Brevet FR2789752A1 — publié le 20000818

- 1- 2789752 DESCRIPTION L'invention concerne un système permettant de sécher puis d'incinérer dans la même enceinte des déchets pâteux humides, par exemple des boues de station d'épuration d'eaux usees urbaines ou industrielles, à partir de l'énergie apportée par des fumées d'incinération de déchets ménagers ou assimilés. Le système ne nécessite aucun autre apport extérieur d'énergie pour fonctionner. Comme on le voit sur la figure 1, le système 5 s'insère dans la chaîne des rejets gazeux d'une UIOM entre d'une part le four 2 et la chambre de post-combustion des gaz 4 et d'autre part le dispositif de refroidissement des fumées 8 et d'épuration 9. Le produit pâteux à sécher puis à incinérer est introduit à une extrémité 6 du tambour rotatif par l'intermédiaire par exemple d'une vis d'Archimède ou d'une pompe à boues. Les cendres résiduelles sont récupérées à l'autre extrémité 7 par gravité dans un collecteur prévu à cet effet. La température élevée régnant à la sortie de la chambre de postcombustion 4 et régulée en continu comme le précisent les textes réglementaires en vigueur, garantit de bonnes conditions opératoires à l'entrée du tambour rotatif. De même, I'excès d'air important nécessaire à la combustion des déchets ménagers dans le four 2 introduit par l'intermédiaire du ventilateur d'air primaire 1 de l'usine, complété par de l'air secondaire en appoint amené par le ventilateur 3, permet d'obtenir un taux d'oxygène suffisant à l'entrée du sécheur/incinérateur pour brûler complètement le produit à traiter tout en préservant à la sortie un taux résiduel d'oxygène garant de l'oxydation complète des gaz brûlés en ce qui concerne notamment le monoxyde de carbone et les hydrocarbures totaux. Le dégagement de vapeur occasionné par l'évaporation de l'eau contenue dans le produit brut ainsi que les dégagements des gaz de combustion du produit sec se mélangent à la sortie du tambour rotatif 5 aux fumées primaires pour ensuite être refroidis puis épurés dans le système classique de traitement des effluents gazeux de l'UIOM avant d'être évacués à l'atmosphère par l'intermédiaire du ventilateur d'exhaure 10 et de la cheminée 11. Le débit supplémentaire de gaz occasionné par le sécheur/incinérateur est faible par rapport au débit primaire de gaz brûlés. Ce débit est constitué pratiquement totalement de vapeur d'eau, car le pouvoir fumigène du produit à brûler est à peu près égal à son pouvoir comburivore puisé dans les gaz de combustion primaire -2- 2789752 Les calculs théoriques déterminent qu'avec une tonne d'ordures ménagères brûlée dans le four primaire, il est possible de sécher puis d'incinérer environ deux tonnes de boues brutes à 20 % de siccité, c'est à dire contenant encore 80 % d'eau liquide. Toutefois, en pratique il faut tenir compte des pertes thermiques dans les conduits de fumées, de l'enthalpie résiduelle des gaz à la sortie du sécheur, ainsi que du rendement d'échange thermique reel entre les gaz chauds et le produit, ce qui limite le pouvoir de séchage d'une tonne d'O.M. brûlée. Afin de conserver un rendement maximum d'échange thermique entre le produit à traiter et les gaz chauds, plusieurs choix technologiques ont été retenus et caractérisent la présente invention: - le principe de circulation à contre-courant du produit et des gaz chauds dans le tambour rotatif. - le principe de scinder le produit brut en morceaux de taille réduite à l'intérieur du tambour rotatif. - le principe de créer un rideau de produit à l'intérieur du tambour rotatif. En effet, faire écouler les gaz chauds à contre-courant du produit permet tout d'abord par définition un meilleur échange thermique global qu'à co-courant, de plus les produits séchés entrent en contact avec le gaz à très haute température ce qui entraîne leur inflammation spontanée. Cette solution permet d'utiliser également les calories dégagées par la combustion du produit dans la phase finale de transit à l'intérieur du tambour rotatif pour contribuer à sécher le produit entrant. Effectuer une réduction granulométrique du produit à l'intérieur du tambour rotatif permet d'avoir un produit plus homogène qui offre une surface développée beaucoup plus importante qu'un bloc unique pour le même volume occupé. Cette surface au travers de laquelle s'effectue l'échange thermique gaz/produit permet de garantir un excellent transfert de chaleur pour un minimum d'espace utile. L'homogénéisation du produit par réduction granulométrique permet également d'assurer un écoulement régulier à l'intérieur du tambour rotatif. Dans un sécheur rotatif classique constitué d'un tube lisse, le produit situé à l'intérieur de l'appareil a tendance à rouler sur luimême pour former une " langue " longitudinale légèrement décalée par rapport à l'axe vertical du cylindre. Dans cette configuration, seule la matière située en surface de cette - - 2789752 " langue " est en contact avec une faible partie des gaz chauds, ce qui limite le transfert thermique et donc le rendement du sécheur/incinérateur. Pour augmenter la surface d'échange totale entre le produit à sécher et les gaz chauds, la solution consiste à équiper l'intérieur du tambour rotatif d'ailettes longitudinales correctement réparties sur la circonférence (repères 20 sur figure 2 et 3). Les ailettes de formes et de dimensions adaptées au produit à sécher permettent avec le mouvement de rotation de soulever le produit presque jusqu'à l'axe vertical du tambour pour ensuite le laisser retomber gravitairement vers la partie inférieure du cylindre o il est repris à nouveau par une autre ailette (voir figure 2). Le produit se casse en tombant et se scinde pour former rapidement des granulés de taille suffisamment faible. De plus, le produit en tombant se répartit sur la majeure partie de la section droite du tambour pour former un rideau de produit qui va traverser la totalité du flux gazeux garantissant ainsi un excellent échange thermique gaz/produit. Ces ailettes peuvent être réalisées en acier réfractaire de forte épaisseur ou encore en béton réfractaire. Elles sont reliées au casing extérieur 22 du tambour rotatif par l'intermédiaire de goujons 33 et traversent l'épaisseur de matière réfractaire 21 disposé sur la partie intérieure du cylindre. Les trois principes précédemment énoncés permettent d'optimiser l'échange thermique entre le fluide chaud et le produit, notamment dans la partie primaire du tambour correspondant à la phase de séchage. Toutefois, l'expérience montre que ces solutions technologiques très utiles pour garantir un séchage rapide du produit ne sont plus intéressantes en ce qui concerne la partie secondaire du tambour o a lieu l'incinération du produit. En effet, tout au long de la phase de séchage, la masse volumique et la granulométrie du produit diminuent de façon importante. A l'issue de cette phase, le produit sec sous forme de granulés de petites tailles a ainsi tendance à être entraîné par le flux gazeux à contre-courant lorsqu'il est soulevé par les ailettes longitudinales. Cet entraînement parasite a pour conséquence un ralentissement voire l'arrêt total de l'avancement du produit dans le tambour rotatif. Pour continuer à assurer un avancement homogène dans la deuxième partie du tambour, il est nécessaire de limiter au maximum le brassage du produit dans le four. Pour cela, la solution retenue est la suivante: suppression des ailettes 20 sur la circonférence interne du tambour dans le volume imparti à l'incinération afin de tranquilliser le produit et d'éviter tout envol au sein de la veine gazeuse. -4- 2789752 - création d'une empreinte hélicoïdale 24 sur la surface intérieure du tambour afin de maîtriser l'avancement du produit (voir figure 3). La suppression des ailettes permet de ne plus soulever le produit et d'éviter son décollement par rapport à la paroi ainsi que sa retombée dans les gaz chauds synonyme de réentrainement par les gaz circulant à contre-courant. Toutefois, I'expérience montre que cela ne suffit pas à assurer une progression constante du produit à l'intérieur du four, notamment en ce qui concerne les particules les plus fines. La création d'une empreinte hélicoïdale 24 de dimensions et de pas longitudinal adaptés dans laquelle s'accumule le produit permet d'une part de protéger ce dernier du contact facial des gaz chauds en faisant office de déflecteur et d'autre part d'assurer une vitesse de progression constante et maîtrisée du produit à l'intérieur du four. Cette vitesse est directement liée au pas de l'empreinte hélicoïdale ainsi qu'à la vitesse de rotation du tambour, elle est suffisamment faible pour permettre la combustion complète du produit avant la sortie du four. Le rapport de dimensions hauteur/largeur de l'empreinte est calculé de façon à ce que le produit " roule " à l'intérieur de celle- ci sans en déborder lors de la rotation du tambour. De la même façon, le volume développé de l'empreinte dans la zone o réside le produit est supérieur au volume total de produit à incinérer dans la partie considérée, de manière à éviter tout débordement parasite. Cette empreinte est réalisée directement dans une surépaisseur de la matière réfractaire.21. Procéder de la sorte garantit une progression constante et maîtrisée de la totalité du produit à l'intérieur du four jusqu'au collecteur de réception des cendres, en supprimant l'effet de réentraînement du produit par les gaz chauds circulant à contrecourant. -5- 2789752 REVENDICATIONS 1.Principe de four capable de sécher puis d'incinérer des déchets pâteux humides particulièrement bien adaptés au traitement de boues d'épuration uniquement à partir de l'énergie contenue dans les fumées issues d'un four d'incinération d'ordures ménagères sans apport extérieur d'énergie ni apport complémentaire d'air. 2.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est positionné en série dans le circuit des fumées entre la chambre de post-combustion et le système de refroidissement des fumées avant épuration (figure 1). 3.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les fumées chaudes et le produit à traiter sont en contact direct (figures 2 et 3). 4.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les fumées chaudes et le produit à traiter circulent à contre- courant (figure 2 et 3) 5.Four sécheur/incinérateur suivant les revendications 3 et 4, constitué d'un tambour rotatif tournant autour d'un axe légèrement incliné et comportant deux zones intérieures distinctes, la première étant dédiée au séchage du produit pâteux brut et la seconde à son incinération complète (figure 3) 6.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la zone de séchage comporte un nombre suffisant d'ailettes longitudinales 20 correctement disposées et dimensionnées 7.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les ailettes sont rendues solidaires au casing extérieur du tambour rotatif par l'intermédiaire de tiges filetées 23 dont une extrémité est soit soudée soit noyée dans la matière constitutive des ailettes et l'autre extrémité est boulonnée sur l'enveloppe extérieure du four. 8.Four sécheur/incinérateur suivant les revendications 3,4 et 5, caractérisé en ce que la zone d'incinération comporte sur sa périphérie et sur toute sa longueur une empreinte hélicoïdale 24 de dimensions, d'orientation et de pas correctement définis 9.Four sécheur/incinérateur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que l'empreinte hélicoïdale 24 est formée à même le matériau réfractaire tapissant la paroi intérieure du tambour rotatif. 10.Four sécheur/incinérateur suivant les revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il peut fonctionner avec des fumées ou des gaz chauds provenant d'une autre source que celle précisée dans les revendications 1 et 2.