Brevet FR2743517A1 — publié le 19970718

INSTALLATION DE VALORISATION ENERGETIQUE DE DECHETS URBAINS ET ASSIMILES. La présente invention se rapporte à une installation de valorisation énergétique de déchets urbains et assimilés. Elle concerne plus précisément une installation de valorisation énergétique de déchets urbains et assimilés comportant - un dispositif de broyage des déchets, - un réacteur à lit fluidisé circulant de gazéification à air enrichi en oxygène de ces déchets broyés, - un cyclone de séparation des solides dans lequel sont amenés les gaz en sortie du réacteur, - une chambre de combustion des gaz en sortie du cyclone, - un dispositif d'évacuation des cendres fondues en sortie de la chambre de combustion, - une chaudière de récupération dans laquelle s'évacuent les gaz en sortie de la chambre de combustion et équipée d'un premier ensemble d'échangeurs de chaleur abaissant la température des gaz jusqu'à environ 450 C, - un second ensemble d'échangeurs de chaleur disposés dans une chambre où sont amenés les gaz, - un dispositif de traitement final des gaz. Dans une telle installation connue, un dispositif de filtration des cendres volantes est disposé en aval des échangeurs de chaleur et donc dépoussière les gaz à basse température. Or à basse température, les dioxines se reforment et les métaux lourds les plus polluants se recondensent. Il en résulte d'une part des cendres volantes décantées polluées et d'autre part la production d'un gâteau de lavage après traitement final des gaz également pollué et donc peu ou non valorisable. Pour résoudre ces problèmes, selon l'invention, un dispositif de dépoussiérage est disposé entre la chaudière de récupération et le second ensemble d'échangeurs, ce dispositif de dépoussiérage comportant un dispositif de filtration à chaud. Il en résulte une production de cendres volantes et d'un gâteau de lavage peu pollués. Selon un mode de réalisation préféré, la chambre de combustion est une chambre cyclonique sensiblement verticale alimentée en air secondaire constitué d'air chauffé par au moins un réchauffeur du traitement final des gaz. Cette combustion en cendres fondues est ainsi réalisée sans apport d'énergie externe. La vitrification est autothermique et à coût minimum et assure une conversion complète du carbone et un craquage complet des dioxines. Avantageusement, la chambre de combustion, le dispositif d'évacuation des cendres fondues et la chaudière de récupération forme un circuit en U des gaz. Cette conformation permet une décantation maximale par gravité des cendres vers le bain de fusion. De préférence, le premier ensemble de panneaux d'échange de chaleur est constitué de panneaux perpendiculaires à au moins une paroi verticale de la chaudière de récupération. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'évacuation des cendres fondues reçoit les cendres fondues par gravité de la chambre de combustion, les mâchefers extraits du réacteur et les cendres volantes issues du dispositif de dépoussiérage. Dans ce cas, le dispositif d'évacuation peut être constitué d'une chambre à sole inclinée ou comporter une sole en forme de cuvette et une paroi formant un barrage d'affinage associé à un orifice d'évacuation ou d'écrémage de la couche de surface de la masse de matière fondue. Dans ce dernier cas, de préférence, la matière fondue est refroidie tout d'abord sur un tambour refroidi intérieurement par de l'eau puis dans un bain de trempe. Selon un second mode de réalisation, le dispositif d'évacuation est constitué d'un bain de trempe recevant les cendres fondues par gravité de la chambre de combustion, les mâchefers extraits du réacteur ainsi que les cendres volantes récupérées dans le dispositif de dépoussiérage étant dispersés dans l'air secondaire alimentant la chambre de combustion. Selon une première variante de réalisation, les solides séparés par le cyclone sont renvoyés dans le réacteur, au moins une partie de ces solides étant refroidie dans un lit fluidisé dense externe contenant un surchauffeur avant recyclage dans le réacteur. Selon une seconde variante de réalisation, un lit fluidisé dense contenant un surchauffeur est intégré dans le réacteur sous forme d'un lit interne accolé à une ou plusieurs parois du réacteur. L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures représentant un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 1 est une vue d'ensemble d'un mode de réalisation de l'installation selon l'invention. Les figures 2A à 2C sont des vues de détail de ce mode de réalisation. La figure 3 est une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation du réacteur à lit fluidisé circulant constituant une partie de l'installation conforme à l'invention. La figure 4 est une vue en coupe verticale d'une variante de réalisation de la chambre de combustion et du dispositif d'évacuation des cendres fondues constituant une partie de l'installation conforme à l'invention. La figure 5 est une vue en coupe verticale d'une autre variante de réalisation de la chambre de combustion et du dispositif d'évacuation des cendres fondues constituant une partie de l'installation conforme à l'invention. L'installation de valorisation énergétique de déchets urbains et assimilés telle que représentée sur les figures 1 et 2A à 2C comporte - un dispositif de broyage 1 des déchets bruts; - un réacteur 2 à lit fluidisé circulant de gazéification à air enrichi en oxygène dans lequel sont amenés les déchets broyés, l'air primaire de ce réacteur étant enrichi à 40% d'oxygène par technique membranaire et ce réacteur fonctionnant à 850 C en atmosphère sous stoechiométrique; au bas de ce réacteur 2, les mâchefers et les inertes non fluidisables sont récupérés dans un classifieur 3 où ils sont séparés, les inertes étant ainsi extraits en 4; - un cyclone 5 de séparation des solides de granulométrie supérieure à 100 microns et dans lequel sont amenés les gaz en sortie du réacteur 2; en aval, les solides séparés sont renvoyés dans le réacteur 2 d'une part par l'intermédiaire d'un siphon 6 et d'autre part par l'intermédiaire d'un lit fluidisé externe 7 pourvu d'un surchauffeur haute température 8 constitué de panneaux d'échange de chaleur; ce surchauffeur 8 est ainsi protégé des gaz chargés en chlore et il est possible d'utiliser des échangeurs très compacts à haut rendement énergétique; - une chambre de combustion 9 des gaz en sortie du cyclone 5 constituée d'une chambre cyclonique sensiblement verticale où les gaz chargés de cendres volantes sont mélangés à de l1air secondaire introduit tangentiellement pour provoquer un mouvement de vortex plaquant les particules sur les parois de la chambre 9; ce débit d'air secondaire est réglé pour obtenir une stoechiométrie de valeur 1, afin d'atteindre une température supérieure à 1300C assurant la fusion et l'écoulement des cendres vers le bas de la chambre 9; - un dispositif d'évacuation 10 des cendres fondues en sortie de la chambre de combustion 9, ce dispositif 10 étant constitué selon ce mode de réalisation d'une chambre à sole inclinée 10A dont le niveau supérieur reçoit les cendres fondues par gravité de la chambre de combustion 9; à ce niveau, sont également injectés les mâchefers issus de l'extraction en classifieur 3 sous le réacteur 2, ces mâchefers fondant et se mélangeant ainsi aux cendres fondues; cette chambre 10 peut également comprendre un brûleur à oxygène 11 de sécurité destiné à maintenir la température de fusion sur la sole; en bas de la sole, les résidus fondus tombent dans un bac de trempe 12 où ils sont granulés et vitrifiés en un vitrifiat 14 et d'où ils sont évacués par un extracteur à raclette ou à vis 13; le niveau d'eau dans le puits reliant la sole et le bac de trempe 12 assure l'étanchéité du circuit de fumées vis-à-vis de l'extérieur; - une chaudière de récupération 15 dans laquelle s'évacuent les gaz en sortie de la chambre de combustion 9 et équipée d'un premier ensemble d'échangeurs de chaleur; cette chaudière 15 comporte une première gaine verticale 15' raccordée au dispositif 10, dont les parois sont tubées et équipées d'un vaporisateur 16 constitué de panneaux d'échange de chaleur fixés perpendiculairement à des parois verticales de la gaine 15'; les gaz à 1300oC issus de la chambre de combustion remontent dans la première gaine 15', cette gaine 15', le dispositif 10 et la chambre de combustion 9 formant un circuit en U assurant une décantation maximale des cendres vers le bain de fusion se trouvant dans le dispositif 10; la disposition du vaporisateur 16 évite l'encrassement dans la zone de température de 1000ex à 1300qu où les cendres sont collantes; ce vaporisateur 16 parallèle à l'écoulement des gaz permet d'assurer un refroidissement rapide des fumées jusqu'à 750'C avant leur entrée après un changement de direction de 180 dans une deuxième gaine verticale 15" de la chaudière 15, dont les parois sont également tubées et contenant un surchauffeur basse température 17 également constitué de panneaux d'échange thermique fixés perpendiculairement à des parois verticales de la gaine 15" et assurant un échange longitudinal sans encrassement; - un dispositif de dépoussiérage 18 dans lequel débouche la deuxième gaine 15" où les fumées refroidies à 450 C subissent un deuxième changement de direction de 180 favorisant la décantation par gravité; ce dispositif 18 comportent des trémies de décendrage 19, 20 au-dessus desquelles est installé un dispositif de filtration à chaud 21 équipé de chandelles en céramique, en alliages frittés ou en fibres qui retiennent la quasi-totalité des particules jusqu'à une granulométrie de l'ordre du micron; - une chambre 22 formée d'une gaine horizontale, dans lequel les gaz terminent leur refroidissement dans deux économiseurs 23, 24; - des réchauffeurs 27 d'air et d'eau alimentaire traversé par les fumées à environ 180 C en sortie du dispositif 22, assurant l'optimisation des rendements de la combustion et de la récupération d'énergie; - un dispositif de trempage 28 par pulvérisation d'eau dans lequel sont traitées les fumées suivi d'un dispositif de lavage 29 à deux étages, un étage acide 29' où sont extraits le chlore et les métaux lourds et un étage basique 29" par ajout de soude 32 où est extrait le dioxyde de soufre; le traitement des effluents liquides de l'étage acide produit un gâteau 30 concentré en métaux lourds du fait de la très faible quantité résiduelle ayant atteint le dispositif de lavage 29; en sortie de l'étage basique 29, les gaz sont évacués vers la cheminée 31. L'air primaire alimenté en 40 est enrichi en oxygène dans l'unité d'enrichissement 41 puis émis par la conduite 43 dans le réacteur 2 après avoir été chauffé en 42 par de l'air de rechauffage issu d'un réchauffeur de l'ensemble 27 par la conduite 46; enrichi en azote, il est émis par la conduite 44 dans le lit externe 7. De l'air de réchauffage issu d'un autre réchauffeur de l'ensemble 27 forme l'air secondaire émis par la conduite 45 dans la chambre de combustion 9; cet air secondaire est mélangé à de l'air circulant dans une double enveloppe entourant la chambre de combustion 9 et la sole du dispositif 10 qui sont réfractorisés et ainsi refroidis; cet air réchauffé est ajouté à l'air secondaire en 47 avant l'injection dans la chambre de combustion 9. De l'air tertiaire issus de la même conduite 45 est injecté dans le dispositif 10 par la conduite 48 et dans la première gaine verticale 15' par la conduite 49; cet étagement d'air tertiaire et le rebrûlage des gaz sont établis pour limiter les émissions d'oxyde d'azote. Un recyclage des fumées refroidies 50 de la sortie de la chambre 22 dans le haut de la première gaine verticale 15' est prévu pour terminer le refroidissement des fumées à 750'C et limiter le débit d'air tertiaire nécessaire. L'excès d'air global du procédé peut ainsi être optimisé. Une alimentation 51 en déchets à haut pouvoir calorifique inférieur (plastiques broyés) est prévue en haut de la chambre de combustion 9 pour supporter éventuellement la combustion. Une alimentation en eau alimentaire 52 alimente les parois tubées de la chaudière de récupération 15, le vaporisateur 16, le surchauffeur 17, les économiseurs 23, 24. La vapeur surchauffée issue du surchauffeur haute température 8 du lit externe 7 alimente une turbine à vapeur 53 de production d'énergie électrique. La vapeur surchauffée est produite à de hautes caractéristiques, environ 66 bars à 500 C, du fait de l'absence de risque de corrosion dans le lit externe 7 contenant le surchauffeur 8 qui n'est pas en contact avec les gaz chargés en chlore. De ce fait, la valorisation électrique est nettement plus élevée que dans un système conventionnel et peut atteindre environ 700 kWh par tonne de déchets urbains. La température de 450 C dans le dispositif de dépoussiérage 18 est en-dessous des températures où les cendres ramollissent mais au-dessus de la plage de température où les dioxines se reforment et les métaux lourds se condensent. De cette façon, les cendres captées par le dispositif de filtration 21 sont peu polluées et le risque de reformation de dioxines en aval est très réduit, les dioxines se reformant entre 250"C et 450eC en présence de fines particules solides. En aval du dispositif de filtration 21, les gaz étant dépoussiérés, leur vitesse peut être élevée et les économiseurs 23, 24 très compacts. Le refroidissement rapide en résultant est un facteur favorable supplémentaire à la limitation de la formation des dioxines dans la zone critique de 250C à 450C. La température étant d'environ 350oc entre les deux économiseurs 23, 24, il est possible à cet endroit d'injecter de l'ammoniac en 54 sur un support de catalyseur pour assurer une diminution catalytique des oxydes d'azote. Les trémies 19, 20 sous le dispositif de dépoussiérage 18 sont pourvues de systèmes d'extraction des cendres volantes qui sont collectées dans la conduite 55 et mélangées aux mâchefers évacués du classifieur 3 pour être injectés au bas de la chambre de combustion 9 dans le dispositif d'évacuation 10 où a lieu la post-combustion en cendres fondues. Un additif de vitrification 56 peut être ajouté aux cendres dans la conduite 55. Trois types de résidus solides sont produits par l'installation: - des inertes 4 directement recyclables, - des granulats vitrifiés 14 rassemblant l'ensemble des mâchefers et des cendres volantes et valorisables en technique routière; - un gâteau de lavage 30 produit par l'étape acide 29 du dispositif de lavage 29, concentré en métaux lourds et qui peut-être retraité économiquement par des spécialistes en sidérurgie. La figure 3 représente une variante de réalisation du réacteur à lit fluidisé circulant 2 et du lit externe 7. Ce lit 7 est intégré dans le réacteur 2 sous forme d'un lit interne accolé à une ou plusieurs parois du réacteur 2. Ce lit 7 est directement alimenté par des solides recirculant le long des parois du réacteur 2 et ces solides sont ensuite réinjectés dans le réacteur 2 soit par débordement soit par une conduite 7' reliant le fond du lit 7 et le siphon 6 de retour du cyclone 5. La figure 4 représente une variante de réalisation du dispositif d'évacuation 10 des cendres fondues. La sole 10A est en forme de cuvette dans laquelle s'écoulent les mâchefers et les cendres volantes introduites par l'orifice 10B. Compte-tenu de la température d'environ 1300-C des gaz sortant de la chambre de combustion 9, mâchefers et cendres sont fondues. Une paroi 10C forme un barrage d'affinage associé à un orifice 10D d'évacuation ou d'écrémage de la couche de surface de la masse de matière fondue. Les sels fondus sont ainsi évacués. Par ailleurs, une purge 10E des métaux tombés en fond de sole est prévu pour améliorer la qualité du bain de fusion. En aval de la paroi de barrage 10C, le dispositif comporte un éventuel second brûleur de secours 11' à oxygène et le bain fondu s'écoule d'un bec de coulée sur un tambour 12A refroidi intérieurement par de l'eau. Ce tambour 12A permet d'éviter une trempe brutale à l'eau dans le bain 12 et une solidification trop rapide nuisible aux caractéristiques mécaniques du vitrifiat. La vitrification est poursuivie dans le bain de trempe 12 sur un convoyeur à plaques refroidies 12C avant l'extraction du vitrifiat 14 par une vis de transport 12D au travers d'un joint d'eau assurant l'étanchéité vers l'extérieur des fumées. Cette variante permet d'améliorer efficacement la qualité du vitrifiat en atteignant un niveau de cristallisation garantissant la stabilité à très long terme. La figure 5 représente une autre variante de réalisation du dispositif d'évacuation 10 des cendres fondues. Selon cette variante, les mâchefers sortant du classifieur 3 ainsi que les cendres volantes décantées et récupérées dans les trémies 19, 20 sont mélangées et dispersées dans l'air secondaire alimentant la chambre de combustion 9 dans la chambre 50. Les mâchefers sont pour ce faire refroidis par le dispositif 57 et broyés dans le broyeur 58 avant leur introduction dans la chambre 50. Le dispositif 10 ne comporte alors pas de sole et les cendres fondues dans la chambre de combustion 9 tombent directement dans le bain de trempe 12 constitué de façon classique d'un convoyeur à plaques ou à raclettes 12C et d'une vis d'extraction 12D. REVENDICATIONS 1) Installation de valorisation énergétique de déchets urbains et assimilés comportant - un dispositif de broyage (1) des déchets, - un réacteur à lit fluidisé circulant (2) de gazéification à air enrichi en oxygène de ces déchets broyés, - un cyclone (5) de séparation des solides dans lequel sont amenés les gaz en sortie du réacteur (2), - une chambre de combustion (9) des gaz en sortie du cyclone, - un dispositif (10) d'évacuation des cendres fondues en sortie de la chambre de combustion (9), - une chaudière de récupération (15) dans laquelle s'évacuent les gaz en sortie de la chambre de combustion (9) et équipée d'un premier ensemble d'échangeurs de chaleur (16, 17) abaissant la température des gaz jusqu'à environ 450 C, - un second ensemble d'échangeurs de chaleur (23, 24) disposés dans une chambre (22) où sont amenés les gaz, - un dispositif de traitement final des gaz, caractérisée en ce qu'un dispositif de dépoussiérage (18) est disposé entre la chaudière de récupération (15) et le second ensemble d'échangeurs (23, 24), ce dispositif de dépoussiérage (18) comportant un dispositif de filtration à chaud (21). 2) Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la chambre de combustion (9) est une chambre cyclonique sensiblement verticale alimentée en air secondaire constitué d'air chauffé par au moins un réchauffeur (27) du traitement final des gaz. 3) Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la chambre de combustion (9), le dispositif (10) d'évacuation des cendres fondues et la chaudière de récupération (15) forme un circuit en U des gaz. 4) Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le premier ensemble de panneaux d'échange de chaleur (16, 17) est constitué de panneaux perpendiculaires à au moins une paroi verticale de la chaudière de récupération (15). 5) Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'évacuation (10) des cendres fondues reçoit les cendres fondues par gravité de la chambre de combustion (9), les mâchefers extraits du réacteur (2) et les cendres volantes issues du dispositif de dépoussiérage (18). 6) Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'évacuation (10) est constitué d'une chambre à sole inclinée (10A). 7) Installation selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le dispositif d'évacuation (10) comporte une sole (10A) est en forme de cuvette et une paroi (10C) formant un barrage d'affinage associé à un orifice (10D) d'évacuation ou d'écrémage de la couche de surface de la masse de matière fondue. 8) Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le dispositif d'évacuation (10) est constitué d'un bain de trempe (12) recevant les cendres fondues par gravité de la chambre de combustion (9), les mâchefers extraits du réacteur (2) ainsi que les cendres volantes récupérées dans le dispositif de dépoussiérage (18) étant dispersés dans l'air secondaire alimentant la chambre de combustion (9). 9) Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les solides séparés par le cyclone (5) sont renvoyés dans le réacteur (2), au moins une partie de ces solides étant refroidie dans un lit fluidisé dense externe (7) contenant un surchauffeur (8) avant recyclage dans le réacteur (2). 10) Installation selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'un lit fluidisé dense (7) contenant un surchauffeur (8) est intégré dans le réacteur (2) sous forme d'un lit interne accolé à une ou plusieurs parois du réacteur (2). 11) Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que la matière fondue est refroidie tout d'abord sur un tambour (12A) refroidi intérieurement par de l'eau puis dans un bain de trempe (12).