Brevet FR2795161A1 — publié le 20001222

La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de génération de chaleur et/ou d'énergie thermique par combustion de déchets ou de produits dérivés issus du traitement thermique ou mécanique des déchets. Le secteur technique de l'invention est celui des installations industrielles pour la production d'énergie et pour la valorisation énergétique des déchets ménagers, des déchets assimilés de l'industrie et du commerce et des déchets de la transformation des produits agricoles. L'invention a pour objectif de permettre de valoriser dans les meilleures conditions technico-économiques le potentiel calorifique des déchets ménagers et des déchets assimilés de l'industrie et du commerce, en particulier de la fraction de ces déchets qui n'a pu être recyclée ou qui n'est pas entrée dans un procédé de valorisation biologique. La demande de brevet FR 2 686 682 décrit un générateur de chaleur destiné à brûler des combustibles solides, comprenant un foyer cyclone alimenté par une première ligne destinée à introduire tangentiellement par rapport à la paroi du foyer un mélange d'air primaire préchauffé à une température comprise entre 100 et 500 C, et de combustible ; le foyer est en outre alimenté par une ligne d'introduction d'air complémentaire ; une sortie est prévue pour des cendres fondues et une autre sortie est prévue pour les effluents de combustion ; le foyer comporte un axe longitudinal vertical ; le combustible solide est un déchet ou un combustible dérivé d'un déchet ayant une forte teneur en cendres fusibles qui présentent un rapport Ca0/SiOZ compris entre 0,2 et 1,2. Selon ce document, l'utilisation d'un générateur cylindrique à axe vertical, de type foyer cyclone, permet d'obtenir des rendements supérieurs à 95 %, permet d'absorber des variations de PCI du combustible grâce à son inertie, et permet d'insérer le générateur dans de petites unités de traitement ; le générateur fonctionne en sous stoechiométrie pour empêcher la formation de NO et de N,O, et produit des cendres dont l'essentiel (20 à 90 % en masse) se présentent sous forme fondue ; dans le cas où la teneur en cendres du combustible est supérieure à 60 %, un combustible auxiliaire, dont le débit représente 5 à 50 % du débit du combustible solide, est introduit dans le foyer en mélange avec de l'air. Il apparaît que l'utilisation d'un tel foyer cyclone, s'il présente des avantages pour l'incinération de déchets non triés, dont le PCI est faible (de l'ordre de 1 000 à 1 500 kcal/kg) et variable, n'est pas adapté aux déchets triés de PCI plus élevé et de valeur contrôlée ; en outre, le procédé décrit dans ce document ne permet pas d'isoler la zone de combustion, ce qui conduit à l'envol des particules d'une part et à un encrassement rapide des parois du foyer par les cendres fondues d'autre part ; il est en outre limité aux combustibles présentant un rapport Ca0/Si0z compris entre 0,2 et 1,2 et de granulométrie comprise entre 1 et 10 000 microns. La présente invention a pour objet de proposer un nouveau générateur de chaleur - et son procédé associé - par combustion de déchet, qui présentent des performances au moins équivalentes à celles des systèmes connus. La présente invention a pour objectif de proposer un procédé et un dispositif de génération de chaleur par combustion de déchets, qui soient améliorés. Selon un aspect de l'invention, on introduit dans le foyer, pour la combustion du combustible solide à base de déchets, au moins deux ou trois flux (ou courants) distincts d'air (ou autre gaz comburant) préchauffé - un courant, dit primaire, d'air chaud transportant les particules de combustible solide ; - au moins un autre courant d'air chaud, dit(s) secondaire et/ou tertiaire, qui s'écoule autour du courant primaire. De préférence on provoque l'introduction de deux courants distincts d'air chaud autour du courant primaire, dont les vitesses et les températures respectives sont de valeurs différentes, afin de favoriser des turbulences dans le foyer et une distribution de température non symétrique ; ces différents courants sont de préférence dirigés du haut vers le bas, en particulier sensiblement verticalement, afin de favoriser la séparation des cendres fondues récupérées en partie basse du foyer, des cendres pulvérulentes qui sont entraînées par les gaz de combustion et s'échappent du foyer par une ouverture prévue en partie supérieure de celui-ci. A cet effet le générateur de chaleur comporte une chambre de combustion en partie supérieure de laquelle est disposé un brûleur à axe sensiblement vertical qui comporte plusieurs conduits coaxiaux et/ou parallèles de transport et d'introduction dans le foyer des différents courants de combustibles et de comburant ; de préférence l'axe longitudinal de ce brûleur est décalé (sans toutefois conduire à une introduction tangentielle aux parois du combustible et du comburant) par rapport à l'axe médian de la chambre de combustion dont le volume est suffisant pour permettre d'assurer un temps de séjour des gaz de combustion dans cette chambre d'au moins deux secondes, à une température d'au moins 850 C. L'utilisation d'une chambre de combustion de grand volume, combinée avec une introduction des courants de comburant et de combustible en un point éloigné des parois latérales généralement verticales du foyer et l'enserrement de la zone de flamme par le courant d'air secondaire et tertiaire, contribuent à limiter le phénomène d'envol des particules et l'encrassement des faces internes des parois par les cendres fondues ; des résultats optimaux sont obtenus en adoptant une position non centrale du brûleur dans la paroi supérieure de la chambre et en favorisant la création d'une zone de flamme dissymétrique à l'aide de deux courants d'air (dits secondaire et tertiaire) chauds : un premier flux d'air chaud est injecté et s'écoule entre l'axe du brûleur et une première paroi de la chambre munie d'un orifice de sortie, et un deuxième flux d'air, moins chaud que le premier flux et animé d'une vitesse d'injection plus élevée, est injecté et s'écoule entre l'axe du brûleur et une deuxième paroi opposée à la première. Selon un autre aspect, l'invention consiste en un procédé de production de chaleur par combustion dans un foyer d'un combustible solide obtenu à partir de déchets et essentiellement constitué de particules de cellulose et/ou de matière plastique lorsqu'il s'agit d'un produit réalisé par une action mécanique, et qui peut également être le résidu d'une transformation par pyrolyse, dans lequel on chauffe le comburant avant son introduction dans le foyer, de préférence dans lequel on chauffe également le combustible avant son introduction dans le foyer et dans lequel on introduit le comburant dans le foyer par au moins deux ou trois conduits pour former autant de jets de comburant. Le chauffage du comburant (ainsi que de préférence celui du combustible solide) avant son (leur) introduction dans le foyer, permet d'obtenir une température plus élevée dans la chambre de combustion, ce qui favorise une combustion rapide et favorise la fusion dans cette chambre d'une partie importante des cendres contenues dans le combustible ; on obtient donc, notamment par une séparation gravitaire favorisée par la position du brûleur, une proportion importante de cendres fondues ; la partie de cendres non fondues - dites pulvérulentes - qui sont entraînées avec les gaz de combustion hors du foyer est donc réduite ; il en résulte un encrassement moins rapide des appareils (échangeurs de chaleur en particulier) en contact avec les gaz de combustion (fumées) ; il en résulte en outre que la séparation des cendres pulvérulentes pour le rejet des fumées à l'atmosphère, est facilitée. Ces caractéristiques et les avantages en résultant sont d'autant plus importants que les combustibles solides à base de déchets comportent une proportion importante de cendres : il est fréquent que ce type de combustibles comporte plus de 5 % (en masse rapportée à la masse de combustible) de cendres, notamment de l'ordre de 5 % à 40 (en masse), en particulier de l'ordre de 5 % à 20 %. L'invention permet de provoquer la fusion d'au moins 50 % de cendres contenues dans le combustible, et de préférence permet la fusion de 75 % à 95 % de ces cendres, facilitant ainsi leur séparation des fumées. L'invention s'applique en particulier à la combustion de particules solides obtenues par broyage de déchets préalablement triés, ces particules présentant les caractéristiques suivantes - granulométrie moyenne située dans une plage allant de 0,5 à 10 mm, en particulier de l'ordre de 1 à 5 mm et encore de 1 à 3 mm ; - teneur en matière plastique située dans une plage allant de 20 % à 80 % (en masse) ; - teneur en matières essentiellement cellulosiques (papier, carton, bois) située dans une plage allant de 20 % à 80 % (en masse) ; - teneur en matière minérale inférieure à 10 %. Ces particules se présentent sous forme d'un mélange de feuilles, de fibres, de granules et/ou de poudre ; le combustible solide utilisé présente de préférence un PCI situé dans une plage allant de 4000 à 8000 kcal/kg. Ainsi, selon un autre aspect, l'invention consiste à proposer un appareil à combustion qui comporte des moyens de chauffage de plusieurs écoulements de comburant et/ou de combustible, qui sont disposés à l'extérieur du foyer ; ces moyens sont de préférence essentiellement constitués par un (ou plusieurs) dispositif (s) mélangeur(s) (ou échangeurs de chaleur) permettant de chauffer l'air comburant par les fumées résultant de la combustion. Le chauffage du combustible est de préférence effectué par le gaz vecteur servant à transporter le combustible solide d'un silo de stockage jusqu'au brûleur équipant le foyer, lequel gaz vecteur est de préférence constitué d'air qui sert de comburant et est chauffé avant son mélange avec les particules de combustible solide. L'invention permet de provoquer une combustion à une température supérieure à 900 C et généralement comprise entre 1000 C et 1500 C, en particulier de l'ordre de 1200 C à 1400 C ; à cet effet, l'air comburant (et de préférence le combustible) est de préférence amené à une température au moins égale à 50 C avant son (leur) introduction dans le brûleur et/ou dans le foyer, en particulier à une température située dans une plage allant de 100 C à 400 C. En outre, il est de préférence prévu dans une étape préparatoire, de chauffer le foyer, avant l'introduction du combustible solide. Le préchauffage du foyer s'effectue par la combustion préalable au sein de celui-ci de gaz naturel : de préférence le foyer est chauffé par ce moyen jusqu'à atteindre une température de l'ordre de 700 C à 900 C ; le chauffage du foyer est alors stoppé et l'introduction dans le foyer du combustible solide mélangé au comburant, provoque alors son inflammation. Les avantages procurés par l'invention seront mieux compris au travers de la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Dans les dessins, les éléments identiques ou similaires portent, sauf indication contraire, les mêmes références d'une figure à l'autre. La figure 1 est une vue schématique d'un appareil selon l'invention. La figure 2 est une vue synoptique d'une installation de combustion de déchets incorporant un générateur de chaleur tel que celui illustré figure 1. La figure 3 illustre schématiquement l'extrémité des conduits d'injection de gaz et de combustible dans la chambre de combustion. Après avoir subi un broyage (maille inférieure à 10 mm) et suivant les cas une réduction en poudre (maille inférieure 1 à 3 mm) les particules de déchets combustibles sont stockées dans un ou plusieurs silo(s) 1 (figure 2). Dans le cas de produits en poudre, la pression dans les silos est contrôlée pour éviter les phénomènes d'explosion. Le combustible est prélevé du silo grâce à l'appareil extracteur- doseur 2 de type alvéolaire, à plateaux ou à vis. Les flux d'air de combustion primaire, secondaire et tertiaire, préchauffés aux températures requises, par exemple 100 C, 200 C et 300 C respectivement, sont expulsés dans leur conduit respectif 4, 5, 6 par trois ventilateurs 7, 8, 9 centrifuges à vitesse fixée ; l'action sur des volets d'aspiration permet d'assurer le réglage en débit et en pression de ces flux d'airs ; le chauffage de l'air est obtenu par passage dans un échangeur 10, 11, 12 alimenté en gaz chauds (fumées) par un conduit 13, ou par un simple mélange avec ces fumées. Le combustible dans les proportions dosées est pris en charge par l'air primaire préchauffé à l'aide d'un simple té 3. Le mélange air combustible est transporté jusqu'au brûleur 15 par une tuyauterie 14 en acier de diamètre standard et de 6 à 10 mm d'épaisseur. La chambre 16 de combustion est préchauffée par les gaz de combustion d'une turbine à gaz 17 qui sont transportés par un conduit 18. La température au sein de la chambre est portée à la température d'inflammation du combustible, c'est à dire entre 700 et 900 C. Ces gaz sont introduits au centre du brûleur (figure 1). L'introduction est coupée lorsque la température souhaitée est atteinte. Le mélange air-combustible solide est introduit par un système de barillet qui en tournant donne à la flamme une forme hélicoïdale. Le contrôle de la combustion (combustion complète, température homogène de la flamme, temps de réaction...) est obtenu par le contrôle de la température de l'air primaire, du débit et de la vitesse d'introduction du mélange, et de la vitesse angulaire du barillet intégré au brûleur 15. Le contrôle de la combustion s'effectue également en fonction des paramètres caractéristiques du foyer : son volume, sa hauteur et son diamètre. Le mélange air-combustible solide est entouré de deux lames d'air secondaire et tertiaire qui ont pour effet d'alimenter la combustion par l'extérieur de la zone de combustion, de circonscrire la flamme pour éviter les phénomènes d'envols et de colmatage des parois du foyer, d'induire un gradient de refroidissement de la zone de combustion, du coeur vers la périphérie de la zone. Outre l'asymétrie du foyer résultant notamment du décalage entre l'axe 19 vertical du brûleur et l'axe (et/ou le plan) médian 20 de la chambre 16, les flux d'air secondaire et tertiaire sont dissociés et non symétriques par rapport à l'axe 19. Comme illustré figure 3, ces flux d'air sont respectivement distribués par deux portions d'extrémité des conduits 5, 6 en forme de demi-anneaux symétriques l'un par rapport à l'autre selon l'axe 19 de symétrie du brûleur. Ils n'offrent pas les mêmes caractéristiques de températures, de vitesses et de débits - du côté de la paroi 21 opposée à l'orifice 22 de sortie des gaz de combustion 24, l'air secondaire (circulant selon la flèche 27) est relativement plus froid et plus rapide que l'air tertiaire afin de favoriser les effets indiqués ci-dessus ; - du côté (intérieur) de la paroi 23 munie de l'orifice 22, l'air tertiaire (circulant selon la flèche 28) est plus chaud et plus lent que l'air secondaire ; il contribue à garantir le temps de réaction suffisant à la combustion complète du combustible et à permettre le maintient d'une température d'au moins 850 C dans la zone - dite d'échappement 25 du foyer, en dehors de la zone 26 de combustion. I1 contribue notamment à maintenir cette température dans la zone d'échappement des gaz de combustion. Les différents types de combustibles auxquels s'applique cette invention ont en majorité un pouvoir calorifique supérieur à 4000 kilocalories par kilogramme de combustible. La température de combustion, supérieure à 1000 C, est également supérieure à la température de fusion de tous les constituants des cendres. La combustion s'effectue par conséquent en cendres fondues ce qui, compte tenu des caractéristiques du combustible solide, permet l'autocombustion. Les cendres fondues, qui représentent entre 80 et 90 % du total des cendres émises, sont récupérées et subissent un refroidissement progressif dans le cendrier 29, dans la trémie 30 puis dans la cuve 31 de récupération. Ces cendres, qui représentent de l'ordre de 50 à 150 kg pour 1000 kg de combustible, sont considérées comme déchets ultimes inertes et sont stockées en centre d'enfouissement technique. Les gaz de combustion traversent (selon la flèche 24) la zone d'échappement 25 avant de traverser l'échangeur thermique 32 de la chaudière. La zone d'échappement 25 est maintenue à une température d'au moins 850 C afin que la combustion des constituants des gaz d'échappement continue dans cette zone. La taille de la chambre 16 de combustion est prévue pour que la combustion des gaz au-delà de cette température dure au moins deux secondes. Le combustible, même s'il est issu du tri de déchets ménagers et/ou des déchets assimilés, est constitué par un mélange de produits manufacturés, plastiques, papiers, cartons et bois ou par l'un de ces produits, et qu'il n'a par conséquent plus le caractère nocif des déchets non triés. Une régulation du débit d'air comburant et une combustion complète permettent d'éviter la présence de monoxyde de carbone dans les gaz de combustion. Les gaz de combustion peuvent traverser un générateur de vapeur pour transférer leur chaleur à de la vapeur saturée pour la surchauffer. La vapeur surchauffée est délivrée par un conduit 33 à une turbine 34 qui produit de l'énergie thermique, de la vapeur basse (moins de 0,5 bar) et moyenne pression (entre 0,5 et 18 bars) et de l'énergie mécanique qui peut être utilisée directement pour alimenter une machine tournante (ventilateur, compresseur, broyeur...) ou pour alimenter un alternateur 35 (figure 2) fournissant de l'électricité dont une partie est utilisée dans l'installation et dont l'autre est vendue â l'exploitant du réseau d'exploitation d'électricité local. Les gaz de combustion, après avoir traversé la chaudière, sont pour partie mélangés aux airs secondaire et tertiaire de combustion, ce qui permet d'optimiser le rendement de combustion en réduisant l'excès d'air de combustion et de minimiser le débit des fumées en sortie, et sont pour partie transportés vers les installations 37 d'épuration par un conduit 36. Les installations d'épuration sont constituées par des moyens pour piéger les poussières et les métaux lourds (tels qu'un électrofiltre, filtre â manche), et des moyens pour neutraliser les acides gazeux formés au cours de la combustion, selon des procédés connus (sec refroidi, semi-humide ou humide). La. combustion en cendres fondues, permet de limiter la présence des cendres pulvérulentes de 10 â 20 % du total des cendres limitant ainsi la taille des installations 37 de séparation et retenue de poussières. La caractéristique du combustible, constitué de produits connus et d'où peuvent être prélevés - lorsqu'il s'agit des déchets ménagers et des déchets assimilés de l'industrie et du commerce - les produits les plus dangereux, c'est â dire ceux qui contiennent des molécules de benzène ou des atomes de chlore, permet de limiter la production des produits toxiques tels que l'acide chlorhydrique, les dioxines et les furannes. La caractéristique de la combustion par apport du combustible solide en suspension dans un gaz vecteur, permet en outre d'incorporer au combustible une fraction de soude pulvérisée qui, au cours de la phase de combustion et d'échappement se situant dans la chaudière, permet de neutraliser une partie des acides formés au cours de la combustion. A titre d'exemple, l'invention s'applique â des particules de combustible obtenues par broyage de déchets triés ayant l'une des trois compositions suivantes Composant Composition Composition Composition 1 2 3 Papier 20 % 35 % 25 Cartons 15 % 25 % 35 Bois 5 % 0 % 15 Plastiques, dont 60 % 40 % 25 - polyoléfines (45 %) (70 %) (30 %) (polyéthylène, polypropylène) - polychlorures de vinyle, (30 %) (0 %) (45 %) - styréniques, (10 %) (5 %) (15 %) - polyacryliques, (2 %) (3 %) (4 %) - polyamides, (1 %) (5 %) (3 %) - polyesters saturés, (5 %) (5 %) (1 %) - polycarbonates, (3 %) (4 %) (1 %) - polymères sulfoniques, (1 %) (3 %) (0 %) - cellulosiques 3 % 5 % 1 REVENDICATIONS 1. Générateur de chaleur par combustion dans une chambre (16) de particules de déchets formant un combustible solide, qui comporte un conduit (14) d'injection dans la chambre desdites particules en mélange avec un gaz comburant chaud, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième conduit (5, 6) d'injection dans la chambre de gaz comburant chaud. 2. Générateur selon la revendication 1 qui comporte un brûleur (15) à axe (19) sensiblement vertical et disposé en partie supérieure de la chambre (16), et un orifice (22) de sortie des gaz de combustion (24) également disposé en partie supérieure de la chambre. 3. Générateur selon la revendication 2 dans lequel l'axe (19) du brûleur (15) est décalé par rapport à l'axe (20) médian de la chambre. 4. Générateur selon la revendication 3 qui comporte deux portions d'extrémité de deux conduits (5, 6) d'injection de gaz comburant, qui sont sensiblement symétriques par rapport à l'axe (19) du brûleur (15) et qui entourent le conduit (14) d'injection desdites particules en mélange avec le gaz comburant. 5. Installation de valorisation de déchets par combustion qui comporte - un générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, qui comporte un échangeur thermique (32) dans lequel circulent les gaz (24) de combustion, et qui comporte un cendrier (29), - un silo (1) de stockage de particules solides de déchets, - deux conduits (5, 6) de transport de comburant chaud jusqu'à la chambre (16), - un conduit (4, 14) de transport de comburant chaud en mélange avec lesdites particules jusqu'à la chambre (16), - trois moyens (10, 11, 12) de chauffage de comburant transporté par les trois conduits (4, 5, 6, 14), et, - des moyens (34, 35) de production d'énergie électrique à partir des gaz (24) de combustion des particules de déchets. 6. Procédé de génération de chaleur par combustion de déchets, dans lequel on provoque une combustion à une température au moins égale à 1000 C pour favoriser la fusion des cendres, caractérisé en ce que l'on brûle un combustible constitué de particules issues de déchets triés, dont le PCI est au moins à 4000 kcal/kg, et en ce qu'on introduit dans la chambre (16) de combustion des gaz comburants chauds transportés par au moins deux conduits (4, 5, 6, 14) distincts. 7. Procédé selon la revendication 6 dans lequel on introduit dans la chambre (16) au moins trois flux de comburant qui sont portés à des températures différentes, et qui sont dirigés du haut vers le bas de la chambre. 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel on maintient les gaz de combustion (24) à une température d'au moins 850 C pendant au moins deux secondes dans une zone (25) d'échappement de la chambre, dans lequel on chauffe le comburant et/ou le combustible par échange et/ou par mélange avec les gaz (24) de combustion, et dans lequel lors d'un démarrage on préchauffe la chambre à une température de l'ordre de 700 à 900 C. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel on utilise comme combustible des particules ayant les caractéristiques suivantes - granulométrie moyenne située dans une plage allant de 0,5 à 10 mm, en particulier de l'ordre de 1 à 5 mm ; - teneur en matière plastique située dans une plage allant de 20 à 80 % (en masse) ; - teneur en matières essentiellement cellulosiques (papier, carton, bois) située dans une plage allant de 20 % à 80 % (en masse) ; - teneur en matière minérale inférieure à 10 %.