Brevet FR2740861A1 — publié le 19970509

L'invention concerne le conditionnement sous forme solide de poussières volatiles, en particulier des poussières fines présentes sur des sites industriels, dans le domaine de la sidérurgie ou d'autres activités industrielles. Les polluants solides sont complexes à traiter, notamment lorsqu'il s'agit de produits pulvérulents contenant des polluants et des fractions de carbone imbrûlé venant de combustion ou de pyrolyse. On a proposé des procédés de stabilisation / solidification transformant les polluants solides en un solide compact, en utilisant des argiles, des ciments et liants hydrauliques, du verre, des céramiques. Cependant, chaque polluant nécessite une étude particulière, et les quantités de matériaux nécessaires sont importantes. On a également proposé des procédés de vitrification, consistant à porter des poussières volatiles toxiques à une température de 13000C à 16000C, de façon à produire un verre inerte. Ces procédés utilisent divers modes de chauffage (four à résistances rayonnantes, four à arc à électrodes en molybdène, four à arc plasma triphasé, électro-brûleur), qui sont des techniques bien maîtrisées actuellement. Les spécialistes rencontrent cependant des difficultés pour le transfert de ces poussières volantes du silo de poussières jusqu'à l'enceinte chaude de vitrification, ceci en raison des courants de convexion très puissants à l'entrée de l'enceinte chaude, et de la dépression que l'on cherche à maintenir dans l'enceinte pour éviter la sortie de gaz toxiques. On a également proposé d'autres moyens de transfert, rappelant les techniques traditionnelles de convoyage des produits granuleux, avec une vis de transfert qui tourne dans une gaine cylindrique et qui pénètre à l'intérieure de l'enceinte chaude. Le transport des poussières s'effectue avec un ciel dans la gaine, et l'entrée de celle-ci est mise à l'air libre, de sorte que l'on trouve des risques de condensation des métaux lourds, et de dégagement de gaz de condensation qui favorisent la corrosion. Selon une autre approche, on a cherché à granuler des poussières de combustion avec des liants, pour obtenir des boulettes séchées qui sont ensuite convoyées dans une gaine, par un poussoir mécanique, dans un sas d'entrée de l'enceinte chaude. Cette technique est cependant onéreuse, et on trouve des problèmes de coincement dans la gaine avec le piston-pousseur qui sont inhérents au conditionnement sous forme de granules ou de billes. L'invention a pour but de concevoir une technique de conditionnement sous forme solide de poussières volatiles qui soit à la fois plus simple, plus performante, sans présenter les inconvénients et/ou limitations précités. L'invention a ainsi pour objet de réaliser un procédé de conditionnement, et une installation de mise en oeuvre dudit procédé, qui permette de réaliser de façon simple et souple un conditionnement sous forme solide de poussières volatiles de types très différents, avec une sécurité optimale pour le personnel concerné et avec un coût d'utilisation raisonnable. I1 s'agit plus particulièrement d'un procédé de conditionnement sous forme solide de poussières volatiles, dans lequel les poussières volatiles sont convoyées avec et par un fluide carburant dans un brûleur, puis les particules en fusion sont projetées avec la flamme de combustion sortant dudit brûleur contre un réceptacle à la surface duquel ces particules s'agglomèrent entre elles pour former des agglomérats solides ou des agglomérats liquides ultérieurement solidifiés. Ainsi, le fluide carburant assure une double fonction dans le cadre d'un tel procédé, en ajoutant à sa fonction classique d'agent de combustion une fonction de moyen de transfert, ce qui permet notamment d'éviter l'utilisation de moyens mécaniques tels que vis de transfert et autres. De préférence, le fluide carburant se charge en poussières volatiles en passant dans un venturi agencé à la base d'un réservoir de poussières à conditionner, le débit du fluide carburant arrivant en amont dudit venturi étant réglable. I1 suffit alors de régler le débit du fluide carburant pour doser de façon optimale la quantité de poussières volatiles arrivant au brûleur. I1 est en outre intéressant de choisir le mélange gazeux de la flamme de combustion sortant du brûleur pour obtenir une composition prédéterminée des agglomérats. On pourra ainsi influer notamment sur l'oxydation ou la carburation en fonction de la composition recherchée. Selon une autre caractéristique avantageuse, la flamme de combustion sortant du brûleur est divisée en une pluralité de petites flammes séparées. Ceci permet de doser parfaitement la quantité de mouvement des gaz issus de la combustion, laquelle quantité de mouvement sert à assurer la projection à l'état liquide ou pâteux des particules en fusion. I1 est également avantageux que la flamme de combustion soit canalisée lors de son trajet en direction du réceptacle, en passant dans une enceinte en matériau réfractaire. Ceci permet d'éviter la dispersion du panache des flammes et la perte calorique qui en résulterait. On pourra en outre prévoir que le réceptacle soit préchauffé avant de subir les projections de particules en fusion. Un tel préchauffage améliore sensiblement le rendement du fait du piégeage plus rapide des particules en fusion. Selon une autre caractéristique avantageuse du procédé, dans le cas d'agglomérats formés de morceaux solides, le réceptacle est soumis périodiquement à un raclage pour évacuer vers une chambre inférieure de récupération les morceaux qui sont présents à sa surface. Un tel raclage est en particulier nécessaire si le brûleur est disposé selon un axe vertical, le réceptacle s'étendant alors dans un plan horizontal. Dans le cas d'agglomérats liquides, le réceptacle sera alors agencé (pour sa forme et sa structure) pour permettre l'évacuation naturelle par gravité de ces agglomérats vers une zone plus froide et une solidification desdits agglomérats. De préférence enfin, les fumées résiduelles sont condensées en aval du réceptacle, éventuellement alors selon un principe de distillation fractionnée. L'invention concerne également une installation de mise en oeuvre du procédé de conditionnement présentant l'une au moins des caractéristiques précitées, ladite installation étant remarquable en ce qu'elle comporte un brûleur alimenté en fluide carburant chargé de poussières volatiles à traiter, et une enceinte étanche dans laquelle pénètre la flamme de combustion sortant du brûleur, ladite enceinte étant équipée intérieurement d'un réceptacle disposé sensiblement dans l'axe du brûleur, sur lequel peuvent se former des agglomérats solides ou liquides. De préférence, le brûleur a une buse de sortie à orifices multiples, de façon à doser de façon optimale la quantité de mouvement des gaz issus de la combustion. De préférence encore, l'enceinte en matériau réfractaire est disposée dans l'enceinte étanche, en étant agencée entre la sortie du brûleur et le réceptacle, de façon à canaliser la flamme de combustion vers ledit réceptacle. Une telle enceinte en matériau réfractaire permet de focaliser correctement la flamme de combustion, et d'éviter toute dispersion des particules en fusion qui ne seraient plus dirigées vers le réceptacle. Dans le cas particulier où le brûleur a un axe sensiblement vertical, il peut s'avérer intéressant de prévoir un moyen de raclage associé au réceptacle, pour évacuer vers une chambre inférieure de récupération les agglomérats en morceaux qui sont présents à la surface de celui-ci. Le moyen de raclage peut être par exemple constitué par tout type de moyen mécanique permettant de pousser hors de la surface du réceptacle les morceaux qui y sont présents, ces morceaux tombant alors par simple gravité dans la chambre inférieure de récupération. Il est enfin intéressant de prévoir qu'un condenseur de fumées résiduelles soit piqué sur l'enceinte étanche, en aval du réceptacle. En particulier, ce condenseur pourra être conçu pour fonctionner selon un principe de distillation fractionnée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier, en référence aux figures où - la figure 1 est une coupe axiale illustrant un brûleur alimenté en fluide carburant chargé de poussières volatiles, et dont la flamme de combustion, formée d'une pluralité de petites flammes séparées, sert à véhiculer à vitesse élevée les particules en fusion sortant par la buse de sortie du brûleur, et se projetant sur un réceptacle associé - la figure 2 illustre schématiquement une installation de mise en oeuvre du procédé de conditionnement selon l'invention. La figure 1 illustre en coupe un brûleur 10 présentant intérieurement une chambre de mélange 11, ce brûleur présentant deux canaux d'alimentation 12 et 13. Le canal 12, qui est ici agencé dans l'axe du brûleur, sert à alimenter ce brûleur en oxygène, comme cela est schématisé par la flèche 20. Le canal 13 sert à alimenter ce même brûleur en fluide carburant chargé de poussières volatiles à conditionner, comme cela est schématisé par la flèche 21. Dans la pratique, l'extrémité proximale du brûleur 10 sera montée sur un support tel que le support 15 schématisé ici en traits mixtes. Ce support 15 présente typiquement une première conduite d'alimentation 16 servant à amener l'oxygène au brûleur 10, et une deuxième conduite d'alimentation 17 débouchant dans une chambre annulaire 18, et servant à alimenter le brûleur en fluide carburant chargé de poussières volatiles. Ainsi, le fluide carburant sert non seulement d'agent de combustion comme cela est bien connu dans le cas des brûleurs oxygaz, mais aussi de moyen de transfert des poussières volatiles à conditionner. On parvient ainsi à éviter toute utilisation de moyens mécaniques du type vis sans fin, dans la mesure où la quantité de poussières volatiles à conditionner peut en outre être dosée de façon très simple en réglant de débit du fluide carburant. L'extrémité distale du brûleur 10 (ou sa buse de sortie), au niveau de laquelle se forme la flamme de combustion, présente ici une pluralité de petits canaux 14 de sortie. Dans la pratique, on pourra prévoir une dizaine voire une vingtaine de tels petits canaux, chacun débouchant au niveau de la face libre de la buse de sortie du brûleur. La subdivision de la flamme de combustion en une multitude de petites flammes individuelles permet de réduire sensiblement la quantité de mouvement des gaz issus de la combustion. Ceci est important dans la mesure où la quantité de mouvement de ces gaz doit être volontairement faible pour ne pas disperser les particules en fusion, tout en étant naturellement suffisante pour entraîner correctement ces particules vers une surface d'impact contre laquelle elles sont projetées et s'agglomèrent. La flamme de combustion (formée d'une multitude de petites flammes) est notée 29, et elle transporte les particules en fusion, dans un état liquide ou pâteux, pour projeter ces particules contre un réceptacle 30. En s'agglutinant, ces particules peuvent alors former des agglomérats 31 sous forme de morceaux solides sur la face active 32 du réceptacle 30, ces morceaux présentant une taille et/ou une forme prédéterminées que l'on peut régler à volonté par un choix judicieux des conditions de fonctionnement du brûleur. Les agglomérats formés peuvent aussi être sous forme liquide, auquel cas leur évacuation vers une zone plus froide est organisée pour que ces agglomérats se solidifient. Lorsque le brûleur est disposé avec son axe sensiblement horizontal, la face 32 du réceptacle 30 est alors sensiblement verticale, ce qui permet l'évacuation aisée par simple gravité des agglomérats 31 qui se sont formés par agglomération des particules en fusion. Cependant, il peut s'avérer difficile d'obtenir la taille et la forme désirées pour ces agglomérats dans la mesure où le temps de séjour contre la face du réceptacle est très faible. Ceci amènera dans la pratique à préférer un agencement dans lequel le brûleur 10 est disposé avec son axe vertical, la face libre 32 du réceptacle 30 s'étendant alors selon un plan essentiellement horizontal. Le brûleur précité est de type traditionnel (brûleur oxygaz). . Il va de soi cependant que l'on pourra utiliser d'autres types de brûleur, notamment une torche à plasma. De même, le fluide carburant utilisé pourra être de type très divers. Il pourra s'agir aussi bien de liquide, de combustible liquide ou gazeux, de mélange, de poudre métallique avec du gaz ou du liquide. A titre d'exemple, on pourra choisir un gaz naturel pour le brûleur oxygaz précédemment décrit. Le mélange gazeux de la flamme de combustion pourra ainsi être choisi pour obtenir une composition prédéterminée des agglomérats. On pourra notamment influer sur l'oxydation ou la carburation en fonction de la composition recherchée. On pourra d'ailleurs inclure d'autres produits sous forme volatile, permettant de combiner ces produits avec les poussières à la haute température de la flamme. On va maintenant décrire plus en détail, en se référant à la figure 2, une installation 50 de mise en oeuvre du procédé de l'invention. On retrouve le brûleur 10 précité, avec son canal d'alimentation 12 qui est raccordé à une ligne d'arrivée d'oxygène notée 20, et le canal 13 qui est raccordé à une ligne notée 21 d'alimentation en fluide carburant chargé de poussières volatiles à conditionner (on a gardé les références 20,21 des flèches correspondantes de la figure 1). On a représenté sur la figure 2, un réservoir 25 de poussières volatiles à conditionner, dont la sortie basse, équipée d'une vanne 26, se raccorde à un venturi 24, de préférence au niveau du col de celui-ci. Une ligne d'alimentation 22 en fluide carburant, par exemple en gaz naturel, équipée d'une vanne de réglage 23 servant à doser le débit de fluide carburant, arrive à l'entrée du venturi 24, de sorte que la circulation du fluide carburant au niveau de ce venturi provoque automatiquement une aspiration d'une certaine quantité de poussières à la base du réservoir 25 (la vanne 26 étant alors naturellement ouverte), cette quantité dépendant directement du débit de fluide carburant dans la ligne d'alimentation. Le brûleur 10 est monté en partie haute d'une enceinte étanche 40 dans laquelle pénètre la flamme de combustion sortant dudit brûleur. La sortie multiple du brûleur 10, par les petits canaux 14, débouche ainsi directement à l'entrée haute de l'enceinte 40, grâce à un raccordement étanche associé. L'enceinte étanche 40 est équipée intérieurement d'un réceptacle 30 disposé sensiblement dans l'axe du brûleur 10, la face supérieure 32 de ce réceptacle servant à recevoir les projections de particules en fusion, et à supporter les agglomérats solides ou liquides qui se forment par suite de l'agglomération de ces particules. Le brûleur 10, avec sa buse de sortie à orifices multiples 14, projette ainsi une flamme de combustion 29 chargée de particules en fusion, à l'état liquide ou pâteux, sur la face 32 du réceptacle 30. Une enceinte 36 en matériau réfractaire est en outre prévue dans l'enceinte étanche 40, en étant agencée entre la sortie du brûleur 10 et le réceptacle 30. Cette enceinte 36, qui présente en partie haute un orifice étroit 19 correspondant au passage de la flamme de combustion, permet de canaliser correctement le panache de cette flamme de combustion vers le réceptacle, ladite flamme sortant de l'enceinte 36 au niveau d'un orifice élargi 27. On évite ainsi les dispersions de particules en fusion qui ne seraient pas correctement dirigées vers le réceptacle, et on maintient en outre la valeur du champ thermique nécessaire pour maintenir les particules dans leur état de fusion jusqu'à leur impact sur le réceptacle. Le réceptacle 30 pourra présenter toute forme désirée plate ou non, et il sera de préférence réalisé en graphite. Dans ce cas, le réceptacle ne pourra pas se lier "mécaniquement" avec les particules en fusion. On pourra toutefois en variante choisir au contraire un matériau du réceptacle permettant d'obtenir un alliage. Au bout d'un certain temps de fonctionnement, le réceptacle 30 est alors chargé de divers agglomérats 31 résultant de l'agglomération des particules en fusion à sa surface supérieure. Ces agglomérats 31 peuvent se présenter sous forme de morceaux solides, comme on l'a illustré ici. Dans ce cas, afin de libérer cette surface d'impact et de support 32, on prévoit de soumettre périodiquement le réceptacle 30 à un raclage pour évacuer les morceaux 31 qui sont présents à sa surface. En l'espèce, on a illustré schématiquement un racleur mécanique 33, pénétrant dans l'enceinte étanche 40 par un orifice associé 35, et qui peut pousser à la façon d'une racle les morceaux 31 qui sont présents à la surface supérieure du réceptacle 30. Ensuite, l'éjecteur 33 est retiré pour ne pas être soumis à l'action de la flamme de combustion. Ce mouvement d'aller-et-retour est schématisé ici par la double flèche 34, les intervalles étant choisis en fonction de la géométrie des agglomérats que l'on veut obtenir. Les agglomérats 31 peuvent aussi se présenter sous forme liquide. Dans ce cas, le réceptacle 30 est agencé pour permettre l'évacuation naturelle par gravité des agglomérats vers une zone plus froide et une solidification desdits agglomérats. La face supérieure 32 du réceptacle sera par exemple inclinée pour favoriser l'écoulement des agglomérats liquides, lesquels agglomérats se solidifient alors en chutant vers une zone plus froide de réception. On pourra prévoir un préchauffage du réceptacle, avant le fonctionnement du conditionnement proprement dit des poussières volatiles sous forme solide ou liquide. Il suffit alors de fermer la vanne 26, et de faire fonctionner le brûleur 10 à la façon d'un brûleur traditionnel, le fluide carburant ne véhiculant alors aucune quantité de poussières volatiles. L'extrémité de la flamme de combustion 29 venant lécher la face supérieure du réceptacle 30, ce réceptacle s'échauffe alors progressivement jusqu'à la température désirée, après quoi il suffit d'ouvrir la vanne 26 pour enclencher immédiatement le flux d'entrée de poussières volatiles à conditionner. Un tel préchauffage permet d'améliorer sensiblement le rendement de l'installation, dans la mesure où le piégeage des particules est beaucoup plus rapide. A titre indicatif, la source de chaleur obtenue à l'aide de ces petites flammes oxygaz naturel correspond à une température de l'ordre de 20000C, température qui permet donc d'atteindre la liquéfaction des particules réfractaires et d'acier. Le réceptacle 30 partage l'enceinte étanche 40 en une chambre supérieure 37 dans laquelle se trouve l'enceinte en matériau réfractaire 36, et une chambre inférieure 38 associée à la récupération des agglomérats 31 résultant de l'agglomération des particules en fusion. En partie basse de cette chambre inférieure 38, on distingue ici des flasques inclinés 41 servant à acheminer les morceaux dans une chambre d'extrémité basse 39 de l'enceinte 40. Les morceaux ainsi rassemblés peuvent être évacués par une sortie associée 42, comme cela est schématisé par la flèche 43. La sortie 42 est illustrée ici de façon schématique, et il pourra s'agir de tout type de vanne ou autre trappe. En variante, dans le cas d'agglomérats sous forme liquide, on remplacera les flasques précités par des bacs de réception, qui pourront de préférence être utilisés comme moules de forme choisie en vue de l'utilisation ultérieure. La technique de conditionnement avec agglomérats sous forme liquide à la surface du réceptacle apparaît donc plus simple (elle permet en effet de se passer du raclage mécanique). Elle permet en outre de traiter des poussières à plus haut point de fusion que la température d'une flamme oxy-carburant à faible prix en y rajoutant une poussière très exothermique, par exemple de l'aluminium. On distingue enfin un piquage latéral 44 prévu sur l'enceinte étanche 40, en aval du réceptacle 30, menant à une enceinte 45 qui est un condenseur de fumées résiduelles, lesquelles fumées pouvant en effet contenir des vapeurs métalliques nocives. Ce condenseur peut éventuellement être conçu pour fonctionner selon un principe de distillation fractionnée. A la base du condenseur 45, on trouve une sortie 46 équipée d'une vanne 47 permettant l'évacuation des produits condensés. En partie haute du condenseur 45, on a prévu une sortie 48 permettant d'évacuer les gaz résiduels comme cela est schématisé par la flèche 49, ceci en vue d'un lavage ou autre traitement de tels gaz. Le piquage de raccordement 44 sera de préférence réalisé en matériau réfractaire, et sera étanche vis-à-vis de l'atmosphère extérieure. On est ainsi parvenu à résoudre de façon simple et élégante le conditionnement des poussières fines, sous forme de morceaux de taille et/ou forme prédéterminées. Ceci est particulièrement intéressant dans les installations sidérurgiques, dans la mesure où ces poussières, sous leur forme volatile, ne peuvent pas toujours être recyclées, ni parfois même stockées, à cause de leur nocivité sur l'environnement. Les morceaux obtenus ici sont par contre recyclables et/ou stockables sans aucun risque pour l'environnement. De plus, la transformation en oxydes de fer s'accompagne d'un dégagement de calories, ce qui augmente encore le rendement énergétique. L'installation peut enfin être aisément pilotée en fonction de la nature des poussières, et du type de produits que l'on veut récupérer sous forme de morceaux. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. REVENDICATIONS 1. Procédé de conditionnement sous forme solide de poussières volatiles, caractérisé en ce que les poussières volatiles sont convoyées avec et par un fluide carburant dans un brûleur (10), puis les particules en fusion sont projetées avec la flamme de combustion (29) sortant dudit brûleur contre un réceptacle (30) à la surface duquel ces particules s'agglomèrent entre elles pour former des agglomérats solides ou des agglomérats liquides ultérieurement solidifiés. 2. Procédé de conditionnement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide carburant se charge en poussières volatiles en passant dans un venturi (24) agencé à la base d'un réservoir de poussières à conditionner (25), le débit du fluide carburant arrivant en amont dudit venturi étant réglable. 3. Procédé de conditionnement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange gazeux de la flamme de combustion (29) sortant du brûleur (10) est choisi pour obtenir une composition prédéterminée des agglomérats (31). 4 Procédé de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la flamme de combustion (29) sortant du brûleur (10) est divisée en une pluralité de petites flammes séparées. 5. Procédé de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la flamme de combustion (29) est canalisée lors de son trajet en direction du réceptacle (30) en passant dans une enceinte en matériau réfractaire (36). 6. Procédé de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réceptacle (30) est préchauffé avant de subir les projections de particules en fusion. 7. Procédé de conditionnement selon lune des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans le cas d'agglomérats (31) formés de morceaux solides, le réceptacle (30) est soumis périodiquement à un raclage pour évacuer vers une chambre inférieure de récupération (39) les morceaux (31) qui sont présents à sa surface. 8. Procédé de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que, dans le cas d'agglomérats liquides, le réceptacle (30) est agencé pour permettre l'évacuation naturelle par gravité de ces agglomérats vers une zone plus froide et une solidification desdits agglomérats. 9. Procédé de conditionnement selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les fumées résiduelles sont condensées en aval du réceptacle (30). 10. Installation de mise en oeuvre du procédé de conditionnement selon l'une au moins des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comporte un brûleur (10) alimenté en fluide carburant chargé de poussières volatiles à traiter, et une enceinte étanche (40) dans laquelle pénètre la flamme de combustion sortant du brûleur (10), ladite enceinte étant équipée intérieurement d'un réceptacle (30) disposé sensiblement dans l'axe du brûleur (10), sur lequel peuvent se former des agglomérats solides ou liquides. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que le brûleur (10) a une buse de sortie à orifices multiples (14). 12. Installation selon la revendication 10 ou la revendication 11, caractérisée en ce qu'une enceinte (36) en matériau réfractaire est disposée dans l'enceinte étanche (40), en étant agencée entre la sortie du brûleur (10) et le réceptacle (30), de façon à canaliser la flamme de combustion vers ledit réceptacle. 13. Installation selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que le brûleur (10) a un axe sensiblement vertical, et un moyen de raclage (33) est associé au réceptacle (30) pour évacuer vers une chambre inférieure de récupération (39) les agglomérats en morceaux qui sont présents à la surface dudit réceptacle. 14. Installation selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisée en ce qu'un condenseur (45) de fumées résiduelles est piqué sur l'enceinte étanche (40), en aval du réceptacle (30). 15. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que le condenseur (45) est conçu pour fonctionner selon un principe de distillation fractionnée.