Brevet FR2761761A1 — publié le 19981009

La présente invention concerne un procédé de traitement des fumées ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Les combustions siégeant dans les chaudières, incinérateurs, haut-fourneaux et autres dispositifs à combustion dégagent d'importantes quantités de fumées. Ces fumées sont constituées d'un ensemble de produits gazeux et de particules solides, parfois extrêmement ténues, qui, rejeté dans l'air, constitue une source de pollution nocive pour l'homme et son environnement. Actuellement, ces fumées, lorsqu'elles sont traitées, font l'objet d'un simple filtrage. Toutefois, ce filtrage ne permet pas de retenir toutes les particules solides. On estime que le rendement du filtrage est limité à environ 80%, de sorte que 20 des particules solides dégagées par la combustion sont rejetées avec les produits gazeux. Ce rejet, d'une part représente une source de pollution, et d'autre part crée une image défavorable dans l'esprit du public dans la mesure où le rejet gazeux est visible de l'extérieur et nécessite la mise en place de cheminées. Le but de l'invention est de concevoir un procédé et un dispositif de traitement des fumées qui permettent de supprimer totalement les rejets sous forme de gaz. Selon l'invention, on propose un procédé de traitement des fumées comportant les étapes de - solidifier par glaciation les fumées à traiter sur une surface de solidification réfrigérée pour obtenir une pellicule solide - récupérer la pellicule solide pour effectuer sa liquéfaction. La totalité des produits gazeux et des particules solides est solidifiée et emprisonnée dans la glace formée au contact de la surface de solidification. La pellicule solide ainsi formée est récupérée en vue de sa liquéfac tion, puis traitée sous forme liquide. Aucune fumée n'est donc rejetée, de sorte qu'aucune cheminée n'est nécessaire. De plus, le traitement sous forme liquide est beaucoup plus aisé et efficace que sous forme gazeuse. Selon une caractéristique avantageuse du procédé, on additionne, en amont de la solidification, un produit de fixation aux fumées à traiter. Ce produit de fixation peut être constitué par de l'eau, apportée sous forme de liquide atomisé ou de vapeur, pour fixer les particules et faciliter la glaciation. On peut en particulier effectuer cet apport en eau dans les cas où la teneur en vapeur d'eau des fumées est insuffisante pour permettre une glaciation correcte. Le produit de fixation peut aussi être constitué par de la neige carbonique, qui fixe les particules solides, en particulier les particules les plus lourdes. De préférence, en amont de la solidification, les fumées sont mises à une pression supérieure à 2 bars et à une température inférieure à 2000C. Après liquéfaction, le liquide obtenu est soumis à une décantation et le liquide décanté est utilisé, au moins en partie, pour le refroidissement des fumées en amont de la solidification. Le liquide est ensuite traité, par exemple par une centrifugation fine. L' invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité, comportant - une série de conduits de récupération des fumées à traiter ayant une extrémité amont et une extrémité aval par référence à un sens d'écoulement des fumées - une chambre de solidification dans laquelle débouche l'extrémité aval de la série de conduits et qui présente intérieurement une surface de solidification réfrigérée - des moyens de récupération des produits de la solidification, disposés à l'aplomb de la surface de solidification. Dans un mode de réalisation avantageux, la chambre est formée par une enceinte fermée dont une partie de paroi supérieure porte la surface de solidification. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface de solidification est inclinée par rapport à l'horizontale. Cette inclinaison facilite le détachement sous l'effet de la gravité de la pellicule solide formée sur la surface de solidification et résultant de la solidification par glaciation des fumées. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface de solidification est équipée d'une série de nervures de séparation en relief disposées suivant la ligne de plus grande pente de la surface de solidification. Ces nervures de séparation évitent la formation d'une pellicule solide monobloc de grande taille et facilitent ainsi le détachement individuel des galettes pelliculaires formées entre les nervures de séparation. Avantageusement alors, les nervures de séparation de la surface de solidification possèdent des faces latérales formant avec la surface de solidification un angle de dépouille supérieur à l'angle droit. Le détachement des galettes pelliculaire est ainsi facilité. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la surface de solidification est de forme conique d'axe vertical. Une telle forme de révolution permet d'obtenir, avec un encombrement minimum, une surface de dimension maximum. Elle présente en outre l'inclinaison souhaitée pour faciliter le détachement de la pellicule solide. De préférence alors, la surface de solidification conique possède un demi-angle au sommet compris entre 250 et 300. Un angle voisin de 280 convient particulièrement bien. Dans un mode de réalisation avantageux, la chambre de solidification est délimitée par une colonne cylindrique ayant une extrémité supérieure obturée par un embout conique réfrigéré portant intérieurement la surface de solidification et une extrémité inférieure débouchant dans les moyens de récupération. L'embout conique est constitué par un assemblage de plaques formant des secteurs de cône et possédant des bords latéraux juxtaposés pourvus de demi-nervures pour former deux à deux les nervures de séparation de la surface de solidification. L'embout possède une surface extérieure conique qui est coiffée par un chapeau conique de réfrigération ayant une surface intérieure conique correspondant à la surface extérieure conique de l'embout et qui est constituée par un alliage d'aluminium moulé enrobant une série de canaux de réfrigération. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la chambre de solidification est équipée de buses d'injection d'un produit de traitement, tel que de l'eau et/ou de la neige carbonique, disposées immédiatement en amont de la surface de solidification par référence au sens d'écoulement des fumées. Les buses d'injection sont orientées sensiblement en opposition avec le sens d'écoulement des fumées. On améliore ainsi la fixation des particules et des gaz sur l'eau et/ou la neige carbonique. Les buses d'injection peuvent être pilotées en fonction d'informations délivrées par au moins une sonde d'analyse des fumées disposée en amont des buses d'injection. L'injection d'eau et/ou de neige carbonique est ainsi instantanément adaptée à la composition (éventuellement variable) des fumées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de traitement des fumées conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue de détail en perspective de l'embout conique avec son chapeau de réfrigération; - la figure 3 est une vue en coupe selon le plan vertical axial III de la figure 2 - la figure 4 est une vue en coupe selon le plan IV des figures 2 et 3 - la figure 5 est une vue partielle analogue à la figure 1, illustrant une variante de réalisation de la colonne de solidification. En référence aux figures 1 à 4, et en particulier à la figure 1, le dispositif de traitement des fumées selon l'invention comporte une série de conduits 1 de récupération des fumées à traiter ayant une extrémité amont 2 et une extrémité aval 3 par référence à un sens d'écoulement E des fumées dans cette série de conduits. A son extrémité amont 2, la série de conduits 1 est raccordée à l'extrémité supérieure d'une colonne C d'arrivée des fumées d'une chambre de combustion telle qu'un incinérateur. A son extrémité aval 3, la série de conduits 1 débouche dans une chambre de solidification 4. En l'espèce, cette chambre est formée par une enceinte fermée délimitée par une colonne verticale cylindrique 5 ayant une extrémité supérieure obturée par un embout conique 6 réfrigéré et une extrémité inférieure débouchant dans une cuve de récupération 7. L'extrémité aval 3 de la série de conduits 1 est raccordée à la colonne 5 latéralement, entre ses extrémités supérieure et inférieure. L'embout conique 6 présente intérieurement une surface de solidification 8 qui est de forme conique d'axe vertical 9 et qui est finement polie (polissage du type "glace"). Pour permettre un polissage extrêmement fin et pour éviter toute usure ou corrosion, l'embout 6 est réalisé en acier inoxydable. Le cône qu'elle forme possède un demi-angle au sommet a de préférence compris entre 250 et 300. On a pu déterminer que la valeur optimum de ce demi-angle au sommet est d'environ 280. L'embout 6 possède une surface extérieure conique 11 qui est coiffée par un chapeau conique 12 de réfrigération. Ce chapeau possède une surface intérieure conique 13 correspondant à la surface extérieure conique 11 de l'embout 6. Il est constituée par un alliage d'aluminium moulé 14 enrobant une série de canaux de réfrigération 15. Le chapeau 12 maintient l'embout 6 à une température d'environ -1800C. Comme cela est mieux visible aux figures 2 et 3, la surface de solidification 8 de l'embout 6 est équipée d'une série de nervures de séparation 10 en relief disposées suivant la ligne de plus grande pente de la surface de solidification 8, c'est-à-dire verticalement. Ces nervures possèdent des faces latérales 10 formant avec la surface de solidification conique 8 un angle de dépouille b supérieur à l'angle droit. Dans le mode de réalisation illustré, l'embout conique 6 est constitué par un assemblage de plaques 16 formant des secteurs de cône. Chacune de ces plaques possède deux bords latéraux 17 formant une demi-nervures et présentant une face latérale plane de liaison 18. Les bords adjacents 17 de chaque paire de plaques adjacentes 16 sont accolés par leurs faces de liaison 18 et forment ainsi deux à deux les nervures de séparation 9 de la surface de solidification 8. La chambre de solidification 4 est équipée de buses 19, 20 d'injection d'un produit de fixation des gaz et des particules solides. Ces buses sont disposées selon une répartition annulaire, immédiatement en amont de la surface de l'embout 6 par référence à un sens d'écoulement des fumées. Elles sont en outre orientées sensiblement en opposition avec le sens d'écoulement des fumées, ce qui améliore l'efficacité de la fixation. On distingue en l'espèce un ensemble annulaire de buses 19 injectant, lorsque cela est nécessaire, de l'eau sous forme de liquide atomisé ou de vapeur, et un ensemble annulaire de buses 20 injectant, lorsque cela est nécessaire, de la neige carbonique. Les buses d'injection 19 et 20 sont pilotées en fonction d'informations délivrées par au moins une sonde 21 d'analyse des fumées disposée dans la chambre de solidification 4, en amont des buses d'injection 19. Par ailleurs, la chambre de solidification 4 est équipée d'un refroidisseur 22, qui est disposé entre l'extrémité aval 3 de la série de conduits 1 et les buses 19, 20. Ce refroidisseur est ici extérieur, mais qui pourrait aussi bien être intérieur. La série de conduits 1 forme en l'espèce un circuit de refroidissement en chicanes qui est équipé de refroidisseurs 23. Ces refroidisseurs sont réglés de telle sorte que la température des fumées à l'entrée de la chambre de solidification 4 soit d'environ 1200C. La série de conduits 1 est de plus équipée d'une turbine (ou ensemble de turbines) 24 pour forcer la circulation et mettre sous pression les fumées. Cette turbine est disposée à proximité de l'extrémité amont 2 de la série de conduits 1. Elle est réglée de façon à engendrer une pression dans la chambre de solidification 4 d'environ 3 bars. Un conduit de retour 25 permet d'éviter une surpression trop importante dans la chambre de solidification 4. Ce conduit 25 possède une extrémité 26 qui est raccordée à la série de conduits 1 en aval des refroidisseurs 23 et de la turbine 24, et une extrémité opposée 28 qui est raccordée, soit à la série de conduits 1 en amont des refroidisseurs 23 et de la turbine 24, soit comme cela est le cas en l'espèce, directement à la colonne C d'arri vée des fumées. L'extrémité 26 du conduit 25 est obturée par une vanne 27 destinée à s'ouvrir en cas d'excès de pression, tandis que l'extrémité 28 est obturée par une vanne ou un clapet anti-retour 29. En service, le procédé de traitement des fumées selon l'invention, mis en oeuvre par le dispositif qui vient d'être décrit, comporte les étapes suivantes. Les fumées provenant de la colonne d'arrivée C sont aspirées dans le premier conduit de la série de conduits 1 et sont mises sous pression par la turbine 24. La fumée s'écoule ainsi dans la série de conduits 1 jusqu'à ce qu'elle en ressorte par l'extrémité aval 3 pour pénétrer dans la chambre de solidification 4. La température de la fumée étant de l'ordre de 6000C lorsqu'elle pénètre dans la série de conduits 1 par son extrémité amont 2, les refroidisseurs 23 de la série de conduits 1 assurent un refroidissement des fumées pour qu'elles atteignent une température d'environ 1200 lorsqu'elles pénètrent dans la chambre de solidification 4. D'autres réglages seront possibles, mais il est préférable que la température intérieure de la chambre de solidification 4 ne dépasse pas de 2000. La turbine 24 quant à elle assure une pressurisation des fumées, telle que la pression à l'intérieur de la chambre de solidification 4 soit d'environ 3 bars. De même que pour la température, d'autres réglages seront possibles, mais il sera préférable que la température intérieure de la chambre de solidification 4 soit d'au moins 2 bars. Dans la chambre de solidification 4, les fumées sont encore refroidies par le refroidisseur 22. La température dans la partie inférieure de la chambre 4 est donc sensiblement supérieure à celle régnant dans sa partie supérieure. En aval du refroidisseur 22, c'est-à-dire audessus de celui-ci, les buses d'injection 19 et/ou 20 injectent de l'eau et/ou de la neige carbonique à l'encon- tre du flux de fumée. L'eau et/ou la neige ainsi injectée(s) fixe(nt) les gaz et les particules solides. De plus, l'apport en eau effectué par les buses 19 permet de rehausser le taux d'humidité dans les fumées lorsque ce taux est insuffisant pour permettre la solidification par glaciation sur la surface de solidification 8, comme cela est expliqué ci-après. Lorsque les fumées parviennent au contact de la surface de solidification 8, elles sont solidifiées par glaciation du fait de la température extrêmement basse imprimé par le chapeau de réfrigération 12 à l'embout 6. Lors de cette solidification, les gaz et les particules solides composant les fumées sont non seulement solidifiées par l'abaissement de température, mais sont également emprisonnés dans la glace issue de la glaciation de la vapeur d'eau contenue dans les fumées. La température de la surface de solidification 8 est maintenue à environ -1800C. D'autres réglages seront possibles, mais il sera préférable que cette température reste sensiblement inférieure à -1000C. La pellicule solide formée sur la surface de solidification 8 sous forme de galettes solides S, entre les nervures 9 de la surface de solidification 8, se détache spontanément sous l'effet de la gravité. Ce détachement spontané est obtenu grâce d'une part à la séparation assurée par les nervures 9 et d'autre part au polissage extrêmement fin de la surface de solidification 8. Les galettes solides S tombent ainsi au travers de la chambre de solidification 4 dans la cuve de récupération 7, puis sont liquéfiées à l'intérieur de cette cuve. On notera à ce propos qu'un clapet anti-retour est disposé à l'intérieur de la colonne 5 délimitant la chambre 4 de façon à éviter tout effet d'aspiration entre le volume intérieur de la cuve de récupération 7 etNla chambre de solidification 4. A l'intérieur de la cuve de récupération 7, le liquide L obtenu par liquéfaction des galettes solides S est soumis à une décantation et le liquide décanté est utilisé, au moins en partie, pour le refroidissement des fumées. A cet effet, une canalisation 33 est disposée entre la cuve 7 et les refroidisseurs 23, une vanne 34 étant disposée à l'entrée de cette canalisation. Le liquide restant est traité par centrifugation et/ou tout autre procédé adapté. En cas de surpression dans la série de conduits 1 ou la chambre de solidification 4, la vanne 27 est ouverte, de sorte que les vapeurs refroidies par les refroidisseurs 23 soient réintroduites dans la colonne d'arrivée C. On peut ainsi pallier à une surpression momentanée. En cas de surpression trop importante ou due à un dysfonctionnement, les fumées issues de la colonne C peuvent s'échapper par un circuit de décharge et de sécurité 31 dont l'ouverture est assurée par une soupape de sécurité 32. A la figure 5, on a représenté, de façon analogue à la figure 1, une variante de la chambre de solidification 4. Cette chambre est ici dépourvue de refroidisseur, ce qui réduit son encombrement en hauteur. 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 ses caractéristiques essentielles. Bien qu'il ait été représenté dans le mode de réalisation décrit précédemment un circuit de refroidissement 1 des fumées en chicanes, il sera également possible, dans un mode de réalisation plus particulièrement destiné aux fumées fortement chargées en particules lourdes, de réaliser une simple colonne verticale équipée de refroidisseurs. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement des fumées caractérisé en ce qu'il comporte les étapes de - solidifier par glaciation les fumées à traiter sur une surface de solidification réfrigérée pour obtenir une pellicule solide; - récupérer la pellicule solide pour effectuer sa liquéfaction. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'en amont de la solidification, on additionne un produit de fixation aux fumées à traiter. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'en amont de la solidification, les fumées sont mises à une pression supérieure à 2 bars et à une température inférieure à 2000C, et en ce que la surface de solidification est portée à une température inférieure à -1000C. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après liquéfaction, le liquide obtenu est soumis à une décantation et le liquide décanté est utilisé, au moins en partie, pour le refroidissement des fumées en amont de la solidification. 5. Dispositif de traitement des fumées, caractérisé en ce qu'il comporte - une série de conduits (1) de récupération des fumées à traiter ayant une extrémité amont (2) et une extrémité aval (3) par référence à un sens d'écoulement (E) des fumées - une chambre de solidification (4) dans laquelle débouche l'extrémité aval (3) de la série de conduits (1) et qui présente intérieurement une surface de solidification (8) réfrigérée - des moyens de récupération (7) des produits (5) de la solidification, disposés à l'aplomb de la surface de solidification (8). 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté risé en ce que la chambre de solidification (4) est formée par une enceinte fermée, dont une partie de paroi supérieure (6) porte la surface de solidification (8). 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la surface de solidification (8) est inclinée par rapport à l'horizontale. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la surface de solidification (8) est équipée d'une série de nervures de séparation (9) en relief disposées suivant la ligne de plus grande pente de la surface de solidification (8). 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que les nervures (9) de la surface de solidification (8) possèdent des faces latérales (10) formant avec la surface de solidification (8) un angle de dépouille (b) supérieur à l'angle droit. 10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la surface de solidification (8) est de forme conique d'axe vertical (9). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la surface de solidification conique (8) possède un demi-angle au sommet (a) compris entre 250 et 300. 12. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 11, caractérisé en ce que la chambre de solidification (4) est délimitée par une colonne cylindrique (5) ayant une extrémité supérieure obturée par un embout conique (6) réfrigéré portant intérieurement la surface de solidification (8) et une extrémité inférieure débouchant dans les moyens de récupération (7). 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'embout conique (6) est constitué par un assemblage de plaques (16) formant des secteurs de cône et possédant des bords latéraux (17) juxtaposés pourvus de demi-nervures pour former deux à deux les nervures de séparation (9) de la surface de solidification (8), et l'embout (6) possède une surface extérieure conique (11) qui est coiffée par un chapeau conique (12) de réfrigération ayant une surface intérieure conique (13) correspondant à la surface extérieure conique (11) de l'embout et qui est constituée par un alliage d'aluminium moulé enrobant une série de canaux de réfrigération (15). 14. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que la chambre de solidification (4) est équipée de buses d'injection (19, 20) d'un produit de traitement, disposées immédiatement en amont de la surface de solidification (8) par référence au sens d'écoulement (E) des fumées et orientées sensiblement en opposition avec celui-ci.