Brevet FR2734890A1 — publié le 19961206

La présente invention concerne les procédés et installations de vitrification de produits en poudre et en morceaux. Cette technique est utilisée, en particulier, pour traiter les résidus d'incinération des déchets ménagers et industriels pour les rendre inertes et sans danger. Généralement, ces procédés sont mis en oeuvre en alimentant un bain de produits maintenu en fusion par un moyen de chauffage approprié brûleur, torche à plasma, électrodes, etc..., en évacuant par débordement un débit de produit fondu correspondant au débit d'alimentation, et en refroidissant rapidement le produit fondu.Les fours de fusion utilisés pour mettre en oeuvre ces procédés classiques présentent de nombreux inconvénients - ils ont une grande inertie thermique car ils comportent un revêtement réfractaire de forte épaisseur dont la masse est importante et il est nécessaire de les vidanger avant arrêt puis de reconstituer le bain à chaque démarrage, ce qui rend leur utilisation sur des courtes périodes peu économique et risquée à cause des chocs thermiques, - à cause de leur inertie ils ne peuvent pas s'adapter rapidement aux variations de charge, - ils nécessitent le maintien en température élevée (1200"C à 1600Ce) d'un gros volume de cendres fondues, - les parois du four en contact avec le bain se dégradent rapidement et nécessitent des réparations et remises en état fréquentes - ils comportent un système d'obturation mécanique pour la vidange du bain et un organe de mesure du niveau du bain qui sont soumis à des conditions de fonctionnement très dures et dont la détérioration entraîne un arrêt prolongé du four pour réparation, - les poussières contenues dans les produits à traiter qui sont déversés dans le bain sont entraînées en partie par les gaz de combustion, - il y a des risques de libération importante de gaz nocifs à la surface du bain. On connaît aussi un four de fusion constitué par une cuve cylindrique à axe vertical, pourvue sur son fond d'une ouverture centrale et équipée d'un brûleur placé sur le couvercle de la cuve, dans l'axe de l'ouverture centrale. Les produits à traiter sont déversés dans la cuve sur sa périphérie et forment un talus autour de l'ouverture centrale , en s'éboulant sur le talus les produits atteignent la zone centrale où ils sont fondus par la chaleur dégagée par le brûleur et sont évacués par l'ouverture centrale. Ce four permet d'éliminer certains inconvénients des fours de fusion classiques, mais les risques d'entrainement des poussières par les gaz de combustion et de dégagement de gaz nocifs subsistent. Il est de plus difficile avec ce type de four de maintenir une fusion régulière. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et un four pour sa mise en oeuvre ne présentant pas les inconvénients des solutions connues. Le procédé objet de l'invention consiste à former dans un corps de four vertical ou incliné, muni de moyens de chauffage dans sa partie supérieure, plusieurs couches superposées comprenant une couche inférieure de produits à traiter, une couche supérieure de produits fondus et une ou plusieurs couches intermédiaires formées de produits partiellement ou totalement frittés, à alimenter la couche inférieure par le bas de façon à provoquer un mouvement ascendant des produits dans le corps du four, et à évacuer les produits fondus de la couche supérieure par débordement , l'alimentation et le chauffage du four sont réglés de telle sorte que la couche supérieure présente, à sa surface, une viscosité juste suffisante pour permettre son écoulement vers le seuil de débordement. L'invention a également pour objet un four de fusion comportant un corps de four vertical ou incliné, un dispositif d'alimentation apte à refouler les produits à traiter dans le corps du four par le bas et à communiquer un mouvement ascendant aux produits dans le corps du four, une tête de four à la partie supérieure du corps du four capable de supporter les températures élevées nécessaires pour provoquer la fusion des produits, une ou plusieurs zones de déversement pour l'évacuation des produits en fusion, un couvercle placé sur la tête du four et des moyens de chauffage incorporés au couvercle ou à la tête du four. Le corps du four peut être cylindrique, tronconique ou en forme de tronc de cône inversé. Le dispositif d'alimentation peut être constitué par une vis sans fin, des poussoirs, etc.. Suivant une forme de réalisation particulière, qui fait également l'objet de l'invention, le dispositif d'alimentation est constitué par une trémie servant de réservoir pour les produits à traiter et dans laquelle plonge le bas du corps du four, par une vis sans fin placée dans ladite trémie, sous le corps du four et coaxialement à celui-ci, de façon à pouvoir refouler les produits de la trémie dans le four, et par des moyens de mise en pression de l'espace intérieur de la trémie entourant la partie inférieure du corps du four. La tête du four peut être réalisée en un matériau isolant réfractaire ou refroidie par circulation d'eau ou d'air. La ou les zones de déversement des produits en fusion peuvent être prévues sur la périphérie de la tête du four. En variante, l'évacuation des produits peut s'effectuer par un puits central. Le couvercle peut être muni d'un conduit d'évacuation des gaz. Les moyens de chauffage peuvent être constitués par un ou plusieurs brûleurs, une torche à plasma, un système de chauffage électrique par radiation ou par induction, un dispositif de chauffage à micro-ondes, etc... On pourra, en particulier, utiliser un système de chauffage à induction incorporé à la tête du four. Le four comporte en outre un conduit d'évacuation des produits en fusion. Ce conduit pourra être équipé de moyens de refroidissement des produits en fusion. Sa base pourra plonger dans un bac à eau ou être raccordée à un système de granulation ou de mise en lingotières. D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit et se réfere aux dessins l'accompagnant qui montrent, à titre d'exemple non limitatif, deux formes de réalisation de l'invention et sur lesquels La figure 1 est une vue en coupe, par un plan vertical, d'un four de fusion conforme à l'invention; La figure 2 est une vue en coupe verticale d'une autre forme de réalisation d'un four de fusion conforme à l'invention, La figure 3 est une vue en perspective et en coupe, à plus grande échelle, de la partie supérieure du conduit d'évacuation des produits fondus du four de la figure 2 , et La figure 4 est une vue en coupe, à plus grande échelle, de la tête du four de la figure 2. Le four de la figure 1 comporte un corps cylindrique 10 en métal ou autre matériau approprié, dont l'axe est incliné , I'angle d'inclinaison dépend de la nature des produits à traiter et peut être réglable. La section du four est quelconque, par exemple circulaire. A la partie supérieure du corps du four se trouve une pièce annulaire 12 appelée tête du four. Elle est située dans une zone à très haute température et est réalisée en une matière réfractaire capable de résister à ces températures élevées. Elle pourra éventuellement être refroidie par circulation d'un fluide approprié et/ou comporter des moyens de chauffage, par exemple un dispositif de chauffage par induction. Il faut noter que la tête du four a une hauteur réduite et que c'est la seule partie du corps du four qui nécessite un revêtement réfractaire ou qui doit être refroidie pour résister à des températures élevées. La tête du four comporte une zone de déversement (14) par où le produit en fusion peut s'écouler. Le corps du four est surmonté d'un couvercle 16 ou capot de chauffe sur lequel sont montés des brûleurs 18. Le four comporte en outre des moyens, schématisés par un poussoir 20, permettant d'introduire, par le bas, dans le corps du four les produits à traiter contenus dans une trémie 22 et de déplacer en bloc, vers le haut, la masse des produits se trouvant dans le corps du four. Un conduit d'évacuation des produits fondus 24 est raccordé à la zone de déversement 14. Sa base plonge dans un bac à eau 26 où les produits tombant du four sont refroidis et solidifiés. Le bac 26 est équipé d'un dispositif d'extraction des produits solidifiés 28. Les gaz de combustion des brûleurs sont aussi évacués par le conduit 24 puis par un conduit 30 branché sur le premier. Au démarrage du four, le corps du four est rempli des produits à traiter jusqu'au niveau de débordement. Les brûleurs 18 sont alors mis en route. Lorsque la température de fusion est atteinte le système de poussée 20 est mis en marche pour faire avancer lentement la masse des produits contenus dans le four vers la zone de fusion, et les produits fondus s'écoulent par la zone de déversement 14 dans le conduit 24. En régime permanent on distingue quatre zones superposées dans le four: - La zone A contenant les produits à traiter, - La zone B où les produits perdent leur humidité et commencent à s'agglomérer et se compacter sous l'effet de la température (frittage partiel), - La zone C dans laquelle les produits deviennent de plus en plus compacts, commencent à fondre en surface et présentent un début de changement d'état (frittage total), - La zone D de fusion dans laquelle les produits sont entièrement pâteux ou liquides et présentent à sa surface une viscosité suffisamment faible pour permettre leur écoulement vers la zone de déversement. La vitesse de déplacement des produits vers la zone de fusion est contrôlée de façon à ce que, d'une part, le produit évacué soit parfaitement fondu, mais que, d'autre part, I'épaisseur de la zone de fusion D soit aussi faible que possible et que la viscosité du produit fondu soit suffisante pour limiter le dégagement de gaz nocifs. Le débit d'alimentation du four, qui est proportionnel à la section du corps du four et à la vitesse d'avance des produits, doit être réglé en fonction de la chaleur produite par les brûleurs pour satisfaire à ces conditions. On notera que les poussières contenues dans la zone A ne peuvent pas traverser la zone D et être entraînées par les gaz de combustion produits par les brûleurs. L'arrêt du four peut être effectué sans autre manoeuvre que l'arrêt des brûleurs 18 et du dispositif de poussée 20. Le four représenté sur la figure 2 se différencie essentiellement de celui de la figure 1 par sa disposition verticale, I'évacuation centrale des produits fondus et son montage sur une trémie constituant une réserve de produits à traiter. La trémie 32 est supportée par des pieds 34. Le corps du four est monté sur le plafond de la trémie de telle sorte que sa partie inférieure plonge dans la trémie et la tête du four se trouve à l'extérieur de la trémie. Un circuit de raccordement à une source d'air ou d'un autre gaz comprimé 55 et un sas de chargement 56 permettent de mettre la trémie sous pression. Comme on le voit sur la figure 4, la tête du four comporte un revêtement intérieur formé en partie de pièces creuses 36 en matériau réfractaire constituant un circuit de refroidissement parcouru par un fluide, tel que eau ou air, et en partie par un matériau isolant 38. Le conduit d'évacuation 40 est disposé dans l'axe du four et supporté par un palier 42 monté sur le fond de la trémie 32. n peut être constitué par un tube à double paroi refroidi par circulation d'air ou d'eau, comme représenté sur la figure 3. Son extrémité supérieure est constituée par une brique de forme annulaire 44 et par un anneau en matériau réfractaire 46 constituant un déversoir pour l'évacuation des produits fondus. Son extrémité inférieure plonge dans un bac à eau 26 muni d'un extracteur 28 pour les produits solidifiés. Une vis sans fin 48 dont le diamètre est légèrement inférieur au diamètre intérieur du corps du four est fixée sur le conduit 40 et un système 50 permet d'entraîner en rotation le conduit et la vis. Lorsqu'elle est entraînée en rotation la vis fait monter dans le corps du four les produits contenus dans la trémie. La mise sous pression de l'espace supérieur de la trémie entourant le corps du four favorise l'élévation des produits, notamment s'ils sont légers et fluides. Des bras 52 servant à brasser les produits dans la trémie et à égaliser leur niveau sont également fixés sur le conduit 40. Le couvercle porte des brûleurs 18 de chauffe de la surface du lit et un brûleur 19 de chauffe du trou de coulée. Les gaz de combustion sont évacués par un conduit 54 raccordé au couvercle. Le fonctionnement de ce four est identique à celui de la figure 1, sauf en ce qui concerne l'évacuation des produits fondus qui se fait par débordement au-dessus de l'extrémité supérieure du conduit central 40 au lieu de se faire dans une zone de déversement à la périphérie de la tête du four. Dans le four objet de l'invention le support mécanique du lit des produits en fusion et la barrière de protection thermique du lit sont constitués par les produits eux-mêmes ce qui permet une construction particulièrement simple et peu coûteuse du four. Par ailleurs, l'invention permet de maintenir à une valeur relativement faible l'épaisseur du lit des produits en fusion et, par conséquent, de réduire le temps de séjour à l'état liquide des produits et la consommation d'énergie. Par rapport aux fours de fusion connus, notamment ceux utilisant le principe du bain, le four de l'invention présente de nombreux avantages: - les surfaces du four en contact avec les produits en fusion sont réduites ce qui diminue les risques de dégradation des parois du four, - il n'y a pas de risque d'entrainement des particules solides par d'éventuels gaz de combustion, puisque ceux-ci ne sont en contact qu'avec une surface en fusion, - le four a une faible inertie thermique permettant un arrêt immédiat sans colmatage et sans obligation de vidange des produits en fusion, ce qui donne la possibilité de l'utiliser sur des périodes courtes, par exemple une journée , au redémarrage le four est rapidement en production; - le four ne nécessite pas d'organes de mesure du niveau du bain ni de système d'obturation mécanique permettant la vidange qui sont des éléments peu fiables; ; - la marche du four peut être réglée facilement, pour s'adapter rapidement à une variation de charge, en réduisant proportionnellement la puissance du système de chauffe. n est bien entendu que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux deux formes de réalisation décrites, par la substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir du cadre de l'invention définie par les revendications. REVENDICATIONS 1. Procédé de vitrification de produits en poudre ou en morceaux consistant à former dans un corps de four vertical ou incliné, muni de moyens de chauffage dans sa partie supérieure, plusieurs couches superposées comprenant une couche inférieure de produits à traiter (A), une couche supérieure de produits fondus (D) et une ou plusieurs couches intermédiaires (B, C) constituées de produits partiellement ou totalement frittés, à alimenter la couche inférieure par le bas de façon à provoquer un mouvement ascendant des produits dans le corps du four et à évacuer les produits fondus de la couche supérieure par débordement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alimentation et le chauffage du four sont réglés de telle sorte que les produits fondus de la couche supérieure présentent, à la surface libre de cette dernière, une viscosité juste suffisante pour permettre l'écoulement des produits fondus vers la zone de débordement. 3. Four de fusion comportant un corps de four vertical ou incliné, un couvercle, des moyens de chauffage incorporés au couvercle, un dispositif d'alimentation en produit à traiter et au moins une zone de déversement des produits fondus, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation (20, 48) est apte à refouler les produits à traiter dans le corps du four (10) par le bas et à leur communiquer un mouvement ascendant dans le corps du four, et en ce que la ou les zones de déversement se trouvent à la partie supérieure du four (14, 46). 4. Four de fusion selon la revendication 3, caractérisé en ce que le corps du four (10) est cylindrique, tronconique ou en forme de tronc de cône inversé. 5. Four de fusion selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation est constitué par une vis sans fin (48) ou un poussoir (20). 6. Four de fusion selon la revendication 5, caractérisé en ce que la partie inférieure du corps du four (10) plonge dans une trémie (32) servant de réservoir pour les produits à traiter et en ce que la vis sans fin (48) est placée dans ladite trémie, sous le corps du four et coaxialement à celui-ci, de façon à pouvoir refouler les produits de la trémie dans le four. 7. Four de fusion selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'arbre de la vis sans fin est constitué par un tube (40) disposé dans l'axe du corps du four, en ce que la zone de déversement (46) est prévue à l'extrémité supérieure dudit tube et en ce que ledit tube sert de conduit d'évacuation des produits fondus. 8. Four de fusion selon la revendication 3, 4, 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte, à sa partie supérieure, une tête de four (12) réalisée en un matériau réfractaire et/ou refroidie par circulation d'un fluide réfrigérant. 9. Four de fusion selon la revendication 8, caractérisé en ce que la ou les zones de déversement (14) sont prévues sur la périphérie de la tête du four. 10. Four de fusion selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la zone de déversement (46) se trouve au centre du four, à l'extrémité supérieure d'un conduit d'évacuation des produits fondus (40). il. Dispositif d'alimentation pour four de fusion comportant un corps de four vertical ou incliné caractérisé en ce qu'il est constitué par une trémie (32) servant de réservoir pour les produits à traiter et dans laquelle plonge la partie inférieure du corps du four (10), et par une vis sans fin (48) placée dans ladite trémie, sous le corps du four et coaxialement à celui-ci, de façon à pouvoir refouler les produits de la trémie dans le four. 12. Dispositif d'alimentation pour four de fusion selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (55, 56) pour mettre en pression l'espace intérieur de la trémie entourant le corps du four.