Brevet FR2716524A1 — publié le 19950825

Procédé et dispositif de traitement de déchets hétérogènes. La présente invention concerne un procédé de traitement de déchets hétérogènes par introduction dans la partie supérieure d'un four de combustion à sole inclinée pour en séparer a) des matières minérales qui fondent et s'écoulent le long de la sole inclinée et sont introduites par gravité dans un bain d'eau de trempe amenant leur vitrification, puis recueillies, b) des fumées chargées de particules fines qui sont envoyées de la partie supérieure du four à une post-combustion d'élimination des suies carbonées et de craquage des produits gazeux nocifs, puis évacuées à l'atmosphère après traitement. Elle s'étend en outre à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. On sait que les techniques de vitrification dans un four à sole inclinée conviennent particulièrement bien à la vitrification de déchets de matières minérales contenant des proportions notables de métaux lourds nuisibles à l'environnement, tels que cuivre, zinc, cadmium, plomb, par exemple des cendres volantes provenant d'usines d'incinération par exemple d'ordures ménagères. Toutefois, quand ces déchets ont une forte teneur en carbone, comme dans le cas des boues de stations d'épuration d'effluents liquides résiduaires, il est difficile d'obtenir simultanément une bonne fusion des matières minérales et une bonne combustion des matières carbonées. I1 s'est avéré que de tels déchets ne donnent naissance à des matières vitrifiées et à des fumées non nuisibles pour l'environnement que si la combustion s'effectue à une température élevée, si l'atmosphère est suffisamment oxydante et si les fumées ont séjourné pendant une durée suffisante dans l'enceinte de combustion. L'expérience a montré qu'une température minimale de 1200'CI une atmosphère à au moins 6% d'oxygène et un temps de séjour d'au moins 2 secondes pouvaient être considérés comme suffisants, et une réglementation a été instaurée dans ce sens. Il faut par ailleurs assurer une turbulence suffisante dans le foyer, car si elle est insuffisante il se forme des produits de pyrolyse, notamment des suies, qu'il est extrêmement difficile d'éliminer par la suite et qui vont s'accumuler dans les appareils de traitement de fumées. En ce qui concerne les matières minérales & vitrifier, il faut en assurer la captation sur la sole inclinée, puis leur refroidissement et leur évacuation, concurremment à la postcombustion des fumées à au moins 1200'C. Ces dernières doivent par ailleurs traverser au cours de leur refroidissement la zone de température de 600 C à 300 C, qui est reconnue comme propice à la formation de dioxines et de furanes. Parmi les procédés et dispositifs proposés à ce jour, le document FR-A-2675884 décrit un procédé comportant l'introduction des déchets par une zone de chargement horizontale, leur combustion dans une zone munie de buses d'injection d'air, puis l'écoulement des matières minérales en fusion dans une zone de fusion à sole inclinée, dans la flamme d'un électrobrûleur, jusqu'à une poche de collecte, et leur débordement par un trop-plein vers un bassin d'eau où elles se fractionnent en morceaux vitrifiés. Par ailleurs, les fumées s'élèvent au-dessus de la zone de fusion vers une zone de post-combustion. Ce procédé ne permet pas d'obtenir des matières vitrifiées qui soient suffisamment exemptes de composés minéraux nuisibles à l'environnement, ni des fumées de la zone de post-combustion suffisamment exemptes de fines et de produits gazeux nocifs. Il a aussi été proposé dans l'article "inertage des résidus solides de combustion" publié dans le METALLWIRTSCHAFTS JOURNAL 1-1989 n7-8 et rédigé par la société Kubota un procédé de traitement de déchets comportant leur introduction sur le pourtour d'une cuve tournante munie dans son axe d'un brûleur pour former un cône de matières solides. Les matières minérales fondues s'écoulent sur la périphérie interne de cette cuve vers un orifice central d'évacuation, concurremment aux fumées, vers une zone de post-combustion. Les matières minérales sont soumises à une trempe dans l'eau, puis évacuées, et les fumées sont évacuées latéralement, puis vers des refroidisseurs et des filtres. Un tel procédé, s'il convient assez bien pour le traitement de déchets de granulométrie déterminée, ne donne pas de bons résultats avec des déchets hétérogènes à granulométrie très variée et ne permet pas une évacuation continuera moins d'enlever les dépôts formés lors du transport horizontal. Le procédé etsle dispositif de l'invention ont pour but de permettre le traitement de déchets de natures très diverses, de granulométries variées, pouvant contenir une proportion très importante de matières carbonées, en respectant les conditions minimales de température, de teneur de l'atmosphère en oxygène et de temps de séjour lors de la post-combustion qui se sont avérées nécessaires pour obtenir des fumées évacuées à l'air libre suffisamment exemptes de fines et de produits gazeux nocifs. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce que l'on effectue la post-combustion des fumées à une température au moins égale à 1200-C pendant au moins 2 secondes en atmosphère contenant au moins 6% d'oxygène en écoulement tourbillonnaire de direction générale vers le bas, puis les fait passer dans un bain d'eau de trempe, et recueille d'une part au fond du bain des matières minérales vitrifiées, d'autre part au-dessus du bain des fumées au moins partiellement épurées. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes: - On soumet les fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain d'eau de trempe relié au bas de la zone de post-combustion à un lavage par un liquide formé au moins en partie par de l'eau du bain de trempe recyclée après décantation. - Le bain de trempe est additionné d'un additif de neutralisation des gaz acides des fumées. - On soumet les fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain'de trempe à une épuration des vésicules liquides entrainées. - On introduit d'une part dans le haut du four de combustion à sole inclinée des mâchefers résiduaires d'une zone de gazéification partielle de déchets, et d'autre part dans le haut de la zone de post-combustion des déchets de granulométrie fine. Cette autre configuration présente l'avantage de réduire la consommation de gaz naturel nécessaire à la fusion des résidus par l'intégration de la combustion du gaz apportant la chaleur de combustion pour la fusion et l'augmentation de température dans le four de post-combustion. - On effectue la gazéification partielle préalable de déchets à température modérée, inférieure à l000 C, en présence d'une quantité d'air comburant inférieure aux proportions stoechimétriques, t l'on envoie les mâchefers résiduaires de cette gazéification préalable dans le haut du four de combustion, et les gaz de cette gazéification préalable dans le haut de la zone de post-combustion. - On introduit en outre dans la partie supérieure du four de combustion des boues de stations d'épuration. - On introduit dans le four de combustion et/ou dans le haut de la zone de post-combustion un additif fondant d'amélioration des propriétés physico-chimiques et mécaniques des matières minérales vitrifiées. L'invention s'étend de plus à un dispositif de traitement de déchets hétérogènes par le procédé défini cidessus, comprenant: a) un four à sole inclinée, muni dans sa partie supérieure d'une ouverture d'introduction de déchets à incinérer et d'une ouverture d'évacuation de fumées, et dans sa partie inférieure d'un brûleur, d'une poche de recueil de matières minérales fondues et d'un trop-plein et d'un conduit d'évacuation de celles-ci, débouchant dans un bac d'eau de trempe, b) une enceinte de post-combustion des gaz et particules, munie d'une ouverture tangentielle d'admission de ceux-ci et à son extrémité opposée d'une ouverture pour leur évacuation, caractérisé en ce que l'enceinte de post-combustion est allongée verticalement, munie à son extrémité supérieure d'au moins un brûleur dirigé vers le bas, et à son extrémité inférieure d'un conduit d'admission dans un bac d'eau de trempe, comportant dans son fond un orifice d'évacuation de matières minérales vitrifiées et dans une zone supérieure des moyens d'évacuation de fumées au moins partiellement épurées au-dessus du bain d'eau de trempe, la puissance du brûleur et les dimensions de l'enceinte de post-combustion étant telles que les fumées y séjournent au moins 2 secondes à une température au moins égale à 1200C en atmosphère contenant au moins 6% d'oxygène. Ce dispositif répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes: - Son bac d'eau de trempe au-dessous de l'enceinte de postcombustion comporte des moyens de lavage des fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain d'eau de trempe, et éventuellement en aval des moyens de lavage des organes d'élimination des vésicules d'eau entrainées par ces fumées. - Il comprend dans le haut du four de combustion une ouverture d'admission de mâchefers résiduaires, et dans le haut de son enceinte de post-combustion une ouverture d'admission de déchets de granulométrie fine, ces ouvertures étant éventuellement reliées aux évacuations d'un four de gazéification partielle préalable de déchets à température modérée, inférieure à 1000-C. - Son four de combustion comporte en outre dans sa partie inférieure une ouverture d'introduction de boues de stations d'épuration. - I1 comporte en outre dans la partie inférieure de son four de combustion et/ou dans la partie supérieure de son enceinte de post-combustion une ouverture d'introduction d'un additif fondant d'amélioration des propriétés physicochimiques et mécaniques des matières minérales vitrifiées. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures schématiques du dessin annexé, des dispositifs de traitement de déchets selon l'invention. La figure 1 représente un dispositif de traitement de déchets selon l'invention. La figure 2 représente un dispositif de traitement de déchets combiné avec un four tournant de combustion préalable en présence d'air en proportion inférieure à la quantité stoechimétrique. Dans la figure 1 le dispositif se compose de quatre zones de traitement, assurant chacune d'elles une fonction propre: - La zone I assure l'introduction par gravité des déchets à vitrifier, mélangés à des résidus carbonés. - La zone II assure la fusion des matières minérales des déchets et leur évacuation vers un bac de trempe et de granulation. - La zone III est la zone de post-combustion des fumées et des fines particules fondues provenant de la zone I. - La zone IV est une zone de trempe et de lavage des gaz. Le four 1 à sole inclinée 2 est muni d'un brûleur 3 en vis-à-vis du bas de la sole inclinée, formant collecteur de cendres liquides 5. Une tubulure 4 permet l'introduction des déchets. A côté du collecteur de cendres liquides 5, un trop-plein permet leur évacuation par l'intermédiaire d'un conduit 6 vers un bac 7 rempli d'eau formant un bain 8 de trempe et de granulation. Les granules vitrifiés collectés dans le fond du bac sont évacués par un orifice 9 et un conduit 10 vers un bac décanteur 11. Les granulats décantés sont évacués par une trappe 12 dans le fond du bac décanteur et peuvent être envoyés à la décharge, car non lixiviables. Du liquide clair séparé est envoyé par une pompe 13 et un conduit 13A, après adjonction par un conduit 13B d'un appoint, vers le bac 7. Par ailleurs, les particules très fines des déchets subissent dans la zone I du four 1, à une température entre 800 et 1000*C environ, une fusion superficielle immédiate, cependant que les produits carbonés des déchets y sont pyrolysés et transportés par le conduit 14 vers la zone III de post-combustion. Cette dernière est formée par une chambre verticale 15 munie dans sa paroi supérieure d'un brûleur axial 16 (ou éventuellement de plusieurs brûleurs axiaux ou tangentiels) et éventuellement pourvue d'une injection d'air supplémentaire 16A pour assurer une post-combustion complète. Les fines particules fondues et les produits de pyrolyse et fumées provenant de la zone II du four 1 pénétrent de façon tangentielle par un ou plusieurs conduits tels que 15A, horizontaux ou inclinés vers le bas pour favoriser l'écoulement par gravité des produits fondus. La chambre 15, du fait de sa géométrie verticale, se prête à l'écoulement des cendres le long de ses parois. Sa température est ajustée à 1200 C ou au-dessus, jusqu'à 1400'C environ, en fonction notamment de la fusibilité des cendres. L'introduction tangentielle des gaz et solides dans cette chambre assure un écoulement tourbillonnaire et un temps de séjour des gaz d'au moins 2 secondes. Le débit d'air introduit par le brûleur 16 est calculé pour que l'atmosphère soit à au moins 6% en volume d'oxygène. Le carbone résiduel des suies et des gaz y est brûlé, et les molécules complexes formées dans la zone I, telles que les substances organochlorées, les dioxines, les furanes ou les hydrocarbures aromatiques polycycliques, y sont détruites. Le bas de la zone III comporte un col en réfractaire 36, suivi d'un conduit 17, par où s'écoulent en courants parallèles les cendres et les gaz vers la zone IV, de trempe et de lavage, disposée au-dessous de la zone III. Dans la zone IV, le conduit 17 se prolonge en un tube plongeur qui pénétre dans le bain d'eau 18 à l'intérieur du bac 19. Ce bain assure la granulation des cendres vitrifiées et la trempe des fumées au-dessous de la zone de température de 600'C à 300'C qui permettrait une certaine reformation de dioxines et de furanes. I1 est possible d'injecter dans ce bain un additif alcalin (soude ou ammoniaque) permettant de limiter la teneur en oxydes d'azote et en anhydride sulfureux des fumées à la sortie du bain. Les solides vitrifiés sédimentent en bas du bac et sont extraits par la trappe 20 et amenés par le conduit 21 au bac décanteur 11. Les granulats décantés sont évacués par la trappe 12, avec ceux provenant du bac 7. Du liquide clair séparé est renvoyé par le conduit 22 et la pompe 22A vers des pulvérisateurs 24 au-dessus du bain 18. Ces pulvérisateurs complètent la séparation des fines particules, et éventuellement la neutralisation des fumées par adjonction à l'eau recyclée du conduit 22 de soude ou d'ammoniaque. Les fumées lavées passent par le conduit de sortie latéral 25 dans le séparateur dévésiculeur 26, muni dans sa partie supérieure de blocs de lames perforées 27 arrêtant par choc les vésicules liquides. Le liquide ruisselant de ces lames est recyclé par le conduit 23 et la pompe 28 au conduit 22 d'alimentation des pulvérisateurs 24. Les organes dévésiculeurs peuvent éventuellement être disposés dans la zone IV, au-dessus des pulvérisateurs 24. Les fumées séchées se rendent en tête du séparateur 26 par le conduit 29 aux filtres 30, puis sont évacuées & la cheminée 31. Les fines séparées dans les filtres 30 sont recyclées. Lorsque l'on dispose de produits à vitrifier de granulométrie fine permettant un régime d'écoulement en lit transporté, il est possible de les introduire directement dans la zone III, en tête de la chambre 15, par un ou des conduits tels que 32. Si nécessaire, on peut injecter des agents fondants, tels que chaux, silice, silicates, dans les zones II et III par des conduits tels que 33, 34 ou 34A, pour enrichir la matrice minérale, par exemple en silice, afin d'améliorer les caractéristiques physico-chimiques et mécaniques de la matrice d'enrobage des métaux nocifs, notamment la fusibilité, la résistance à la lixiviation, la densité et la tenue dans le tempstdes granulats solides. Les brûleurs utilisés peuvent être à air, à air enrichi en oxygène ou des électrobrQleurs. On peut encore introduire directement des boues de stations d'épuration d'effluents liquides et des cendres volantes d'usines d'incinération de déchets directement dans la zone III, et simultanément des mâchefers de telles usines d'incinération en zone I. Il est décrit ci-après en référence à la figure 2 un dispositif de traitement de déchets de ce genre. Les appareillages identiques à ceux de la figure 1 y sont désignés par les mêmes chiffres de référence, et ne sont pas décrits à nouveau. Les déchets à traiter sont introduits en 40 par des organes tels qu'un poussoir dans le four tournant de combustion 41, alimenté en air de combustion en débit inférieur à la quantité stoechimétrique, par exemple dans un rapport de 90% par rapport à la stoechiométrie, et fonctionnant sous une température de l'ordre de 850C. Ce four tournant 41 constitue une zone de gazéification partielle des déchets. Il s'y forme des mâchefers riches en carbone, qui sont amenées alors par un dispositif schématisé par le conduit 42 à l'orifice d'admission 4 du four à sole inclinée. Par ailleurs, une partie des fumées formées de gaz comprenant de l'oxyde de carbone, de l'hydrogène et des hydrocarbures, ainsi que de suies, sont envoyées par le conduit 43 en tête de la chambre de post-combustion 15 par des orifices tangentiels tels que 32 pour y être traités en même temps que les fines particules fondues et les produits de pyrolyse introduits par le conduit 15A. Le complément des gaz peut être envoyé par le conduit 44 vers une chambre de post-combustion suivie d'une chaudière de récupération. Les dispositifs de traitement selon Invention tels que ceux décrits en référence aux figures 1 et 2 permettent d'utiliser comme combustible la teneur en carbone résiduel des déchets et ainsi de réduire la consommation de combustible d'appoint. Cette consommation est encore diminuée si l'on introduit directement dans la zone de postcombustion III des boues de station d'épuration et des cendres volantes d'usines d'incinération de déchets, et en zone I des mâchefers provenant de telles usines d'incinération, selon le schéma de la figure 2. Selon l'utilisation finale des produits vitrifiés, le mode de refroidissement par trempe en 8 et 18 pourrait être remplacé par un bac de céramisation dans lequel des additifs sont ajoutés dans les produits fondus avant refroidissement contrôlé à l'air. Par ailleurs, plusieurs chambres de combustion telles que le four 1 pourront être associées à une seule chambre de post-combustion 15. REVENDICATIONS 1/ Procédé de traitement de déchets hétérogènes par introduction dans la partie supérieure d'un four de combustion (1) à sole inclinée (2) pour en séparer a) des matières minérales qui fondent et s'écoulent le long de la sole inclinée et sont introduites par gravité dans un bain d'eau de trempe (8) amenant leur vitrification, puis recueillies, b) des fumées chargées de particules fines qui sont envoyées de la partie supérieure du four à une post-combustion (15) d'élimination des suies carbonées et de craquage des produits gazeux nocifs, puis évacuées à l'atmosphère (31) après traitement, caractérisé en ce que l'on effectue la post-combustion des fumées à une température au moins égale à 1200 C pendant au moins 2 secondes en atmosphère contenant au moins 6% d'oxygène en écoulement tourbillonnaire de direction générale vers le bas, puis les fait passer dans un bain d'eau de trempe (18), et recueille d'une part au fond du bain des matières minérales vitrifiées, d'autre part audessus du bain des fumées au moins partiellement épurées. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on soumet les fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain d'eau de trempe relié au bas de la zone de post-combustion à un lavage (24) par un liquide formé au moins en partie par de l'eau du bain de trempe recyclée après décantation. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le bain de trempe est additionné d'un additif de neutralisation des gaz acides des fumées. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on soumet les fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain de trempe à une épuration des vésicules liquides entrainées (26). 5/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on introduit d'une part dans le haut du four de combustion à sole inclinée des mâchefers résiduaires d'une zone de gazéification partielle préalable de déchets, et éventuellement d'autre part dans le haut de la zone de postcombustion (15) des déchets de granulométrie fine. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on effectue la gazéification partielle préalable de déchets à température modérée, inférieure à 1000'C, en présence d'une quantité d'air comburant inférieure aux proportions stoechimétriques, et en ce que l'on envoie les mâchefers résiduaires de cette gazéification préalable dans le haut du four de combustion, et les gaz de cette gazéification préalable dans le haut de la zone de postcombustion. 7/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on introduit en outre dans la partie supérieure du four de post-combustion des boues de stations d'épuration. 8/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on introduit dans le four de combustion et/ou dans le haut de la zone de post-combustion un additif fondant d'amélioration des propriétés physico-chimiques et mécaniques des matières minérales vitrifiées. 9/ Dispositif de traitement de déchets hétérogènes par le procédé selon la revendication 1, comprenant a) un four (1) à sole inclinée (2), muni dans sa partie supérieure d'une ouverture (4) d'introduction de déchets à incinérer et d'une ouverture (14) d'évacuation de fumées, et dans sa partie inférieure d'un brûleur (3), d'une poche (5) de recueil de matières minérales fondues et d'un trop-plein et d'un conduit (6) d'évacuation de celles-ci, débouchant dans un bac d'eau de trempe (7), b) une enceinte (15) de post-combustion des gaz et particules, munie d'une ouverture (15A) tangentielle d'admission de ceux-ci et à son extrémité opposée d'une ouverture (16) pour leur évacuation, caractérisé en ce que l'enceinte (15) de post-combustion est allongée verticalement, munie à son extrémité supérieure d'au moins un brûleur (16) dirigé vers le bas, et à son extrémité inférieure d'un conduit (17) d'admission dans un bac (19) d'eau de trempe, comportant dans son fond un orifice (20) d'évacuation de matières minérales vitrifiées et dans une zone supérieure des moyens d'évacuation de fumées au moins partiellement épurées au-dessus du bain d'eau de trempe (18), la puissance du brûleur et les dimensions de l'enceinte de post-combustion étant telles que les fumées y séjournent au moins 2 secondes à une température au moins égale à 1200'C en atmosphère contenant au moins 6% d'oxygène. 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que son bac d'eau de trempe au-dessous de l'enceinte de post-combustion comporte des moyens (24) de lavage des fumées au moins partiellement épurées recueillies au-dessus du bain d'eau de trempe, et éventuellement en aval des moyens de lavage des organes (26, 27) d'élimination des vésicules d'eau entrainées par ces fumées. 11/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce qutil comprend dans le haut du four de combustion une ouverture (4) d'admission de mâchefers résiduaires, et dans le haut de son enceinte de post-combustion une ouverture (32) d'admission de déchets de granulométrie fine, ces ouvertures étant éventuellement reliées aux évacuations d'un four (41) de gazéification partielle préalable de déchets à température modérée, inférieure à 1000C. 12/ Dispositif selon les revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que son four de post-combustion comporte en outre dans sa partie suprieure une ouverture (34A) d'introduction de boues de stations d'épuration de déchets. 13/ Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre dans le four de combustion et/ou dans la partie supérieure de son enceinte de post-combustion une ouverture (34) d'introduction d'un additif fondant d'amélioration des propriétés physicochimiques et mécaniques des matières minérales vitrifiées.