Brevet FR2686682A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne le domaine de la génération de chaleur obtenue par combustion de combustibles solides à forte teneur en cendres fusibles et en métaux lourds. Plus spécifiquement, la générateur de chaleur et le procédé objets de l'invention permettent de brûler des combustibles obtenus à partir de déchets industriels et/ou ménagers hétérogènes. L'invention est donc plus particulièrement destinée à brûler des combustibles présentant des caractéristiques particulières qui de ce fait ne peuvent être utilisés dans tous les types de générateurs thermiques. Le problème à l'origine de la présente invention concerne le traitement des déchets produits par les ménages et les industries. Ces déchets peuvent être très hétérogènes et ne peuvent pas toujours faire l'objet d'un tri et d'un recyclage des fractions obtenues, à la fois pour des raisons techniques et pour des raisons économiques Ces déchets hétérogènes sont souvent caractérisés par la présence de quantités significatives de matières minérales. Parmi ces matières, on trouve des composés calciques (calcaires par exemple) et des verres En combinaison, de telles matières minérales présentent des points de fusion relativement bas, ce qui pose souvent des problèmes lorsqu'on souhaite incinérer ces déchets dans des foyers qui opèrent normalement en cendres sèches. Ces déchets particuliers peuvent être brûlés directement ou faire l'objet d'un traitement préalable, afin d'améliorer leur comportement au stockage ou en combustion C'est par exemple le cas lorsqu'on procède à un traitement à la vapeur des ordures ménagères, suivi d'une granulation Cette approche permet d'obtenir un déchet stabilisé, stockable pendant plusieurs mois et facilement manipulable La thermolyse des déchets décrite dans les demandes françaises de brevets EN 90/13844 et EN 91/08717 constitue aussi un prétraitement des déchets avant combustion. Elle transforme le déchet en un combustible stabilisé et d'une granulométrie relativement homogène, compatible avec les moyens classiques de manutention pneumatique, et elle assure en plus l'élimination de certains composés nocifs comme le chlore, le soufre, le fluor, le mercure, etc Afin de pouvoir brûler les combustibles spécifiques décrits ci-dessus, la présente invention propose d'utiliser un générateur thermique de type "foyer cyclone à cendres fondues". La technique du foyer cyclone à cendres fondues est connue depuis relativement longtemps et est employée jusqu'à présent pour brûler les charbons. Les brevets US 4624191 et US 4765258 illustrent respectivement un foyer cyclone et un procédé de fonctionnement d'un foyer cyclone classique. De plus, la figure 1 représente par une vue en perspective éclatée un tel foyer cyclone dans lequel l'air de combustion est introduit tangentiellement de façon à entraîner les particules de charbon vers la paroi par effet centrifuge Ce type de foyer assure un échange très intense entre l'air et le combustible, ce qui permet d'avoir des densités de feu importante (plusieurs MW/m 3) et donne ainsi de la compacité au système Par ailleurs, le temps de séjour des particules étant beaucoup plus important que celui des gaz, le foyer admet des combustibles de granulométries beaucoup plus grossières que les brûleurs à charbon pulvérisé Enfin, les foyers cyclone travaillent avec des excès d'air faibles, ce qui conduit à de bons rendements globaux. Le fait de traiter les combustibles spécifiques énoncés ci-dessus grâce à un générateur thermique de type foyer cyclone présente notamment les avantages suivants: Les rendements de combustion sont plus élevés que dans les systèmes d'incinération utilisant un four tournant ou à grille par exemple Les rendements sont supérieurs à 95 %, voire à 98 %, tandis que selon l'art antérieur, ils sont de l'ordre de 80 à 90 %; Le fonctionnement en sous stoechiométrie tel qu'il sera expliqué ci-dessous empêche la formation de NO et de N 20 à partir de l'azote contenu dans le combustible L'essentiel des cendres produites par ce type de combustion se présentent sous forme fondue, o l'on retrouve la majorité des contaminants métalliques Ces cendres fondues sont considérées comme inertes vis-à-vis de l'environnement et peuvent être mises en décharge ou utilisées dans les travaux publics par exemple, sans précaution particulière; Le foyer cylindrique possède une certaine inertie qui absorbe facilement les variations de composition, donc de pouvoir 1 i O calorifique inférieur du combustible; Le choix d'un foyer à axe vertical permet d'insérer plus facilement le générateur selon l'invention dans de petites unités de traitement et/ou de combustion des déchets. Les avantages énoncés ci-dessus peuvent être simultanément 1 5 réalisés grâce à l'invention qui vise un générateur de chaleur du type mentionné en tête de la description. Le générateur comprend un foyer cyclone alimenté par au moins une première ligne destinée à introduire l'air primaire et le combustible et une deuxième ligne destinée à introduire de l'air complémentaire, au moins une sortie étant prévue pour les effluents de combustion et au moins une autre sortie étant prévue pour des cendres fondues. Selon l'invention, le foyer comporte un axe longitudinal vertical, les cendres tombant dans la partie basse et les effluents de combustion étant évacués en partie haute du foyer; le combustible solide utilisé est un déchet ou un dérivé d'un déchet, avec une forte teneur en cendres fusibles, et présente un rapport Ca O/Si O 2 compris entre 0,2 et 1,2. En outre, ledit combustible présente préférentiellement une teneur en azote comprise entre 0,5 et 5 % de sa masse totale et une teneur en métaux lourds comprise entre 0,1 et 5 % de sa masse totale. De préférence, la première source d'alimentation en air et en combustible est placée dans la partie haute dudit foyer et réalise ainsi une combustion en sous-stochiométrie, la deuxième source d'air est destinée à achever la combustion et est disposée au-dessus du foyer-cyclone. En outre, le générateur selon l'invention comporte un premier moyen destiné à refroidir les cendres Ce moyen peut être constitué d'une capacité remplie d'eau. Avantageusement, un second moyen de refroidissement des cendres peut être prévu Ce second moyen peut être constitué d'au moins un cylindre métallique rotatif refroidi par de l'air extérieur et placé au niveau de ladite cavité remplie d'eau. Un moyen d'échange de chaleur coopérant avec le moyen de refroidissement peut de plus équiper le générateur, ce moyen d'échange de chaleur permettant de maintenir la température du liquide de refroidissement dans une plage de valeurs données, de préférence entre 60 et 950 C Sans sortir du cadre de l'invention, un moyen destiné à réduire la quantité des particules entraînées par les effluents de combustion peut être placé au niveau de la sortie des effluents du foyer-cyclone Ce moyen peut favorablement être constitué d'une cheminée sensiblement cylindrique ou conique. Une autre particularité de l'invention consiste en une deuxième ligne d'alimentation en air primaire et en combustible liquide ou gazeuse. L'invention vise en outre le procédé de combustion mis en oeuvre dans le générateur défini ci-avant. Plus précisément, le procédé consiste à réaliser une combustion sensiblement adiabatique dans une chambre (ou foyer cyclone) munie d'au moins une première entrée tangentielle destinée à l'injection d'un mélange d'air et de combustible et qui est animé d'un mouvement hélicoïdal dans ladite chambre, à réaliser une injection complémentaire dans ladite chambre, à faire évacuer et à refroidir les cendres fondues générées par la combustion et à réaliser une évacuation séparée des effluents de combustion. Selon l'invention, le mouvement général de l'écoulement dans ladite chambre est d'abord hélicoïdal descendant autour d'un axe vertical puis ascendant; le combustible utilisé est un déchet ou un combustible dérivé d'un déchet à forte teneur en cendres fusibles; le combustible présentant de préférence un rapport Ca O/Si O 2 compris entre 0,2 et 1,2. Avantageusement, la combustion est réalisée en sous- stoechiométrie dans ladite chambre puis la combustion est achevée extérieurement à la chambre. 1 i O De façon caractéristique, le temps de séjour moyen des gaz dans la chambre de combustion est compris entre 0,2 et 1 s, de préférence entre 0,3 et 0,6 s. En outre, un refroidissement des cendres peut être prévu. Le refroidissement peut être réalisé par trempe des cendres dans 1 5 un liquide à froid Sans sortir du cadre de l'invention, le refroidissement peut être réalisé à sec par aération des cendres par exemple. De façon appropriée, une extraction des particules contenues dans les effluents de combustion peut être effectuée par un moyen destiné à cet effet et placé à proximité de la sortie des effluents. Spécifiquement un échange de chaleur peut avoir lieu, par exemple grâce à l'implantation dans le liquide de trempe des cendres, d'un dispositif approprié. Additionnellement, un mélange d'air et de combustible liquide ou gazeux supplémentaire peut alimenter la chambre de combustion, la masse dudit combustible pouvant être comprise entre 5 et 50 % de la masse du combustible solide. Le procédé et le générateur thermique, selon l'invention, seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés selon lesquels: la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une installation comportant un générateur de chaleur selon l'invention; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 4 est une coupe longitudinale d'un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 5 est une coupe longitudinale d'un mode de réalisation additionnel de l'invention; la figure 6 est une coupe longitudinale partielle d'un mode de réalisation possible de l'invention. La figure 2 est une représentation simplifiée du générateur thermique objet de l'invention Celui-ci comprend un foyer cyclone vertical 1, qui se décompose en une partie cylindrique supérieure 1-a et une partie conique inférieure 1-b Le cyclone est équipé d'une ligne 2 assurant une introduction tangentielle de l'air primaire et du combustible Les débits d'air primaire et de combustible sont ajustés de façon à être en sous-stoechiométrie dans le cyclone 1. L'air primaire est préchauffé à une température comprise entre 100 et 500 'C, dans un échangeur de chaleur 3 Cet échangeur fonctionne par exemple avec des fumées chaudes prélevées dans une chambre de combustion 4 par la ligne 5 La chambre de combustion 4 est constituée du volume situé en aval dudit foyer 1, côté effluents Après introduction dans le foyer cyclone 1, l'écoulement gaz-particules progresse vers le bas en suivant un mouvement hélicoïdal qui se renverse dans la partie conique et remonte ensuite verticalement dans la partie centrale pour sortir par au moins un orifice axial supérieur 6 Au cours de ce parcours, les particules s'échauffent, s'enflamment et se concentrent au niveau de la paroi du cyclone 1 Dans la partie basse du cyclone, l'élévation de température est telle que les cendres fondent et s'écoulent vers au moins un orifice de sortie 7. Ensuite, les cendres tombent dans une cavité remplie d'eau 8 o elles sont trempées et refroidies. Ces cendres qui se présentent sous forme de petites granules vitrifiées, sont évacuées vers l'extérieur du générateur par un évacuateur mécanique 9 (racleur par exemple), monté par exemple sur un sabot d'extraction 10 L'eau contenue dans la cavité 8 assure aussi l'isolation pneumatique du système par rapport à l'extérieur L'orifice 6 du foyer cyclone 1 est préférentiellement équipé d'un dispositif 11 qui permet l'introduction de l'air secondaire destiné à achever la combustion. Une ligne spécifique 13 est prévue afin d'acheminer l'air secondaire vers le dispositif Il Au niveau du dispositif 11, il se développe une seconde flamme Les produits de combustion sont ensuite envoyés dans une zone d'échange par convection 12, pour être ramenés à une température comprise entre 150 et 400 'C, puis évacués vers un dispositif de filtration non représenté sur la figure 2. Bien entendu, des vannes, clapets et autres moyens de régulation de débit (non repérés) peuvent être disposés sur les différentes lignes 2,5, 13 de l'installation. Avec ce premier mode de réalisation de l'invention, il peut se créer au niveau du contact entre les cendres fondues et l'eau de la cavité 8 une vaporisation excessive de l'eau de trempe et/ou la formation d'un brouillard dû à des phénomènes de caléfaction. Afin de pallier cet éventuel problème, un autre mode de réalisation de l'invention est proposé, tel qu'illustré schématiquement par la figure 3. Ce mode de réalisation ne diffère du mode de réalisation décrit ci-avant que par l'adjonction d'un dispositif 20 placé dans la cavité 8 et destiné à refroidir à sec les cendres Pour ce faire, un ou plusieurs cylindres 21 métalliques rotatifs à axe horizontaux sont refroidis intérieurement par de l'air secondaire issu d'une tubulure spécifique 22 dérivée de la tubulure principale 13 et qui débouche dans la cavité 8 Des ailettes 23 internes aux cylindres 21 peuvent être présentes afin d'améliorer l'échange thermique avec l'air de combustion Ainsi, les cendres fondues tombent sur deux ou plusieurs des cylindres 21 Des racleurs 24, fixés par exemple sur les parois de la cavité 8, sont en contact avec chaque cylindre 21, afin de faciliter le décrochage des cendres accrochées aux cylindres 21 Un siphon 29 rempli d'eau est avantageusement prévu au niveau de la sortie des cendres refroidies, afin d'assurer l'isolation pneumatique vis-à- vis de l'extérieur Comme dans le mode de réalisation décrit en relation avec la figure 2, les cendres tombées dans la cavité 8 sont évacuées par des moyens mécaniques 9. Une autre particularité liée au mode de réalisation de la figure 3 réside dans le contrôle de l'évacuation des cendres Afin de maintenir une température des cendres suffisante pour les maintenir à l'état fondu au niveau de l'orifice de passage, celui-ci est calibré pour qu'une partie des produits de combustion 1 5 s'échappe par cet orifice (au lieu d'être entraînés dans l'écoulement ascendant) Ainsi, les produits de combustion sont partiellement refroidis au contact des cylindres 21 puis de l'eau présente dans le fond de la cavité 8 Ces produits quittent préférentiellement la cavité 8 par la tubulure 22 dans laquelle ils sont mélangés à l'air secondaire provenant de la ligne principale 13. Après avoir transité dans la tubulure 22, ces produits de combustion sont recyclés par l'intermédiaire du dispositif 11 Un dispositif de régulation de débit (non référencé) peut bien entendu être placé dans la tubulure 22. Un autre aménagement possible de l'invention est montré sur la figure 4 et concerne la mise en place d'une cheminée 40, suspendue à la sortie 6 du foyer cyclone Le dispositif 40 permet de réduire la quantité de particules entraînées hors du foyer cyclone et augmente aussi le rendement en cendres fondues La cheminée a une forme sensiblement cylindrique, mais des variantes légèrement coniques peuvent aussi être utilisées. Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré à la figure 5 Il consiste à implanter un faisceau d'échange 50 dans le liquide de trempe des cendres, afin de maintenir sa température dans une plage donnée par exemple entre 60 et 95 C Le faisceau d'échange 50 peut être un économiseur qui chauffe l'eau à son arrivée ou à son retour dans la chaudière Le dispositif 50 permet de récupérer une bonne partie de la chaleur de fusion et de la chaleur latente des cendres Le dispositif 50 améliore donc le rendement énergétique global du générateur Il évite aussi une vaporisation trop intense du liquide de trempe et réduit les quantités de vapeur entraînées vers le foyer cyclone. L'écartement entre les tubes du faisceau d'échange 50 est au minimum de deux fois le diamètre extérieur des tubes, afin de laisser un libre passage aux particules de cendres solidifiées. Dans le cas de combustibles à très forte teneur en cendres, plus de 60 %, ou à cendres posant des problèmes de fusion, le 1 5 foyer cyclone fonctionnera d'une manière plus avantageuse avec l'adjonction d'un combustible de soutien La figure 6 est un exemple qui illustre cette possibilité Le foyer cyclone 1 comporte une première ligne 60 d'introduction tangentielle du combustible de soutien qui peut être un combustible liquide ou gazeux mélangé à de l'air de combustion Le rapport air de combustion/combustible est tel que l'on est proche de la stoechiométrie Il se forme ainsi une première flamme très chaude dans la partie supérieure du foyer cyclone Le combustible solide est introduit par la ligne 61 qui débouche elle aussi tangentiellement dans le foyer 1 Le débit d'air qui accompagne le combustible est tel que la stoechiométrie globale dans le foyer cyclone se situe dans la gamme préalablement définie Le débit de combustible auxiliaire peut représenter en masse, 5 à 50 % du débit de combustible solide. 3 O Dans tous les modes de réalisation envisagés ci-dessus, l'air secondaire est introduit par le dispositif au niveau de la sortie supérieure 6 du foyer cyclone 1. Les effluents provenant du foyer cyclone étant animés d'un mouvement de rotation intense, il y a généralement un mélange très rapide des deux courants gazeux Ce mélange très rapide peut conduire à des températures locales élevées, propices à la formation de NO d'origine thermique Pour éviter cette formation de NO, l'introduction de l'air secondaire peut être éloignée de la sortie 6 du foyer cyclone, afin de retarder le mélange des deux courants gazeux Une autre possibilité consiste à équiper la sortie du foyer cyclone d'un dispositif qui réduit ou supprime la mise en rotation des effluents issus dudit foyer cyclone Ce dispositif peut être une grille, un monolithe à grosses mailles, une sortie en forme de croix ou d'étoile, ou tout autre dispositif connu de l'homme de l'art Il peut être monté sur la sortie 6 du foyer cyclone, ou faire partie intégrante de la cheminée 40, lorsque celle-ci existe. Bien entendu, les éléments particuliers révélés dans chacun de modes de réalisation décrits ci-avant peuvent être présents isolément ou tous ensemble L'homme de métier choisira en fonction des conditions de fonctionnement particulières auxquelles le générateur thermique doit répondre d'équiper ce générateur d'un ou plusieurs de ces éléments particuliers. L'invention concerne aussi le procédé de fonctionnement du générateur décrit ci-dessus Les principales étapes du procédé ayant été décrites en tête de la description Les compléments suivants seront apportés maintenant: le ou les combustibles utilisés ont une granulométrie comprise entre 1 et 10 000 microns; la température de fonctionnement du foyer cyclone 1 se situe entre 10000 C et 1800 'C, de préférence entre 1200 et 15000 C; les cendres fusibles représentent 20 à 90 % en masse, présentent une forte teneur en azote ( 0,5 à 5 % en masse) et une forte teneur en métaux lourds ( 0,1 à 5 % en masse). Contrairement au foyer cyclone 1, la zone 4 dans laquelle est achevée la combustion n'est pas nécessairement constituée de matériaux réfractaires puisque l'adiabaticité n'est plus recherchée dans cette seconde étape de la combustion. il Bien entendu, d'autres modifications et/ou adjonctions pourront être apportées par l'homme de métier au générateur et/ou au procédé qui viennent d'être décrits, sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Générateur de chaleur destiné à brûler des combustibles solides, comprenant un foyer cyclone ( 1) alimenté par au moins une première ligne ( 2) destinée à introduire tangentiellement par rapport à la paroi dudit foyer ( 1) un mélange d'air primaire et ledit combustible, ledit foyer étant en outre alimenté par une ligne ( 13) d'introduction d'air complémentaire, au moins une sortie ( 7) étant prévue pour des cendres fondues et au moins une autre sortie ( 6) étant prévue pour les effluents de combustion caractérisé en ce que ledit foyer ( 1) comporte un axe longitudinal vertical, en ce que ledit combustible solide est un déchet ou un combustible dérivé d'un déchet ayant une forte teneur en cendres fusibles qui présentent un rapport Ca O/Si O 2 compris entre 0,2 et 1,2. 2 Générateur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit combustible présente une teneur en azote comprise entre 0,5 et 5 % de sa masse totale, et une teneur en métaux lourds comprise entre 0,1 et 5 % de sa masse totale. 3 Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que ladite première ligne ( 2) d'alimentation en air et en combustible débouche en partie haute dudit foyer cyclone ( 1) et y réalise une combustion en sousstoechiométrie, en ce que ladite ligne ( 13) d'alimentation en air complémentaire est disposée au-dessus dudit foyer cyclone ( 1), l'air complémentaire permettant d'achever ladite combustion. 4 Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen ( 8, 20) destiné à refroidir lesdites cendres. 5 Générateur de chaleur selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit moyen est constitué d'une capacité ( 8) remplie d'eau et placée au-dessous de ladite sortie ( 7). 6 Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que ledit moyen de refroidissement des cendres est constitué d'au moins un cylindre ( 21) métallique refroidi intérieurement par de l'air et placé au- dessus de l'eau contenue dans ladite capacité ( 8). 7 Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen ( 40) destiné à réduire la quantité de particules entraînées par les effluents de combustion, ledit moyen étant placé à proximité de la sortie ( 6) des effluents. 8 Générateur de chaleur selon la revendication 7 caractérisé en ce que ledit moyen ( 40) est constitué d'une cheminée sensiblement cylindrique ou conique. 9 Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen ( 50) d'échange de chaleur coopérant avec ledit moyen ( 8) de refroidissement de cendres afin de maintenir la température desdites cendres entre 60 et 950 C. Générateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une deuxième ligne ( 61) d'alimentation dudit foyer cyclone ( 1) en air primaire et en combustible, ledit combustible étant sous forme liquide ou gazeuse. 11 Procédé destiné à brûler des combustibles solides, consistant à réaliser une combustion sensiblement adiabatique dans un foyer cyclone ( 1) muni d'au moins une entrée tangentielle pour un mélange d'air et de combustible primaire qui est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal dans ledit foyer ( 1) complémentaire dans ledit foyer 1 et une évacuation séparée des cendres et des effluents de combustion caractérisé en ce que le mouvement général de l'écoulement est hélicoïdal autour d'un axe vertical, en ce que le combustible brûlé est un déchet ou un combustible dérivé d'un déchet à forte teneur en cendres fusibles, à forte teneur en azote et en métaux lourds. 12 Procédé selon la revendication 11 caractérisé en ce que ladite combustion est réalisée en sous stoechiométrie dans ledit foyer ( 1) et est achevée à l'extérieur dudit foyer. 13 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 12 caractérisé en ce que le temps de séjour moyen des gaz dans ledit foyer ( 1) est compris entre 0,2 et 1 s, de référence entre 0,3 et 0,6 s. 14 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 13 caractérisé en ce qu'un refroidissement des cendres est prévu. Procédé selon la revendication 14 caractérisé en ce que le refroidissement des cendres est réalisé par trempe des cendres 1 i O dans un liquide de refroidissement. 16 Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14 caractérisé en ce que le refroidissement est réalisé à sec, par aération des cendres. 17 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 1 5 16 caractérisé en ce qu'une extraction des particules contenues dans les effluents de combustion est prévue, et est réalisée grâce à un moyen ( 40) placé à proximité de la sortie ( 6) des effluents. 18 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 17 caractérisé en ce qu'un échange de chaleur est en outre réalisé par implantation dans le liquide de refroidissement des cendres, d'un dispositif ( 50) d'échange de chaleur. 19 Procédé selon l'une quelconque des revendications 11 à 18 caractérisé en ce qu'une alimentation supplémentaire en combustible est prévue au niveau dudit foyer ( 1) qui représente 5 à 50 % du débit de combustible solide primaire.