Brevet FR2826878A1 — publié le 20030110

L'invention concerne un procédé de traitement de résidus de combustion. Plus précisément, l'invention vise à traiter des déchets constitués de résidus solides, pouvant se présenter notamment sous forme de cendres sèches, de mâchefers broyés ou de déchets acqueux. Dans la suite, l'invention sera présentée en relation avec le traitement de cendres sèches, issues notamment de l'épuration des fumées d'incinération d'ordures ménagères ou de déchets industriels. Afin de pouvoir être acceptés en centre de stockage, les déchets ultimes doivent être stabilisés. Il est déjà connu pour stabiliser ces déchets de les vitrifier dans un four, en les portant à une température supérieure à leur point de fusion (au moins 1 200 C). Les constituants des cendres, notamment la silice et la chaux, forment alors un verre liquide qui, lors du refroidissement, se solidifie en une matrice vitreuse emprisonnant une partie des polluants. Le but de l'invention est de concevoir un procédé d'un coût modéré, générant un coût de maintenance faible, permettant de réduire la pollution globale générée par le traitement des cendres et permettant la revalorisation des éléments obtenus riches en métaux lourds dans une filière métallurgique secondaire. Pour ce faire, l'invention propose que préalablement à la vitrification, on extrait une partie au moins des sels minéraux contenus dans lesdits résidus. Le volume de vitrifiat est ainsi diminué d'une dizaine à quelques dizaines de pourcents. En outre, le volume de polluants gazeux et donc la quantité de produits de traitement de ces polluants, ainsi que la production de cendres résiduelles est réduit de manière encore plus sensible. De plus, la longévité du dispositif ainsi que son coût de maintenance sont améliorés dans des proportions encore plus favorables, puisqu'une quantité importante de produits agressifs pour le dispositif et en particulier pour le four est supprimée par le traitement en amont des sels. Enfin, le traitement amont des sels permet d'obtenir après vitrification, des cendres résiduelles riches en métaux lourds. Ces dernières de par leur composition peuvent être valorisées dans l'industrie métallurgique. Cette phase de prétraitement a donc notamment pour vocation d'obtenir une proportion plus élevée de métaux lourds et donc plus facile à traiter. Avantageusement, pour extraire les sels minéraux, on humidifie les résidus avec un liquide dissolvant, puis on sépare une solution contenant les sels minéraux issue de l'humidification et les éléments non-dissous. Ce procédé permet de traiter en continu une quantité importante de déchets pour un coût relativement modeste. Selon une caractéristique avantageuse, l'invention propose que le liquide dissolvant contienne de l'eau oxygénée. L'eau oxygénée a le pouvoir de modifier le potentiel d'oxydoréduction du liquide dissolvant et par conséquent la mise en suspension des ions métalliques. Il est ainsi possible de retirer les sels minéraux avant vitrification. Ces sels minéraux sont essentiellement des chlorures de métalloïde (sodium, calcium, manganèse et potassium). Concernant les définitions des différents termes, tels notamment que métaux légers ou métaux lourds, on pourra se reporter à la loi française du 13 juillet 1992 et l'arrêté du 18 décembre 1992. Selon une autre caractéristique avantageuse, l'invention propose que le liquide dissolvant contienne de l'acide. En présence d'eau, les cendres oxydées se retrouvent sous forme d'hydroxydes insolubles, générant ainsi un pH basique. L'addition d'acide permet de dissoudre dans l'eau une grande partie des éléments alcalins et alcalino-terreux, tels que le calcium, le sodium, le potassium et le manganèse. Selon encore une autre caractéristique avantageuse, l'invention propose que le liquide dissolvant contienne du sulfure de sodium. Le sulfure de sodium favorise la précipitation des métaux lourds, sous forme de sulfures métalliques qui sont insolubles. Autrement dit, il améliore la séparation entre sels minéraux et métaux lourds, qu'il est avantageux d'un point de vue pollution de traiter différemment. Une solution particulièrement avantageuse proposée par l'invention pour séparer les sels minéraux et les métaux lourds consiste en ce que pour constituer le liquide dissolvant, on ajoute à l'eau : - un additif modifiant le potentiel d'oxydoréduction, - un acide pour modifier le pH, - un adjuvant ayant la propriété d'engendrer la précipitation des métaux lourds. Ces trois actions combinées ont des actions complémentaires permettant d'obtenir un taux de séparation particulièrement satisfaisant pour l'ensemble des métaux lourds. Afin d'améliorer encore l'efficacité du fluide dissolvant, l'invention propose que pour humidifier les résidus, on les plonge dans un bain de liquide dissolvant par soufflage pneumatique. Le fait de plonger les cendres dans une quantité importante de liquide associé avec un soufflage pneumatique pour répartir les cendres à l'intérieur du bain améliore la dissolution des sels. En outre, pour traiter les fumées produites par la vitrification des cendres, l'invention propose de les faire passer successivement dans un brouillard formé de gouttelettes pulvérisées, puis dans un filtre. Les fumées sont ainsi rapidement refroidies et les particules contenues dans les fumées sont condensées en passant à travers ledit brouillard. Puis, le filtre récupère les particules ainsi condensées. Ces deux actions sont ainsi complémentaires, le brouillard de gouttelettes améliorant grandement l'efficacité du filtre. De plus, afin de réduire encore le volume de vitrifiat, l'invention propose que dans un four de vitrification, on brûle les résidus avec un brûleur alimenté par un mélange de gaz naturel et d'oxygène. L'utilisation d'oxygène permet d'obtenir des températures de traitement très élevées (supérieures à 1 600 C), ce qui favorise la vaporisation/sublimation des métaux lourds dans les fumées et permet la fusion des éléments inertes. Elle permet également de générer de faibles volumes de fumées et ainsi de réduire la taille de l'installation et donc son coût. Elle permet en outre de diminuer sensiblement la formation d'oxydes d'azote thermiques. L'utilisation du gaz naturel permet quant à lui de limiter la génération de polluants tels que des composants soufrés, il est plus facile d'utilisation dans la mesure où il ne nécessite ni stockage ni manutention, enfin le gaz naturel se mélange plus facilement à l'oxygène que le fioul lourd, ce qui augmente les cinétiques de combustion. L'invention va apparaître encore plus clairement dans la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé illustrant de manière schématique un procédé de traitement conforme à l'invention. Le procédé illustré à la figure 1 illustre un dispositif 1 mettant en oeuvre un procédé comprenant essentiellement 3 parties : la partie repérée 1 concerne le traitement physico-chimique, la partie repérée II concerne la vitrification et la partie repérée III concerne le traitement des fumées. Dans la partie 1 de traitement physico-chimique, des cendres sèches, issues de l'épuration des fumées d'incinération d'ordures ménagères ou de déchets industriels, sont stockées dans un conteneur 2. Elles peuvent être amenées dans le conteneur 2 par exemple par transport pneumatique depuis des silos de stockage distants, ou par dépotage pneumatique d'un camion citerne. Les cendres sèches sont transportées pneumatiquement dans un conduit 6, par un flux d'air généré par un ventilateur 4. Le conduit 6 est calorifugé afin de laisser les cendres à l'abri de l'humidité. Le conduit 6 débouche sur un bain de réaction 8, où l'on met les cendres en solution afin de séparer les éléments solubles tels que les sels forts, les métaux lourds et les autres éléments inertes. Un liquide dissolvant 10 est injecté dans le bain de réaction parallèlement à l'introduction de cendres sèches, mais avec un débit massique nettement supérieur, le rapport pouvant atteindre 10 à 20. Le liquide dissolvant 10 est composé d'un additif modifiant le potentiel d'oxydoréduction, avantageusement de l'eau oxygénée, d'un acide pour modifier le pH, avantageusement de l'acide chlorhydrique et d'un adjuvant ayant la propriété d'engendrer la précipitation des métaux lourds, avantageusement du sulfure de sodium. Chacun de ces composés est dosé pour représenter entre un dixième et quelques pourcents dans le liquide dissolvant 10. On introduit les cendres sèches dans le bain de réaction 8 en procédant à un soufflage pneumatique sur les cendres. Un soufflage pneumatique 9 et une agitation mécanique 11 sont maintenus dans le bain de réaction 8 afin d'obtenir une bonne homogénéité et une dispersion satisfaisante des cendres. On obtient alors une dissolution notable des sels minéraux contenus dans les cendres. En revanche, les éléments inertes tels que la silice et l'alumine, ainsi que les métaux lourds tels que le zinc, le plomb, le cadmium, le cuivre, le nickel et le chrome, ne se dissolvent pas et précipiteraient au fond du bac 8 si l'agitation mécanique n'était pas maintenue. On ajoute également dans ce bain de réaction 8 un agent fondant tel qu'un calcin. L'agent fondant pourrait être ajouté en aval dans la mesure où son action se limite à optimiser la vitrification et l'évaporation des métaux lourds dans les fumées. Toutefois, en l'introduisant dans le bain 8, on réduit le coût du dispositif en évitant une étape ultérieure destinée à mélanger uniformément l'agent fondant. Le mélange de sels dissous et de corps précipités (métaux lourds et éléments inertes) obtenu dans le bac de réaction 8 est pompé vers un filtre presse 12. Les sels dissous sont séparés des éléments non-dissous précipités par filtration dans le filtre presse 12. Les sels dissous et l'essentiel du liquide dissolvant est récupéré, tel qu'indiqué par la flèche 14, pour être traités séparément conformément à la législation. Un lavage intermittent du filtre 12 permet d'augmenter sa capacité de filtration. Après passage dans le filtre presse 12, les déchets se retrouvent sous une forme dite de "gâteau humide" 16, autrement dit pâteuse, facilitant leur manutention. Dans la partie II de vitrification, on amène le gâteau humide 16 par l'intermédiaire d'une vis de transport 18 vers une vis de mise en émulsion 20. Cette vis de mise en émulsion 20 spécifique permet à un flux continu de gâteau humide sorti du filtre presse 12 de se transformer en une mousse homogène. L'émulsion est obtenue en introduisant dans la vis de mise en émulsion 20, un mélange 22 comprenant de l'air comprimé, de l'eau et un additif tensio-actif (agent moussant) pour obtenir à la sortie de la vis de mise en émulsion 20 un mélange triphasique (solide, liquide, gazeux). L'agent moussant ne pose pas de problème de traitement dans la mesure où il est composé de molécules organiques aisément détruites à haute température. Si l'agent fondant n'a pas été introduit avec le liquide dissolvant 10, il est possible de l'introduire à cette étape avec le mélange 22. De préférence, avant introduction dans la vis de mise en émulsion 20, on fait foisonner de l'eau additivé d'un agent moussant avec de l'air pour générer une mousse acqueuse que l'on incorpore ensuite aux déchets dans la vis de mise en émulsion 20. Ladite vis 20 met en émulsion le gâteau de déchets, tout en le transférant vers le four 26. La mise en émulsion facilite le transport des déchets et leur introduction dans le four 26, elle favorise la dispersion des particules lors de leur injection dans le four et elle limite la quantité de produit s'échappant avec les fumées avant d'avoir été brûlé. Les déchets sont ensuite introduits sous forme de mousse dans le four 26 sous l'action d'une pompe à membrane 24. Le four comprend un brûleur vertical oxy-gaz 28, également dénommé canne oxy-gaz, comprenant un injecteur alimenté en oxygène 30 et en gaz naturel 32. La mousse chargée des déchets éclate au sein de la flamme du brûleur sous l'action du jet généré par son injecteur. Les déchets étant largement dispersés grâce à la mousse, ils se trouvent très rapidement élevés en température. La partie d'imbrûlés contenue dans les déchets se trouve consumée sous l'action de la flamme du brûleur. Tel qu'indiqué par la flèche 36, le vitrifiat constitué de résidus inertes, tels que de la silice, de l'aluminium et des reliquats de sels minéraux tels que du calcium, du sodium, du potassium et du manganèse est extrait en partie inférieure du four 26, puis refroidit à l'air dans un refroidisseur à godets puis par trempe à l'eau 34. Compte tenu du traitement physico-chimique, la quantité de vitrifiat produit est sensiblement réduite. Dans la partie III de traitement des fumées, de l'air ambiant et de l'eau pulvérisée 38 sont introduits dans un conduit 40 par lequel sont extraites les fumées de combustion, ce qui permet de refroidir la température des fumées de plus 1 600 C à environ 300 C. Les fumées sont ensuite introduites dans un réacteur semi-humide 42 dans lequel est pulvérisé un lait de chaux 44 pour former un brouillard 46 constitué de fines gouttelettes. Ce lait de chaux est constitué à partir d'eau, de chaux éteinte et de charbon actif. La chaux neutralise les constituants acides des fumés, tels que le dioxyde de soufre et l'acide chlorhydrique. Le charbon actif permet de capter des particules telles les dioxines et les furanes présentes en faible quantité ainsi que des métaux lourds gazeux tels que le mercure. Le débit de lait de chaux 44 réduit la température des fumées en se vaporisant. Il est ajusté pour que les fumées 48 sortant du réacteur semi-humide 46 soient à une température comprise entre 180 C et 220 C. Cette température est suffisamment élevée pour permettre aux fumées 48 de rester sèches et éviter toute condensation. Elle est suffisamment basse pour ne pas endommager le filtre à manche 50 dans lequel elles sont ensuite introduites. Les poussières et les métaux lourds condensés sous forme de cendres résiduelles se déposent sur le filtre à manches 50. Après fixation d'une couche de poussière sur les manches, la chaux et le charbon actif agissent sur les fumées passant à travers les manches afin de réduire encore les émissions de gaz nocifs tels que le dioxyde de soufre et les chlorures sous forme gazeuse. Compte tenu des traitements auquel il est procédé antérieurement, les cendres résiduelles déposées sur le filtre 50 contiennent une forte proportion de métaux lourds, ce qui augmente leur valeur et facilite leur retraitement. Un ventilateur d'extraction 52 situé en aval du filtre à manches 50 favorise la circulation des fumées dans l'ensemble de la partie III de traitement des fumées depuis leur extraction du four 26 jusqu'à leur rejet dans l'atmosphère par une cheminée 54. Revendications 1. Procédé de traitement de résidus de combustion (2), notamment des déchets constitués de résidus solides, pouvant se présenter notamment sous forme de cendres sèches, de mâchefers broyés ou de déchets acqueux, dans lequel lesdits résidus sont amenés dans un four (26) pour y être vitrifiés, caractérisé en ce que préalablement à la vitrification, on extrait (8, 10, 12,14) une partie au moins des sels minéraux contenus dans lesdits résidus. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour extraire les sels minéraux, on humidifie les résidus avec un liquide dissolvant (10), puis on sépare une solution (14) contenant les sels minéraux issue de l'humidification et les éléments non-dissous (16). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide dissolvant (10) contient de l'eau oxygénée. 4. Procédé selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le liquide (10) dissolvant contient de l'acide. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le liquide dissolvant (10) contient du sulfure de sodium. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que pour constituer le liquide dissolvant (10), on ajoute à l'eau : - un additif modifiant le potentiel d'oxydoréduction, - un acide pour modifier le pH, - un adjuvant ayant la propriété d'engendrer la précipitation des métaux lourds. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que pour humidifier les résidus, on les plonge dans un bain (8) de liquide dissolvant par soufflage pneumatique (9). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que après vitrification, on traite les fumées issues en les faisant passer successivement dans un brouillard (44) formé de gouttelettes pulvérisées, puis dans un filtre (50). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que dans le four de vitrification (26), on brûle les résidus avec un brûleur (28) alimenté par un mélange d'oxygène (30) et de gaz naturel (32).