Brevet FR2818358A1 — publié le 20020621

PROCEDE DE DESTRUCTION ET/OU D'INERTAGE DE DECHETS L'invention a trait à un procédé destiné à traiter les déchets, notamment les déchets industriels, agro-alimentaires, biologiques, afin de les détruire ou tout au moins afin de les rendre inertes et sans danger pour l'environnement. C'est en effet un problème qui se pose avec toujours plus d'acuité que de savoir comment éviter le stockage de déchets susceptibles d'être toxiques à des degrés divers, comment les détruire ou les inerter de la façon ta plus efficace et la plus économique possible. Des solutions ont déjà été proposées pour y répondre. Il est ainsi connu de mélanger des déchets à des liants hydrauliques, technique intéressante sur le plan de la consommation énergétique, mais qui n'est pas optimale à long terme. En effet, les ciments présentent généralement une porosité qui favorise le relargage des déchets ainsi piégés. Il est également connu de vitrifier les déchets, c'est-à-dire de les introduire dans une composition de matières vitrifiables amenées à leur température de fusion. Si ta technique de vitrification apparaît comme très fiable, en revanche elle est assez gourmande en consommation de matières premières vitrifiables et en consommation énergétique. Le but de l'invention est alors de pallier ces différents inconvénients, en proposant un procédé de traitement des déchets qui soit à la fois de haute fiabilité et viable économiquement. L'invention a tout d'abord pour objet un procédé de destruction et/ou d'inertage de déchets, notamment de déchets industriels, biologiques ou agroalimentaires, tel qu'on utilise pour le mettre en oeuvre un réacteur muni de moyens de chauffage comportant au moins un brûleur immergé. On alimente le réacteur en matériaux au moins pour partie vitrifiables, que l'on chauffe avec lesdits moyens de chauffage afin de constituer et de maintenir dans le réacteur une phase au moins partiellement liquide et/ou mousseuse à au moins 8000 C. On introduit les déchets à traiter dans cette phase, afin que leurs éventuels composants organiques soient décomposés par combustion et/ou que leurs éventuels composants minéraux soient fondus ou enrobés dans cette phase. Puis, on soutire du réacteur ladite phase chargée en déchets fondus/enrobés et/ou en produits de combustion desdits déchets du type cendres. Au sens de l'invention, on comprend par brûleurs immergés , des brûleurs configurés de manière à ce que les flammes qu'ils génèrent ou les gaz de combustion issus de ces flammes se développent dans le réacteur où s'opère la conversion, au sein même de la masse des matières en cours de transformation. Généralement, ils se trouvent disposés de façon à affleurer ou à dépasser légèrement des parois latérales ou de la sole du réacteur utilisé (on parle ici de flammes, même s'il ne s'agit pas à proprement parlé des mêmes flammes que celles produites par des brûleurs aériens pour plus de simplicité). Au sens de l'invention, on comprend par matériaux au moins en partie vitrifiables , toutes les matières premières conventionnelles utilisées pour fabriquer du verre, des silicates comme du silicate de sodium et/ou du silicate de calcium, mais aussi des phosphates d'alcalins et/ou d'alcalino-terreux, des aluminates d'alcalins et/ou d'alcalino-terreux ou toute combinaison d'au moins deux de ces composés. Il peut s'agir, notamment, de tout matériau qui par traitement thermique conduit à un matériau au moins en partie vitreux, pouvant être partiellement ou totalement céramisé. Au sens de l'invention, on comprend par inertage , l'opération consistant à rendre les déchets inertes. Il peut donc s'agir soit de les détruire entièrement par combustion, soit de les conserver sous une forme intacte ou plus ou moins dégradée, mais inerte/inoffensive. Il s'agit alors, en fait, de les neutraliser au sens large (pas dans le sens restrictif d'une réaction chimique). Le principe de fonctionnement d'un four à brûleurs immergés pour la fusion du verre est déjà connu, et a été notamment décrit dans les brevets WO 99/35099 et W099/37591 : il consiste à pratiquer la combustion directement dans la masse des matières vitrifiables à fondre, en injectant le combustible (en général du gaz du type gaz naturel) et le comburant (en général de l'air ou de l'oxygène) via des brûleurs disposés sous le niveau de la masse en fusion. Ce type de combustion immergée provoque par convection un brassage intensif de matières en cours de fusion, ce qui permet un processus de fusion rapide et ce qui entraîne aussi ta formation d'une phase liquide qui a un peu t'aspect d'une mousse (avec beaucoup de grosses bulles par comparaison avec le verre en fusion obtenu avec des moyens de chauffage plus conventionnels du type électrodes immergées ou brûleurs aériens). Un avantage subsidiaire de ce type de moyens de chauffage est qu'il est possible d'introduire les matières premières à fondre directement au sein de cette phase liquide/mousseuse, ce qui évite ta formation de poussières en provenance des fines des matières premières, et ta dispersion de celles-ci dans les fumées émises par le four. L'invention a alors tiré partie de cette technologique pour inerter/détruire les déchets. Toute une série d'avantages en découle : > -d'une part, on peut introduire les déchets directement dans ta phase liquide/mousseuse, ce qui évite les envols de poussières éventuellement toxiques provenant des déchets : on peut piéger efficacement des déchets dans cette phase, en limitant la nécessité de filtrer/traiter les fumées, > d'autre part, on peut tirer profit de ta nature même des déchets pour réduire le coût du procédé. En effet, les déchets à traiter, dont des exemples seront cités ci-après, peuvent être minéraux, organiques, ou associer des composants minéraux et des composants organiques. On peut optimiser la composition des déchets, notamment associer des déchets de natures différentes, pour diminuer le coût des matières premières et/ou le coût énergétique du procédé. Ainsi, des déchets minéraux contenant des matériaux susceptibles de fondre à plus de 800C, comme des sables de fonderie, du calcin pollué, peuvent être introduits dans le réacteur à la fois pour piéger/détruire leurs composants polluants et pour apporter une partie de ta matière vitrifiable nécessaire au procédé. Quant aux déchets organiques, ou pour partie organiques, ils peuvent servir de combustible au (x) brûleur (s) immergé (s) : du fait du brassage convectif mentionné plus haut, ils sont renouvelés continuellement à proximité des brûleurs immergés jusqu'à combustion complète. Cela permet de diminuer, voire de stopper complètement, l'alimentation en gaz combustible des brûleurs, avec un gain énergétique substantiel. La dégradation des molécules organiques peut être ainsi complète, jusqu'à la décomposition en gaz carbonique et en eau. Les cendres de combustion se trouvent piégées dans la phase liquide/mousseuse. Ces déchets au moins pour partie organiques peuvent donc fournir une partie, ou la majorité ou l'essentiel voire tout le combustible nécessaire au (x) brûleur (s) immergé (s). On peut donc utiliser directement dans le réacteur le pouvoir combustible des déchets, quelque soit le niveau de celui-ci. Il se peut que des résidus de carbone restent emprisonnés dans la matrice vitreuse, ce qui peut offrir l'opportunité de fabriquer à moindre coût et sans difficulté de mise en oeuvre, des verres réduits. Dans le cas où l'on retraite que des déchets organiques, on obtient un procédé particulièrement économique : > -sur Le pLan énergétique, une grande partie, voire la totalité, du combustible est fournie par les déchets, > -sur Le pLan des matières premières, il suffit de peu de matières vitrifiables, puisqu'elles n'ont à piéger que des cendres, de faible volume. Le taux de renouvellement desdites matières vitrifiables dans le réacteur peut donc être bas, limité à l'incorporation correcte de ces cendres. Tous les compromis sont ensuite possibles : on peut ainsi associer différents types de déchets, par exemple des déchets de degrés de toxicité différents (pour que le produit final respecte les normes en vigueur), des déchets de natures différentes (par exemple pour assurer une teneur en composés organiques donnée sur la totalité des déchets introduits, donc pour contrôler la qunatité de combustible provenant des déchets et adapter en conséquence l'alimentation en gaz des brûleurs). Comme évoqué ci-dessus, beaucoup de déchets peuvent être traités selon l'invention. La liste suivante n'est donc pas exhaustive : > -Les déchets considérés comme peu ou pas toxiques sont notamment constitués d'au moins un des résidus industriels suivants : sables de fonderies, laitiers de hauts-fourneaux, scories, mâchefers, tubes de télévision et calcins divers tels que des calcins de cristallerie. Cette catégorie de déchets peut fournir une partie des oxydes formateurs et modificateurs nécessaires pour générer une matrice vitreuse, > les déchets considérés comme plus toxiques peuvent comporter par exemple au moins un des résidus suivants : tout type de résidus d'ordures ménagères notamment ceux communément désignés sous le terme de REFIOM (Résidus de l'Epuration des Fumées d'Incinération des Ordures ménagères), tout type de résidus d'incinération de déchets industriels, notamment ceux désignés sous le terme de REFIDI (Résidus d'Epuration des Fumées d'Incinération de Déchets Industriels) des silicates, des émaux, des poussières d'électrofiltres ou de désulfuration, du calcin pollué, des boues sidérurgiques, des gâteaux de filtrepresse, et tous les oxydes et hydroxydes issus de l'industrie chimique. > Les déchets que vise l'invention peuvent aussi être de nature biologique ou être issus de l'industrie agro-alimentaire. Il s'agit plus particulièrement des farines animales qui ne sont plus consommables ou ne vont plus l'être dans un futur proche dans au moins une partie des pays européens, et qu'il faut donc détruire. > Les déchets peuvent aussi être des déchets de bois, de papier de l'industrie de la papeterie. > Ils peuvent aussi être constitués de polymères organiques, halogénés ou non, par exemple du polyéthylène, du PVC, des résidus de pneumatiques. ! 1 peut s'agir aussi de sable pollué par des hydrocarbures. > Il peut aussi s'agir de composites verre/plastique. On peut citer les vitrages feuilletés par exemple, associant au moins un verre avec au moins une feuille en polymère thermoplastique ou non, type polyvinylbutyral PVB, éthylène-vinyl acétate EVA, polyuréthane PU ou polyéthylène-téréphtalate PET.... On peut aussi citer les matériaux composites à base de polymère renforcé par du fil de verre ( ou du fil de carbone ou autre type de fil de renfort), utilisés dans l'industrie automobile, ou dans les bâteaux par exemple. On peut mentionner aussi les composites verre/métal (vitrages munis d'éléments de connectique, de revêtements métalliques). Une grande innovation dans l'invention est de pouvoir ajuster le fonctionnement des moyens de chauffage utilisés, les brûleurs immergés, en fonction du type et de la quantité des déchets à détruire/inerter, (l'invention inclut cependant les variantes où les moyens de chauffage associent des brûleurs immergés et les moyens plus conventionnels, comme des brûleurs aériens). On peut ainsi, de préférence, réguler le débit de combustible et/ou de comburant gazeux alimentant le (s) brûleur (s) immergé (s) en fonction de la teneur en composés organiques des déchets, et de leurs pouvoirs calorifiques. Le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre de façon discontinue, mais il fonctionne de préférence en continu. On peut introduire en continu dans le réacteur les déchets et les matières vitrifiables, notamment en ajustant leurs teneurs respectives pour obtenir une immersion complète des déchets et de leurs éventuels produits de décomposition dans ta phase liquide/mousseuse du réacteur. Ce contrôle des quantités introduites peut se faire de façon automatisée. Avantageusement comme évoqué plus haut, on introduit les déchets et/ou les matières vitrifiables sous le niveau de la phase liquide/mousseuse du réacteur, pour éviter ou limiter au mieux les envols de déchets/fines, notamment à l'aide d'enfourneuses à tapis routant ou à vis sans fin. De préférence, les effluents gazeux contenant éventuellement des particules qui sont émis dans le réacteur sont évacués, canalisés afin de leur faire subir, si besoin est, tous les traitements de filtration/dépollution appropriés. Ces fumées peuvent ensuite être dirigées vers des récupérateurs de chaleur afin de s'y épuiser thermiquement, ou à contre-courant d'un des flux d'alimentation du réacteur, ta chaleur ainsi restituée peut par exemple servir à préchauffer déchets et/ou matières vitrifiables. Si cela s'avère approprié, on peut broyer/concasser les déchets et/ou les matières vitrifiables qui sont sous forme solide avant de les introduire dans le réacteur, notamment afin de les réduire en granulats de taille adéquate. L'achèvement du procédé consiste à soutirer du réacteur ta phase chargée en déchets/produits de décompositions de déchets, qui, une fois solidifiée, peut être transforméeen granulats. On peut ainsi obtenir un vitrifiat valorisable, notamment pour constituer du calcin ou du silicate (silicate de sodium ou de calcium notamment), pour faire du verre plat (vitrages), du verre creux (bouteille, flacons), de la laine minérale d'isolation (laine de verre, laine de roche), ou du fil de verre textile, de renforcement. On peut ainsi valoriser un vitrifiat à base de silicate de calcium pour la fabrication de verre plat silico-sodo-calcique ou pour la fabrication de verre textile (dans ce dernier cas, l'utilisation d'un silicate de calcium préfondu peut se substituer en tout ou en partie à la silice et à la chaux, ce qui permet de réduire les casses de fil sous filière). L'utilisation du vitrifiat dépend donc étroitement de sa composition. L'important est qu'il se conforme aux normes en vigueur. Les vitrifiats/granulats de moindre qualité peuvent aussi être utilisés en tant que charges de renfort, par exemple pour des revêtements routiers. L'invention sera ci-après décrite plus en détails à l'aide d'un exemple de réalisation non limitatif. On réalise un fondoir dont les parois sont en matériaux réfractaires comme les fours verriers traditionnels ou en parois métalliques refroidies à l'eau. Il définit un volume de sensiblement plusieurs m3. Sa sole est équipée de plusieurs brûleurs immergés, disposés régulièrement sur la sole, et qui pénètrent dans le réacteur sur une hauteur réduite. Chaque brûleur est susceptible d'être alimenté en air ou en oxygène d'une part, et en gaz combustible (du type gaz naturel ou fioul ou autre gaz combustible), par deux circuits d'alimentation. En fonctionnement de sécurité, quand on veut stopper la combustion, on peut injecter dans le brûleur un gaz inerte du type azote. Le fonctionnement des brûleurs est décrit plus en détail dans le brevet WO 9937591. On alimente le réacteur avec deux enfourneuses à vis sans fin, l'une pour les matières vitrifiables, l'autre pour les déchets. On peut aussi prévoir une étape préalable de mélange de déchets d'origines différentes. On peut aussi mélanger préalablement matières vitrifiables et déchets, et les introduire ensemble dans le réacteur). On amorce le procédé en l'alimentant d'abord uniquement en matières vitrifiables (sables), que l'on porte à fusion à au moins 100 C grâce à l'apport thermique fourni par des brûleurs alimentés à la fois en comburant et en combustible. On a alors constitué un bain de matières en fusion semi-liquide, semimousseux sur une hauteur donnée, agité de forts mouvements convectifs. On peut ensuite faire fonctionner le procédé en continu : on alimente le réacteur en continu en déchets et en matières vitrifiables. On ajuste leurs quantités relatives selon la nature des déchets à traiter. Les déchets organiques sont entièrement brûlés. Les déchets minéraux sont fondus ou enrobés dans le bain. La quantité et la nature des matières minéraux introduites dans le réacteur (matériaux vitrifiables et matériaux faisant partie des déchets) sont à ajuster afin d'assurer au bain en fusion une viscosité compatible avec le fonctionnement des brûleurs immergés à ta température considérée, mais aussi pour assurer ta meilleure valorisation possible du silicate qui va être produit. En fonction de ta quantité de matières organiques des déchets, au cours de procédé, on diminue ou même on stoppe l'alimentation en combustible gazeux des brûleurs immergés (on peut aussi choisir d'introduire du combustible organique solide ou liquide dans le réacteur en plus). On régule le débit de combustible/comburant gazeux des brûleurs en continu, en fonction des déchets introduits dans le réacteur. Quand on stoppe l'alimentation en combustible gazeux des brûleurs immergés, on peut alimenter ceux-ci en air ou en oxygène par leurs deux circuits d'alimentation. Les fumées sont éliminées en partie haute du réacteur et peuvent être retraitées (par exemple en vue de récupérer un élément minéral particulièrement volatil contenu dans un déchet). Le verre/silicate chargé des déchets minéraux et/ou des cendres de combustion de déchets organiques est évacué en continu en partie basse du réacteur par un trou de coulée. Le temps de séjour des déchets dans le réacteur est court. Bien que de dimensions réduites, ce type de réacteur peut traiter rapidement de grandes quantités de déchets. On peut combiner différents déchets : il peut être avantageux de combiner un ou plusieurs déchets minéraux et un ou plusieurs déchets organiques au moins en partie, par exemple on peut associer : > -des farines animales et des REFIOM, > des farines animales, des déchets de polyéthylène et des REFIOM, etc..., en vue d'obtenir ta meilleure optimisation économique et énergétique. En conclusion, le procédé de l'invention, même avec des réacteurs très compacts, permet de détruire ou d'inerter des déchets efficacement avec un excellent rendement, un coût énergétique raisonnable et la capacité de valoriser les produits obtenus après traitement. Il est donc très compétitif, grâce à une nouvelle application de ta technologie des brûleurs immergés. REVENDICATIONS 1. Procédé de destruction et/ou d'inertage de déchets, notamment de déchets industriels, biologiques, agro-alimentaires, caractérisé en ce qu'on utilise un réacteur muni de moyens de chauffage comportant au moins un brûleur immergé, en ce qu'on alimente ledit réacteur en matériaux au moins en partie vitrifiables, que l'on chauffe avec lesdits moyens de chauffage afin de constituer et de maintenir dans le réacteur une phase au moins partiellement liquide/mousseuse à au moins 800 C, en ce qu'on introduit lesdits déchets dans ladite phase afin que leurs composants organiques y soient décomposés par combustion et/ou leurs composants minéraux fondus ou enrobés dans ladite phase, et en ce qu'on soutire du réacteur ladite phase chargée en déchets fondus/enrobés et/ou en produits de combustion desdits déchets. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déchets comportent au moins un des composés suivants : résidus d'incinération d'ordures ménagères REFIOM, résidus d'incinération de déchets industriels du type REFIDI, émaux, poussières d'électrofiltres et de désulfuration, calcin pollué, boues sidérurgiques, gâteaux de filtre-presse, oxydes et hydroxydes issus de l'industrie chimique, sables de fonderie, scories, mâchefers, sable pollué par des hydrocarbures, laitiers de hauts-fourneaux, déchets de bois ou de papeterie, farines animales, déchets à base de de polymère organiques halogénés ou non, composites verre/plastique ou verre/métal. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les déchets contiennent des composants organiques qui fournissent au moins en partie le combustible nécessaire au (aux) brûleur (s) immergé (s), notamment la majorité ou l'essentiel dudit combustible. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les déchets contiennent des composants minéraux vitrifiables qui fournissent au moins en partie les matériaux vitrifiables nécessaires pour constituer la phase liquide à au moins 800 C dans le réacteur. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on associe différents types de déchets, présentant des degrés de toxicité différents et/ou des teneurs en composants organiques différentes et/ou un pouvoir calorifique différent. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on ajuste le fonctionnement du (des) brûleur (s) immergé (s) en fonction du type et de la quantité de déchets introduits. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on régule le débit de combustible et/ou de comburant gazeux alimentation le (s) brûleur (s) immergé (s) en fonction au moins de la teneur en composés organiques des déchets. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre de façon continue, avec introductions en continu dans le réacteur des déchets et des matières vitrifiables, notamment en ajustant leurs teneurs respectives pour obtenir une immersion complète des déchets et de leurs éventuels produits de décomposition dans ta phase liquide/mousseuse. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit les déchets et ! ou les matériaux vitrifiables sous le niveau de ta phase liquide/mousseuse, notamment à l'aide d'enfourneuses à tapis routant ou à vis sans fin. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les effluents sous forme gazeuse et/ou particulaire émis dans le réacteur sont évacués, canalisés puis traités/filtrés si nécessaire. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on soutire du réacteur la phase chargée en déchets/produits de décomposition de déchets pour en faire des granulats. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape préalable de broyage ou concassage des déchets sous forme solide. 13. Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à ta fabrication de vitrifiat valorisable, notamment pour constituer du calcin ou du silicate pour faire du verre plat, du verre creux, de ta laine minérale, du fil de verre textile, ou pour constituer les charges de renfort. 14. Application du procédé selon l'une des revendications 1 à 12 pour vitrifier des déchets présentant différents degrés de toxicité afin qu'ils se conforment, une fois vitrifiés, aux normes en vigueur.