Brevet FR2717249A1 — publié le 19950915

La présente invention concerne l'épuration de fumées à haute température comprenant de la vapeur d'eau, des polluants acides tels que des halogénures d'hydrogène, et des métaux lourds. L'invention a trait à l'épuration des fumées provenant d'un incinérateur à fusion et vitrification de déchets, notamment les déchets dangeureux tels que les déchets industriels toxiques et les cendres issues de l'incinération de déchets ménagers. Un traitement connu des fumées consiste à les refroidir au moyen d'un récupérateur de chaleur à une température compatible avec leur passage dans un filtre apte à retenir les particules solides, et à traiter ensuite les fumées dépoussiérées dans une installation de lavage des gaz pour extraire les polluants acides et une partie des métaux lourds gazeux, avant le rejet des fumées dans l'atmosphère. Les fumées issues des incinérateurs à fusion et vitrification des déchets présentent une température élevée, pouvant atteindre 1250 C, et le récupérateur de chaleur doit être conçu spécialement et réalisé dans des matériaux résistant à la température et à la corrosion, donc coûteux On a proposé pour pallier à cet inconvénient de refroidir les fumées par effet de dilution en injectant de l'air dans celles-ci, mais cette solution présente l'inconvénient d'augmenter la quantité des gaz à traiter. Par ailleurs, le refroidissement des fumées, avant l'envoi dans les filtres, provoque une adsorption des métaux lourds et de substances organiques, telles que des dioxines et furannes, sur les particules solides qui exigent alors, une fois extraites des fumées, des précautions particulières pour leur conditionnement et leur stockage. Les installations connues produisent ainsi un volume important de résidus solides toxiques dont la manutention et le stockage sont coûteux. Par ailleurs, ce traitement connu ne permet d'éliminer de façon satisfaisante, vis-à-vis des normes à respecter, certains polluants, notamment le mercure, les dioxines et les furannes. On a proposé, pour pallier à cette insuffisance, d'injecter après le lavage des fumées, des poudres de charbons actifs dans les fumées épurées et réchauffées, puis de filtrer ces dernières pour récupérer les charbons actifs ayant adsorbés ces polluants. Outre le côut supplémentaire dû à l'utilisation de charbons actifs, on augmente également la quantité de résidus solides toxiques à stocker. L'invention a pour objet de remédier à ces inconvénients et vise à proposer une installation d'épuration de fumées qui soit de construction et d'utilisation moins coûteuses que les installations connues, qui permette le traitement de fumées émises à haute température, ainsi que la récupération des métaux lourds en vue de leur valorisation. La présente invention y parvient grâce à une installation d'épuration de fumées issues d'un incinérateur à fusion et vitrification de déchets, ces fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides, des particules solides et des métaux lourds, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un refroidisseur-condenseur apte à refroidir les fumées à une température inférieure à leur température de rosée, de manière à capter les métaux lourds dans les condensats en même temps que les polluants acides, - un filtre pour récupérer les particules solides en aval du refroidisseur condenseur et avant le rejet des fumées épurées dans l'atmosphère, les particules solides étant renvoyées vers l'incinérateur, et - une unité de traitement des condensats, apte à précipiter les métaux lourds pour récupérer un précipitat. L'invention a-ainsi pour objet un procédé d'épuration de fumées à haute température issues d'un incinérateur à fusion et vitrification de déchets, ces fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides, des particules solides et des métaux lourds, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à refroidir les fumées dans un refroidisseur-condenseur en dessous de leur point de rosée pour capter les métaux lourds dans les condensats en même temps que les polluants acides, à envoyer les fumées dans un filtre apte à récupérer les particules solides avant le rejet des fumées épurées dans l'atmosphère, les particules solides récupérées par le filtre étant renvoyées vers l'incinérateur pour y être fondues et vitrifiées et les condensats étant traités pour obtenir un précipitat contenant les métaux lourds. De préférence, le refroidissement des fumées s'effectue par contact avec une solution aqueuse dispersée dans une enceinte de refroidissement jusqu'à une température proche de leur température de rosée, puis par contact direct des fumées avec une solution aqueuse dispersée dans une colonne à pulvérisation et maintenue, grâce à un échangeur de chaleur, à une température inférieure à ladite température de rosée des fumées, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées par condensation par mélange en même temps que la captation des polluants acides. Avantageusement, une fraction du précipitat est renvoyée vers l'incinérateur en vue d'obtenir à chaque fois des préapitats à teneur de plus en plus élevée en métaux lourds, en vue de leur valorisation, ce qui permet d'éviter leur stockage. Dans le cas où les fumées présentent une teneur élevée en mercure, on piège ce dernier en traitant les condensats, préalablement neutralisés et débarrassées de matières en suspension, par échange d'ions, puis on précipite les métaux lourds pour former un précipitat exempt de mercure dont une fraction peut être renvoyée vers l'incinérateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel: - la figure 1 est une vue d'ensemble d'une installation d'épuration conforme à l'invention, - la figure 2 montre de façon détaillée une partie de l'installation représentée sur la figure 1, et - la figure 3 montre une variante de réalisation de l'installation représentée sur la figure 1, destinée plus particulièrement au traitement des fumées à haute teneur en mercure. L'installation 2 représentée sur la figure 1 est destinée au traitement d'un flux 1 de fumées issues d'un incinérateur 3 de déchets, par exemple du type comprenant une poche de fusion des déchets sous l'action d'une torche à plasma ou d'un électrobrûleur, en vue de leur vitrification. Les fumées à traiter véhiculent des particules solides, des métaux lourds particulaires, renferment de la vapeur d'eau formée durant la combustion des déchets, des polluants acides tels que des halogénures d'hydrogène, des polluants organiques et des métaux lourds gazeux. La température des fumées est élevée, pouvant atteindre 1250"C. Le flux 1 de fumées est envoyé dans un refroidisseur-condenseur comprenant une enceinte de refroidissement 6 dans laquelle est pulvérisée une solution aqueuse pour refroidir rapidement les fumées à une température proche de leur température de rosée. Ce refroidissement rapide permet d'éviter l'adsorption des métaux lourds sur les particules solides et la formation de dioxines ou de furannes. Après traversée de l'enceinte de refroidissement 6, les fumées sont envoyées dans un condenseur par mélange où elles sont refroidies à une température inférieure à leur température de rosée, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées lors de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans ces dernières, en même temps que la captation des polluants acides et de particules solides solubles. le condenseur par mélange est constitué par une colonne de pulvérisation 7, ce qui permet de traiter des fumées véhiculant des quantités importantes de particules solides. Une solution aqueuse 8, dont la température est maintenue inférieure à la température de rosée des fumées, est pulvérisée dans la colonne 7 à contre-courant des fumées. Plus précisément, comme représenté sur la figure 2, la solution aqueuse est pulvérisée au moyen de buses 9 disposées de façon étagée dans la colonne 7 pour créer des nappes de liquide dans celle-ci, de façon connue en soi. les fumées traversent successivement les nappes de solution aqueuse pulvérisée et la vapeur d'eau qu'elles contiennent se condense au contact des fines gouttelettes de solution aqueuse 8, avec absorption des polluants acides. La quasi totalité des métaux lourds est ainsi captée dans les condensats acides formés. L'élimination des métaux lourds est facilitée par l'acidité de la solution aqueuse, due à la dissolution dans celle-ci des gaz acides contenus dans les fumées. Les buses 9 sont alimentées par un circuit d'alimentation 12 comprenant une pompe 1 1 pour prélever en 10 la solution aqueuse à la base de la colonne 7 et un échangeur de chaleur 13 situé en aval de la pompe 11. Des vannes 14 sont placées en série avec les buses 9 de manière à régler le débit de chacune d'elles à la valeur souhaitée. L'échangeur de chaleur 13, de préférence un échangeur à plaques, est adapté à réaliser un échange de chaleur entre la solution aqueuse circulant dans le circuit d'alimentation 12 et de l'eau d'un circuit secondaire 15 de refroidissement, dont la température est bien entendu inférieure à la température souhaitée pour la solution aqueuse à pulvériser. De préférence, la colonne 7 est équipée, de façon connue en soi, à sa partie supérieure, d'un dévésiculeur 20 destiné à retenir les gouttelettes de liquide entraînées par les fumées quittant celle-ci en 21. Ce dévésiculeur 20 est nettoyé, lorsque la perte de charge à sa traversée est supérieure à un seuil donné, par précipitation d'eau au moyen d'une buse 41, reliée par l'intermédiaire d'une vanne 42, à un réseau d'eau de ville 43. L'enceinte de refroidissement 6 permet l'emploi, pour la construction de la colonne 7, d'un matériau de tenue à la température moindre que celle exigée pour l'enceinte 6, soumise à des fumées de température plus élevée. Le coût global de l'installation est ainsi réduit. La solution aqueuse est pulvérisée dans l'enceinte 6 au moyen d'une ou plusieurs buses 16. De préférence, comme représenté, ces buses 16 sont alimentées par un circuit 29 comprenant une pompe 17 pour prélever la solution aqueuse 8 dans la colonne 7 au fond de celle-ci en 18, en un point situé au plus bas de la colonne 7, en deçà du niveau du point de prélèvement 10 précité. Un clarificateur d'eau 40 est inséré dans le circuit 29 pour enlever une majeure partie des résidus solides contenus dans la solution aqueuse 8 et tendant à se déposer dans le fond de la colonne 7. Ces résidus solides à faible teneur en métaux lourds sont évacués en 39 vers l'incinérateur 3 pour y être fondus et vitrifiés. Les fumées refroidies à une température proche de leur température de rosée quittent l'enceinte 6 avec la solution pulvérisée par les buses 16 pour déboucher tangentiellement dans la colonne 7 sous les buses 9. La solution aqueuse 8 circule pour sa majeure partie en circuit fermé. Toutefois, un circuit de purge 23 permet d'effectuer par surverse des soutirages lorsque la concentration de celle-ci en métaux lourds ou autres polluants extraits des fumées est élevée, et une alimentation en eau 22 permet de secourir le cas échéant l'alimentation des buses 16. Cette alimentation 22, reliée d'un côté à une bache à eau ou à un réseau d'incendie, se raccorde de l'autre, par l'intermédiaire d'une vanne 24, en un point 25 situé sur le circuit 23 en amont des buses 16 et isolé de la pompe 17 par un clapet anti-retour 26. Le circuit de purge 23, débouchant dans la colonne 7 au-dessus du niveau des points de prélèvement 10 et 18, permet d'effectuer des soutirages des polluants acides extraits des fumées, ainsi que, le cas échéant, des hydrocarbures et des matières en suspension. La buse 41 est alimentée en eau pour compenser les pertes en solution aqueuse, notamment dans le cas où les quantités soutirées sont supérieures à la quantité de vapeur d'eau, contenue dans les fumées, qui est condensée. Le fond de la colonne, pentu, est équipé d'une rampe 27, alimentée par l'intermédiaire d'une vanne 28 en air comprimé de faible pression pour agiter la solution aqueuse avant le démarrage de l'installation. Les fumées 21 débarrassées des halogénures d'hydrogène et des métaux lourds quittent la colonne 7 et sont envoyées vers un filtre 60, de préférence un filtre humide, par exemple un électrofiltre humide. Dans le cas où l'on utilise un filtre sec, par exemple un filtre à manche ou un électrofiltre sec, les fumées sont envoyées préalablement dans un réchauffeur 50 comprenant par exemple un brûleur au propane 51 et destiné à sécher les particules solides véhiculées par les fumées 21, de façon à éviter le colmatage du filtre. Les particules solides retenues en 62 par le filtre 60, qui contiennent très peu ou pas de métaux lourds, et qui sont notamment quasi exemptes de mercure, sont avantageusement renvoyées vers l'incinérateur pour être fondues et vitrifiées. Ainsi, même dans le cas où des charbons actifs sont injectés en 63 dans les fumées réchauffées en amont du filtre pour adsorber des polluants organiques, par exemple des dioxines ou des furannes, si ceux-ci ne sont pas détruits en totalité par l'incinérateur, ces charbons actifs peuvent, après adsorption de ces polluants, être récupérés et renvoyés dans l'incinérateur. Après traversée du filtre 60, les fumées épurées 61 sont envoyées dans une unité de désulfuration 70, de laquelle elles sont extraites au moyen d'un ventilateur 71 pour être rejetées dans l'atmosphère par l'intermédiaire d'une cheminée. Cette unité de désulfuration 70, connue en soi, reçoit en 72 de l'eau et en 73 des additifs basiques pour former une solution de lavage basique. Une purge de déconcentration de la solution de lavage basique est acheminée en 74 vers l'unité de traitement des eaux usées 35, qui reçoit également la solution aqueuse provenant du circuit de purge 23. Du fait de la basse température humide des fumées atteignant l'unité de désulfuration 70, on obtient un bon rendement de désulfuration et une teneur résiduelle en SO2 extrêmement faible, de l'ordre de quelques ppm. L'unité de traitement 35 est, dans le cas où les fumées présentent une faible teneur en mercure, une unité connue en soi, qui reçoit en 36 les additifs nécessaires à la précipitation des métaux lourds et autres polluants tels que des matières en suspension, de manière à récupérer, après filtration du précipitat, des gâteaux de filtration 37 à haute teneur en métaux lourds et des eaux traitées 38 débarrassées des métaux lourds. Une fraction importante 41 des gâteaux 37 est renvoyée vers l'incinérateur 3 de manière à ce que la concentration des gâteaux suivants aient une teneur plus élevée encore en métaux lourds. La fraction résiduelle complémentaire 42 est stockée. On peut obtenir ainsi après plusieurs renvois dans l'incinérateur des résidus 42 ayant une concentration suffisamment élevée pour avoir une valeur économique. Dans le cas où les fumées présentent une teneur élevée en mercure, par exemple dans le cas où les déchets incinérés contiennent davantage de piles électriques, on traite les condensats en piégeant spécifiquement le mercure grâce à l'installation de traitement de condensats représentée sur la figure 3. La purge 23 de la colonne 7 et la purge 74 de décondentration des eaux de lavage sont dirigées vers une unité de traitement 80 recevant en 81 des réactifs basiques pour les neutraliser. Après filtration, les eaux traitées sont dirigées en 82 vers une installation 83 de piégeage du mercure tandis que les matières en suspension retenues par le filtre sont recueillies en 85. Ces matières en suspension, à faible teneur en métaux lourds, sont avantageusement renvoyés vers l'incinérateur 3 pour être fondues et vitrifiées. L'installation de piégeage de mercure est avantageusement constituée par un échangeur d'ions connu en soi. A leur sortie de l'installation 83, les métaux lourds sont précipités en 85 par additions de réactifs appropriés en 86, de façon connue en soi, ce qui permet de récupérer en 87 des eaux traitées débarrassées de métaux lourds et en 89 un précipitat à teneur élevée en métaux lourds, dont une fraction 90 est avantageusement renvoyée vers l'incinérateur 3, la fraction résiduelle complémentaire 91 étant valorisée ou stockée. Finalement, I'invention permet d'épurer de façon efficace, en utilisant des équipements de construction robuste et peu coûteuse, faciles d'entretien, des fumées halogénées à haute teneur en métaux lourds, notamment en mercure, pouvant présenter une température élevée, et d'obtenir des gâteaux de filtration susceptibles d'être valorisés économiquement. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit. On peut par exemple supprimer l'enceinte de refroidissement 6, le premier étage de la colonne à pulvérisation 7 jouant alors le même rôle, insérer l'unité de désulfuration dans la partie haute de la colonne de pulvérisation, alors équipée d'un plateau de séparation des fumées et d'une solution de lavage basique. La colonne de pulvérisation 7 à contrecourant peut être remplacée par une colonne de pulvérisation à co-courant. On peut également remplacer la colonne 7 par un échangeur à condensation, mais cette solution est moins avantageuse car les fumées ne doivent pas alors présenter une teneur en particules solides très élevée, sous peine de colmatage de l'échangeur à condensation. REVENDICATIONS 1/ Procédé d'épuration de fumées (1) à haute température issues d'un incinérateur (3) à fusion et vitrification de déchets, ces fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides, des particules solides et des métaux lourds, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à refroidir les fumées dans un refroidisseurcondenseur (6, 7) en dessous de leur point de rosée pour capter les métaux lourds dans les condensats en même temps que les polluants acides, à envoyer les fumées dans un filtre (60) apte à récupérer les particules solides avant le rejet des fumées épurées dans l'atmosphère, les particules solides (62) récupérées par le filtre (60) étant renvoyées vers l'incinérateur (3) pour y être fondues et vitrifiées et les condensats étant traités pour obtenir un précipitat (37) contenant les métaux lourds. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le refroidissement des fumées (1) s'effectue par contact avec une solution aqueuse dispersée dans une enceinte de refroidissement (6) jusqu'à une température proche de leur température de rosée, puis par contact direct des fumées avec une solution aqueuse dispersée dans une colonne à pulvérisation (7) et maintenue, grâce à un échangeur de chaleur (13), à une température inférieure à ladite température de rosée des fumées, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées par condensation par mélange en même temps que la captation des polluants acides. 3/ Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une fraction (41) du précipitat (37) est renvoyée vers l'incinérateur (3) en vue d'obtenir à chaque fois des précipitats à teneur de plus en plus élevée en métaux lourds. 4/ Procédé selon la revendication 3, les fumées présentant une teneur élevée en mercure, caractérisé en ce que l'on piège ce dernier en traitant les condensats, préalablement neutralisés et débarrassées de matières en suspension, par échange d'ions, puis on précipite les métaux lourds pour former un précipitat exempt de mercure dont une fraction peut être renvoyée vers l'incinérateur (3). 5/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on réchauffe les fumées sortant du refroidisseurcondenseur et l'on injecte dans les fumées réchauffées des charbons actifs en amont du filtre. 6/ Installation (2) d'épuration de fumées (1) issues d'un incinérateur (3) à fusion et vitrification de déchets, ces fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides, des particules solides et des métaux lourds, caractérisée en ce qu'elle comporte: - un refroidisseur-condenseur (6, 7) apte à refroidir les fumées à une température inférieure à leur température de rosée, de manière à capter les métaux lourds dans les condensats en même temps que les polluants acides, - un filtre (60) pour récupérer les particules solides en aval du refroidisseur condenseur et avant le rejet des fumées épurées dans l'atmosphère, les particules solides (62) étant renvoyées vers l'incinérateur, et - une unité de traitement (35 ; 80, 83, 85) des condensats, apte à précipiter les métaux lourds pour récupérer un précipitat. 7/ Installation (2) selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comporte une unité de désulfuration (70) en aval du filtre (60). 8/ Installation (2) selon l'une des revendications 6 et 7, caractérisée en ce que le refroidisseur-condenseur (6, 7) comprend une colonne à pulvérisation (7) dans laquelle sont envoyées les fumées, et des moyens (11, 12, 14, 9) pour prélever une solution aqueuse à la base de la colonne et la réinjecter, après refroidissement dans un échangeur de chaleur (13), dans celle-ci au contact des fumées à une température inférieure à la température de rosée de ces dernières, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées par condensation par mélange en même temps que la captation des polluants acides. 9/ Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un enceinte de refroidissement des fumées traversées par ces dernières avant leur envoi dans la colonne (7), et des moyens pour pulvériser dans ladite enceinte de refroidissement (6) une solution aqueuse prélevée dans le fond de la colonne (7), en un point de prélèvement (18) situé en deçà du niveau du point de prélèvement (10) de la solution aqueuse (8) pulvérisée dans la colonne (7), et passant au travers d'un clarificateur (45) destiné à évacuer des résidus solides contenus dans les fumées. 10/ Installation (2) selon l'une des revendications 6 à 9, les fumées présentant une teneur élevée en métaux lourds, caractérisée en ce qu'elle comporte une unité de neutralisation des condensats (80), une unité (83) de piégeage de mercure par échange d'ions, et une unité de précipitation (85) pour former des précipitats à haute teneur en métaux lourds mais exempts de mercure. 11/ Installation selon l'une des revendications 6 à 10, caractérisée en ce qu'elle comporte un réchauffeur (50) en amont du filtre (60).