractions d'air auxiliaire et d'air secondaire une zone munie de moyens d'échange de chaleur recouverts de matière réfractaire isolante limitant l'échange de chaleur. - Il comporte au-dessus de la zone munie de moyens d'échange de chaleur limité des moyens d'échange indirect de chaleur avec un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence à la figure unique du dessin annexé, un procédé et un dispositif selon l'invention. Le dispositif de traitement de matières carbonées et chlorées comprend essentiellement un réacteur de combustion 1 et un réacteur 2 de séparation des matières volatiles contenues dans les matières carbonées et chlorées. Le réacteur de combustion comporte une alimentation 3 en matières carbonées pauvres en chlore, par exemple en charbon granulaire contenant moins de 0,2% de chlore. Ce charbon alimente le lit fluidisé dense 4 dans lequel sont disposés des tubes d'échange de chaleur représentés schématiquement en 5. La température dans le lit fluidisé peut s'élever à 7500C à 9500C. Le lit fluidisé surmonte une grille 4A d'introduction d'air de fluidisation, introduit au-dessous de la grille par le conduit 6. Un débit supplémentaire d'air de fluiaisation - peut être introduit latéralement en 7A, 7B, 7C, 7D au-dessus de la grille. Les cendres résultant de la combustion dans le lit fluidisé dense 4 sont évacuées vers le bas par un ou plusieurs conduits tels que 8 vers une vis sans fin 9, d'où elles sont versées dans des tapis ou bennes d'évacuation. Il est prélevé par ailleurs à la base du lit fluidisé des matériaux pulvérulents, qui sont envoyés par la tuyauterie 19 dans la zone inférieure du reacteur de séparation des matières volatiles 2, en débit réglable par l'intermédiaire d'un organe de réglage, soit une vanne spéciale pour fluide chargé de matières pulvérulentes, soit un système d'aération réglable, représenté schématiquement en 20. Le réglage de ce débit permet de contrôler le taux de remplissage en matières solides du réacteur de séparation des matières volatiles. Au-dessus du lit fluidisé dense s'étend une zone de flamme 10, allant jusqu'au niveau de l'introduction par un conduit 11 des matières volatiles carbonées et chlorées issues du réacteur 2. On introduit par une conduite 12 débouchant à proximité où à l'intérieur de la conduite 11 un courant d'air et de fumées auxiliaires. Le régime de transport de matières du réacteur 2 vers le réacteur 1 permet d'équilibrer les pressions entre les deux réacteurs et d'assurer les envols dans le réacteur 1 de matières combustibles et de solides non combustibles. La zone de flamme 10 est surmontée d'une zone 15 de combustion des matières volatiles en présence de l'air auxiliaire introduit par le conduit 12 et d'air secondaire éventuellement mélangé de fumées, introduit par des conduits 13, puis 14 débouchant sur le pourtour du réacteur 1 à un niveau supérieur à l'embouchure des conduits 11 et 12. L'introduction à ce niveau d'air secondaire permet de rabattre vers le bas les matières carbonées et chlorées et d'augmenter leur temps de séjour dans le réacteur, de façon à assurer une combustion complète. La combustion porte dans cette zone 15 la température des gaz chargés de matières pulvérulentes à environ 9500 C. Dans cette zone 15 la paroi du réacteur comporte des tubes d'échange de chaleur 17 revêtus de préférence de matériau réfractaire. Au-dessus de la zone 15, le réacteur comporte une zone de récupération de chaleur 16 dont la paroi est munie de tubes d'échange de chaleur enduits de ciment conducteur, représentés schématiquement en 17'. Les fumées sont évacuées en tête du réacteur par le conduit 18 pour être envoyées à d'autres organes d'échange de chaleur, à des moyens de filtration des poussières, puis à la cheminée, ou pour être partiellement recyclées. Le réacteur de séparation de matières volatiles 2, muni d'un revêtement intérieur réfractaire 2A, est alimenté en matières carbonées et chlorées, par exemple des déchets de matières plastiques, notamment de polychlorure de vinyle, ou des ordures ménagères, introduites par le conduit 21 puis par l'intermédiaire de la tuyauterie 19 de recyclage des matières carbonées du lit fluidisé du réacteur 1, tuyauterie dans laquelle ils pénétrent par le conduit 23. Le conduit 21 alimente également un conduit 22 qui est utilisé de préférence lorsque le débit par le conduit 23 est insuffisant. Les matières carbonées et chlorées s'élèvent dans le réacteur 2 en lit fluidisé expansé. L'air de fluidisation, éventuellement additionné de fumées, est introduit dans la partie inférieure du réacteur 2, au-dessous de l'arrivée des matières carbonées et chlorées, par un conduit 24, puis d'une part un conduit 25 et une grille inclinée 26 d'introduction, d'autre part au-dessus de cette grille par des conduits 29. Les cendres séparées en 27 dans le fond du réacteur 2, à la base de la grille 26, sont évacuées par un registre, puis par une vis sans fin 28, et déchargées dans des tapis ou bennes d'évacuation. Les matières carbonées et chlorées s'élèvent en lit fluidisé expansé dans le réacteur 2 jusqu'à sa zone supérieure 30. Leur temps de séjour dans le réacteur 2 est faible (inférieure à 5 secondes). La surface interne du réacteur 2 ne comporte pas de tubes d'échange de chaleur. Parvenues en tête du réacteur, les matières volatiles et les matières pulvérulentes entraînées sont ramenées dans le réacteur de combustion 1 par le conduit 11, après introduction dans ou à proximité de ce conduit d'air auxiliaire et de fumées, comme indiqué précédemment. Le contenu de solides du réacteur de combustion 1 peut être mesuré par la perte de charge entre la base et le sommet du lit fluidisé dense. Il est contrôlé a) par l'introduction des matières carbonées, qui viennent s'incorporer au lit fluidisé b) par l'extraction de matières solides à la base de ce réacteur (celle-ci pouvant être sélective, grâce à un tri granulométrique par injection d'air), et c) par les envols de solides vers le circuit de fumées en aval du réacteur. La répartition des différentes fractions d'air est à ajuster en fonction des caractéristiques des matières carbonées et chlorées, notamment de leur pouvoir calorifique et de leur teneur en matières volatiles. REVENDICATIONS 1/ Procédé de combustion de matières carbonées et chlorées, dans lequel on réalise en lit fluidisé un traitement de séparation des matières volatiles contenues, dont le chlore, puis la combustion séparée des matières volatiles chlorées et du résidu carboné, qui forment les produits du traitement, la chaleur résultant de la combustion étant transmise (5, 17) à un fluide à vaporiser et/ou réchauffer, caractérisé en ce que le traitement de séparation des matières volatiles s'effectue en lit fluidisé expansé dans une zone (30) alimentée en matières carbonées et chlorées, à faible temps de séjour, sans échange de chaleur avec le fluide à vaporiser et/ou réchauffer, et en ce que la combustion des matières volatiles chlorées s'effectue au-dessus d'un lit fluidisé dense (4) tandis que la combustion du résidu carboné s'effectue en majeure partie dans le lit dense (4) tout en réalisant un échange indirect de chaleur (5) avec le fluide à vaporiser et/ou réchauffer et en ce que l'on fait passer un débit contrôlé (20) du matériau de lit dense de combustion dans la zone de séparation des matières volatiles des matières carbonées et chlorées. 2/ Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on introduit les matières carbonées et chlorées à un niveau intermédiaire (22) de la zone de séparation des matières volatiles, niveau sous lequel on introduit (25, 26, 29) de l'air, éventuellement additionné de fumées, en ce que l'on extrait (28) du bas de cette zone des matières non combustibles et du haut de cette zone des matières carbonées et chlorées divisées en matières volatiles chlorées et résidu carboné, mélangées avec le matériau du lit dense, que l'on réintroduit (11) dans la zone de combustion au-dessus du lit dense. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'au moins une partie des matières carbonées et chlorées est introduite dans la zone de séparation des matières volatiles mélangées avec le débit contrôlé (20) du matériau de lit dense. 4/ Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on introduit une fraction d'air auxiliaire (12), éventuellement additionné de fumées, dans la zone de combustion au-dessus du lit dense et sensiblement à proximité de la réinjection des produits de la séparation des matières carbonées et chlorées mélangées avec du lit issues du sommet de la zone de traitement de séparation. 5/ Procédé selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'on introduit (14) une fraction d'air secondaire, éventuellement additionnée de fumées, dans la zone de combustion à un niveau plus élevé que celui de la réinjection (11) des matières carbonées et chlorées mélangées avec du matériau du lit dense. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on effectue dans la zone de combustion au-dessus de l'introduction d'air secondaire, un échange indirect de chaleur avec un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. 7/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on alimente le lit dense en matières carbonées solides pauvres en chlore. 8/ Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur (2) de séparation de matières volatiles et un réacteur de combustion (1), des moyens (21, 22, 23) d'alimentation du réacteur (2) de séparation de matières volatiles en matières carbonées et chlorées divisées, des moyens (24, 25) d'introduction d'air de fluidisation, éventuellement additionné de fumées, dans la zone inférieure de ce réacteur, des moyens (28) d'évacuation de matières non combustibles du bas de ce réacteur, des moyens (19, 20) de transport en débit contrôlé de matériau du réacteur de combustion (1) vers une zone intermédiaire du réacteur (2) de séparation des matières volatiles, des moyens (11) de transport des produits du traitement de séparation mélangés du matériau précédemment introduit, du sommet du réacteur (2) de séparation vers la zone au dessus du lit dense (4) du réacteur (1) de combustion, des moyens (6) d'introduction d'air de fluidisation pour fluidiser le lit dense de matières inertes, et des moyens (5) d'échange indirect de chaleur entre le lit dense et un fluide à vaporiser et/ou réchauffer. 9/ Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que es moyens (23) d'alimentation du réacteur (2) en matières carbonées et chlorées débouchent dans les moyens (19) de transport en débit contrôlé de matériau du réacteur de combustion (1). 10/ Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (3) d'introduction dans le lit dense (4) du réacteur de combustion de matières carbonées solides pauvres en chlore. 11/ Dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'introduction d'air (12), et éventuellement des fumées dans le réacteur de combustion au niveau de la réinjection des produits du traitement de séparation de matières volatiles des matières carbonées et chlorées. 12/ Dispositif selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'introduction d'air secondaire (14) sur la périphérie du réacteur (1) à un niveau plus élevé que le niveau de réinjection des produits du traitement de séparation de matières volatiles des matières carbonées et chlorées. 13/ Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réacteur de combustion (1) comporte au-dessus des niveaux d'introduction d'air secondaire une zone (15) munie de moyens d'échange de chaleur (17) recouverts de matière réfractaire isolante limitant l'échange de chaleur. 14/ Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au-dessus de la zone (15) limitant l'échange de chaleur une zone (16) comportant des moyens (17') d'échange indirect de chaleur avec un fluide à vaporiser et/ou réchauffer.