Brevet FR2762613A1 — publié le 19981030

INSTALLATION POUR LE TRAITEMENT PAR THERMOLYSE ET POUR LA VALORISATION ENERGETIQUE DES DECHETS. Domaine Technique L'invention concerne une installation pour le traitement par thermolyse et simultanément pour la valorisation énergétique des déchets contenant une fraction organique. Techniques antérieures Le traitement des déchets contenant une fraction organique est bien connu, notamment pour le traitement de déchets aussi divers que les résidus de broyage automobiles (RBA), les déchets hospitaliers dits également d'activité de soins, les pneumatiques usagés, les déchets verts ou résultant de biomasses, les déchets urbains et ménagers, les boues de stations d'épuration et les boues de produits pétroliers divers. Le traitement de ces déchets devient de plus en plus préoccupant par suite des quantités de plus en plus importantes à traiter et de l'augmentation du coût de ces traitements. La dissociation thermique des déchets sous pression réduite et à haute température de matière contenant une fonction organique, est bien connue (voir notamment document US-A-4 077 868, 4 833 021 et CA-A-1 163 595). Pour l'essentiel, une installation de dissociation thermique à pression réduite de déchets contenant une fraction organique, comprend essentiellement: - une unité de chargement et d'amenée des déchets à traiter; - et un réacteur de dissociation thermique sous pression réduite et à haute température, par exemple à une température comprise entre 400 et 1000 C, notamment aux environs de 500"C, sous une pression comprise entre 0,1 et 1 atmosphère. Dans le document WO-96/l 1742, le Demandeur a décrit une installation du type en question, dans laquelle entre les moyens d'amenée et le réacteur, on dispose deux chambres, placées en parallèles, reliées chacune aux moyens d'amenée du réacteur permettant ainsi le chargement à pression atmosphérique dans l'une des deux chambres pendant que l'autre se décharge à pression réduite dans le réacteur. Cette installation discontinue/continue bien adaptée au traitement de grosses quantités, présente toutefois l'inconvénient de nécessiter un investissement important. Par ailleurs, la production d'huiles par condensation au cours du traitement est sur le plan pratique difficile à gérer industriellement. L'invention pallie ces inconvénients. Elle vise une installation pour le traitement par thermolyse des déchets et pour la valorisation énergétique de ces déchets, qui soit bien adaptée au traitement des déchets les plus divers, en petite et moyenne capacités, avec un bon rapport entre l'investissement et le fonctionnement. Elle vise plus particulièrement une installation du type en question qui soit fiable et robuste, et dont les conditions opératoires respectent scrupuleusement l'environnement. Elle vise une installation du type en question dans laquelle on récupère l'énergie produite pendant le traitement pour faire fonctionner en partie et de manière autonome l'installation elle-même et partie de l'unité susceptible de produire ces déchets. Description sommaire de l'invention L'invention concerne une installation pour le traitement par thermolyse de déchets comportant une fraction organique et présentant une granulométrie contrôlée, et simultanément pour la valorisation énergétique de ces déchets, du type comprenant essentiellement: une unité de chargement et d'amenée des déchets à traiter; un réacteur de thermolyse de dissociation thermique sous pression réduite à haute température, caractérisée: - en ce qu'elle comprend: en amont et en aval du réacteur, un sas destiné à maintenir une dépression dans le réacteur pour assurer une thermolyse dans une atmosphère à très faible teneur en oxygène; des moyens pour récupérer, à la partie supérieure du réacteur, la fraction gazeuse organique formée pendant la thermolyse, et des moyens pour amener cette fraction gazeuse à une chambre de combustion alimentant un générateur de vapeur; des moyens pour récupérer au bas du réacteur les produits solides carbonés formés pendant la thermolyse, et pour amener ces produits solides à une chambre de combustion alimentant un générateur de vapeur ou un système d'évacuation; - et en ce que les gaz de la chambre de combustion et la vapeur produite par le générateur de vapeur, alimentent à leur tour l'unité de production des déchets et/ou un moyen de séchage préalable des déchets disposés juste en amont du réacteur. En d'autres termes, l'invention consiste à chauffer les déchets présentant une granulométrie contrôlée dans des conditions aptes à dissocier ces déchets, essentiellement en deux phases, respectivement une phase gazeuse et une phase solide, et ce en quasi-absence d'oxygène, mais sous pression réduite, voire sous atmosphère gazeuse. L'invention consiste à récupérer la phase gazeuse et la phase solide pour les valoriser en produisant de l'énergie dans une chambre de combustion destinée à chauffer de la vapeur qui alimente à son tour, soit l'unité de production de déchets et/ou vise à sécher préalablement les déchets avant leur arrivée au réacteur. En pratique, la thermolyse, désignée également sous le terme de pyrolyse > ), est effectuée à une température comprise entre 400 et 10000 C, notamment au voisinage de 500"C, avec une pression dans le réacteur de 5000 à 40 000, de préférence 10 000 Pascals en dessous de la pression atmosphérique. La durée de séjour des déchets dans ce réacteur est de l'ordre de plusieurs dizaines de minutes, par exemple de l'ordre de trente minutes. Comme déjà dit, avantageusement, selon la nature des déchets à traiter, ceux-ci sont broyés pour présenter une granulométrie et une consistance physique contrôlée, voire homogène. De même, avantageusement, les déchets peuvent subir un séchage préalable destiné à abaisser la teneur de ces déchets en eau. Ce chauffage effectué dans une enceinte appropriée peut, selon la nature des déchets à traiter, être effectué de deux manières, à savoir directe ou indirecte. Dans le séchage direct, la masse des déchets est chauffée par une circulation d'air chaud ou de vapeur recyclé à partir du générateur caractéristique de l'invention, ou d'air chaud recyclé depuis la chambre de combustion. Ce mode de séchage préalable est particulièrement approprié pour des déchets dont la fraction solide volatile (poussières) est faible, tels que les RBA . Lorsque l'on traite des boues de station d'épuration, il est préférable de procéder à un chauffage indirect, c'està-dire de chauffer l'enceinte par l'extérieur, tout en assurant un certain malaxage destiné à briser le produit pour augmenter la surface de contact avec l'air. Toujours selon la nature des déchets à traiter, il peut être utile de procéder à un broyage préalable pour les amener à une granulométrie contrôlée, de préférence homogène. Dans une forme d'exécution avantageuse, sur le parcours des déchets, entre l'organe d'amenée et le réacteur, on dispose un moyen d'ajout d'un agent de neutralisation des composants agressifs, tels que par exemple les halogènes, le soufre, ce qui permet d'éviter la présence ultérieure de composés nocifs (SO2 HCl HF) dans les rejets atmosphériques. Cet agent de neutralisation, tel que par exemple du carbonate de calcium, est incorporé dans les déchets broyés pendant leur convoyage entre l'organe d'amenée et le réacteur de thermolyse. Ce broyage des déchets autorise une meilleure répartition de l'agent neutralisant et par voie de conséquence, une meilleur efficacité de cette neutralisation. Le réacteur de thermolyse précédé du sas caractéristique de l'invention, fonctionne en l'absence d'oxygène à une température, comme déjà dit, comprise entre 400 et 10000C, de préférence aux alentours de 500"C, et la pression du réacteur est maintenue de 5000 à 40 000, de préférence 10 000 Pascals en dessous de la pression atmosphérique. Il s'ensuit que les déchets à traiter qui généralement avancent en couches minces, se décomposent alors sous l'action de la chaleur en deux sous-produits, respectivement un gaz pour sensiblement les deux tiers, et un résidu solide carboné pour sensiblement un tiers. La durée de séjour et d'écoulement dans le réacteur est de plusieurs dizaines de minutes, notamment de trente minutes. Le chauffage du réacteur est assuré par tous moyens appropriés, tels que notamment l'électricité. Selon l'invention, les deux sous produits de la thermolyse, respectivement le gaz et le résidu solide carboné, sont récupérés, le premier en haut du réacteur et le second en bas de celui-ci. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'installation comporte au moins un sas disposé en amont et en aval du réacteur. Ce sas peut être constitué de toute manière connue, par exemple par une vis hélicoïdale de compression, par des pompes, par des vannes à guillotine ou analogues. Selon une autre caractéristique de l'invention, les gaz de thermolyse, récupérés sur le haut du réacteur, sont acheminés sous l'effet d'une aspiration vers une chambre de combustion qui alimente à son tour un générateur de vapeur. Il importe que pendant le transfert depuis le réacteur jusqu'à la chambre de combustion, la fraction gazeuse de thermolyse soit maintenue à haute température. Parallèlement, les produits solides carbonés récupérés en bas du réacteur sont acheminés vers une autre chambre de combustion pour y être brûlés, cette seconde chambre alimentant également à son tour un autre générateur de vapeur, ou à défaut un système d'évacuation en vue d'une valorisation finale, voire une mise en décharge. Dans une forme d'exécution simplifiée, les gaz de combustion et de résidus solides carbonés produits par le réacteur sont acheminés vers la même chambre de combustion qui alimente un seul et même générateur de vapeur. Dans une variante, la chambre combusion comporte deux foyers, respectivement un premier foyer pour les produits solides carbonés, un second pour les gaz. Cette combustion séparée des deux sous-produits respectivement gazeux et solides, permet d'optimiser la qualité de la combustion et par voie de conséquence les rendements. Les gaz chauds de combustion sont ensuite globalisés pour être valorisés sous forme énergétique pour la production de vapeur ou d'eau chaude. Ainsi, on a pu déterminer que le traitement de 200 kilos par heure de déchets hospitaliers permet de produire par heure environ 600 kilos de vapeur à 8bars. Après avoir été valorisés, les gaz de combustion sont rejetés dans l'atmosphère par une cheminée traditionnelle dans les conditions évitant la formation d'un panache. En revanche, les produits solides carbonés, après avoir été valorisés dans la chambre de combustion, conduisent à des résidus ultimes, tels que des cendres de quantités nettement inférieures à celles des mâchefers issus de l'incinération traditionnelle. Brève description des figures La figure 1 illustre le schéma d'une installation conforme à l'invention. Les figures 2 et 3 montrent cette même installation en vue perspective sommaire, respectivement vue de dessus et de trois quart (figure 2), vue de côté et de trois quarts (figure 3). La figure 4 est une représentation schématique sommaire d'une installation simplifiée conforme à l'invention. Manière de réaliser l'invention En se référant aux figures 1 à 3, I'installation conforme à l'invention comprend un poste (1) de réception des déchets (2) à traiter comprenant une fraction organique, tels que des déchets hospitaliers, des pneumatiques usagés, des résidus de broyage automobiles (RBA), des déchets verts ou de biomasses, des déchets urbains ou ménagers, des boues de station d'épuration, voire des déchets pétroliers. Ces déchets sont amenés dans une unité de broyage (3) destinée à les amener à une granulométrie contrôlée de préférence homogène. Les déchets broyés sont ensuite amenés dans une trémie (4), puis dans un sas (5), et de là dans une enceinte de séchage chauffée directement ou indirectement. Les vapeurs (7) issues du séchage sont captées en haut de l'enceinte (6) par une tuyauterie (8) pour être amenées à la chambre de combustion. Les déchets séchés (10) sont tout d'abord additionnés en (11) d'un agent neutralisant tel que du carbonate de calcium, puis sont ensuite acheminés par un convoyeur (12) jusqu'à l'entrée du réacteur (13). Ce réacteur de thermolyse (13) peut être du type de celui qui est décrit dans le document WO-96/11742 du Demandeur, notamment aux figures 6,9 et 10 de ce document, soit d'un autre type connu équivalent. Ce réacteur (13) est chauffé de préférence à l'électricité. Il est important que ce réacteur (13) chauffé à une température voisine de 500 C, avec une dépression de l'ordre de dix mille (10 000) Pascals en dessous de la pression atmosphérique, fonctionne en carence d'oxygène. La durée de séjour des déchets (10) dans ce réacteur est d'environ trente minutes. La thermolyse provoque la formation de deux sous-produits, respectivement une fraction gazeuse organique récupérée vers le haut par la tuyauterie (15) et une fraction de produits solides carbonés récupérés vers le bas (18). Selon une caractéristique de l'invention, l'installation comprend des moyens (15) pour récupérer en haut du réacteur (13), notamment à l'aide d'une tuyauterie et d'un ventilateur (16), la fraction gazeuse organique formée pendant la thermolyse pour l'amener à une chambre de combustion (20). Cette chambre de combustion de type cylindrique horizontale, présente une arrivée (21) de gaz propane permettant de réaliser un appoint, de garantir le maintien à température pendant les phases de démarrage et d'arrêt et d'assurer une flamme pilote. Cette chambre de combustion (20) alimente à son tour un générateur de vapeur (22), par exemple du type chaudière à double circulation alimentée en eau (23). Dans une forme de réalisation avantageuse, les gaz de combustion propres de la chambre de combustion (20) sont amenés par une tubulure (25) dans le sécheur (6), notamment pour assurer un séchage direct des déchets à traiter. La vapeur produite par le générateur (22) est amenée par une tubulure (26) au même sécheur (6) pour assurer le séchage indirect des déchets à traiter ou pour être utilisée sur le site de production des déchets (1). La référence (30) désigne un ventilateur d'amenée d'air de combustion et la référence (31) le brûleur de la chambre de combustion (20). Parallèlement, la tubulure (8) d'extraction des vapeurs du sécheur (6) est associée à un aspirateur (9) qui amène ces vapeurs dans la chambre même de combustion (20). Les fumées issues du générateur (22) sont amenées par la tubulure (35) dans un cyclone (36) d'où elles sont extraites par un ventilateur (37) relié à la cheminée extérieure (38) de rejet dans l'atmosphère. Dans une variante avantageuse, l'aire (1) de réception des déchets (2) est surmonté d'une hotte (40) associée à une tubulure (41) amenant l'air de dépression dans la chambre de combustion (20) pour servir d'appoint d'air de combustion. De la sorte, grâce à un ventilateur non représenté, les vapeurs se dégageant naturellement des déchets notamment hospitaliers, sont évacuées puis brûlées, et ne se répandent pas dans l'enceinte de traitement. Selon une autre caractéristique de l'invention, les résidus solides carbonés (16) formés pendant la thermolyse passent tout d'abord à travers un sas (50) analogue à (5), puis sur un convoyeur (51) permettant d'extraire ces résidus au bas du réacteur (13). Ces résidus solides (18) carbonés sont riches en carbone, mais également en produits polluants, tels que du chlore, du soufre, et contiennent des fractions inorganiques, tels que du métal, du verre, des cailloux, voire des résidus multiples. Ces résidus qui sont noyés dans la poudre très fine pulvérulente résultant de la thermolyse de la fraction organique, sont criblés en (52) selon leur granulométrie et leur nature, et la fraction carbonée (53) est amenée à une seconde chambre de combustion (60) analogue à (20), alimentée également en gaz propane (61), et dont la sortie des gaz (62) analogue à (25) peut être reliée au sécheur (6). Cette chambre de combustion est associée comme précédemment à un générateur de vapeur (65) alimenté en eau (66) pour fournir de la vapeur en (67) analogue à (26), pour être relié également au sécheur (6). Les cendres de combustion sont retirées en (68) pour être mises en décharge. Les parties métalliques (71) issues de ce criblage (52) sont notamment stockées (72). La fraction inorganique comportant essentiellement des métaux, du verre, des cailloux, des résidus ultimes, fait l'objet d'un criblage complémentaire pour récupérer les matériaux recyclables et la fraction non valorisable (75) constituée de résidus solides, qui sont évacués (76) pour être mis en décharge (77). Les vapeurs (26,67) produites par les générateurs (22,65) sont utilisées soit pour sécher en (6) les déchets (1) à traiter et/ou pour alimenter en énergie l'unité de production de ces déchets. De la sorte, l'installation ne rejette à l'extérieur en (38) que des fumées propres (25) et des résidus ultimes (77) ou des cendres (68) valorisables, puisque toute l'énergie produite est transformée en vapeur pour être réinjectée dans l'installation ou pour être valorisée en amont. Les fractions gazeuses (8,15) amenées dans la première chambre de combustion (20), sont brûlées à une température voisine de 850"C pendant deux secondes environ. La destruction thermique est alors complète, ce qui permet d'optimiser la valorisation du contenu énergétique des déchets sous forme de vapeur (26,67). L'installation selon l'invention permet donc de traiter avec succès les déchets les plus variés comportant une fraction organique. Elle permet en outre et surtout une valorisation énergétique de ce traitement par thermolyse en permettant la récupération en deux phases, respectivement une phase gazeuse (15) et une phase solide (18), et la combustion de ces deux phases (20,60) permet de produire de la vapeur (26,67) (ou de l'eau chaude) destinée à alimenter le séchage (6) et/ou l'unité de production des déchets (1). Ainsi, en cours de fonctionnement, l'installation est presque autonome énergétiquement, ce qui la rend très attractive en termes d'investissement et de fonctionnement. La figure 4 illustre une autre forme de réalisation simplifiée de l'invention. Par commodité, on a repris les mêmes références qu'à la figure 1. Dans cette installation, les déchets à traiter présentant un taux d'humidité acceptable, il n'y a pas de sécheur (6), d'autant que la faible capacité (200 kg/h) ne justifie pas un investissement lourd (sécheur + chambre de combustion spécifique). Dans cette version simplifiée, outre l'absence du sécheur (6), la chambre de combustion (20) est unique, mais présente un double foyer, respectivement un premier foyer pour traiter les vapeurs de thermolyse amenées par la tubulure (17) et un second foyer pour traiter les résidus carbonés (53) amenés par le convoyeur (51). Cette forme de réalisation simplifiée est avantageuse pour le traitement des déchets hospitaliers de faible capacité, par exemple entre 100 et 300 kg/h. L'installation conforme à l'invention présente de nombreux avantages par rapport à celles connues à ce jour. On peut citer: une simplicité opératoire; la mise en oeuvre d'équipements éprouvés, un concept modulaire autorisant une mise en place aisée et rapide; l'absence de rejet liquide; une excellente sécurité et une bonne qualité du traitement thermique, puisqu'il n'y a pas d'imbrûlé; le fait qu'à partir d'un déchet, on obtient seulement des cendres; . la possibilité de réaliser des démarrages et des arrêts rapides et propres, avec possibilité de mise en veille; des coûts d'investissement compétitifs, des coûts de traitement et de maintenance faibles, l'absence de coûts annexes liés au traitement destiné à des eaux usées; une très bonne valorisation énergétique des déchets, puisque pour 200 kilos/heure de déchets hospitaliers, on peut obtenir jusqu'à 600 kilos/heure de vapeur à 8 bars ou équivalent. De la sorte, cette installation peut être utilisée avec succès pour le traitement des déchets de toute nature, tels que les déchets domestiques, industriels, hospitaliers, les boues de stations d'épuration ou autres, voire même sur le site de production de ces déchets, mais sans faire appel à des installations lourdes, dont on sait qu'elles sont de plus en plus coûteuses et délicates à opérer dans des conditions respectueuses de l'environnement. EtEVENDICATIONS 1/Installation pour le traitement par thermolyse de déchets comportant une fraction organique et présentant une une granulométrie contrôlée, et simultanément pour la valorisation énergétique de ces déchets, du type comprenant essentiellement: une unité de chargement (1) et d'amenée des déchets à traiter; . un réacteur de thermolyse (13) de dissociation thermique sous pression réduite à haute température, caractérisée: - en ce qu'elle comprend: . en amont (5) et en aval (50) du réacteur (13), un sas destiné à maintenir une dépression dans le réacteur pour assurer une thermolyse dans une atmosphère à très faible teneur en oxygène; des moyens (15) pour récupérer, à la partie supérieure du réacteur (13), la fraction gazeuse organique formée pendant la thermolyse, et des moyens (16) pour amener cette fraction gazeuse à une chambre de combustion (20) alimentant un générateur de vapeur (22); . des moyens (51) pour récupérer au bas du réacteur (13) les produits solides carbonés (18) formés pendant la thermolyse, et pour amener ces produits solides à une chambre de combustion (60) alimentant un générateur de vapeur (65) ou un système d'évacuation - et en ce que les gaz de la chambre de combustion et la vapeur produite par le générateur de vapeur, alimentent à leur tour l'unité de production des déchets et/ou un moyen de séchage préalable des déchets disposés juste en amont du réacteur (13). 2/ Installation selon la revendication I, caractérisée en ce que les déchets sont préalablement broyés pour les amener à une granulométrie contrôlée, de préférence homogène. 3/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que les déchets subissent préalablement un séchage destiné à abaisser leur teneur en eau. 4/Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que sur le parcours des déchets, entre l'organe d'amenée (1) et le réacteur (13), on dispose un moyen d'ajout (11) d'un agent de neutralisation des composants agressifs. 5/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le réacteur (13) de thermolyse fonctionne en quasi absence d'oxygène à une température comprise entre 400 et 10000C, sous une pression maintenue entre 5000 et 40000 Pascals en dessous de la pression atmosphérique. 6/ Installation selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les sas (5,50) sont choisis dans le groupe constitué par les vis hélicoïdales de compression, les pompes, les vannes à guillotine. 7/ Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que pendant le transfert depuis le réacteur (13) jusqu'à la chambre de combustion (20), la fraction gazeuse de thermolyse est maintenue à haute température.