Brevet FR2796517A1 — publié le 20010119

La présente invention a pour objet une méthode pour réduire les émissions d'oxyde d'azote d'une torche à plasma fonctionnant à l'air. Les torches à plasma peuvent être utilisées pour atteindre les très hautes températures requises par la vitrification de déchets. Un tel procédé est décrit dans l'article de la revue L'Usine Nouvelle , hors série, Nov.1998 pp.67-68 intitulé La torche à plasma vitrifie les déchets . En fonctionnement à l'air, les torches à plasma, dans lesquelles les températures peuvent atteindre 5000 à 6000 K, produisent des quantités d'oxydes d'azote (NOx) importantes. Ces quantités peuvent être estimées quali tativement par des calculs d'équilibre thermodynamiques tels qu'obtenus au moyen de codes de calcul du type CHEMKIN. Par ailleurs, en fonction du type de déchets, il est possible qu'une combustion de matières organiques soit nécessaire. Pour que cette combustion soit complète, il faut que de l'oxygène soit apporté, généralement dans une chambre de postcombustion ou par l'air de la torche à plasma. En l'absence d'oxygène pour la combustion, les produits de combustion (fumées) peuvent contenir des quantités importantes d'imbrûlés et conduire à des émissions pol luantes. De plus, des produits de combustion contenant des imbrûlés représen tent un risque de combustion ultérieure, voire d'explosions dans des zones en aval du four de vitrification. II a été possible de mettre en évidence le fait que des concentra tions très importantes en NOx peuvent être atteintes dans des plasmas d'air dont la température est supérieure à 2500 C. Ainsi, la figure 1 annexée représente l'influence de la température en degrés C (abscisses), sur la composition en es pèces 02, O, N, en ordonnées à gauche, et NO, N02, en ordonnées à droite d'un mélange d'oxygène et d'azote portés à une température comprise entre 15000C et 4500 C. Les valeurs numériques portées en ordonnées sont des fractions volumiques. Ces données ont été obtenues par des calculs d'équilibre thermo dynamique et font apparaître que les concentrations en NOx peuvent atteindre 50.000 ppm. L'invention a -donc pour but de proposer une méthode pour réduire les émissions d'oxydes d'azote d'une torche à plasma fonctionnant à l'air. Conformément à l'invention, on remplace au moins une partie de l'air d'alimentation de la torche par un mélange de gaz contenant au moins 80% de gaz neutre. Suivant un mode de réalisation de l'invention, le gaz neutre est de l'azote produit par voie cryogénique, c'est à dire en pratique de l'azote considéré comme pur. Suivant un autre mode de réalisation, le gaz neutre contient au moins 80% d'azote impur, obtenu par exemple par des membranes de sépara tion de l'azote de l'air, le reste du mélange gazeux comportant au moins de l'oxygène. La méthode selon l'invention permet donc soit d'éliminer complète ment l'oxygène du mélange gazeux, soit d'apporter l'oxygène nécessaire à la combustion dans des proportions inférieures à celles où il est présent dans l'air. Ainsi peut être réduite la formation des oxydes d'azote et évités les inconvé nients liés à une pyrolyse mentionnés ci-dessus. Le gaz réactif est injecté soit dans la torche à plasma, soit à l'extérieur de celle-ci. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 est un diagramme illustrant la variation des fractions en volume des espèces 02, 0, N, NOx d'un mélange d'oxygène et d'azote porté à une température comprise entre 1500 C et 4500 C. La figure 2 est un diagramme représentant en fonction de la tempé rature, portée en abscisses et comprise entre 1500 C et 5000 C, la quantité d'oxydes d'azote produite dans le plasma, et ce pour différentes teneurs en oxy gène du mélange gazeux injecté à la torche. La figure 3 est un diagramme représentant la variation de la quan tité d'espèces NOx , en milligrammes/Nm3 en fonction de la source de gaz plas- magène. Sur le diagramme de la figure 2, la courbe A représente la variation des quantités de NOx en fonction de la température en degrés C pour une teneur en oxygène de 5% dans le mélange injecté à la torche, la courbe B correspond à une teneur de 10% en oxygène, et la courbe C correspond à une teneur de 21 en oxygène. On voit qu'en ramenant à 5% la teneur en oxygène du mélange in jecté à la torche, il est possible de diviser par trois la quantité d'oxydes d'azote formée. Ce résultat reste valable dans un large domaine de températures. La méthode selon l'invention est donc basée sur le remplacement de l'air utilisé dans une torche à plasma par un mélange de gaz contenant au moins 80% de gaz neutre, lequel peut être de l'azote pur ou impur, ou un mé lange d'azote et d'argon, afin de limiter la formation des oxydes d'azote, produits de la réaction à haute température entre l'azote et l'oxygène. Par azote impur, on entend habituellement un azote qui peut con tenir jusqu'à 8% d'oxygène. Selon un mode de réalisation avantageux de la méthode visée par l'invention, on injecte en outre un gaz réducteur dans le mélange de gaz précité. Le gaz réducteur est un du groupe suivant : gaz naturel, propane, ammoniac, gaz de récupération. Ce gaz est injecté soit dans la torche, soit près de celle-ci. Selon une forme de réalisation perfectionnée de la méthode visée par l'invention, on injecte en outre un gaz contenant de l'oxygène pour assurer la combustion complète des imbrûlés. On voit sur le diagramme de la figure 3 que la quantité de NOx ob tenue avec de l'azote impur à 2% d'oxygène est très inférieure à celle obtenue avec soit l'air seul, soit un mélange d'air et de gaz naturel, essentiellement cons titué de méthane CH4 et noté CH4 sur le graphique. Elle est toutefois supérieure à la quantité de NOx formé avec utilisation d'azote pur, dont la fabrication par voie cryogénique est onéreuse. Le meilleur résultat a été obtenu par utilisation d'azote pur mélangé avec du gaz naturel, noté CH4. Ensuite la quantité de NOx formé augmente lors qu'on utilise un mélange d'azote et d'oxygène en proportion croissante (2%, 3%, 8%) et de gaz naturel. La raison pour laquelle l'injection de gaz naturel, ou d'un autre gaz réducteur, permet de réduire les émissions de NOx est exposée ci-après. Même en substituant tout l'air de la torche par de l'azote, on ne parvient pas à éliminer toute trace d'oxygène. L'oxygène, aux très hautes tem- pératures de l'enceinte, est très réactif avec l'azote. Même de faibles quantités sont suffisantes pour provoquer des émissions significatives de NO, L'oxygène parasite provient en particulier d'entrées d'air, inévitables dans tout procédé industriel. Ces entrées d'air sont fonction de l'étanchéité du four, et de la pres sion dans le four: si la pression dans le four est élevée, l'air ne peut pas entrer. Si par contre la pression est négative, l'air ambiant va entrer aisément dans le four, apporter de l'oxygène qui va rapidement réagir avec l'azote pour provoquer des émissions de NOx. La solution proposée par l'invention consiste donc à introduire, là où les entrées d'air contribuent de manière importante à la formation des com posés NOx, un gaz qui présente d'avantage d'affinités avec l'oxygène que l'azote. Un tel gaz, disponible sans difficulté est le gaz naturel. II réagit avec l'oxygène disponible pour former localement les espèces chimiques telles que le CO et l'hydrogène, lesquelles inhibent la formation des espèces NO, Une zone où les entrées d'air sont importantes se trouve à proxi mité de la torche à plasma. Le gaz naturel ou un autre gaz réactif tels que ceux mentionnés ci-dessus, est introduit autour de la torche, à faible vitesse, de ma nière à être aspiré dans la torche et réduire l'impact de l'introduction d'oxygène parasite. La quantité de gaz à introduire est fonction des entrées d'air. L'apport complémentaire de gaz permet d'augmenter la puissance de chauffe de la torche à plasma. Des résultats intéressants en terme de réduction des quantités de NOx produites peuvent être obtenus en mélangeant de l'azote pur ou impur avec de l'oxygène industriel ou de l'air comprimé, plus généralement en alimentant la torche à plasma par un mélange gazeux contenant une proportion d'oxygène comprise entre environ 1 % et 20% en volume , et de préférence entre 1 % et 5% proportions pour lesquelles les quantités de NOx produites sont les plus faibles. L'apport complémentaire d'oxygène permet également de récupérer l'énergie de la combustion des matières organiques dans le four de vitrification, plutôt que dans la chambre de postcombustion qui lui est associée. Ceci réduit la consommation spécifique en énergie du procédé de vitrification (ces disposi tifs sont connus en soi et n'ont donc pas été représentés). Dans le cas où la transformation subie par le déchet génère une quantité importante de matières imbrûlées, par exemple lorsque la fraction en matières organiques est importante, une injection d'oxygène peut également être effectuée conformément à l'invention en aval de la torche en plasma, et plus particulièrement dans la chambre de postcombustion. Cette méthode permet de brûler les matières organiques issues des déchets et qui n'ont pas été piégées dans le vitrifiat. L'injection d'oxygène en aval de la torche et notamment en post combustion, n'engendre pas des variations importantes de volume des fumées. Dans ces conditions, le système de traitement des fumées reste inchangé et l'installation peut traiter des déchets avec une grande teneur en matière organi que. L'injection d'oxygène dans la chambre de postcombustion permet aussi d'étager la combustion et favorise la baisse de la formation des espèces NOx. Cet étagement peut être obtenu par injection d'oxygène par lance à des régimes de fonctionnement différents (subsonique, sonique, supersonique). L'angle d'injection et l'orientation des jets peuvent contribuer à la recirculation des gaz dans la chambre de postcombustion pour augmenter le temps de séjour des gaz dans cette zone, et améliorer le rendement énergétique de l'installation. La méthode selon l'invention permet donc avantageusement de ré duire les oxydes d'azote émis par une torche à plasma fonctionnant à l'air, tout en réglant les problèmes liés à la combustion des matières organiques générées par la mise en oeuvre de cette méthode. REVENDICATIONS 1. Méthode pour réduire les émissions d'oxydes d'azote d'une torche à plasma fonctionnant à l'air, caractérisée en ce qu'on remplace au moins une partie de l'air d'alimentation de la torche par un mélange de gaz contenant au moins 80% de gaz neutre. 2. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz neutre est de l'azote produit par voie cryogénique. 3. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz neutre contient au moins 80% d'azote impur, obtenu par exemple par des membranes de séparation de l'azote de l'air, le reste du mélange gazeux comportant au moins de l'oxygène. 4. Méthode selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'on injecte en outre un gaz réducteur. 5. Méthode selon la revendication 4, caractérisée en ce que le gaz ré ducteur est l'un du groupe suivant : gaz naturel, propane, ammoniac, gaz de ré cupération. 6. Méthode selon la revendication 1, caractérisée en ce que le gaz neutre est un mélange d'azote et d'argon, le reste du mélange contenant notamment de l'oxygène. 7. Méthode selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le gaz réducteur est injecté soit dans la torche, soit près de celle-ci. 8. Méthode selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'on injecte en outre un gaz contenant de l'oxygène pour assurer la combustion com plète des imbrûlés.