Brevet FR2858570A1 — publié le 20050211

L'invention a trait au traitement des déchets organiques, qu'ils soient d'origine industrielle, agricole ou ménagère. Elle concerne leur transformation par thermolyse, plus particulièrement par thermolyse procédant dans une installation munie d'un four fixe ou tournant. Les opérations d'élimination des déchets s'inscrivent dans une perspective à la fois de valorisation et de préservation de l'environnement. Comme méthode d'élimination des déchets, la thermolyse est une 10 alternative à l'incinération, sur laquelle elle présente beaucoup d'avantages (pas d'émission de dioxines, pas de production de cendres contaminées, grande souplesse de fonctionnement). Un bon exposé de la question figure dans le 'Rapport sur les nouvelles technologies de valorisation 15 des déchets ménagers et des déchets industriels banals', Office parlementaire d'évaluation des choix scientifiques et technologiques, Assemblée nationale n 1693 / Sénat, n 415, G. Miquel et S. Poignant (IIe partie: les modes de traitement, III la thermolyse), ainsi que dans G. Poulleau, 'Les déchets ménagers', édition Air Eau Conseil, 2001. La thermolyse consiste en une décomposition chimique par chauffage en l'absence d'air de la matière organique, quelle que soit sa forme, liquide, pâteuse ou solide. Elle 25 est réalisée, en continu ou en discontinu, en portant la matière organique à une température de 400 à 700 C, voire jusqu'à 1100 C lorsqu'il s'agit de traiter des déchets à risques et à l'abri de l'air, dans une enceinte fixe ou tournante. (Le terme 'déchets à risques' s'entendant au 30 sens que lui a donné le législateur, parties des bovins notamment les parties susceptibles de contenir les prions, agents de propagation de 1'ESB). La fabrication du charbon de bois, à propos de laquelle on parle plutôt de pyrolyse, est une thermolyse. La pyrolyse a été appliquée de longue date déjà à la valorisation des ordures ménagères (DE 29040324, Berghoff). Quel qu'en soit le mode de réalisation, la thermolyse transforme les substances organiques en produits diversement valorisables: - des gaz, brûlés sur le site de production, par exemple comme source thermique pour la thermolyse ellemême; - de condensats dont la fraction huileuse est 10 exportable comme combustible; - de résidus solides comprenant d'une part un semicoke, exportable comme combustible après retraitement, et une fraction minérale qui selon la nature et les caractéristiques de la matière organique traitée peut faire 5 l'objet d'une valorisation ou d'une élimination conformément à la législation en vigueur. Le chauffage de la masse à thermolyser est obtenu par divers moyens, entre autres par l'action directe d'une flamme radiante à l'intérieur de l'enceinte, par 20 circulation de fumées ou de gaz de combustion à travers la masse de déchets à thermolyser, par contact avec des tubulures internes, par chauffage externe de l'enceinte. On trouve de nombreuses descriptions d'installations de thermolyse, par exemple FR 2654112 (CGS), FR 2725643 25 (Traidec). Le chauffage direct de la matière avec un gaz de combustion à haute température est une technique qui présente des inconvénients majeurs. Les gaz de combustion généralement produits avec le gaz de thermolyse contiennent 30 beaucoup d'oxygène. En effet, produire une flamme dans une enceinte où l'on souhaite thermolyser des déchets nécessite que la quantité d'air dans la flamme soit augmentée, afin justement de préserver cette flamme et sa température qui chute inexorablement en milieu réducteur. Dans ces conditions il est courant de constater des excès d'air de 100 à 200%, moyennant quoi l'excès d'air et en particulier l'oxygène de cet air va se combiner à des molécules chlorées (par exemple) et produire des dioxines mais aussi 5 toutes sortes de combinaisons qui dénaturent les produits de la thermolyse. D'autres inconvénients doivent être signalés, à savoir l'amoindrissement du PCI (pouvoir calorifique inférieur) du gaz sortant de l'enceinte de thermolyse, et 10 l'obligation de traiter les fumées non recyclées pour en éliminer notamment les imbrûlés consécutifs au brûlage d'un gaz contenant des fumées. Le chauffage externe de l'enceinte nécessite d'importantes surfaces d'échange thermique, implique un 5 temps de séjour relativement long des matières organiques dans l'enceinte; le rendement thermique est affecté de la perte de calories dans les fumées; la surchauffe des parois provoque plus ou moins rapidement leur encrassement interne, contre lequel luttent plus ou moins efficacement 20 des systèmes de décrassage catalytique ou mécanique lors d'arrêts obligatoires. Les tubulures chauffantes internes au four sont très sensibles à la dégradation par les ferrailles mal déchiquetées inévitablement apportées à un moment ou un 25 autre avec les déchets à traiter. Tous les modes de thermolyse de déchets ne permettent pas d'atteindre des températures supérieures à 700 C sauf à utiliser une flamme en contact direct qui apparente dans ce cas le procédé à une incinération. De ce fait, il n'est pas possible de 30 proposer des solutions satisfaisantes pour certains déchets tels que les déchets à risques d'abattoirs bovins, ou les déchets hospitaliers. La présente invention remédie à ces inconvénients avec un procédé qui consiste à chauffer les déchets à traiter thermiquement avec des billes d'acier préalablement surchauffées. Au sens de la présente invention, le terme 'déchets organiques' s'entend de différents corps solides, semipâteaux, pâteux contenant une certaine proportion de matières organiques. On en donne ci-après une liste non limitative: fraction putrescible de déchets ménagers, boues de stations d'épuration industrielles et urbaines, déchets agricoles, refus de compostage, matières organiques provenant de l'industrie 15 agroalimentaire (graisses, déchets d'abattoirs dont déchets à risques, farines animales, etc.), matières organiques non valorisables en provenance de l'industrie, pneumatiques usagés non rechapables déchiquetés, 20 déchets hospitaliers, d'une façon générale tous les déchets contenant des matières organiques qui, si l'on respecte la législation, ne peuvent plus faire l'objet d'un enfouissement en l'état ou d'une incinération. Il faut noter que la législation 25 actuelle n'accorde le droit à l'enfouissement de déchets industriels spéciaux que si leur carbone organique total es inférieur à 3 grammes par kilo; aussi mesure-t-on tout l'intérêt des procédés, tels celui de l'invention, qui permet d'éliminer en totalité le carbone organique dans des 30 déchets pauvres tels que le sable contaminé par des hydrocarbures ou des phénols. Cette définition s'étend également aux liquides organiques qui peuvent être distribués sur les billes de manière à les enrober, ou le cas échéant être mêlés préalablement à des supports organiques absorbants, par exemple déchets végétaux, sciures. Egalement au sens de la présente invention, traitement thermique' signifie tout traitement allant de 5 la simple réduction de la teneur en eau et en autres matières volatiles du déchet, en particulier le séchage du matériau, jusqu'à sa transformation chimique par pyrolyse avec libération de produits volatils condensables ou incondensables et formation d'un résidu solide carboné 10 (semi-coke). Avec ces définitions, l'invention consiste en un procédé pour le traitement thermique, en atmosphère dépourvue d'oxygène, de déchets organiques dans lequel les 15 déchets sont chauffés dans un four fixe ou rotatif, caractérisé en ce que le moyen de chauffage desdits déchets est constitué de billes d'acier préalablement surchauffées et qui cheminent dans le four en même temps que lesdits déchets avec lesquels elles sont intimement mêlées. Elle 20 consiste également en une installation pour le traitement thermique de déchets organiques comprenant au moins un four fixe ou rotatif dans lequel cheminent les déchets au cours de leur traitement, des moyens d'alimentation du four en déchets, des moyens de récupération des déchets traités, 25 des moyens de récupération des produits volatils issus de ce traitement, ainsi que des moyens de chauffage de la masse de déchets, caractérisé en ce que le moyen de chauffage de la masse des déchets est constitué par une masse de billes d'acier préalablement surchauffées, qui 30 cheminent dans le four avec les déchets à traiter, ainsi que des dispositifs pour l'alimentation du four en billes surchauffées, leur récupération à la sortie du four de traitement, pour la circulation de ces billes, ainsi qu'un four pour le chauffage des billes. De façon tout à fait caractéristique, la masse chauffante du procédé est constituée par une quantité importante de billes d'acier, le plus souvent des billes d'un diamètre de 20 mm, mais pouvant atteindre 50 mm. La 5 charge de la masse des billes et leur diamètre sont déterminés en fonction des puissances à mettre en oeuvre, du volume libre au sein de la masse chauffante; interviennent d'autres critères tels que leur manipulation ou leur manutention lors de la recirculation et notamment le 10 transit dans les barillets, et la préoccupation d'éviter des déformations dans l'enceinte de séchage ou thermolyse lors de la chute à l'entrée du dispositif. On trouvera dans l'exemple 1 des indications pour l'estimation de leur charge. Leur masse, volumique apparente importante par 15 rapport à la matière, à traiter est de l'ordre de 4000 kg/m3 à 4500 kg/m3. La surface développée de la masse chauffante est très importante en regard de son volume et garantit lors de son brassage avec la matière à traiter une diffusion uniformément répartie de la chaleur dans la masse 20 des déchets. Cette caractéristique est particulièrement appréciable lorsqu'il s'agit du traitement thermique des déchets à risques: des températures aussi élevées que 1100 C ne sont indispensables à la destruction totale de la matière protéique, et donc des prions, que dans des 25 installations déficientes quant à l'uniformité de la température de thermolyse. La mise en température du déchet est brutale et les gaz libérés restent au contact de la masse chauffante suffisamment longtemps pour que d'éventuelles vapeurs de 30 graisse, issues de certains types de déchet, subissent un craquage, ce qui permet de disposer d'un gaz de thermolyse avec un pouvoir calorifique optimisé et de limiter le cas échéant la production d'huile dans les condensats. La forme géométrique, la masse volumique et le brassage de la masse chauffante permettent de réaliser une désagrégation mécanique de la matière organique et un broyage en fin de parcours des résidus solides dans le cas 5 de la thermolyse ou des résidus secs dans le cas du séchage. Le chauffage des billes d'acier est réalisé dans un four (10) à gaz, à rayonnement électrique, à induction. Une valorisation énergétique optimisée, le site, la taille de 10 l'installation sont pris en compte simultanément pour déterminer le mode de chauffage des billes en acier. Dans le cas d'un chauffage au gaz, il s'agit le plus généralement du gaz de thermolyse prélevé sur la production pour un pourcentage variant entre 10 et 15% ce qui laisse 15 85% à 90% de gaz pour une valorisation énergétique extérieure; dans certaines circonstances, un combustible d'appoint peut être nécessaire (changement du régime, rehausse de la température thermolyse, préséchage, etc.) Le procédé étant simple et sécurisé dans sa mise en oeuvre et son fonctionnement en mode continu ou semicontinu, des installations de taille très modestes peuvent être mises en place sur les lieux-mêmes de production des déchets et permettre au producteur de déchets lui-même de 25 les détruire et d'en récupérer pour ses propres besoins l'énergie excédentaire sous forme d'eau chaude, de vapeur ou d'électricité. Les structures d'un groupe de thermolyse ou de séchage selon l'invention sont très voisines. Les différences 30 essentielles tiennent aux températures d'entrée et de sortie de la masse chauffante, - en thermolyse, 600 C à 1100 C à l'entrée, 500 C à 850 C en sortie, - en séchage, 500 C à 600 C à l'entrée, 120 à 140 C 35 en sortie, et par conséquent aux températures à laquelle sont portés les déchets, - en thermolyse, 400 C à 900 C, - en séchage, 120 à 140 C. En ce qui concerne le séchage, la température de sortie des déchets correspond à la température moyenne durant toute l'opération de séchage du fait d'une évaporation continue. La structure générale d'un tel groupe est schématisée sur la figure 1, avec: 1) Four (séchage, thermolyse) ; 2) Conduit d'admission billes chauffées à haute température; 3) Conduit d'admission déchets à sécher ou thermolyser; 4) Barillet ou sas de sortie billes refroidies ou ayant cédé l'énergie; 5) Vis sans fin; 6) Grille vibrante pour séparer les billes des matières sèches ou résidus sec de thermolyse; 7) Conduit de sortie du mélange de billes et de matières sèches ou de résidus sec de thermolyse; 8) Conduit de recirculation des billes en acier; 25 9) Billes en acier; 10) Four de chauffage des billes; 11) Barillet ou sas d'introduction des billes chauffées (pour éviter introduction d'air dans le cas d'un four à gaz) ; 12) Barillet ou sas d'introduction de la matière à traiter (séchage ou thermolyse) interdisant les entrées d'air; 13) Ventilateur d'extraction ou pompe à vide pour l'aspiration des gaz de thermolyse ou des buées de séchage et le maintien d'une faible dépression dans le four (thermolyse ou séchage) ; 14) Collecteur; gaz de thermolyse pour valorisation énergétique; buées pour condensation et extraction des incondensables devant être brûlés; 15) Trémie de récupération des matières sèches ou des résidus de thermolyse; 16) Vis de transfert; 17) Sas ou barillet d'évacuation des matières sèches ou 10 résidus de thermolyse; 18) Conduit d'évacuation; 19) Chauffage d'appoint pour compenser les déperditions du four ou apporter de l'énergie lors des phases démarrage; 20) Isolation de l'ensemble four, conduits, trémie etc. 21) Ensemble condensation sous dépression, récupération des condensables de thermolyse; condensation des buées afin d'en extraire les incondensables pour les brûler 20 dans une chaudière; 22) Dispositif de remontée de la masse chauffante (vis, tapis, etc.) ; M) sont des moteurs. Sur la figure 2, on a schématisé une installation selon l'invention constituant une unité spécifique de séchage. Les éléments suivants complètent la structure de la figure 1: 23) Trémie de stockage des déchets bruts; 30 24) Trémie de stockage des déchets secs; 25) Brûleur alimenté par un combustible principal (gaz fuel) et pouvant assurer conjointement le brûlage des incondensables; 26) Chaudière, eau chaude, vapeur; 27) Canalisation de transfert des gaz incondensables; 28) Canalisation d'amenée du combustible principale, gaz, fuel; 29) Echangeur assurant l'énergie nécessaire à la 5 condensation des buées et permettant avec l'énergie récupérée de produire de l'eau chaude; 30) Bassin de stockage des condensats en vue d'un traitement avant rejet en milieu naturel; La figure 3 représente une unité spécifique de thermolyse; on y lira les éléments suivants qui complètent ceux de la figure générale 1: 31) Trémie de stockage des résidus de thermolyse; 32) Bassin de lavage des résidus de thermolyse; 15 33) Conduit d'évacuation des boues décantées; 34) Tapis d'égouttage du semi-coke; 35) Bassin de stockage des égouttures; 36) Bassin de stockage de l'ensemble des effluents liquides, condensats, égouttures semi-cokes, eau 20 souillées du bassin de lavage et séparation des résidus de thermolyse. La figure 4 est le schéma d'une installation mixte susceptible d'accueillir des déchets d'humidité variable et 25 plus ou moins importante et qui comprend, en série, une unité de séchage et une unité de thermolyse. On y retrouvera les éléments indexés sur les figures précédentes autour du four de séchage (S) et du four de thermolyse (T). La masse chauffante pour le séchage y est constituée du 30 flux des billes encore à température élevée sortant du réacteur de thermolyse. Un élévateur (37) reprend les déchets séchés dans la trémie (24) de stockage des déchets secs issus du four de séchage et les amène au sas (12) d'introduction des déchets dans le four de thermolyse. l1 Le four où s'opère le traitement thermique des déchets est un four horizontal ou peu incliné. Lorsque la puissance à mettre en oeuvre est relativement modeste et que la masse à traiter ne dépasse guère les 500 kilogrammes/heure, le 5 four où s'opère le traitement thermique des déchets est de préférence un four fixe, dans lequel la masse billes + déchets avance grâce à une vis sans fin équipée de dispositifs de brassages (barres profilées par exemples). Pour des capacités importantes, le four est plutôt un four 10 tournant traditionnel équipé pour l'entrée des billes et déchets, d'un dispositif de pré-mélange(billes, déchet) et pour lequel les étanchéités des joints tournant sont renforcées afin de minimiser les entrées d'air. On prévoit généralement un chauffage d'appoint (19) pour assurer 15 diverses fonctions: préchauffage du four, maintien de la température de sortie des billes en acier, appoint pour changement de régime (débit matières, rehausse température thermolyse, séchage etc.) Les sas d'entrée contrôlent le débit des déchets et 20 des billes avec maintien de la dépression dans le four tout en interdisant les entrées d'air. Dans le cas de la thermolyse les résidus secs (thermolysés) sont admis dans la trémie (31) qui constitue une chambre de détente dans laquelle ils séjournent une 25 durée suffisante pour subir un pré-refroidissement avant leur remise en contact avec l'atmosphère. Cette trémie peut être équipée d'un dispositif de refroidissement. Pour certaines applications soumises à des variations de puissances et de débits, on peut prévoir une trémie de 30 stockage des billes chauffées en amont du barillet (11). Par ailleurs cette trémie peut être utilisée en réacteur de craquage ou cracking des gaz de thermolyse, par exemple dans le cas où le déchet est une graisse liquéfiée. (32) est l'équipement de traitement obligatoire des résidus de thermolyse, un noyage qui permet de séparer un combustible flottant, le semi-coke, les résidus solides, dont les métaux séparables par exemple par tri magnétique 5ou par courants de Foucault, et les polluants solides qui se retrouvent dans l'eau de noyage à diriger vers un traitement de dépollution. Les boues décantées en (33) seront traitées et conditionnées avant évacuation vers un centre d'enfouissement spécialisé ou vers une valorisation 10 éventuelle si le produit final est acceptable. Parmi les avantages non négligeables apportés par le procédé selon l'invention: l'auto nettoyage du four et le broyage automatique des résidus de thermolyse. Les exemples non limitatifs qui suivent illustrent l'invention. Exemple 1 Une installation de thermolyse en continu traitant 20 annuellement 800 tonnes (soit environ 100 kg à l'heure) de déchets ayant subi un séchage préalable afin de réduire leur teneur en eau à 5%, et titrant (composition moyenne) 70% de matières organiques, est agencé autour d'un réacteur tubulaire de 0,7 m de diamètre et de 7,2 m de longueur 25 totale. Les besoins énergétiques pour réaliser la thermolyse, déterminés par essais préalables, sont (hors pertes thermiques) de 50 kWh pour 100 kg de déchets. La température moyenne de thermolyse est fixée à 600 C. La masse chauffante est constituée de billes d'acier de 20 mm de diamètre, dont la masse est estimée comme suit. Avec une chaleur spécifique moyenne de l'acier de 0,174 Wh/kg/ C, la masse chauffante cédant sa chaleur de 700 C à 500 C est 50.000 / (0,174 X 200) = 1437 kg, c'està-dire 44.000 billes de diamètre 20 mm (32,65 g par bille). L'installation produit du gaz à raison d'environ 70 kg par heure, valorisable pour environ 600 kWh, et 25 kg de résidus solides. Exemple 2 La même installation permet le traitement de déchets de boucherie. Elle garantit une thermolyse dans toute la 10 masse à une température de 700 C, pouvant être portée à 900 C s'il s'agit de déchets à risques, température à laquelle toutes les protéines, y compris les éventuels prions sont détruits. La possibilité de traitement direct des déchets de 15 boucherie épargne une étape de transformation de la matière en farines animales. Le procédé de traitement de déchets selon l'invention est une application particulière d'un principe de 20 traitement thermique plus général, celui d'un procédé pour soumettre un matériau divisé, solide ou pâteux, à un traitement thermique (chauffage ou refroidissement) en vue d'en modifier son état physique ou sa composition chimique, caractérisé en ce que l'on fait cheminer dans une enceinte, 25 à co-courant, le matériau à traiter et une masse de billes d'acier préalablement portées à une température telle qu'à la sortie de l'enceinte, le matériau traité et la masse de billes se trouvent à la température choisie comme température de traitement thermique. 30 REVENDICATIONS COMPLETEES 1. Procédé pour le traitement thermique en atmosphère dépourvue d'oxygène de déchets organiques dans lequel les déchets sont chauffés dans un four fixe ou rotatif (1), caractérisé en ce que le moyen de chauffage desdits déchets est constitué de billes d'acier préalablement surchauffées et qui cheminent dans le four (1) en même temps que lesdits déchets avec lesquels elles sont intimement mêlées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique est une thermolyse et que les billes d'acier qui constituent le moyen de cette thermolyse entrent dans le four à des températures comprises entre 600 C et 1100 C et sortent du four à des températures comprises entre 500 C et 850 C. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement thermique est un séchage des déchets et que les billes d'acier qui constituent le moyen de ce séchage entrent dans le four à des températures comprises entre 500 C et 600 C et sortent du four à des températures comprises entre 120 C et 140 C. 4. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le surchauffage des billes est réalisé dans un four (10) à gaz. 5. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le surchauffage des billes est réalisé dans un four (10) à induction. 6. Procédé selon l'une ou l'autre des revendications 1.3 caractérisé en ce que le surchauffage des billes est réalisé par rayonnement dans un four (10) électrique. 7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la masse chauffante est constituée de billes d'acier dont le diamètre est de 20 mm à 50 mm. 8. Installation pour le traitement thermique en atmosphère dépourvue d'oxygène de déchets organiques, comprenant au moins un four fixe ou rotatif dans lequel cheminent les déchets au cours de leur traitement, des moyens d'alimentation du four en déchets, des moyens de récupération des produits volatils issus de ce traitement, des moyens de récupération résidus solides du traitement ainsi que des moyens de chauffage de la masse de déchets, caractérisée en ce que le moyen de chauffage de la masse des déchets est constitué par une masse de billes d'acier (9) préalablement surchauffées, qui cheminent dans le four (1) avec les déchets à traiter, ainsi que des dispositifs pour l'alimentation du four en billes surchauffées, leur récupération à la sortie du four, pour la circulation de ces billes, et que l'installation comprend un four (10) pour le chauffage des billes. 9. Installation pour le traitement thermique de déchets organiques selon la revendication 8, caractérisée en ce que le traitement thermique est un séchage, que son moyen de chauffage est constitué par une masse de billes d'acier entrant dans le four à une température comprise à des températures de 500 C à 600 C et sortant du four à des températures de 120 C à 140 C. 10. Installation pour le traitement thermique de déchets organiques selon la revendication 8, caractérisée en ce que le traitement thermique est une thermolyse, que son moyen de chauffage est constitué par une masse de billes d'acier entrant dans le four à une température comprise à des températures de 600 à 1100 C et sortant du four à des températures de 500 à 850 C. 11. Installation pour le traitement thermique de déchets organiques selon la revendication 8, caractérisée en ce que le traitement thermique comprend le séchage des déchets suivi d'une thermolyse des déchets préalablement séchés et que lesdits déchets cheminent successivement dans un four de séchage (S) et un four de thermolyse (T), que ce sont les billes sortant du four de thermolyse qui constituent le moyen de chauffage pour le séchage préalable des déchets et que l'installation comprend en outre un moyen de transfert des déchets séchés vers le four de thermolyse. 12. Procédé pour soumettre un matériau divisé, solide ou pâteux, à un traitement thermique (chauffage ou refroidissement) en vue d'en modifier son état physique ou sa composition chimique, caractérisé en ce que l'on fait cheminer dans une enceinte, à co-courant, le matériau à traiter et une masse de billes d'acier préalablement portées portée à une température telle qu'à la sortie de l'enceinte, le matériau traité et la masse de billes se trouvent à la température choisie comme température de traitement thermique.