Brevet FR2683546A1 — publié le 19930514

La présente invention a pour objet un procédé pour fabriquer, à partir de résidus solides urbains (R S U) et de résidus solides industriels assimilables à des résidus urbains (R.S I A U), un matériau susceptible d'être utilisé comme combustible dans des centrales thermoélectriques, des cimenteries, etc. De nos jours, avec l'augmentation de la population, se pose de façon croissante le problème de l'élimination de tous types de résidus de fabrications industrielles dans les mines, industries, de même que l'élimination des résidus solides urbains et des résidus solides industriels assimilables à des résidus urbains; les résidus solides urbains pouvant être estimés à un minimum de 1 kg par personne et par jour Dans le cas de l'Espagne, il est possible de chiffrer cette quantité à quelques 14 millions de tonnes par an. Le manque de décharges pour les ordures et les problèmes qu'elles entraînent, de même que le manque de combustible sont deux problèmes qui se présentent de nos jours De façon à proposer une solution acceptable à ces problèmes, il est proposé de transformer les résidus solides urbains et les résidus solides industriels assimilables à des résidus urbains après mouture et élimination du verre, des éléments métalliques et de l'humidité et, après réalisation d'un traitement thermo- chimique, en un produit solide mis en forme susceptible d'être transporté et stocké et qui peut être utilisé comme combustible dans les centrales thermoélectriques, les cimenteries et industries similaires. Il existe de nombreux brevets qui réalisent la pyrolyse des résidus organiques et réalisent le mixage de produits carbonisés comme dans la publication de brevet français 2 376 894 du 08 09 78 et également la publication 2369505-7806 0 De même, la combustion de matériaux organiques dans un lit fluidisé a fait l'objet d'un brevet au nom de la NIPPON STEEL CORP sous le NOJP 53049001 en date du 04 05 78. Les produits de la combustion sont polymérisés et pyrolysés avec addition d'autres combustibles au moyen d'un brûleur auxiliaire. Dans certains cas, on ajoute du calcaire comme désulfurant et éliminateur de scories, comme dans le brevet US 4078914 en date du 14 03 78 et dans le brevet US 410386 du 20 09 89 avec séchage précédant la pyrolyse à une température de 240 à 750 'F Cependant, il n'est pas précisé quand ce procédé peut être utilisé pour réaliser du compost, étant donné qu'il est possible de concevoir qu'il s'agit seulement d'une solution partielle dans le brevet US 356224 du 24 05 89. L'utilisation de vapeur d'eau sous pression pour récupérer la chaleur latente de façon à sécher les résidus pour réaliser une incinération sans utiliser de combustible supplémentaire, à des température super critiques et des pressions supercritiques, est décrite dans le brevet US 294424 du 09 01 89. Il n'est pas non plus nécessaire de prendre en considération le procédé d'incinération des brevets US tels que 176782 du 01 04 88 ni le brevet US 180879 du 13 04 88 ou le brevet US 293546 du 03 01 89. Dans certains procédés tels que celui du brevet US 399295, on réalise un préséchage qui réduit l'humidité à une valeur comprise entre 8 et 10 % par compression ou briquetage en tant qu'originalité La fusion des cendres obtenues est revendiquée dans le brevet US 132058 du 20 03 80, qui propose une combustion en lit fluidisé à des températures élevées et passage à travers les cendres. L'utilisation d'une réduction de la pression atmosphérique permet un écoulement d'air positif et évite les problèmes pour le personnel L'utilisation de calcaire comme purificateur des gaz de sortie est utilisée dans le brevet PE 2846032 du 30 04 80. Dans le brevet italien 105230 du 28 10 85, les résidus urbains sont pulvérisés et sont desséchés à un niveau prédéterminé pour éviter la production de champignons et les fermentations possibles Des produits chimiques déterminés sont ajoutés pour éviter la production de gaz toxiques dans la combustion ultérieure du produit réalisé sous forme de pellettes. En résumé, parmi les cent brevets étudiés, la majorité se termine par l'utilisation d'une incinération directe des résidus urbains. Dans certains cas, les gaz de sortie sont épurés au moyen de calcaire, notamment pour éliminer le 502 Dans divers cas, on utilise les résidus urbains pour procéder à l'obtention de méthane et d'hydrogène par biocatalyse Dans de nombreux cas, on utilise la pyrolyse Le lit fluidisé et la séparation préalable des métaux ont été brevetés avec profusion pour la production de l'énergie dans des chaudières, directement et sans autres traitements préalables Le séchage préalable est réalisé par formation de briquettes ou de produits de formes diverses dans le brevet italien précité. La demande de brevet français 2472 421 décrit un procédé de traitement d'ordures ménagères pour les transformer en agrégats artificiels. A cet effet, on élimine les éléments métalliques et on provoque une réaction de la masse résultante, qui peut contenir 30 % de cellulose et comprendre de l'humidité entre 20 et 50 % en utilisant de la chaux vive et/ou un sel de calcium à une température comprise entre 250 'C et 450 C, de façon telle qu'un produit pulvérulent soit obtenu, que l'on agglomère par compression avec addition préalable d'un liant pour former des granulés Le même brevet 2472421 indique également que les granulés sont soumis à un traitement thermique final ou postérieur à des températures comprises entre 1500 C et 350 'C pendant un temps suffisant pour les chauffer à coeur Comme liant, il est préconisé d'utiliser un mélange de phosphate monocalcique, de chaux, d'urée, de caséine, de gelée d'os et d'acétate de polyvinyle Le brevet indique que l'on peut incorporer des charges telles que des résidus industriels, des résines et des silicates Cependant, ce brevet ne propose pas ni ne revendique une utilisation comme celle de la présente demande en tant que matériau combustible. En ce qui concerne l'utilisation de matériaux combustibles pour chaudières, il existe de nombreux brevets qui utilisent des ordures ménagères, mais en aucun cas, ils utilisent le séchage, à l'exception du brevet GB 1597443 du 09- 09-81, dans lequel, à la suite d'une classification balistique suivie d'une humidification et d'un séchage, on effectue une pellettisation avec un agglomérant de polyéthylène et de lignite Dans le brevet GB 1604948 du 16-12-81, il est également effectué une séparation des métaux et également des matières plastiques et du verre, et l'on utilise les alcools obtenus par fermentation comme combustibles. Les procédés selon les techniques expliquées ci- dessus ne sont pas complètement satisfaisants. Particulièrement, en raison du fait que l'utilisation d'énergie pour l'élimination de l'eau se trouve perdue, et qu'on augmente les propriétés corrosives de certains gaz qui prennent naissance pendant la combustion, comme par exemple 502, N Ox et HC 1, alors que dans la présente demande, ils se combinent avec l'hydroxyde de calcium que contient le matériau résultant et permettent de diminuer ainsi les corrosions possibles par les éléments chauffés dans les chaudières à vapeur, tout en diminuant la présence de composés aromatiques contaminants possibles, les produits organiques, les biphénols et des composés chlorés, comme les furannes et les dioxynes, comme cela est désirable pour réaliser un combustible pour centrales thermo-électriques. D'autre part, la stabilité biologique du produit est importante étant donné que son potentiel contaminant antérieur est éliminé et qu'il reste sans odeur. L'objet de la présente invention est de proposer un procédé qui permet l'obtention d'un matériau qui présente, comme on l'a dit, une combinaison optimale de propriétés chimiques et physico-chimiques qui sont particulièrement utiles pour son utilisation comme matériau combustible pour centrales électriques, cimenteries, etc On décrira maintenant le procédé selon l'invention pour fabriquer, à partir de résidus solides urbains et de résidus industriels solides assimilables à des résidus urbains, un matériau combustible. Les résidus solides sont broyés, après élimination des ferro-magnétiques, ils sont alors broyés dans des dimensions plus petites, on élimine le verre et les métaux paramagnétiques et dans une vis sans fin, on incorpore de la chaux vive et de la vapeur d'eau On réalise ensuite un séchage entre 1000 C et 2000 C, de telle sorte que la température maximale soit inférieure au point d'inflammation des matériaux combustibles qui peuvent exister dans les résidus urbains, particulièrement si ces derniers sont déjà partiellement desséchés, c'est-à-dire que leur teneur en eau est inférieure à 1 % La température de sortie du four de séchage doit être voisine du point d'ébullition de l'eau, 1000 C, afin d'obtenir le maximum de rendement du séchage à la pression normale. Le matériau obtenu est alors granulé et peut être utilisé comme combustible dans des centrales électriques en présentant les avantages qu'il ne contient pas d'humidité, qu'il est stable, inodore, peut être transporté, n'est pas susceptible de produire de façon exagérée des produits toxiques et contribue à diminuer la corrosion du système de production de vapeur dans les centrales thermiques Les cendres obtenues lors de la combustion peuvent être utilisées pour la fabrication de ciment (comme matière première) pour épurer les fumées ou comme additifs à du ciment Portland. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce que des résidus urbains solides et des résidus industriels solides assimilables à des résidus urbains sont mélangés sans contenir de matériaux métalliques contaminants ou de verre avec un produit minéral en poudre qui contient de l'oxyde de calcium. Le mélange ainsi obtenu est traité avec de la vapeur d'eau à une température élevée comprise entre 100 'C et 200 C afin de détruire la structure organique des matériaux composant les résidus solides urbains ou industriels, les protéines, les graisses et principalement les hydrates de carbone, de façon à faciliter ultérieurement la mise en forme par passage entre des rouleaux destinés à augmenter la densité et faciliter un séchage ultérieur qui est réalisé dans un four rotatif comportant des parois internes hélicoïdales qui facilitent la progression interne du matériau Le séchage est effectué au moyen d'air chaud, qui ne contient pas de C 02, et qui est produit dans un échangeur avec de la vapeur d'eau, grâce auquel on évite la carbonatation de l'oxyde de calcium formé par la réaction de l'eau avec la chaux vive et qui permet de maintenir les propriétés chimico-biologiques du matériau. Selon l'invention, cela signifie que la combinaison du traitement thermique avec la chaux vive, le matériau conformé obtenu par lamination à basse pression d'un mélange de détritus mélangés avec de la chaux vive, et un second procédé de granulation sous pression du produit obtenu à la suite du traitement thermique, confèrent les propriétés nécessaires pour permettre le transport et le stockage, telles que la densité, l'absence d'odeur, la dimension optimale et l'absence de produits dégradables biologiquement, etc. On a constaté que, de façon surprenante, cet ensemble d'opérations permet d'obtenir un produit combustible qui présente une inertie biologique, une réduction notable des possibilités de corrosion dans les installations de combustion et une réduction importante de la production de gaz polluants. En raison de leur teneur en chaux, les cendres peuvent être utilisées pour éliminer les gaz dans les systèmes d'épuration, comme matière première dans la fabrication du ciment, avec une diminution de consommation en énergie ou en tant que matériau pouzzolanique pouvant être ajouté à du ciment Portland. La chaux qui peut également provenir de dolomites calcinées, c'est-à- dire dont l'oxyde de magnésium n'est pas précisément un inconvénient, a un pourcentage qui oscille entre 4 et 8 % avec un dosage de préférence de l'ordre de 5 % en matières sèches Le fait que le matériau, résidu urbain ou industriel assimilable à un résidu urbain, soit contaminé bactériologiquement, n'est pas un inconvénient pour son utilisation, étant donné que le procédé de stérilisateur pour les températures ou pressions de vapeur d'eau utilisées, par addition de chaux vive et par séchage à 2000 ultérieur, n'empêche aucun procédé vital. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et se réfère au dessin annexé pour expliquer comment est réalisé le traitement des résidus solides urbains ou industriels assimilables à des résidus urbains ou agricoles, en vue de leur transformation en combustible industriel ou analogue. Dans le cas présent, on réalise le traitement classique préalable de broyage 1 et 2, en réduisant à des dimensions faibles, de l'ordre de 10 cm, et séparation magnétique 3 et ultérieurement, un nouveau broyage 4 à des dimensions de 1 cm Après la séparation par densité 5 des céramiques, des verres et des métaux paramagnétiques, et adjonction de la chaux vive dans une vis sans fin 6, le produit contenu dans ladite vis est soumis à l'action de la vapeur d'eau à une température de 100 'C à 2000 C dans la même vis 7, ce qui a pour effet de désagréger et de rompre les membranes cellulaires de la partie organique des détritus principalement des protéines et les hydrates de carbone, et de commencer à décomposer les sucres et les amidons dont ils s'hydrolysent La vis agit simultanément comme mélangeur, transporteur et compresseur. Cette partie du procédé augmente la densité du matériau qui, après conformation, diminue la dimension du système à la suite du séchage et de plus des substances sont formées avec un léger pouvoir liant ou agglutinant, comme le passage des amidons en dextrine, qui permettent l'étape qui consiste à passer à travers les moyens de laminage sans perte de forme D'autre part, le traitement à la vapeur d'eau à des pressions comprises entre 0,1 et 2 N/mm 2, provoque la destruction totale des bactéries, des virus et des champignons et également, de divers contaminants que peuvent contenir les résidus urbains La chaux vive contribue à cette mission et, en raison du p H fortement basique produit, empêche la possibilité que le produit après traitement des ordures puisse devenir la nourriture des rongeurs et des insectes La température de séchage et la basse teneur finale en humidité contribuent à ce procédé anti-vital. Ensuite, à sa sortie de la vis sans fin, le matériau pénètre dans une série de quatre paires de cylindres 8 destinés à assurer un laminage qui se trouvent disposés en position horizontale avec des espacements compris entre 1,5 cm, 1 cm, 0,5 cm et 0,25 cm avec possibilité de séparation au moyen de ressorts placés sur leurs axes perpendiculairement à la direction de passage du matériau, de façon à permettre le passage de substances éventuellement de grandes dimensions et qui ne sont pas susceptibles d'être comprimées Ces cylindres agissent comme moyens de moulage et de mise en forme, et éliminent l'excès d'humidité. De cette façon, la densité des résidus augmente de 0,1 g/ml à 0,4 g/ml et, dans certains cas, à 1 g/ml, et l'humidité diminue de 30 % à 15 %, le produit passe alors pendant environ 20 à 30 minutes dans un four de séchage dans un sens axial à travers ledit four tubulaire rotatif 9, placé avec son axe de rotation dans une position sensiblement horizontale, ou avec une légère pente dans le sens de progression des matériaux dans le four et avec des rampes internes hélicoïdales. Le séchage dans le four est réalisé au moyen d'air chaud à des températures comprises entre 1000 C et 200 'C, grâce auxquelles on évite la carbonatation de la chaux et la contamination par le Co 2 et on réalise une augmentation du rendement du séchage, étant donné que les produits de combustion du combustible, C 02 et H 20, ne sont pas en contact et, en conséquence, l'air est moins humide L'air chaud provoque un échange entre la vapeur d'eau résiduelle à faible enthalpie avec l'air et ainsi, la vapeur d'eau est utilisée sans autre utilisation possible en raison de sa faible enthalpie Le produit désséché avec une humidité de 1 % peut être conformé sous forme de carrés ou de ronds lorsqu'il quitte la vis sans fin en utilisant une série de rouleaux similaires à ceux qui se trouvent à l'entrée 10 La conformation est facilitée par de l'hydroxyde de calcium qui se trouve présent et qui agit comme un liant en même temps que les savons de calcium formés qui aident à réduire les forces de frottement. Une autre variante consiste à réaliser la conformation en cylindres au moyen d'une machine à granulés 11 qui agit à une forte pression de l'ordre de 600 bars Le produit mis en forme est stocké sous abri infiniment jusqu'à ce qu'il soit utilisé comme combustible Son pouvoir calorifique supérieur a une valeur moyenne supérieure à 3500 kcal/kg Ce combustible peut avantageusement être utilisé pour produire de la vapeur d'eau dans des installations de chauffage ou également pour entraîner des turbines à vapeur La combustion est réalisée dans un lit fluidisé classique avec lequel on obtient de bons rendements thermiques D'autre part, les cendres produites peuvent être utilisées avantageusement avec économie d'énergie étant donné qu'elles sont déjà partiellement activées et nécessitent moins de chaleur de réaction pour réagir avec la chaux pour donner des silicates tricalciques comme matière première pour la production de clinker de ciment Portland, de même que pour la production de briques silico- calcaires et également, en tant qu'additifs pouzzolaniques étant donné que la chaleur supportée au cours de la combustion et de la formation en présence de chaux a activé les propriétés pouzzolaniques Sa teneur élevée en chaux permet un recyclage partiel pour substituer la chaux additionnée à l'origine et également son utilisation pour l'épuration des fumées Dans le cas des centrales thermiques, cela permet de diminuer la teneur finale en SO dans les fumées. On a donné ci-après une série d'exemples pratiques de mise en oeuvre de l'invention Exemple 1 On obtient un mélange homogène d'un poids d'environ 945 kg d'ordures qui ont une humidité initiale de l'ordre de % en poids (obtenues après séparation de 45 kg de ferraille à partir d'une masse initiale de 1000 kg de résidus urbains obtenus directement de la décharge et également, 45 kg de verre, de briques, et de métaux divers), 25 kg de chaux vive ayant été ajoutés au mélange. Ce mélange est traité avec de l'air et/ou de la vapeur d'eau à une température de 1500 à la suite de quoi il est formé en parallélépipèdes ou cylindres de 1 cm de largeur ou de rayon avec une longueur de 5 cm environ, en utilisant un système horizontal de rouleaux de conformation Le mélange subit une perte d'eau de 15 % à la suite de quoi, le poids de ce mélange à l'entrée du four est de 795 kg au cours d'un séchage à 100 'C-200 'C. Ces températures sont obtenues par le passage d'air d'un courant chaud produit à son tour par échange avec de la vapeur d'eau. Au cours d'un séjour de 30 minutes dans le four de séchage, le mélange perd encore 14 % d'eau, de sorte que le produit résiduel atteint une masse de 655 kg approximativement, avec une teneur en humidité de 1 % Ce produit pourrait fournir, au cours de sa combustion, 3895 Kcal et abandonner environ 163 kg de cendres utilisables comme pouzzolane Ce produit peut être mis sous forme de granulés pour faciliter son transport et sa combustion sous une pression de l'ordre de 600 bars au moyen d'une machine à granuler rotative comportant des rouleaux, de façon à réaliser des corps cylindriques d'environ 8 mm de diamètre et d'une longueur comprise entre 10 et 20 mm. Il est également possible de donner au produit des formes différentes par passage à travers une série de cylindres qui mettent en forme le matériau sous forme de parallélépipèdes ou de cylindres de dimensions similaires à celles qu'ils ont à l'entrée dans le four. Ces granulés produits par l'un ou l'autre des systèmes brûlent à des températures supérieures à 8500 pendant un temps supérieur à 2 secondes et avec un minimum d'oxygène de 6 % de façon à détruire ou empêcher la formation de composés il toxiques chlorés tels que les dioxynes ou les furannes sur un lit fluidisé pour produire de la vapeur d'eau dans une chaudière à des températures appropriées pour entraîner une turbine à vapeur qui actionne un alternateur de façon à produire de l'énergie électrique La vapeur d'eau avec une enthalpie moindre est recyclée pour le traitement et le séchage des cendres produites et peut également être partiellement réutilisée en raison de sa teneur en chaux, de même que comme matériau de décontamination ou de purification pour les gaz de combustion tels que SO, N Ox et les dioxynes et pour les utilisations citées ci-dessus. Exemple 2 Dans ce cas, on part de 1000 kg de résidus urbains avec une humidité de 25 % dont on a extrait 58 kg de ferraille, 60 kg de verre et 20 kg de matériaux métalliques paramagnétiques, principalement du cuivre et de l'aluminium avec de la porcelaine On ajoute 30 kg de chaux vive et 20 kg de cendres en lit fluidisé A la suite du procédé de conformation et de séchage, l'humidité est réduite à 0,75 %, ce qui donne une perte d'eau de 249 kg et on obtient ainsi 662,7 kg de granulés secs qui permettent l'obtention d'un pouvoir calorifique de 3820 kcal avec une teneur en cendres de kg. Exemple 3 Un procédé similaire est suivi par rapport à ceux indiqués plus haut dans les exemples 1 et 2 On part de 1000 kg de résidus urbains qui contiennent une humidité de 35 % en poids avec 6 % de ferraille, 5 % de verre et 5 % de résidus paramagnétiques, porcelaine, cendres et briques Après addition de 25 kg de chaux vive et séchage de la matière restante jusqu'à 1,5 % d'humidité, on obtient 530 kg de granulés qui peuvent avoir un pouvoir calorifique de 3885 kg/cal en laissant une teneur en cendres de 133 kg après une combustion en lit fluidisé. REVENDICATIONS 1 Procédé pour la fabrication d'un matériau combustible solide à partir de résidus urbains solides et/ou industriels assimilables à des résidus urbains et/ou agricoles; caractérisé en ce qu'on réalise le broyage desdits résidus, exempts de matériaux métalliques contaminants et de verre, pour obtenir un produit granulé ou en forme de bâtonnets qui contient de la chaux vive combinée avec l'eau d'origine pour former un hydroxyde de calcium le moins carbonaté possible au cours du procédé et du traitement avec de la vapeur d'eau à des pressions comprises entre 1 et 20 atmosphères; qu'on effectue ensuite un séchage ultérieur avec de l'air chaud exempt de C 02 à des températures comprises entre 100 et 200 'C de manière que l'humidité diminue par rapport à l'humidité d'origine de 1,5 à 1 % en poids. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau combustible solide obtenu produit, au cours de sa combustion, 25 % de cendres et plus de 3500 kcal/kg. 3 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oxyde de calcium peut être utilisé avec également de l'oxyde de magnésium. 4 Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce que la teneur en Ca O est de l'ordre de 5 % en poids à sec des résidus urbains. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on introduit les cendres obtenues dans la combustion sur un lit fluidisé de façon à réduire la quantité de chaux ajoutée aux résidus. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cendres obtenues lors de la combustion sont utilisées comme matière première pour fabriquer du clinker de ciment. 7 Procédé selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cendres obtenues lors de la combustion sont utilisées comme un matériau formant pouzzolane. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les cendres de la combustion en lit fluidisé de ce combustible sont utilisées comme agent épurateur des gaz de combustion pour éliminer 502, N Ox et furanne ou dioxyne. 9 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pour effectuer la granulation du produit, on utilise des cylindres de conformation avec des espaces intermédiaires de 1,5 à 0,5 cm. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau combustible est utilisé sous forme de lit fluidisé dans une installation de combustion.