Brevet FR2823555A1 — publié le 20021018

- 1 - 2823555 " Système et procédé d'incinération de matières organiques, notamment de farines et graisses d'origine animale" La présente invention concerne un système d'incinération de matières organiques, notamment de farines et graisses d'origine animale. El le vise ég alement un procédé d'inci nération mis en _uvre dans ce système. L'élimination des matières organiques issues notamment de la production animale et de l'industrie agroalimentaire constitue un problème majeur pour les entreprises et les collectivités. Il s'agit en effet de garantir que la totalité des structures pathogènes éventuellement contenues dans ces matières organiques soit détruite pour des raisons évidentes de santé publique. Il existe déjà des techniques d'incinération de matières organiques mais la plupart des procédés actuels présentent l'inconvénient de rejeter dans l'environnement des composés à forte toxicité tels que de la dioxine ou des furannes. En outre, ces procédés d'incinération sont fortement consommateurs d'énergie et présentent un impact négatif sur l'environnement. Le document JP11304117A2 divulgue effectivement un système d'incinération de cadavres d'animaux sans génération de dioxine, comprenant une chambre de combustion primaire équipée d'un brûleur, une chambre de combustion secondaire disposée au dessus de la chambre de combustion primaire, un stabilisateur pour accumuler de la chaleur en vue de générer une chaleur de rayonnement et un vortex d'air à haute température, et un brûleur à suppression de fumoe pour chauffer avec des flammes à haute température l'espace intérieur de la chambre de combustion secondaire qui est dans la continuité de la chambre de combustion primaire et du stabilisateur. La chambre de combustion 3 0 secondaire supprime la génération de dioxine en brûlant complètement les gaz non brûlés en sortie de la chambre de combustion primaire. Un tel - 2 système présente cependant l'inconvénient de nocessiter une alimentation conséquente en combustible pour les deux brûleurs. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un système d'incinération de matières organiques qui à la fois garantisse la destruction complète de tous les composés organiques, notamment les protéines et virus, tout en s'inscrivant dans un processus respectueux de l'environnement et économe en énergie. Cet objectif est atteint avec un système incinérateur comprenant: - un four à combustible solide comprenant une grille recevant un combustible solide et des moyens pour injecter de 1'oxygène, - une colonne de thermolyse/pyrolyse comprenant des grilles inclinces vers le four, des moyens pour amener du combustible solide au niveau du four et des moyens pour amener des matières organiques à incinérer au dessus desdites grilles inclinces, 1S - une chambre d'homogénéisation des gaz brolés et vapeurs organiques issus de la colonne de thermolyse/pyrolyse, - une chambre de combustion suivie d'une chambre de post-combustion, - des moyens d'échange thermique pour récupérer l'énergie des gaz d'échappement issus de la chambre de post-combustion, et - des moyens pour extraire des gaz de combustion en sortie des moyens d'échange thermique. Le combustible solide est avantageusement constitué par de la biomasse végétale ligno-fibro-cellulosique densifiée. Ce combustible est notamment distribué sous la dénomination [Bio-D] et est décrit dans le 2 5 document FR2790403. Dans un mode de réalisation préféré, les moyens d'injection d'oxygène comprennent des moyens d'injection primaire d'oxygène sous la grille du four, et des moyens d'injection secondaire d'oxygène au c_ur d'un lit de braises réalisé au dessus de la grille du four par du combustible solide en combustion. - 3 - Le système in ci nérateur selon l' invention comprend en o utre de préférence des moyens pour contrôler l'alimentation en combustible solide de fason à éviter toute entrce d'air parasite dans le four, des moyens pour contrôler l'atmosphère au sein de la colonne de thermolyse/pyrolyse de façon à être sans oxygène résiduel, des moyens pour contrôler la vitesse des gaz et/ou leur température pour permettre l'acquisition thermique requise pour la vaporisation des matières organiques gazéifiables, des moyens pour contrôler l'alimentation en matières organiques de façon à éviter toute entrée parasite d'air. Dans un mode préTéré de réalisation d'un système incinérateur selon l'invention, la chambre de combustion est cylindrique et comporte un fond parabolique ouvert sur la tuyère de gaz, de diamètre inférieur à celui de ladite chambre de combustion, et pourvu d'un cône central dirigé vers ladite tuyère. La chambre de post-combustion est également cylindrique et comporte dans son axe un tube pour supporter le fond parabolique de la chambre de combustion. Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé pour incinérer des matières organiques, caractérisé en ce qu'il comprend: - une production d'énergie thermique requise pour une thermolyse et une rébuction pyrolytique des matières organiques au sein d'une colonne de thermolyse/pyrolyse, par combustion d'un combustible solide sous oxygène, - une volatilisation des composants gazéifiables desdites matières organiques le long de la colonne de thermolyse/pyrolyse, - une combustion des composés organiques non gazéifiés sur un lit de braises issu de la combustion du combustible solide, - une homogénéisation des gaz de pyrolyse et de combustion du combustible solide dans une chambre de mélange, - une injection d'oxygène dans lesdits gaz de pyrolyse et de combustion pour permettre leur auto-inflammation, - 4 - 2823555 - une injection d'un mélange gazeux enflammé dans une chambre de combustion, - une détente des gaz brûlés dans une chambre de postcombustion contrôlée, et - une récupération de l'énergie thermique en sortie des gaz brûlés. Dans le cadre d'une opération écologique complète, les éléments issus du système incinérateur selon l'invention sont concentrables et récupérables. L'élimination des farines animales s'effectue donc sans aucun rejet, les cendres étant elle-mêmes exploitables. Le gaz carbonique CO2 est un produit consommé industriellement et sa valorisation est donc envisageable. La cogénération d'énergie assure la rentabilité du procédé d'incinération selon l'invention en fournissant la chaleur nécessaire à l'élaboration des préparations et de l'électricité qui peut être commercialisée. Dans le cas o l'incinération des matières organiques est effectuce directement sur le site de production de ces matières, par exemple sur un site d'équarrissage, I'énergie produite par cogénération peut alors être directement consommoe sur ce site. 2 0 Le système d'incinération selon l'invention présente l'avantage majeur d'utiliser un combustible solide et renouvelable, uniquement composé de carbone, en énergie de base, pour la réduction et l'incinération des matières organiques. Ce combustible est particulièrement adapté à la combustion sous oxygène, ce qui permet une 2 5 ignition du combustible solide en hyper-oxydation pour un contrôle drastique de la combustion et de la température, et une pyrolyse/thermolyse, dans la colonne de gazaification, sous contrôle d'absence d'oxygène résiduel. L'utilisation de l'oxygène comme comburant permet de rationaliser 3 0 le contrôle et le réglage des étapes du procédé d'incinération selon l'invention. Par ailleurs; la mise en _uvre de ce procédé permet une - 5 - 2823555 importante production d'énergie thermique et une cogénération d'énergie renforcée par la régularité de l'énergie thermique produite. En outre, avec le procédé d'incinération selon l' invention, il est impossible de provoquer le formation de dioxines, furannes et autres molécules composées, polluantes en l'absence d'éléments y contribuant. Le système d'incinération selon l'invention peut étre utilisé ponctuellement ou en continu. Un autre avantage du système d'incinération selon l'invention est qu'il concentre l'ensemble des opérations de thermolyse/pyrolyse, d'incinération, de combustion gazeuse et de récupération d'énergie. L'utilisation d'oxygène comme comburant permet cette concentration en limitant les volumes intérieurs du système. On obtient ainsi un encombrement réduit pour une plus grande capacité d'exploitation par rapport aux procédés actuels d'incinération. Par ailleurs, la concentration du dioxyde de carbone par cryogénisation contribue à la suppression des rejets de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. L'investissement de l'unité de cryogénisation peut être amorti par la production d'oxygène sur le lieu de consommation et par la valorisation industrielle du dioxyde de carbone liquide. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention appara^'tront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en _uvre nullement limitatif, et des dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique d'un système d'incinération selon l'invention, et 2 5 - la figure 2 illustre les phases essentielles du procédé d'incinération selon l'invention. On va maintenant décrire, en référence à la figure 1, un exemple de réalisation d'un système d'incinération selon l'invention. Le système d'incinération S selon l'invention comprend: - un four 1 à combustible solide à flux ascendant comprenant une grille recevant un combustible solide et des injecteurs d'oxygène 1 1, - 6- 2823555 - une colonne de thermolyse/pyrolyse 2, - une chambre 3 d'homogénéisation des gaz brûlés et vapeurs organiques, terminée par une toyère 30 proportionnée aux débits requis, - une chambre de combustion cylindrique 4 ayant un fond parabolique 30 ouvert sur la tuyère de gaz 31 et comportant en opposition un parabole 40, d'un diamètre inférieur au cylindre, avec un cône central 41, - une chambre de post-combustion cylindrique 5, détendue, comportant dans son axe un tube support 50 du parabole 40, - un échangeur thermique 6 récupérant l'énergie des gaz d'échappement, relié à une unité de cogénération d'énergie 9, - un extracteur des gaz de combustion 7, le système fonctionnant en dépression. Le four 1 comporte dans sa partie inférieure la grille 10 sous laquelle est disposé un cendrier 13, et au dessus de sa partie supérieure, une goulolte 25 d'alimentation en combustible. L'injection d'oxygène est effectuée en primaire sous la grille, et en secondaire au c_ur du lit de braises. On obtient ainsi un magma très réactif, aisément contrôlable. Le four 1 est réalisé en acier spécial pour permettre l'obtention de très hautes températures supérieures ou égales à 1600 C. Sous la grille 10, le cendrier 13, étanche à l'air, resoit les résidus non combustibles C, des cendres composoes pour l'essentiel des minéraux non combustibles contenus dans les matières organique, et des minéraux contenus dans le combustible solide pour moins de 1% en quantité. Les parois du four 1, sa grille 10 et les parois du cendrier 13 sont refroidies hydrauliquement. La goulotte 25 d'alimentation en combustible, étanche à l'air, est disposée au dessus du four 1, avec une alimentation en continu contrôlée de facon à éviter toute entrée d'air parasite. La colonne de thermolyse/pyrolyse 2 comprend: - 7 - 2823555 - un parallélépipède 26 de hauteur adaptée à l'acquisition thermique souhaitée, - des grilles tubulaires 21, 22, 23 inclinées vers le four et composées de tubes perforés, - une amenée 25 de biomasse densifiée, au niveau du four, - une amenée 24 de matières organiques à incinérer au dessus des grilles. Dans cette colonne 2, I'atmosphère est contrôlée de façon à être sans oxygène résiduel. La vitesse des gaz de combustion et leur température sont contrôlées pour permettre l'acquisition thermique requise pour la vaporisation des matières organiques gazéifiables. Une fraction du combustible solide est injectée 26 dans l'écoulement des matières organiques à incinérer, ce qui facilite leur écoulement et le décolmatage permanent des grilles de la colonne 2. La chambre d'homogénélsation 3 est configurée de façon à diriger les gaz issus de la colonne de thermolyse/pyrolyse vers la chambre de combustion 4, à travers la tuyère 30 au niveau de laquelle est disposé un injecteur d'oxygène 31. Dans la chambre de combustion 4, de forme cylindrique, le cylindre 2 0 de gaz enflammés issu de la tuyère 31 est fractionné du fait de la disposition du cône 41 et les flammes sont mises en turbulence par la présence du parabole 40, les gaz brûlés étant alors évacués à travers le passage entre la périphérie du parabole et la paroi cylindrique de la chambre de combustion. Le tube support 50 du parabole 40 et du cône 41 est refroidi hydrauliquement. La chambre de post-combustion cylindrique 5 comporte à son extrémité de sortie des tobulures d'échappement des gaz brûlés, qui sont refroidies hydrauliquement. L'atmosphère de cette chambre est contrôlée en composition, température, pression et vitesse, de façon à ne pas avoir d'oxygène résiduel à la sortie des gaz d'échappement. Les parois de la - 8 - 2823555 chambre de post-combustion cylindrique 5 qui sont en contact avec le gaz en ignition sous oxygène sont réalisées en acier spécial. Les gaz d'échappement récupérés dans l'échangeur thermique 6 sont composés essentiellement de gaz carbonique CO2 et d'eau H2O, compte tenu de la composition des matières organiques et du combustible solide. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, le procédé d'incinération selon l'invention dont le principe est réduire au minimum, par effets thermiques, les composés organiques à éliminer, avec une forte proportion gazéifiable. Les étapes principales du procédé d'incinération selon l'invention comprennent: - une production (1) de 1'énergie thermique requise pour la thermolyse et la réduction pyrolitique (Il) des matières organiques, en brûlant du combustible solide sur une grille basse, sous oxygène, - une volatilisation (IV) des composants gazéifiables tout au long de la colonne de thermolyse/pyrolyse sans oxygène disponible, - un achèvement de la combustion (111) des composés organiques non gazéifiés sur un lit de braises, - une homogénaisation (V) des gaz de pyrolyse et de combustion du combustible solide dans une chambre de mélange, - une injection (Vl) d'oxygène dans lesdits gaz de pyrolyse et de combustion, à la sortie d'une tuyère, pour permettre leur auto inflammation, - une injection du mélange gazeux ainsi obtenu et une combustion (Vll) de ce mélange dans une chambre de combustion, en un cylindre de gaz enflammés, une détente (V111) des gaz brûlés dans une chambre de post combustion contrôlée, et - une récupération (IX) de l'énergie thermique en sortie des gaz brûlés. 3 0 En ce qui concerne la production de l'énergie thermique requise pour la thermolyse et la réduction pyrolytique, I'utilisation de l'oxygène 9 - 2823555 comme comburant permet des températures élevées garantes d'une pyrolyse efficace. On évite le refroidissement parasite dû à l'azote de l'air et le risque de production d'oxyde d'azote. De plus, la combustion sous oxygène est plus fiable, tant sur le plan de la régulation en température que pour l'obtention d'une combustion parfaitement st_chiométrique. Lo rs de l a vo lati l isation d es co m posants gazaifiabl es, I 'oxygèn e comburant est totalement consommé par le lit de braises M du combustible solide en ignition et les matières organiques combustibles qui ne sont pas gazéifiables. Ce contrôle de combustion n'est réalisable avec assurance que sous oxygène. Dans la phase de combustion du mélange gazeux dans la chambre de combustion 4, le cylindre de gaz enflammés est éclaté sur le cône 41 de la chambre de combustion. Refluées par le parabole 40 le long des parois extérieures de la chambre 4, les flammes provoquent des turbulences propices à la complète combustion du mélange. L'échappement des gaz brûlés s'effectue par l'espace périphérique du parabole 40. La détente des gaz brûlés sur l'arrière du parabole 40 dans la chambre de post-combustion contrôlée 5 est réalisée de façon à n'avoir 2 0 en sortie que du gaz carbonique CO2 et de l'eau H2O et de contrôler l'absence d'oxygène O2. La récupération de l'énergie thermique en sortie des gaz brûlés peut être réalisée avec des systèmes de récupération connus existants. Bien sûr, I'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent 2 5 d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Le système d'incinération selon l'invention peut ainsi être fabriqué avec n'importe quelle taille, et peut être installé en batterie. Ce système est intégrable à toute taille d'unité de traitement de matières organiques animales dans le respect de l'environnement et avec une garantie de destructions de tout élément nocif. - 10 2823555 REVENDICATIONS 1. Système (S) pour incinérer des matières organiques, caractérisé en ce qu'il comprend: - un four à combustible solide (1) comprenant une grille (10) recevant un combustible solide et des moyens pour injecter de l'oxygène, - une colonne de thermolyse/pyrolyse (2) comprenant des grilles (21, 22, 23) inclinées vers le four, des moyens (25) pour amener du combustible solide au niveau du four et des moyens (26) pour amener des matières organiques à incinérer au dessus desdites grilles inclinées, une chambre d'homogénélsation (3) des gaz brûlés et vapeurs organiques issus de la colonne de thermolyse/pyrolyse (2), - une chambre de combustion (4) suivie d'une chambre de post- combustion (5), - des moyens (6) d'échange thermique pour récupérer l'énergie des gaz d'échappement issus de la chambre de post-combustion (5) , et - des moyens (7) pour extraire des gaz de combustion en sortie des moyens d'échange thermique. 2. Système incinérateur (S) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le combustible solide est constituée par de la biomasse végétale ligno-fibro-cellulosique densifiée. 3. Système (S) selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'injection d'oxygène comprennent des moyens ( 12) d'injection primaire d'oxygène sous la grille du four. 4. Système (S) selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens d'injection d'oxygène comprennent en outre des moyens (1 1) d'injection secondaire d'oxygène au c_ur d'un lit de braises (M) réalisé au dessus de la grille (10) du four (1) par du combustible solide en combustion. 5. Système (S) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un cendrier (13) situé sous la grille (10) du four (l) pour recevoir des résidus non combustibles. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour refroidir hydrauliquement les parois et la grille du four. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler l'alimentation en combustible solide de fa$on à éviter toute entrée d'air parasite dans le four. 8. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles inclinées au sein de la colonne de thermolyse/pyrolyse sont composées de tubes perforés. 9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler I'atmosphère au sein de la colonne de thermolyse/pyrolyse de façon à être sans oxygène résiduel. 10. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler la 2 5 vitesse des gaz et/ou leur température pour permettre l'acquisition thermique requise pour la vaporisation des matières organiques gazéifiables. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 3 0 caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler - 1 2 - 2823555 I'alimentation en matières organiques de façon à éviter toute entrée parasite d'air. 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la chambre d'homogéncisation est terminée par une tuyère de gaz. 13. Système selon la revendication 12, caractérisé en ce que la chambre de combustion est cylindrique et comporte un fond parabolique ouvert sur la tuyère de gaz, de diamètre inférieur à celui de ladite chambre de combustion, et pourvu d'un cône central dirigé vers ladite tuyère. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que la chambre de post-combustion est cylindrique et comporte dans son axe un tube pour supporter le fond parabolique de la chambre de combustion. 15. Système selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour refroidir le tube de support. 2 0 1 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens pour contrôler l'atmosphère à l'intérieur de la chambre de post-combustion. 17. Procédé pour incinérer des matières organiques, caractérisé en ce qu'il comprend: - une production (I) d'énergie thermique requise pour une thermolyse et une réduction pyrolytique (Il) des matières organiques au sein d'une colonne de thermolyse/pyrolyse, par combustion d'un combustible solide sous oxygène, 3 0 - une volatilisation (IV) des composants gazéifiables desdites matières organiques le long de la colonne de thermolyse/pyrolyse, - 13 - 2823555 - une combustion (111) des composés organiques non gazéifiés sur un lit de braises issu de la combustion du combustible solide, - une homogénéisation (V) des gaz de pyrolyse et de combustion du combustible solide dans une chambre de mélange, - une injection (Vl) d'oxygène dans lesdits gaz de pyrolyse et de combustion pour permettre leur auto- inflammation, - une injection d'un mélange gazeux enflammé et une combustion (Vll) de ce mélange dans une chambre de combustion, - une détente (V111) des gaz brûlés dans une chambre de post-combustion contrôlée, et - une récupération (IX) de l'énergie thermique en sortie des gaz brûlés. 18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que 1'énergie thermique requise pour la thermolyse et la réduction pyrolytique des matières organiques est produite en brûlant de la biomasse végétale ligno-fibro-cellulosique densifiée. 19. Procédé selon l'une des revendications 17 ou 18, caractérisé en ce que le mélange gazeux est injecté dans la chambre de combustion sous la forme d'un cylindre de gaz enflammés qui est éclaté sur un cône. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que des flammes résultant de l'éclatement du cylindre de gaz enflammés sont relluses par un parabole située à la base du cône. 21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que l'échappement des gaz brûlés est effectué par un espace périphérique du parabole.