Brevet FR2816529A1 — publié le 20020517

L'invention concerne un procédé de traitement de résidus d'incinération permettant de transformer ces résidus ou cendres en vitrifiat présentant une bonne résistance à la lixiviation et une excellente stabilité dans le temps. L'invention concerne également une installation pour la mise en oeuvre du procédé. L'incinération est actuellement la méthode la plus utilisée pour éliminer un grand nombre de déchets, particulièrement les déchets ménagers et certains déchets industriels assimilables à de tels déchets ménagers. D'autre part, les rejets gazeux font l'objet d'une réglementation stricte qui impose un traitement des fumées d'incinération. Dans la technique, on désigne par REFIOM pour"Résidus d'Epuration des Fumées d'incinération d'Ordures Ménagères"des résidus dans lesquels se concentre la plus grande partie des polluants (notamment des métaux lourds) qui sont considérés comme étant des déchets toxiques. Il est nécessaire de stabiliser ces résidus avant de les stocker dans un centre d'enfouissement technique. On connaît divers procédés de stabilisation. Par exemple, certains procédés dits"à froid"consistent à inclure les résidus dans une matrice stabilisante, par exemple des liants hydrauliques ou du bitume. Par ailleurs, la vitrification est un procédé de stabilisation"à chaud"qui présente de nombreux avantages. En effet, la vitrification se traduit par une réduction importante du volume (d'un quart à un cinquième du volume initial) une très bonne résistance à la lixiviation et une excellente stabilité dans le temps. Ces deux dernières caractéristiques permettent d'entrevoir la possibilité d'une valorisation du vitrifiat (utilisation dans les travaux publics, notamment comme sous-couche en technique routière, ce qui permet d'éviter l'enfouissement. Or, les résidus dits"REFIOM"comportent toujours des oxydes minéraux tels que de la silice, de l'alumine et de la chaux (composants de base des verres), ce qui permet d'obtenir des vitrifias stables. Les essais effectués jusqu'à ce jour montrent qu'on peut obtenir un vitrifiat stable par fusion directe des REFIOM à une température de 1500oC, pratiquement sans qu'il soit nécessaire d'y incorporer des additifs favorisant la vitrification. Si la composition des REFIOM nécessite des additifs, ceux-ci sont de toutes façons limités à une faible proportion de la charge à traiter. La vitrification pose néanmoins un problème de prix de revient lié à l'énergie calorifique qu'il est nécessaire de fournir pour porter les résidus à une haute température nécessaire à la formation du vitrifiat. De plus, les équipements connus susceptibles de fonctionner de façon satisfaisante à de telles températures sont coûteux. L'invention propose une solution de bon compromis à tous ces problèmes dans la mesure où elle permet de traiter de grandes quantités de résidus pour un investissement modéré et une consommation d'énergie réduite. Plus précisément, l'invention concerne un procédé de traitement de résidus d'incinération, caractérisé en ce qu'il consiste à déverser lesdits résidus dans une zone de préchauffage ménagée au-dessus d'une zone de fusion, à soutirer un vitrifiat liquide dans ladite zone de fusion et à le refroidir pour obtenir un vitrifiat solide. Ainsi, la zone de préchauffage reçoit de l'énergie calorifique provenant directement de la zone de fusion où une température élevée, de l'ordre de 1500oC, est entretenue. De cette façon, la zone de préchauffage où les résidus sont portés à une température comprise entre 150 et 850oC, ne consomme pas d'énergie propre. La température est maintenue grâce aux apports caloriques provenant de la zone de fusion elle-même et, de préférence, prélevés sur un fluide de refroidissement utilisé pour solidifier le vitrifiat. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la zone de préchauffage constitue une sorte de"piège"où s'accumulent et se concentrent les composés les plus polluants, notamment les métaux lourds. De ce fait, le vitrifiat comporte une relativement faible proportion de métaux lourds, ce qui est favorable à son réemploi en génie civil. Dans ces conditions, l'invention prévoit aussi de purger, de temps en temps, ladite zone de préchauffage pour récupérer de tels composants volatils riches en métaux lourds. Selon une autre caractéristique importante de l'invention, la fusion proprement dite, s'effectue par chauffage à induction, de préférence avec formation d'un auto-creuset. Ce processus de chauffage à induction est connu en soi ; il a notamment été décrit dans le brevet français No 1 430 192. Néanmoins, ce type de chauffage est favorable pour le traitement des résidus dans la mesure où il permet d'apporter l'énergie de fusion directement dans la charge. De même, selon une caractéristique importante, les résidus sont déversés en continu dans ladite zone de préchauffage. Le réglage de débit de l'alimentation des résidus et le réglage de débit du soutirage du vitrifiat liquide permettent de réguler le processus de vitrification. L'invention concerne aussi une installation de traitement de résidus d'incinération caractérisée en ce qu'elle comporte un four de vitrification surmonté d'un conteneur formant préchauffeur, en ce que ledit four est équipé de moyens de soutirage d'un vitrifiat liquide et en ce que des moyens d'alimentation desdits résidus sont agencés pour les déverser dans ledit conteneur. Selon une caractéristique importante, le four de vitrification est un pot de fusion par induction, connu en soi, muni d'une buse de soutirage du vitrifiat, équipée de moyens de contrôle de débit. Selon une autre caractéristique avantageuse, le conteneur formant préchauffeur a la forme générale d'une trémie dont la sortie communique avec une ouverture supérieure dudit four de vitrification. Selon encore une autre caractéristique importante, l'installation comporte un tunnel de refroidissement du vitrifiat dans lequel est aménagé un convoyeur portant des moules adaptés à recevoir ledit vitrifiat liquide. Ces moules cheminent entre un poste de remplissage situé en regard de ladite buse de remplissage et un sas de sortie. Un injecteur d'air de refroidissement est connecté au tunnel, au voisinage du sas de sortie et un circuit d'extraction d'air réchauffé est connecté au tunnel au voisinage du poste de remplissage. Ce circuit d'extraction d'air réchauffé communique avec le conteneur formant préchauffeur. Ainsi, de l'air chaud est réinjecté dans le préchauffeur au coeur des résidus qu'il contribue à réchauffer. En outre, l'installation comporte un sas d'entrée desdits moules, agencé en amont dudit poste de remplissage, lesdits moules étant réintroduits dans le tunnel de refroidissement par ce sas. L'installation comporte aussi un circuit d'évacuation de gaz connecté à la partie supérieure du conteneur formant préchauffeur et ce circuit peut comporter un condenseur pour la récupération de composés volatils de métaux lourds. Ce condenseur n'est mis en circuit, en principe, que pendant les phases de purge du préchauffeur. Une phase de purge consiste à cesser momentanément d'alimenter le préchauffeur tout en continuant à soutirer du vitrifiat liquide à la partie inférieure du four de vitrification. Dans ces conditions, la température dans le préchauffeur augmente jusqu'à une valeur suffisante pour que les composés volatils riches en métaux lourds puissent s'échapper par le circuit d'évacuation de gaz avant d'être récupérés par refroidissement dans le condenseur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence au dessin dans lequel : - la figure unique est un schéma-bloc d'une installation de traitement de résidus d'incinération conforme au principe de l'invention. L'installation de traitement de résidus d'incinération telle que représentée, comporte principalement un four de vitrification 11 surmonté d'un conteneur formant préchauffeur 12. Le four de vitrification est un pot de fusion par induction, connu en soi, muni d'une buse de soutirage 14 du vitrifiat liquide. Cette buse est connectée à la partie inférieure dudit pot de fusion. Cette buse de soutirage 14 est équipée de moyens de contrôle de débit comprenant par exemple un élément d'obturation 16, mobile à l'intérieur de la buse de soutirage 14 et obturant plus ou moins le passage d'écoulement du vitrifiat. En outre, des moyens d'alimentation 18 desdits résidus sont agencés pour déverser lesdits résidus dans ledit conteneur 12. Plus précisément, dans l'exemple représenté, les résidus sont accumulés dans un réservoir 20. Un autre réservoir 21 contient des additifs de vitrification, destinés à être ajoutés aux résidus, en proportion adéquate, pour favoriser une bonne vitrification. La proportion d'additifs que l'on ajoute dépend de la composition des résidus et notamment de leur teneur en oxydes minéraux. Le dosage est réalisé par un mélangeur 24 comprenant deux entrées respectivement reliées aux sorties des deux réservoirs. La sortie du mélangeur est connectée à un système de chargement 26 à débit réglable dont la sortie débouche à la partie supérieure du conteneur formant préchauffeur 12. Ainsi, les résidus, éventuellement complétés par une faible proportion d'additifs, sont introduits en continu mais avec un débit réglable, à la partie supérieure du préchauffeur. Celui-ci a la forme générale d'une trémie dont la sortie 28 communique avec une ouverture supérieure dudit four de vitrification 11. L'installation comporte également un tunnel de refroidissement 30 du vitrifiat, dans lequel est aménagé un convoyeur 32 portant des moules 34 adaptés à recevoir le vitrifiat liquide. La sortie de la buse de soutirage 14 du vitrifiat débouche dans ce tunnel au-dessus d'un poste de remplissage 36 des moules. Ceux-ci sont déplacés entre ledit poste de remplissage et un sas de sortie 38. Chaque moule est introduit dans le sas de sortie d'où il ressort pour atteindre un poste de démoulage 39 où le bloc de vitrifiat solidifié est évacué. Le moule vide est repris en charge par un convoyeur extérieur et acheminé vers un sas d'entrée 40 agencé à l'extrémité opposée du tunnel en amont du poste de remplissage 36. Chaque moule est ainsi réintroduit dans le tunnel de refroidissement 30 par ce sas 40 et repris en charge par le convoyeur qui le ramène audit poste de remplissage 36, puis au sas de sortie 38. Un injecteur d'air de refroidissement 41 est connecté audit tunnel, de préférence au voisinage du sas de sortie, tandis qu'un circuit d'extraction 42 de l'air de refroidissement réchauffé est connecté à ce même tunnel au voisinage du poste de remplissage. Ce circuit d'extraction d'air de refroidissement communique avec le conteneur formant préchauffeur 12. Plus précisément, il comporte une tubulure torique 44, formant collecteur, connecté à la base du conteneur par une pluralité de buses d'injection 46 réparties circulairement. Ces buses débouchent dans une partie tronconique de la trémie 48 du conteneur formant préchauffeur 12. Le pot de fusion par induction constituant le four 11, comprend principalement un inducteur monospire 50, cylindrique. Ladite spire forme la paroi verticale du pot de fusion ou creuset. Elle est réalisée en cuivre. Les deux extrémités de la spire sont séparées par une bande verticale en matériau isolant. Elles sont connectées à deux barres métalliques 52 établissant la jonction électrique avec une source de courant 54 moyenne fréquence. Des condensateurs de compensation de puissance réactive 56 sont également prévus. Un circuit de circulation forcée d'eau 58 est en contact thermique étroit avec la spire 50 pour maintenir cette dernière à relativement basse température. De plus, la paroi interne de l'inducteur est, ici, recouverte d'une fine couche de matériau réfractaire 60, de manière à limiter les pertes thermiques. Dans un tel dispositif, le produit au voisinage de l'inducteur (c'est-à-dire ici au contact de la couche réfractaire) reste relativement froid et forme une couche de protection (appelée auto-creuset), entre le bain à haute température et le cuivre de l'inducteur. Dans le cas où l'inducteur est revêtu intérieurement d'une couche de protection en matériau réfractaire, la formation de l'auto-creuset contre la paroi réfractaire protège celle-ci de la corrosion par les résidus en fusion. L'installation comporte aussi un circuit d'évacuation de gaz 64 connecté à la partie supérieure du conteneur formant préchauffeur 12. Les gaz chauds sont extraits du préchauffeur et dirigés par ce circuit vers des moyens de traitement des fumées de l'usine d'incinération. Le circuit comporte deux vannes à trois voies 65,66 et un condenseur 67. Une liaison directe, constituée par un simple conduit 68, est établie entre deux accès desdites vannes à trois voies tandis que le condenseur 67 est connecté entre deux autres accès de ces deux vannes. Par cet agencement, le condenseur peut ou non être inséré dans le circuit d'évacuation 64, à la sortie du préchauffeur. Ce condenseur qui consiste essentiellement en un échangeur thermique permettant un refroidissement des gaz qui le traversent, permet de récupérer des composés volatils riches en métaux lourds lors d'une opération de purge du préchauffeur, comme on le verra plus loin. En fonctionnement, les résidus sont introduits en continu, avec un débit réglable dans la partie supérieure du préchauffeur. Ils s'accumulent dans celui-ci et sont portés à une température de l'ordre de 700 à 800 C, la température augmentant de haut en bas au fur et à mesure qu'on se rapproche du pot de fusion. Par conséquent, les résidus encore pulvérulents à la partie supérieure du préchauffeur, deviennent de plus en plus denses et prennent une consistance pâteuse au fur et à mesure qu'ils descendent, par gravité, vers le pot de fusion. La vitesse d'écoulement des résidus dans le préchauffeur dépend du débit du vitrifiat liquide à la sortie des moyens de soutirage. Ce débit est réglable, comme indiqué précédemment. En fait, le gradient de température entre la partie supérieure du préchauffeur et la buse de soutirage 14, qui conditionne la formation du vitrifiat, est ajusté par la combinaison des paramètres suivants : - le débit d'entrée des résidus, - le débit de sortie du vitrifiat liquide, - la puissance injectée dans la charge par induction, et - l'apport calorique dû à l'air chaud réinjecté. Dans le pot de fusion, la température augmente jusqu'à 1500oC et plus, ce qui se traduit par une fusion complète des résidus et la formation du vitrifiat liquide. Les caractéristiques du vitrifiat dépendent de la proportion de certains composants dans les résidus, ladite proportion pouvant être ajustée par l'incorporation des additifs provenant du réservoir 21. Le vitrifiat liquide qui est évacué par la buse de soutirage 14 tombe dans un moule 34 situé dans le tunnel de refroidissement. Au fur et à mesure de son cheminement dans le tunnel 30, vers le sas de sortie, le vitrifiat versé dans un moule 34 se refroidit, notamment au contact de la circulation d'air, entretenue dans ce tunnel. Lorsqu'un moule 34 est introduit dans le sas de sortie 38, le vitrifiat est solidifié et peut être démoulé avant d'être évacué. Le moule est ramené vers le sas d'entrée dans lequel il est introduit. Il prend place, à nouveau, sur le convoyeur 32 où il est déplacé vers le poste de remplissage 36, c'est-à-dire en regard de la buse de soutirage 14. Pendant ce temps, l'air de refroidissement réchauffé est extrait du tunnel et réinjecté, par la tubulure 44 et les injecteurs 46, dans le conteneur formant préchauffeur 12 où il contribue au réchauffage des résidus. Le préchauffeur reçoit donc des apports caloriques provenant à la fois du pot de fusion (puisqu'il se trouve connecté à la partie supérieure de celui-ci) et de l'air réchauffé et réinjecté. Au fur et à mesure du traitement, des composés riches en métaux lourds s'accumulent dans le préchauffeur 12 de sorte que le vitrifiat qui est formé à la sortie du pot de fusion est relativement pauvre en métaux lourds. Ceci est favorable à la valorisation ultérieure du vitrifiat, pour des applications de Génie Civil, puisque ledit vitrifiat, outre sa résistance à la lixiviation, est intrinsèquement pauvre en produits polluants, notamment en métaux lourds. L'invention permet également la récupération de ces métaux lourds qui s'accumulent dans le préchauffeur 12, par la mise en oeuvre d'une procédure de purge particulière. Cette procédure consiste à arrêter l'introduction de résidus dans le préchauffeur 12 tout en continuant à soutirer du vitrifiat liquide. Dans ces conditions, la température dans le préchauffeur augmente, ce qui se traduit par une vaporisation et une évacuation des composés riches en métaux lourds qui se trouvaient piégés dans ledit préchauffeur. Dans le même temps, le condenseur est mis en service par actionnement simultané des deux vannes à trois voies 65,66. Les composés riches en métaux lourds sont donc récupérés dans le condenseur et extraits de celui-ci en vue de traitements de valorisation ultérieurs. Dans l'exemple décrit le gaz chaud réinjecté dans la zone de préchauffage est de l'air provenant du refroidissement du vitrifiat mais on peut envisager de réinjecter d'autres gaz de récupération venant d'une autre unité de l'usine d'incinération, notamment des fumées ou encore un gaz de combustion spécifique à cet usage. Tous ces apports calorifiques peuvent être combinés. REVENDICATIONS 1-Procédé de traitement de résidus d'incinération, caractérisé en ce qu'il consiste à déverser lesdits résidus dans une zone de préchauffage (12) ménagée au-dessus d'une zone de fusion (11), à soutirer un vitrifiat liquide (14) dans ladite zone de fusion et à le refroidir (30) pour obtenir un vitrifiat solide. 2-Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déverse lesdits résidus en continu dans ladite zone de préchauffage (12). 3-Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on déverse (36) ledit vitrifiat liquide dans des moules (34) se succédant en dessous de ladite zone de fusion. 4-Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on maintient la température de la zone de préchauffage (12) dans une plage de température de l'ordre de 150 à 850oC et qu'on maintient la température de ladite zone de fusion (11) dans une plage de température de l'ordre de 1500oC. 5-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise la fusion par chauffage à induction (54,56, 50), de préférence avec formation d'un auto-creuset, ledit auto-creuset délimitant ladite zone de fusion. 6-Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on fait transiter lesdits résidus dans un conteneur surmontant ladite zone de fusion, ledit conteneur délimitant ladite zone de préchauffage. 7-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on injecte du gaz chaud (42,46) dans ladite zone de préchauffage. 8-Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit gaz chaud est de l'air ayant servi au refroidissement dudit vitrifiat. 9-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on purge, à des moments choisis, ladite zone de préchauffage et en ce qu'on récupère (67) des composés volatils accumulés dans ladite zone de préchauffage. 10-Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on introduit dans ladite zone de préchauffage un additif (21) favorisant la vitrification desdits résidus, l'additif étant par exemple mélangé auxdits résidus. 11-Installation de traitement de résidus d'incinération, caractérisée en ce qu'elle comporte un four de vitrification (11) surmonté d'un conteneur formant préchauffeur (12), en ce que ledit four est équipé de moyens de soutirage (14) d'un vitrifiat liquide et en ce que des moyens d'alimentation (18) desdits résidus sont agencés pour les déverser dans ledit conteneur. 12-Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que ledit four de vitrification (11) est un pot de fusion par induction, connu en soi, muni d'une buse de soutirage (14) du vitrifiat, équipée de moyens de contrôle de débit. 13-Installation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que ledit conteneur formant préchauffeur (12) comporte une partie en forme de trémie dont la sortie communique avec une ouverture supérieure dudit four de vitrification (11). 14-Installation selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce qu'elle comporte un tunnel de refroidissement (30) du vitrifiat dans lequel est aménagé un convoyeur (32) portant des moules (34) adaptés à recevoir ledit vitrifiat liquide, en ce que ces moules cheminent entre un poste de remplissage (36) situé en regard de ladite buse de remplissage et un sas de sortie (38), en ce qu'un injecteur d'air de refroidissement (41) est connecté audit tunnel, au voisinage dudit sas de sortie et en ce qu'un circuit d'extraction (42) de l'air de refroidissement est connecté audit tunnel au voisinage dudit poste de remplissage. 15-Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un sas d'entrée (40) desdits moules, agencé en amont dudit poste de remplissage, lesdits moules étant réintroduits dans ledit tunnel de refroidissement par ce sas. 16-Installation selon la revendication 14 ou 15, caractérisée en ce que ledit circuit d'extraction (42) d'air de refroidissement communique avec le conteneur formant préchauffeur (12). 17-Installation selon la revendication 16, caractérisée en ce que ledit circuit d'extraction comprend une tubulure torique (44), formant collecteur, connectée à la base dudit conteneur par une pluralité de buses d'injection (46) réparties circulairement. 18-Installation selon l'une des revendications 13 à 17, caractérisée en ce que lesdits moyens d'alimentation comportent en outre un réservoir (20) desdits résidus d'incinération, un réservoir d'additifs (21), un mélangeur (24) connecté auxdits réservoirs et un système doseur (26) intercalé entre une sortie dudit mélangeur et ledit conteneur formant préchauffeur. 19-Installation selon l'une des revendications 13 à 18, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit d'évacuation de gaz (64) connecté à la partie supérieure du conteneur formant préchauffeur. 20-Installation selon la revendication 19, caractérisée en ce que ce circuit d'évacuation comporte un condenseur (67), pour la récupération de composés volatils de métaux lourds.