Brevet FR2804205A1 — publié le 20010727

Four de thermolyse, notamment de déchets et/ou de biomasse, à chauffage spatialement inhomogène L'invention concerne le traitement des déchets industriels et/ou urbains et/ou de biomasse, pour leur valorisation. L'une des premières étapes de la valorisation consiste en la thermolyse de ces déchets. Les déchets sont introduits dans un four de thermolyse pour être portés à haute température. Outre les gaz de thermolyse récupérés, des solides carbonés sont extraits en sortie du four. On entend par matières solides carbonées des composés hétérogènes solides sortant donc du four de thermolyse et comportant des métaux, des minéraux, des sels, du coke de thermolyse, etc. La valorisa tion des déchets peut ensuite se poursuivre par une séparation de ces différents composants. Par exemple, du CARBOR (marque déposée), susceptible d'être utilisé en tant que combustible, peut être extrait des solides carbonés. Un four de thermolyse comprend généralement une cavité étanche à l'air, munie d'une interface d'entrée pour recevoir les déchets à traiter et d'une interface de sortie pour évacuer les produits de thermolyse. Des moyens de chauffage sont inclus dans cette cavité pour y traiter les déchets par thermolyse. Il est prévu en outre des moyens d'entraînement des déchets entre les interfaces d'entrée et de sortie de la cavité, notamment pour contrôler le flux des matières entrantes et sortantes. Dans des fours de ce type, les moyens de chauffage comprennent généralement un échangeur de chaleur parcouru par un fluide caloporteur. L'énergie nécessaire pour porter les déchets à une température suffisante en vue de leur traitement est fournie, le cas échéant, en élevant la température du fluide caloporteur. Or, une dépense excessive d'énergie est pénali- sante, en particulier dans le domaine de la valorisation des déchets. L'un des buts de la présente invention est de proposer un four de thermolyse offrant un meilleur rendement qu'un four de thermolyse classique. Elle propose à cet effet un four de thermolyse du type ci- avant, mais dans lequel, selon une définition générale de l'invention, les moyens d'entraînement acheminent les déchets dans la cavité sur un trajet choisi par rapport aux moyens de chauffage, en vue de récupérer des produits de thermolyse dont la température est différente de celle des déchets en cours de traitement dans la cavité. De préférence, la température des produits de thermolyse en sortie de la cavité est plus basse que la température des déchets en cours de traitement dans la cavité. Ainsi, selon l'un des avantages majeurs que procure la présente invention, les déchets en fin de trajet dans la cavité cèdent de leur chaleur aux déchets en début de trajet dans la cavité et un tel écart de température traduit une augmentation du rendement thermique du four. Préférentiellement, les moyens de chauffage sont agencés pour augmenter progressivement la température des déchets sur une première partie du trajet, comprenant l'entrée de la cavité, tandis que leur température diminue progressivement sur une seconde partie du trajet, jusqu'à la sortie de la cavité. Ainsi, selon un autre avantage que procure la présente invention, la température des déchets varie progressivement dans le four. En particulier, la température des déchets entrants est élevée progressivement, ce qui permet d'améliorer leur thermolyse. L'expression "produits de thermolyse" est à prendre ici au sens large. Elle peut aussi bien désigner les solides carbonés que les gaz issus de la thermolyse, comme on le verra plus loin dans l'exposé ci-après de différents modes de réalisation envisagés de la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaî tront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un four de thermolyse selon un premier mode de réalisation de la présente invention, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un four de thermolyse selon un second mode de réalisation de la présente invention, - la figure 3 est une vue en coupe longitudinale d'un four de thermolyse selon un troisième mode de réalisation de la présente invention, et - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'un four de thermolyse selon une variante du troisième mode de réalisation précité. La description détaillée ci-après et les dessins annexés contiennent pour l'essentiel des éléments de caractère certain. Ils pourront non seulement servir à mieux faire comprendre l'invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant. On se réfère tout d'abord à la figure 1 pour décrire un four de thermolyse de déchets industriels et/ou urbains et/ou de biomasse, selon une première forme de réalisation de la présente invention. Le four comprend une cavité étanche à l'air CA, munie d'une interface d'entrée E qui communique avec une première trémie TR1 recevant les déchets à traiter. En pratique, ces déchets se présentent sous la forme d'un matériau broyé et séché dans un poste préalable d'une installation de traitement de déchets classique. Dans la trémie TR1, les déchets sont à température ambiante, voisine donc d'une vingtaine de degrés Celsius. Le conduit de cette trémie TR1 débouchant dans l'interface d'entrée E de la cavité loge, dans l'exemple décrit, une vis sans fin V1, d'une part, pour réguler le débit d'introduction des déchets à traiter dans le four et, d'autre part, pour assurer une étanchéité de l'interface d'entrée du four. Préférentiellement, le four comprend une seconde trémie TR2 qui communique avec une interface de sortie S de la cavité. Les solides carbonés issus du traitement par thermolyse des déchets dans le four sont ainsi récupérés dans cette seconde trémie TR2. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, la cavité du four loge deux tambours rotatifs 1 et 2, sensible ment coaxiaux, pour entraîner les déchets introduits dans le four selon un trajet en aller (de la gauche vers la droite de la figure 1) et retour (de la droite vers la gauche de la figure 1). Le tambour 1 de petit diamètre comprend une première extrémité 11 (côté trémies d'entrée et de sortie) qui communique avec l'interface d'entrée E et une seconde extrémité 12 qui communique avec une extrémité 21 (côté de la cavité opposée aux trémies d'entrée et de sortie) du tambour de grand diamètre 2. L'autre extrémité 22 (côté trémies d'entrée et de sortie) du tambour de grand diamètre 2 communique avec l'interface de sortie S de la cavité CA. En sortie de la première trémie TR1, les déchets sont recueillis par le tambour de petit diamètre 1, à la jonction 11, préférentiellement étanche. L'étanchéité de cette jonction peut être assurée par un joint tournant, connu de l'homme du métier. Les déchets sont ensuite entraînés de la gauche vers la droite de la cavité CA, jusqu'à la seconde extrémité 12 du premier tambour 1. Le second tambour 2 achemine ensuite ces déchets de la droite vers la gauche, jusqu'à la seconde trémie de sortie TR2. Les déchets suivent donc un parcours sensible ment en forme de "C" inversé dans la cavité, les interfaces d'entrée E et de sortie S étant disposées à proximité d'une même extrémité de la cavité CA (côté gauche de la figure 1). Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le four comprend des moyens de chauffage comprenant une rampe munie préférentiellement d'une veine centrale 3 qui s'étend le long de la cavité CA. Cette veine centrale 3 est logée dans le tambour de petit diamètre 1 et sensiblement coaxiale. Les déchets, dans le premier tambour de petit diamètre 1, se réchauffent au contact de la veine centrale 3. La température des déchets augmente progressivement jusqu'à ce que les déchets atteignent la seconde extrémité 12 du tambour de petit diamètre 1. Lorsque les déchets se déversent dans le second tambour de grand diamètre 2, ils ne sont plus en contact avec la veine centrale 3 et leur température diminue progressive ment jusqu'à ce qu'ils aient atteint la seconde trémie TR2 de sortie de la cavité. Typiquement, pour des déchets introduits initialement avec une température voisine de 20 C, la température des déchets, lorsqu'ils atteignent une première extrémité 31 de la veine centrale 3 (côté trémies d'entrée et de sortie), est voisine de 150 C. Leur température augmente jusqu'à environ 550 C lorsqu'ils ont atteint la seconde extrémité 12 du tambour de petit diamètre 1. En revanche, lorsque les déchets sont entraînés par le tambour de grand diamètre 2, leur température diminue progressivement jusqu'à environ 250 C, dans la seconde trémie TR2. Les solides carbonés récupérés dans la seconde trémie TR2 sont donc de température inférieure d'environ 300 C par rapport à la température des déchets en cours de traite ment dans le tambour central 1, en particulier à proximité de sa seconde extrémité 12. Ainsi, la chaleur cédée par les déchets entraînés dans le second tambour de grand diamètre 2 est reçue par les déchets qui sont entraînés dans le premier tambour de petit diamètre 1. Avantageusement, le premier tambour de petit diamètre 1 est conçu dans un matériau thermiquement conducteur, en vue de favoriser les échanges de chaleur d'un tambour à l'autre. Par exemple, le tambour 1 et/ou le tambour 2 et/ou la veine centrale 3 peuvent être réalisés dans un alliage à base de nickel et/ou chrome, le milieu dans lequel évoluent les déchets (interfaces entre le tambour 1 et la veine centrale 3 et entre les deux tambours 1 et 2) étant réducteur. Bien entendu, les tambours rotatifs 1 et 2 sont munis, sur leur surface intérieure, de spires hélicoldales pour déplacer les déchets dans la cavité. Le four de thermolyse comprend en outre un conduit d'évacua tion EV des gaz de thermolyse, aménagé dans la cavité CA, à proximité des interfaces d'entrée E et de sortie S. Les gaz de thermolyse résultant du contact entre les déchets et la veine centrale 3 dans le premier tambour 1 s'évacuent par la seconde extrémité 12 du premier tambour tournant 1 et s'acheminent ensuite vers le conduit EV (vers les trémies d'entrée et de sortie TR1 et TR2). Ainsi, les gaz de thermo lyse se refroidissent sur les parois du second tambour de grand diamètre 2 avant d'être évacués par le conduit EV. Typiquement, la température des gaz de thermolyse récupérés dans le conduit d'évacuation EV est voisine d'environ 250 C. Des condensats, par exemple d'hydrocarbures lourds, peuvent se former sur les parois internes du tambour 2 ou externes du tambour 1. Ces condensats, en se mélangeant alors aux autres produits de thermolyse, peuvent être récupérés dans la trémie de sortie TR2. Ainsi, l'évacuation de produits de thermolyse relativement froids, autant sous forme gazeuse (gaz de thermolyse) que sous forme solide (solides carbonés) favorise la cession de chaleur aux déchets entrants, ce qui permet d'augmenter de façon substantielle le rendement du four de thermolyse selon l'invention. Il est à noter en particulier que l'étape suivante dans le procédé de traitement des solides carbonés consiste â laver les solides carbonés en sortie du four de thermolyse. Une température trop élevée des solides carbonés en sortie du four de thermolyse (typiquement supérieure à 250 C) n'est donc pas particulièrement requise. Avantageusement, les rotations de la vis sans fin V1 et des tambours 1 et 2 sont commandées par un poste de contrôle de l'installation, auquel sont reliés en outre une pluralité de capteurs de température, par exemple disposés à la jonction 11, à l'extrémité 12 du tambour 1, en sortie du four, etc, ce qui permet de contrôler notamment la température de sortie des solides carbonés et le débit des déchets traités dans le four. Dans le premier mode de réalisation précité, la veine centrale 3 loge une pluralité de sources de chaleur, par exemple des résistances électriques de chauffage. L'alimentation élec trique de ces résistances peut être asservie avec les vitesses de rotation de la vis V1 et des tambours 1 et 2, le cas échéant. Avantageusement, l'alimentation de chaque résistance est contrôlée individuellement, en vue de créer une variation de la chaleur fournie le long de la veine centrale 3. En particulier, il est créé un gradient de température entre la première extrémité 31 de la veine centrale 3, à proximité de la jonction 11 (côté trémies d'entrée et de sortie), et la seconde extrémité 32 de la veine centrale, à proximité de la communication 12 entre les deux tambours 1 et 2 (côté de la cavité opposée aux trémies d'entrée et de sortie). La température de la veine centrale 3 est plus élevée à proximité de cette seconde extrémité 32. Les déchets en entrée 11 du premier tambour 1 se réchauffent progressivement au contact de la veine centrale 3, jusqu'à ce qu'ils aient atteint la partie chaude de la veine 3. Ils se refroidissent ensuite progressivement dans le second tambour 2, jusqu'à ce qu'ils aient atteint la trémie de sortie TR2. Ainsi, le gradient de température dans la veine centrale 3, avec une augmentation de température dans le sens d'entraînement des déchets dans le premier tambour de petit diamètre 1, contribue encore à augmenter l'écart de température entre les solides carbonés en sortie du four et les déchets en cours de traitement, dans la partie de la cavité opposée aux trémies TR1 et TR2. Selon un avantage que procure l'invention, la température des déchets entrants est élevée progressivement, ce qui permet d'améliorer leur thermolyse. En particulier, l'augmentation progressive de la température des gaz issus de thermolyse favorise le craquage d'hydrocarbures lourds et limite ainsi la production d'huiles. Dans une première variante simplifiée du four représenté sur la figure 1, il peut être prévu un seul tambour rotatif qui reçoit les déchets de la première trémie d'entrée TR1 et logeant la veine centrale 3 dans laquelle est créée une variation de température. Cette variation de température consiste en une première portion (côté trémie d'entrée) sur laquelle la température augmente progressivement, suivie d'une seconde portion (côté trémie de sortie), le cas échéant plus longue que la première portion précitée, sur laquelle la température diminue progressivement. Les déchets issus de la trémie TR1 s'échauffent progressivement sur cette première portion, laquelle peut comporter par exemple une première résistance de faible alimentation électrique, suivie d'une résistance d'alimentation électrique plus élevée. Les déchets se refroidissent ensuite progressivement sur la seconde portion, laquelle peut, par exemple, ne comprendre aucune résistance thermique. Dans une autre variante simplifiée, il peut ne pas être prévu de gradient de température dans la veine centrale 3, l'éloi gnement des déchets entrainés dans le second tambour de grand diamètre 2 contribuant, à lui seul, à refroidir ces déchets, avant leur extraction par la trémie de sortie TR2. On se réfère maintenant à la figure 2 pour décrire un four de thermolyse selon un second mode de réalisation de la présente invention. Dans ce mode de réalisation, la veine centrale 3 comprend, dans une extrémité de la cavité opposée aux interfaces de sortie et d'entrée, une admission 33 d'un fluide caloporteur. Ce fluide, porté à haute température (typiquement voisine de 900 C), s'achemine dans la veine centrale 3 du four de thermolyse. La veine centrale 3 est préférentiellement munie, sur sa surface interne, d'une spire hélicoïdale pour perturber l'écoulement du fluide dans la veine et augmenter ainsi les échanges thermiques avec la paroi de la veine centrale. La température du fluide initialement injecté dans la veine en 32 décroît progressivement jusqu'à ce que le fluide atteigne l'autre extrémité 31 de la veine centrale. Typique ment, la température du fluide atteint environ 700 C à l'extrémité 31 de la veine centrale (côté trémies d'entrée et de sortie). Ainsi, il se crée naturellement un gradient de température dans la veine centrale, avec une extrémité relativement froide disposée à proximité des trémies d'entrée TR1 et de sortie TR2, et du conduit d'évacuation des gaz de thermolyse EV. Dans une réalisation particulièrement avantageuse, il est prévu d'injecter des fumées issues d'une turbine ou d'un moteur prévu dans une installation de traitement des déchets du type précité. Dans cette variante, les fumées injectées en tant que fluide caloporteur de haute température dans l'admis sion 33 de la veine centrale 3 traversent longitudinalement le four et peuvent être évacuées par une sortie 34 d'extrac tion des fumées, aménagée dans une paroi de la cavité et communiquant avec l'extrémité 31 de la veine centrale 3 (côté trémies d'entrée et de sortie de la cavité). Préférentiel lement, le milieu dans lequel évoluent les fumées (à l'inté rieur de la veine centrale 3) est oxydant. On se réfère maintenant à la figure 3 pour décrire un troisième mode de réalisation du four de thermolyse selon l'invention, dans lequel la veine centrale 3 est ouverte en son extrémité 31 (côté interfaces d'entrée et de sortie de la cavité CA). Le fluide caloporteur, préférentiellement ici un gaz de craquage, s'évacue, dans ce mode de réalisation, par l'extrémité 31 de la veine centrale, circule ensuite dans le même sens que les déchets dans le premier tambour de petit diamètre 1, puis dans le second tambour de grand diamètre 2. Le gaz de craquage est ensuite récupéré avec les gaz de thermolyse par le conduit d'évacuation EV (côté trémies d'entrée et de sortie). En pratique, le gaz de craquage comprend notamment des hydrocarbures légers (méthane, éthane, propane). Préférentiel lement, le milieu dans lequel évoluent le gaz de craquage (à l'intérieur de la veine centrale 3) est alors réducteur dans ce mode de réalisation. On se réfère maintenant à la figure 4 pour décrire une variante élaborée du troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3. Dans cette variante, la rampe de chauffage comprend la veine centrale 3, ainsi que des conduits qui s'étendent radialement vers la surface interne du premier tambour de petit diamètre 1 et qui se prolongent ensuite en s'étendant longitudinalement le long d'axes parallèles à l'axe X-X de rotation des tambours 1 et 2. Ces conduits sont ouverts à proximité de l'extrémité 12 (côté de la cavité opposée aux trémies d'entrée et de sortie) et le fluide caloporteur (ici, du gaz de craquage) peut s'évacuer ainsi à proximité de la communication entre les deux tambours 1 et 2. Le gaz de craquage circule librement ensuite vers l'extrémité de la cavité où sont situées les trémies d'entrée et de sortie et s'évacue avec les gaz de thermolyse par le conduit d'évacua tion EV. Sur ce dernier trajet, sa température chute d'environ 300 et il se crée encore naturellement un gradient de température dans la cavité du four, avec une région relative ment froide à proximité des trémies d'entrée et de sortie TR1 et TR2. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-avant à titre d'exemple. Elle s'étend à d'autres variantes. Ainsi, on comprendra que la cavité du four peut comporter une sortie supplémentaire pour extraire des huiles issues de la thermolyse des déchets. Cette sortie est encore prévue à proximité des trémies d'entrée et de sortie de la cavité, donc dans sa région relativement froide. Les indications de température décrites ci-avant sont données à titre d'exemple et dépendent, bien entendu, du traitement par thermolyse des déchets souhaité et notamment du fluide caloporteur utilisé. Revendications 1. Four de thermolyse, notamment de déchets industriels et/ou urbains et/ou de biomasse, du type comprenant - une cavité (CA) étanche à l'air, munie d'une interface d'entrée (E) pour recevoir des déchets à traiter et d'une interface de sortie (S) pour évacuer des produits de thermo lyse ; - des moyens de chauffage (3,31) pour traiter par thermolyse les déchets dans la cavité ; et - des moyens d'entraînement desdits déchets entre l'entrée et la sortie de la cavité, caractérisé en ce que les moyens d'entraînement sont agencés pour acheminer les déchets dans la cavité sur un trajet choisi par rapport aux moyens de chauffage en vue de récupérer des produits de thermolyse de température différente des déchets en cours de traitement dans la cavité. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température des produits de thermolyse en sortie de la cavité est plus basse que la température des déchets en cours de traitement dans la cavité. 3. Four selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de chauffage sont agencés pour augmenter progressivement la température des déchets sur une première partie du trajet, comprenant l'entrée de la cavité, tandis que ladite température diminue progressivement sur une seconde partie du trajet, jusqu'à la sortie de la cavité. 4. Four selon l'une des revendications précédentes, caractéri sé en ce que les moyens de chauffage comprennent une rampe de chauffage, de température choisie sensiblement le long de ladite cavité, et en ce que le trajet choisi des déchets comprend au moins une longueur de cavité environ. 5. Four selon la revendication 4, caractérisé en ce que la rampe (3) comporte une première extrémité (31) présentant, en service, une première température, ainsi qu'une seconde extrémité (32) présentant, en service, une seconde tempéra ture, supérieure à ladite première température, en vue de créer un gradient de température le long de la rampe. 6. Four selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que les moyens d'entrainement comportent deux tambours tournants (1,2) sensiblement coaxiaux pour acheminer les déchets sur un trajet en aller et retour le long de ladite cavité, tandis que la rampe de chauffage comprend une veine centrale (3), le long de l'axe des tambours. 7. Four selon la revendication 6, caractérisé en ce que le tambour de petit diamètre (1) communique avec l'entrée de la cavité (E), tandis que le tambour de grand diamètre (2) communique avec la sortie de la cavité (S), et en ce que la veine centrale (3) est incluse dans le tambour de petit diamètre (1). 8. Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'interface d'entrée (E) et l'interface de sortie (S) sont aménagées à proximité l'une de l'autre dans la cavité, et en ce que les tambours (1,2) déplacent les déchets selon un trajet sensiblement en "C" dans la cavité. 9. Four selon la revendication 8, prise en combinaison avec la revendication 5, caractérisé en ce que la première extrémité (31) est disposée à proximité desdites interfaces d'entrée et de sortie (E,S). 10. Four selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que la veine (3) comporte au moins une source chaude (33) à proximité de ladite seconde extrémité (32). 11. Four selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de chauffage comprennent une admission (33) d'un fluide caloporteur, propre à communiquer avec ladite rampe, et en ce que ladite admission est disposée à proximité de ladite seconde extrémité (32). 12. Four selon l'une des revendications précédentes, caracté risé en ce qu'il comporte en outre un conduit d'évacuation (EV) de gaz présents dans la cavité, et en ce que ledit conduit d'évacuation est disposé à proximité de l'interface de sortie, en vue de récupérer des gaz de thermolyse de température différente des gaz issus du traitement en cours dans la cavité. 13. Four selon la revendication 11, prise en combinaison avec la revendication 12, caractérisé en ce que le fluide calopor- teur comporte du gaz de craquage, et en ce que la rampe de chauffage comporte une ouverture dans la cavité, en vue de récupérer une partie au moins du gaz de craquage par le conduit d'évacuation (EV). 14. Four selon la revendication 11, prise en combinaison avec la revendication 12, caractérisé en ce que le fluide calopor- teur comporte des fumées, et en ce que la rampe de chauffage (3) traverse la cavité de part en part.