Brevet FR2780235A1 — publié le 19991224

PROCEDE D'INJECTION DANS UN JET DE PLASMA D'UN FLUIDE A TRAITER ET APPLICATION NOTAMMENT A LA DESTRUCTION DE DECHETS TOXIQUES La présente invention a trait au traitement de fluides en particulier de fluides contenant des déchets toxiques, par décomposition par injection dans un jet de plasma d'arc d'une torche à plasma. Plus précisément, I'invention concerne l'injection dans un plasma d'arc soufflé de produits liquides ou gazeux à des fins de destruction, grâce aux hautes enthalpie et température du plasma, des molécules de gaz ou de liquides toxiques. Le but de la présente invention est de proposer un nouveau mode d'injection des fluides dans le jet de plasma en sortie de torche, dans des conditions optimales d'enthalpie, de flux et de température. A cet effet, I'invention a pour objet un procédé d'injection d'un fluide à traiter dans un jet de plasma d'une torche notamment de type à plasma d'arc soufflé, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter ledit fluide dans l'axe, à l'intérieur et à contre-courant du dard du jet de plasma, en sortie de torche, ladite injection étant effectuée de préférence en régime supersonique et avec un rapport du débit massique dudit fluide de l'ordre de 0,1 à 1 fois celui du plasma. Dans le cas d'injection d'un liquide, celui-ci sera avantageusement injecté sous forme vaporisée en fines gouttelettes, en sorte d'augmenter les surfaces d'échanges avec le plasma. Les moyens d'injection des fluides dans le dard du plasma, dans de telles conditions, comporteront, compte tenu des températures en présence, pouvant atteindre ou dépasser 4000 C dans le dard, des moyens de refroidissement appropriés, notamment une circulation de fluide tel que de Il'eau. L'invention a également pour objet une application, entre autres, du procédé d'injection ci-dessus, à la destruction de déchets toxiques, notamment de fluides provenant d'armes chimiques, dans le cadre de la destruction ou neutralisation de ces armes. A cet effet, I'invention a pour objet une application dudit procédé caractérisée en ce qu'elle consiste à injecter en sortie de torche à plasma à arc soufflé dans le dard du jet de plasma, dans l'axe et à contre-courant de ce dernier, les fluides provenant de la séparation dans une chambre de détonation de munitions contenant des substances toxiques et à traiter les effluents gazeux issus de ladite injection par un refroidissement brutal, la nature du gaz plasmagène, ainsi que les conditions de séparation dans ladite chambre de détonation et de refroidissement desdits effluents gazeux étant déterminées en sorte de minimiser les flux gazeux en privilégiant la génération de produits condensables, tels que suies, sels, dépôts particulaires. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels: - Figure 1 est un schéma illustrant le principe d'injection de l'invention - Figure 2 est un diagramme illustrant une application du procédé de l'invention au traitement de produits toxiques dans le cadre de la destruction d'armes chimiques; - Figure 3 illustre une première variante du procédé de la figure 2, et - Figure 4 illustre une seconde variante. Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 le nez d'une torche à plasma d'arc soufflé, de préférence du type tubulaire ou axisymétrique, afin d'obtenir en sortie de torche un jet de plasma dont le dard 2 soit le plus axisymétrique et le plus concentré possible, pour obtenir dans le coeur du dard la température la plus élevée possible. Précisément, au coeur du dard, conformément à l'invention, on injecte par des moyens appropriés symbolisés en 3, dans l'axe 4 du dard 2 et à contre-courant, un fluide F à traiter. Ladite injection, symbolisée en I sur la figure 1, est effectuée de préférence à une vitesse d'éjection du fluide F supersonique et avec un rapport des débits massiques respectivement du fluide et du gaz plasmagène de la torche 1, de l'ordre de 0,1 à 1. La distance d entre le nez de la torche 1 et les moyens d'injection 3 dépend bien entendu du type et de la puissance de la torche; elle est de I'ordre de 10 à 50 cm pour une torche de la gamme de puissance de 200 kW à 700 KW. Le fluide F, lorsqu'il est à l'état liquide, est de préférence vaporisé dans le dard 2 en fines gouttelettes de façon à augmenter les surfaces d'échange avec le plasma. La nature du gaz plasmagène de même que le rapport des débits massiques fluide injecté/gaz plasmagène sont adaptés à la nature des constituants du fluide F à traiter. Les moyens d'injection 3 seront bien entendu refroidis en permanence pendant l'injection, par exemple à l'aide d'une circulation d'un fluide tel que I'eau, compte tenu du niveau de température atteint dans le dard 2 et qui peut dépasser 4 000 C. La conjonction de l'enthalpie (énergie thermodynamique) très élevée du plasma et du mode d'injection retenu, créant une turbulence maximale, se traduit par des effets de synergie provoquant un contact intime et total entre les molécules à "craquer" et le plasma et des réactions chimiques endothermiques, assurant ainsi une dissociation moléculaire optimale et une cinétique réactionnelle beaucoup plus forte. Le procédé d'injection selon l'invention est susceptible de nombreuses applications. On va maintenant en décrire une en référence aux figures 2 à 4, et qui vise d'une manière générale la destruction des armes chimiques. L'objectif est la destruction des déchets toxiques constitués par des munitions, composées d'environ 80 % de métal, 17 % d'éléments toxiques et pyrotechniques et 3 % de matériaux inertes. La première étape du processus de destruction est une séparation des phases solides, liquides, gazeuses de la munition en se servant du fonctionnement de sa charge pyrotechnique. A cet effet, une chambre de détonation 5 est utilisée. Son principe est bien connu. Une ou des munitions sont amenées à y exploser, notamment par élévation thermique des munitions. Les produits issus de la chambre de détonation 5 sont séparés en fluides 6 et débris solides 7. Les premiers (6) sont injectés dans le dard 2 d'une torcher à plasma 1 à arc soufflé, conformément au procédé de la figure 1. Dans ce type d'application, le rapport des débits massiques fluides injectés/gaz plasmagène sera de préférence proche de 1. Les débris solides 7 sont introduits dans un four 8 dans lequel est montée la torche 1, les parties métalliques étant fondues dans un bain 9. Les effluents gazeux 10 issus du four 8 sont traités dans un échangeur de chaleur 1 1 o s'opère un refroidissement brutal des effluents pour obtenir une condensation maximale sous forme solide (suies, sels, dépôts particulaires) des substances polluantes. Pour privilégier au maximum une telle condensation, on agira sur les paramètres suivants, en fonction bien entendu de la nature des munitions température de condensation, quantité d'oxygène en sortie du four 8 conduite du refroidissement. D'une manière générale, on recherchera, dans la mesure du possible, le taux d'oxygène le plus faible possible. L'oxygène présent dans les effluents gazeux 10 peut provenir des molécules des produits décomposés dans la chambre 5, de l'atmosphère de cette dernière et du gaz plasmagène de la torche 1, dans la mesure o ce gaz est de l'air. Au niveau des munitions à traiter, on peut associer diverses munitions à traiter dans la même chambre 5 en vue de garder un taux moyen d'oxygène aussi bas que possible. Pour réduire l'oxygène, on pourra avantageusement utiliser comme gaz plasmagène, ainsi que pour l'atmosphère interne à la chambre de détonation 5, un gaz neutre, par exemple de l'azote. Par ailleurs, la chambre de détonation peut être éventuellement mise sous dépression. A titre d'exemple, les effluents gazeux 10 seront soumis à un refroidissement brutal ramenant les gaz à la température ambiante. Le refroidissement peut s'opérer en une seule étape ou de manière étagée en fonction d'objectifs spécifiques. De préférence, l'échangeur de chaleur 11 sera un dispositif n'introduisant aucune quantité additionnelle de flux gazeux à traiter. Le traitement en 11, dans les conditions explicités ci-dessus, est de nature à favoriser des combinaisons de l'oxygène donnant des produits non toxiques ou sous forme d'eau ou de gaz carbonique et à éviter des combinaisons de l'oxygène sous forme NOx-SOx, sous forme de dioxines ou furanes et sous forme d'oxyde de carbone. Si besoin est, une injection ponctuelle de vapeur d'eau peut être faite, pour apporter sous une forme pratique un complément d'oxygène/hydrogène nécessaire par exemple pour éviter la formation de CO, à un certain stade du traitement ou pour favoriser l'apparition de telle molécule recherchée. Avantageusement, la gestion des effluents 10 prendra en compte dans une étape symbolisée en 12 sur la figure 2, la séparation des suies, sels et particules selon leur nature, par exemple par un dispositif centrifuge adapté, l'incorporation dans le bain fondu 9 du four 8 du maximum possible de suies de carbone et de particules d'arsenic, le traitement des polluants résiduels majeurs NOx-SOx et mineurs, par le procédé le mieux adapté parmi les solutions industrielles: voies humides, semi-humides, sèches. Ladite gestion prendra également en compte les traitements de neutralisation et/ou de récupération des acides présents, principalement à base de chlore, de fluor, de brome, de phosphore et de soufre, ainsi que la valorisation ex situ des quantités restantes d'arsenic sous la forme AS203. En variante du process de la figure 2 et pour des raisons de commodité de conduite d'exploitation, la partie fusion des éléments solides (7) peut être dissociée de la partie destruction des fluides (6). Dans ce cas, illustré par les figures 3 et 4, le four unique à plasma 8 pourra être avantageusement remplacé par un réacteur 13 équipé d'une torche à plasma 1 pour le traitement des fluides 6 et par un four séparé, de fusion des solides 7. Celui-ci pourra être par exemple (figure 3) un four à chauffage inductif i15 14, qui présente l'avantage de moins solliciter thermiquement les réfractaires sans rien ajouter au bilan gazeux. Les effluents gazeux 15 issus du four 14 sont traités en 1 1 comme les effluents gazeux 10 issus du réacteur 1 3. Le four séparé peut être également (figure 4) un four à lit fluidisé 16 dont le but sera de nettoyer les pièces métalliques et non plus de les fondre. Le brassage thermique, à une température de l'ordre de 1200 C, du lit de sable 17 du four 16 est avantageusement effectué par les effluents de sortie du réacteur 13, ce qui n'ajoute rien au bilan gazeux. Les effluents gazeux 18 issus du four 16 sont traités en 1 1 comme les effluents 10 des figures 2 et 3. Dans les dispositifs des figures 3 et 4, I'injection des fluides dans le dard 2 du plasma de la torche 1 s'effectue selon le même procédé que dans le dispositif de la figure 2. Dans les dispositifs des figures 2 à 4, des sous-produits solides, tels que des cendres volantes, provenant de l'étape 1 2, peuvent être avantageusement, dans le cadre de la gestion des sous-produits des traitements de fumées, ajoutés aux solides 7 avant leur introduction dans le four (8, 14, 16). Enfin, I'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de mise en oeuvre représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne la nature des fluides et solides à traiter et les contraintes imposées aux effluents gazeux et solides issus des5 étapes de traitement desdits fluides et solides. REVENDICATIONS 1. Procédé d'injection d'un fluide (F) à traiter dans un jet de plasma d'une torche (1) notamment de type à plasma d'arc soufflé, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter ledit fluide (F) dans l'axe (4), à l'intérieur et à contre- courant du dard (2) du jet de plasma, en sortie de torche, ladite injection (I) étant effectuée de préférence en régime supersonique et avec un rapport du débit massique dudit fluide de l'ordre de 0,1 à 1 fois celui du plasma. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide sous forme liquide est injecté sous forme vaporisée en fines gouttelettes. 3. Application du procédé selon la revendication 1 ou 2, à la destruction de déchets toxiques notamment de fluides provenant d'armes chimiques, caractérisée en ce qu'elle consiste à injecter en sortie de torche à plasma à arc soufflé (1) dans le dard (2) du jet de plasma, dans l'axe et à contre-courant de ce dernier, les fluides (6) provenant de la séparation dans une chambre de détonation (5) de munitions contenant des substances toxiques et à traiter les effluents gazeux (10) issus de ladite injection par un refroidissement brutal (11), la nature du gaz plasmagène, ainsi que les conditions de séparation dans ladite chambre de détonation (5) et de refroidissement desdits effluents gazeux (10) étant déterminées en sorte de minimiser les flux gazeux en privilégiant la génération de produits condensables, tels que suies, sels, dépôts particulaires. 4. Application suivant la revendication 3, caractérisée en ce que le refroidissement est effectué en sorte de ramener les gaz à la température ambiante en une ou plusieurs étapes. 5. Application suivant la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le gaz plasmagène est un gaz neutre, notamment de l'azote. 6. Application suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que l'atmosphère dans la chambre de détonation (5) est formée d'un gaz neutre, notamment de l'azote. 7. Application suivant l'une des revendications 3 à 5, caractérisée en ce que la chambre de détonation (5) est mise sous dépression. 8. Application suivant l'une des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que la partie solides (7) provenant de la chambre de détonation (5) est fondue dans un four (8) incorporant la torche à plasma (1). 9. Application suivant l'une des revendications 3 à 7, caractérisée en ce que la partie fluides (6) provenant de la chambre de détonation (5) est traitée dans un réacteur (13) incorporant la torche à plasma (1), et la partie solides (7) est traitée dans un four séparé (14, 16). 10. Application suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le four séparé est un four à induction (14), les effluents gazeux (15) issus de ce dernier étant traités conjointement avec les effluents gazeux (10) issus du réacteur (1 3) de traitement des fluides (6). 1. Application suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le four séparé est un four à lit fluidisé (16), les effluents gazeux (18) issus de ce dernier étant traités par un refroidissement brutal selon la revendication 4. 12. Application suivant la revendication 11, caractérisée en ce que le four à lit fluidisé (16) comporte un lit de sable (17) brassé par les effluents gazeux (10) issus dudit réacteur (13) de traitement des fluides (6). 13. Application suivant l'une des revendications 3 à 12, caractérisée en ce qu'on effectue dans l'une des étapes du traitement une injection ponctuelle de vapeur d'eau à des fins d'apport complémentaire d'oxygène/hydrogène.