Brevet FR2708490A1 — publié le 19950210

L'invention concerne un procédé de vitrification de résidus solides issus de l'incinération de déchets ménagers et/ou industriels. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le produit obtenu par le procédé ou par la mise en oeuvre du dispositif selon la présente invention est également un objet de l'invention. Le procédé de vitrification classique de résidus solides issus de l'incinération de déchets ménagers et/ou industriels consiste à porter les résidus à une température élevée afin de réaliser leur fusion, puis, à refroidir rapidement ces résidus pour obtenir un verre. Lors de cette fusion, il se forme deux liquides non miscibles: - le liquide constitué des sels: essentiellement NaCl, KC1, CaC12, CaSO4, - le liquide constitue des oxydes: essentiellement SiO2, AI203, CaO, Fe2O3. La température de fusion du mélange constitue des oxydes est très supérieure à celle du mélange constitué des sels. La température de travail doit être supérieure ou égale à la température de fusion du mélange constitué des oxydes. Ces conditions peuvent provoquer la vaporisation ou la décomposition des sels. Ces polluants sont alors entramînés dans les effluents gazeux issus de la fusion des résidus solides et doivent faire l'objet d'un traitement particulier. Les réactions de décomposition et de vaporisation des polluants ont déjà été évitées par I'utilisation d'additifs à très bas point de fusion. Mais, la différence de température entre la température de fusion des résidus et la température de fusion des additifs entraîne que pour une faible variation de composition donnée du mélange résidus/additif, due en particulier à une variation de la composition des résidus, la variation de température de fusion de ce mélange sera importante. A nouveau, on devra travailler à une température très supérieure à la température de fusion du mélange résidus/additif et, par conséquent, le piégeage des polluants nocifs pour l'environnement sera à nouveau empêché. La présente invention a pour but de pallier les inconvénients précédents en proposant un procédé de vitrification des résidus solides issus de l'incinération des déchets ménagers et/ou industriels du type consistant à chauffer jusqu'à fusion lesdits résidus dans lequel les sels vaporisés lors de cette fusion sont entraînés par les gaz résultant de cette fusion et sont condensés par une trempe, séparés de la phase gazeuse dans un filtre par exemple 2 2708490 électrostatique ou à manche ou analogue puis, remélangés au liquide en fusion issus du four de fusion dans un malaxeur, ces sels étant alors fondus eux aussi au contact dudit liquide en fusion, formant ainsi un mélange liquide suffisamment visqueux pour retenir les gouttelettes de sels fondus au sein du liquide en fusion issu du four, le mélange étant ensuite refroidi rapidement pour obtenir une matrice solide au sein de laquelle les sels sont piégés. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on réalise, avant l'étape de filtration, une étape de neutralisation des gaz acides et de condensation-adsorption des métaux lourds gazeux contenus dans les effluents gazeux issus de la fusion des résidus solides, par une réaction avec un réactif basique solide. Selon une autre caractéristique du procédé de l'invention, on mélange, avant la fusion, les résidus solides à un additif pour former un mélange dont la température de fusion sera plus basse que la température de fusion des résidus seuls. Selon une particularité de l'invention, la masse sèche de l'additif est constituée d'au moins 60% en poids d'un mélange M1 d'oxydes de silicium, d'aluminium et de calcium. Selon une autre particularité de l'invention, le mélange M1 précité comprend entre environ 55% et environ 75% en poids d'oxyde de silicium, entre environ 5% et environ 30% en poids d'oxyde d'aluminium et entre environ 5% et environ 35% en poids d'oxyde de calcium. Selon encore une autre particularité du procédé de l'invention, l'additif est choisi parmi le mâchefer, la pouzzolane, le basalte. Selon une variante du procédé de l'invention, au lieu d'alimenter le four avec les résidus solides et/ou le mélange résidus solides/additif, on l'alimente avec du verre de récupération et l'on mélange les résidus solides avec le verre fondu issu du four de fusion dans un malaxeur, les étapes de condensation des sels vaporisés, de neutralisation des gaz acides et d'adsorption des vapeurs des métaux lourds étant alors supprimées. L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précédemment décrit, ce dispositif étant du type comprenant un silo de stockage et d'alimentation des produits à fondre et un four de fusion, qui est caractérisé en ce qu'après le four de fusion il est prévu un système de trempe, par exemple à fl'air, des effluents gazeux issus du four de fusion, ce système de trempe étant suivi de moyens de séparation des particules solides de la phase gazeuse tels qu'un filtre à manche ou électrostatique ou analogue, et en ce qu'un 3 2708490 malaxeur dans lequel est mélangé le liquide d'oxydes en fusion collecté sous le four de fusion et les particules solides constituées des sels, collectées sous les moyens de séparation est prévu et, est suivi d'un système de trempe, par exemple à l'eau, du mélange issu du malaxeur. Selon une particularité du dispositif de l'invention, il est prévu, entre le système de trempe et les moyens de séparation, un système de neutralisation des gaz acides par contact avec un réactif alcalin et de condensation-adsorption des métaux lourds. Selon une autre particularité du dispositif de l'invention, il est de plus prévu un deuxième silo de stockage et d'alimentation en additif du four de fusion. Le produit vitrifié solide obtenu par le procédé et/ou par le dispositif de l'invention est également un objet de l'invention. Ce produit solide vitrifié se caractérise en ce qu'il est constitué par une masse vitreuse constituée d'oxydes dans laquelle sont piégés, sous forme d'inclusions finement dispersées, des sels, tels que des chlorures de sodium, de potassium, de calcium et des sulfates de calcium ou analogue et des métaux lourds néfastes pour l'environnement. Selon une particularité du produit obtenu par le procédé et/ou le dispositif de l'invention, la masse vitreuse peut piéger une masse des sels précités pouvant allerjusqu'à une masse égale à sa propre masse. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre, faite en référence au dessin unique annexé qui représente un mode particulier de réalisation du dispositif selon l'invention. Le procédé et le dispositif de la présente invention permettent d'obtenir un mélange liquide M, constitué de deux liquides non miscibles, suffisamment visqueux pour ralentir et/ou éviter la démixtion. A cet effet, le procédé de vitrification de la présente invention consiste d'abord à chauffer les résidus solides à traiter jusqu'à la fusion puis à les refroidir rapidement afin d'obtenir un verre. Les résidus solides sont constitués d'une part de sels tels que des chlorures de sodium, de potassium, de calcium, des sulfates tels que des sulfates de calcium et, d'autre part d'oxydes tels que des oxydes de silicium, d'aluminium, de calcium, de sodium ou de potassium et des métaux lourds. La température de fusion des oxydes est supérieure à la température de fusion des sels, ce qui oblige à travailler à des températures très élevées 4 2708490 auxquelles les sels et les métaux lourds se vaporisent et/ou se décomposent et sont entraînms par les effluents gazeux produits lors de la fusion des résidus. On obtient donc en sortie de four d'une part un mélange M d'au moins deux liquides non miscibles issus du four de fusion, le premier liquide étant constitué des sels fondus non décomposés et/ou vaporisés et le second liquide étant constitué des oxydes et des métaux lourds non décomposés et/ou vaporisés et d'autre part des effluents gazeux contenant des gaz acides tels que l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique, l'acide fluorhydrique et des sels et des métaux lourds vaporisés et/ou décomposés. Le procédé de la présente invention consiste alors à condenser les sels contenus dans les effluents gazeux issus de la fusion des résidus solides, par exemple par une trempe à l'air, puis à séparer les particules solides ainsi obtenues de la phase gazeuse, par exemple dans un filtre électrostatique ou à manche ou analogue et à mélanger les particules solides, récupérées sous le système de séparation, au mélange M des deux liquides à la sortie du four de fusion, dans un malaxeur, ce malaxeur étant par exemple du genre de ceux utilisés dans l'industrie verrière pour incorporer des produits (colorants, calcin) au verre. Le liquide constitué des oxydes cède de la chaleur aux produits solides collectés sous le système de séparation, ce qui entraîne leur fusion. La température du mélange obtenu est inférieure à la température du liquide d'oxydes sortant du four. Ce mélange est suffisamment visqueux pour retenir les gouttelettes de sels fondus au sein de la matrice d'oxydes. De plus, l'agitation mécanique favorise la dispersion de ces gouttelettes. Ce mélange est alors refroidi rapidement, par exemple par une trempe à l'eau, et on obtient ainsi un produit vitrifié solide constitué d'une matrice d'oxydes au sein de laquelle les sels sont piégés. Un avantage du procédé de l'invention est que le système est auto- régulant: si la température de fusion augmente, les vaporisations et les décompositions augmentent. Et la masse de produits solides réincorporée au liquide d'oxydes sortant du four est plus importante. L'abaissement de température résultant de cette réincorporation est alors plus importante. La température du mélange effectué dans le malaxeur varie donc peu quelle que soit la température de fusion des résidus solides et donc du liquide d'oxydes obtenu en sortie du four de fusion. Ainsi, il n'est pas utile d'empêcher la vaporisation et la décomposition des sels et des métaux lourds. 2708490 En effet, la présence de gaz acides issus de la décomposition des sels du type sulfates de calcium ou chlorures alcalin ou alcalino-terreux dans l'enceinte du four de fusion et la présence de vapeur de métaux lourds difficilement condensables (par exemple des vapeurs de mercure) conduira à installer un système de traitement des gaz issus du four de fusion entre le filtre et le four de fusion. Ce système peut être par exemple, un système de traitement de fumées par voie semi-humide avec ajout de charbon actif pour piéger les vapeurs de métaux lourds. Les produits solides issus de la neutralisation et de l'adsorption sur le charbon actif sont alors mélangés aux sels, condensés lors de la trempe, collectés à la base du système de séparation pour être de la même façon que précédemment mélangés au liquide en fusion issu du four de fusion. Cependant, la fusion des résidus à traiter peut être réalisée avec l'ajout d'un additif L'utilisation d'additifs permet de diminuer la température de fusion du mélange d'oxydes donc la température de travail et par voie de conséquence d'éviter et/ou de limiter les réactions de décomposition des sels. Seules les réactions de vaporisation des sels subsistent. Un additif particulièrement approprié est un additif dont la masse sèche est constituée d'au moins 60% en poids d'un mélange M1 d'oxydes de silicium, d'aluminium et de calcium. Ce mélange M1 comprend entre environ 55% et environ 75% en poids d'oxyde de silicium, entre environ 5% et environ 30% en poids d'oxyde d'aluminium et entre environ 5% et environ 35% en poids d'oxyde de calcium. Des additifs répondant à ces critères de composition, sont en particulier le mâchefer, la pouzzolane et le basalte. En effet, avec de tels additifs, le mélange composé des oxydes des résidus solides et de l'additif se situe dans une zone du diagramme de phase ternaire SiO2-A1203-CaO à faible pente de liquidus, ce qui permet de traiter le mélange résidus/additif à une température très peu supérieure à la température de fusion de ce même mélange et par là même de limiter encore plus les réactions de décomposition et/ou de vaporisation décrites ci-dessus. Que l'on réalise la fusion des résidus seuls ou en mélange avec un additif, le produit vitrifié final obtenu pourra contenir une masse des sels polluants, tels que le chlorure de sodium, de potassium et de calcium, les sulfates de calcium ou analogues et les métaux lourds néfastes pour l'environnement, pouvant aller jusqu'à une masse égale à sa propre masse. 6 2708490 En effet, lorsque la fusion des résidus est réalisée avec un additif qui est essentiellement constitué d'oxydes, la proportion de sels dans le produit final est moins importante mais la masse de sels piégés reste la même. On peut également envisager d'utiliser du verre fondu pour réaliser l'enrobage des résidus. Le four est alors alimenté avec du verre de récupération et les résidus sont incorporés au verre fondu dans le malaxeur. En dosant convenablement la masse de verre et la masse de cendres introduites dans le malaxeur, on peut régler la température du mélange à la valeur voulue (température de fusion +30 C par exemple). Ce procédé est très souple mais son application est onéreuse du fait de l'augmentation des masses fondues constituées alors de la masse des résidus et de la masse du verre. Dans les trois variantes du procédé de l'invention décrites ci-dessus, il est prévu une canalisation d'évacuation des gaz, provenant du malaxeur soit directement, soit par l'intermédiaire du système de neutralisation des gaz acides et de condensation-adsorption des métaux lourds, vers le système de séparation des particules solides de la phase gazeuse. L'invention propose également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention dont un mode de réalisation sera maintenant décrit en référence à la figure 1 annexée. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention comprend un silo 1 de stockage et d'alimentation en produits à traiter d'un four de fusion 3. Il peut être également prévu un deuxième silo 2 de stockage et d'alimentation en additif du four de fusion 3. Le four de fusion 3 est relié d'une part à un malaxeur 7 dans lequel s'écoule par exemple par gravité le mélange en fusion obtenu dans le four de fusion 3 et d'autre part à une canalisation d'évacuation des effluents gazeux, cette canalisation menant à un système de condensation 4, par exemple par une trempe à l'air des sels vaporisés et/ou décomposés lors de cette fusion et entramînés par lesdits effluents gazeux. A la sortie de ce système de condensation 4, les gaz chauds peuvent soit aller directement, soit par l'intermédiaire d'un système 5 de neutralisation des gaz acides et de condensation-adsorption des métaux lourds gazeux par exemple sur du charbon actif, vers un système de séparation 6 de la phase gazeuse des particules solides ainsi obtenues. Ce système de séparation 6 peut être par exemple un filtre électrostatique ou à manche ou analogue. 7 2708490 Lorsque le système de neutralisation est présent, il est particulièrement préféré un système de neutralisation par voie semi- humide avec injection d'une suspension d'un réactif alcalin. Les effluents gazeux sont à ce stade suffisamment chauds pour vaporiser l'eau de la suspension et la réaction de neutralisation est réalisée avec le réactif alcalin solide. On obtient d'une part des effluents gazeux entraînant les particules solides les plus fines et d'autre part un produit solide que l'on récupère sous le système de neutralisation 5 et que l'on renvoie au malaxeur 7. De la même façon, on collectera sous le système 6 de séparation les produits solides obtenus que l'on renverra également au malaxeur 7. Tous ces produits solides sont ensuite mélangés au mélange en fusion issu du four de fusion 3 qui leur cédera une partie de sa chaleur ce qui permet d'obtenir un mélange M de deux liquides non miscibles suffisamment visqueux pour retenir les gouttelettes de sels fondus au seins du liquide essentiellement constitué d'oxydes provenant du four de fusion. A la sortie du malaxeur 7, il sera prévu un système de trempe du liquide en fusion, par exemple à l'eau et l'on obtiendra en sortie du dispositif un produit vitrifié 8 solide constitué d'une matrice d'oxydes au sein de laquelle sont piégés, sous forme d'inclusions finement dispersées, les polluants nocifs pour l'environnement Le malaxeur 7 est de plus relié par une canalisation au système de neutralisation ou au système de séparation 6 lorsque le système 5 de neutralisation est absent afin de retraiter les gaz issus de malaxeur 7. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et illustrés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. Au contraire, l'invention comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont effectuées suivant son esprit. 8 2708490 REVENDICATIONS 1. Procédé de vitrification de résidus solides issus de l'incinération de déchets ménagers et/ou industriels du type consistant à chauffer lesdits résidus jusqu'à la fusion puis à réaliser une trempe, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: - fusion des résidus solides dans un four, - condensation des sels vaporisés et entraînés dans les gaz issus de cette fusion par exemple par une trempe à l'air, - séparation de la phase gazeuse, des sels condensés, par filtration dans un filtre électrostatique ou à manche ou analogue, - mélange dans un malaxeur des produits issus de la filtration avec le liquide en fusion issu du four de fusion, ce par quoi on obtient un mélange de deux liquides, dont l'un est constitué des oxydes et l'autre des sels, suffisamment visqueux pour retenir les sels et polluants fondus, sous forme de fine gouttelettes, au sein du liquide constitué des oxydes en fusion, ce mélange une fois refroidi rapidement menant à l'obtention d'une matrice solide au sein de laquelle les sels polluants sont piégés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé à ce qu'avant l'étape de filtration, on réalise une étape de neutralisation des gaz acides et de condensation-adsorption des métaux lourds gazeux. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'avant la fusion, on mélange au résidu solide un additif pour former un mélange M dont la température de fusion sera plus basse que la température de fusion des résidus seuls. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse sèche de l'additif est constituée d'au moins 60% en poids d'un mélange Ml d'oxyde de silicium, d'aluminium et de calcium. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le mélange M1 précité comprend entre environ 55% et environ 75% en poids de SiO2, entre environ 5% et environ 30% en poids de A1203 et entre environ 5% et environ % en poids de CaO. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'additif est choisi parmi le mâchefer, la pouzzolane, le basalte. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au lieu d'alimenter le four avec les résidus solides et/ou le mélange résidus 9 2708490 solides/additif, on l'alimente avec du verre de récupération et que l'on mélange les résidus solides avec le verre fondu dans le malaxeur (7), les étapes de condensation de sels vaporisés, de neutralisation des gaz acides et d'adsorption des vapeurs de métaux lourds étant alors supprimées. 8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 7, du type comprenant un silo (1) de stockage et d'alimentation des produits à fondre et un four de fusion (3) caractérisé en ce qu'après le four de fusion (3), il est prévu: - un système (4) de trempe, par exemple à l'air, des effluents gazeux issus du four de fusion (3), suivi de moyens de séparation (6) des particules solides de la phase gazeuse tels qu'un filtre à manche ou électrostatique ou analogue, - un malaxeur (7) dans lequel sont mélangés le liquide en fusion collecté sous le four de fusion (3) et les particules solides collectées sous les moyens de séparation (6), suivi d'un système de trempe, par exemple à l'eau, de ce mélange en fusion. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'entre le système (4) de trempe et les moyens de séparation (6), il est prévu un système (5) de neutralisation des gaz acides par un réactif alcalin solide et de condensation-adsorption des métaux lourds. 10. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il est de plus prévu un deuxième silo (2) de stockage et d'alimentation en additif du four de fusion (3). 11. Produit vitrifié solide (8) obtenu par le procédé selon l'une des revendications 1 à 7 et/ou par le dispositif selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'il est constitué par une masse vitreuse constituée d'oxydes dans laquelle sont piégés, sous forme d'inclusions fminement dispersées, des sels tels que des chlorures de sodium, de potassium de calcium et des sulfates de calcium ou analogues et, des métaux lourds néfastes pour l'environnement. 12. Produit selon la revendication 11, caractérisé en ce que la masse vitreuse peut piéger une masse des sels précités pouvant aller jusqu'à une masse égale à sa propre masse.