Brevet FR2865202A1 — publié le 20050722

La présente invention concerne le domaine général du traitement des eaux industrielles et des déchets solides, ainsi que le traitement des eaux et des boues urbaines et la production d'eau potable par désalinisation d'eaux de mer ou distillation d'eaux fluviales. Elle concerne plus particulièrement une installation de traitement d'effluents liquides ou semi-liquides (par exemple des effluents des industries de la papeterie), qui peut aussi assurer le traitement de déchets solides. Les techniques existantes de traitement d'effluents liquides et solides des industries de la papeterie reposent sur la déshydratation mécanique des boues (presses à vis ou à bandes, centrifugeuses...), la précipitation par voie chimique ou l'incinération dans les chaudières à écorce. Les autres systèmes connus reposent sur l'utilisation des énergies primaires (gaz et fioul), et consistent en des installations de séchage thermique, des réacteurs thermiques, des fours à pyrolyse ou encore des incinérateurs. Ces différentes techniques classiques mettent en oeuvre des moyens 15 complexes et/ou sont très coûteuses. La présente invention propose une nouvelle structure d'installation simple et peu coûteuse à mettre en oeuvre, susceptible d'être utilisée efficacement pour le traitement des effluents liquides ou semi-liquides et éventuellement des déchets solides, qui sont générés par tout type d'industrie. Conformément à l'invention, cette installation comprend: - au moins une arrivée pour l'effluent à traiter, - des moyens aptes à assurer l'évaporation d'au moins une partie de l'eau contenue dans cet effluent, pour assurer sa transformation en vapeur d'eau, d'une part, et en déchets solides ou pâteux, d'autre part, - des moyens d'évacuation de la vapeur d'eau ou de l'eau générée par cette vapeur d'eau, - des moyens en forme de four pour incinérer lesdits déchets solides ou pâteux afin de les réduire en cendres, lequel four incinérateur est disposé sous lesdits moyens évaporateurs de manière à utiliser l'énergie de combustion desdits déchets solides ou pâteux pour assurer l'évaporation précitée, et - des moyens d'évacuation des cendres générées par l'incinération précitée. Selon une caractéristique particulièrement intéressante, l'installation comporte des moyens de chauffage de l'effluent liquide ou serai-liquide avant son entrée dans les moyens évaporateurs. De préférence, les moyens de chauffage en question consistent en un échangeur thermique alimenté par la vapeur d'eau générée par les moyens évaporateurs; dans 2 2865202 ce cadre, l'installation comporte avantageusement une sortie pour l'eau provenant du refroidissement de la vapeur d'eau par l'échangeur thermique. Selon une autre particularité, l'installation comporte des moyens assurant le transfert de l'effluent chauffé vers les moyens d'évaporation. Ces moyens de transfert consistent avantageusement en un système de pompe(s) et de canalisation(s). Selon encore une autre particularité, l'installation conforme à l'invention comporte un four incinérateur muni d'au moins un brûleur et d'au moins un système de brassage des déchets solides et des cendres. Le système de brassage correspondant consiste avantageusement en un mélangeur 10 du type à pales rotatives d'axe vertical, associé à un système d'évacuation des cendres en forme de valve rotative. Selon encore une autre particularité, l'installation comporte au moins une arrivée pour des déchets solides directement au niveau du four d'incinération. Selon une autre caractéristique particulièrement intéressante, les moyens 15 incinérateurs sont associés à une chambre d'oxydation thermique des gaz et fumées générées par la combustion des matières solides. De préférence, l'installation comporte des moyens assurant l'évacuation des cendres volantes provenant de la chambre d'oxydation. Selon encore une autre particularité, l'installation comporte des moyens qui 20 permettent l'envoi de l'air chaud provenant de la chambre d'oxydation, en direction des moyens évaporateurs. Selon une autre caractéristique, l'installation comporte un système de récupération des déchets solides ou semi-solides provenant des moyens évaporateurs, adapté pour permettre le transfert desdits déchets soit en direction du four d'incinération, soit vers l'extérieur. Selon encore une autre particularité, le four d'incinération comporte - un premier mélangeur aménagé au dessous d'un premier brûleur, à proximité de la sortie des moyens évaporateurs, une arrivée de déchets solides étant prévue au niveau dudit premier mélangeur, et - un second mélangeur aménagé au dessous d'un second brûleur, une arrivée complémentaire de déchets solides étant prévue au niveau dudit second mélangeur. Selon une caractéristique particulièrement intéressante, les moyens évaporateurs sont constitués d'une pluralité de tubes horizontaux ou sensiblement horizontaux munis d'une ouverture amont et d'une ouverture aval; ces tubes sont chacun connectés aux moyens d'alimentation en effluent au niveau de leur ouverture 3 2865202 amont, et ils comportent des moyens d'entraînement de l'effluent en direction de leur ouverture aval. De préférence, les moyens d'entraînement en question consistent en une lame hélicoïdale flottante longitudinale, montée sur roulements et maintenue par une 5 pluralité de câbles longitudinaux. Le principe de l'invention est basé sur le fait de traiter les eaux polluées plus ou moins chargées en évaporant la totalité ou tout au moins la grande majorité de l'eau et en brûlant les résidus, éliminant ainsi les déchets transformés en eau pure et en cendres. Les fumées générées par l'incinération des déchets solides sont traitées par oxydation thermique. Ce système permet une valorisation des déchets sous forme de chaleur et d'eau chaude. Il permet de traiter les eaux, les boues et les déchets solides de manière sélective. Les eaux peuvent être recyclées en permanence dans le process industriel, éventuellement après une légère minéralisation. Ce système permet un stockage sélectif des cendres et il augmente les possibilités de valorisation de ces cendres. Mais l'invention sera encore illustrée, sans être aucunement limitée, par la description suivante d'un mode de réalisation particulier, donné uniquement à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de traitement conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique, en coupe selon 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique, en coupe selon 3-3 de la figure 1; - la figure 4 est une vue schématique, en coupe longitudinale, de l'un des tubes 25 évaporateurs de l'installation. L'installation conforme à l'invention, illustrée sur les figures 1 à 3, se présente sous l'aspect d'une machine thermique de forme générale cylindrique horizontale. L'enveloppe cylindrique 1 de la machine peut être réalisée en matériau isolant; sa face interne est avantageusement tapissée de briques réfractaires 1'. Cette machine thermique comporte une arrivée 2 pour l'effluent liquide ou semiliquide à traiter, qui aboutit dans une chambre 3 équipée d'un système échangeur thermique 4 assurant le préchauffage de l'effluent. Après avoir été chauffé l'effluent à traiter est orienté par un système de pompe(s) 5 vers des moyens 6 aménagés en partie supérieure, adaptés pour assurer l'évaporation d'une partie ou de la totalité de l'eau qu'il contient. La vapeur d'eau générée par les moyens évaporateurs 6 est récupérée dans la chambre 7 et convoyée par la canalisation 8 vers le système échangeur thermique 4 pour assurer l'opération de préchauffage précitée. Au niveau de cet échangeur thermique 4, la vapeur d'eau se transforme en eau chaude; cette eau chaude est évacuée par la canalisation de sortie 10, par exemple pour être renvoyée dans le process industriel. Sur la figure 1, on remarque que la canalisation 10 est équipée d'un régulateur de pression 11. En fonction de l'utilisation qui en sera faite, cette eau récupérée peut subir une reminéralisation par tout procédé technique connu de l'homme de l'art. Les déchets solides ou pâteux (matière organique déshydratée) résultant de l'opération d'évaporation dans les moyens évaporateurs 6 sont récupérés dans la chambre 7 par des moyens de convoyage 12 adaptés pour assurer, soit leur évacuation extérieure, en vue par exemple de leur recyclage dans le process industriel (notamment pour les fibres cellulosiques), soit leur introduction dans un four incinérateur 14 disposé juste sous les moyens évaporateurs 6. Ces moyens de convoyage 12 peuvent consister en un convoyeur à vis sans fin entraîné par une motorisation adaptée. Le four 14 génère ainsi l'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau dans les moyens évaporateurs 6. Ce four incinérateur 14 brûle les déchets solides ou pâteux pour les transformer en cendres, en fumées et en gaz de combustion. Les cendres sont extraites par des conduits d'évacuation 15 connectés à un groupe d'aspiration (non représenté). Les fumées et gaz de combustion sont récupérés dans une chambre énergétique 16, après avoir été traités dans une chambre d'oxydation thermique 17. Ils sont ensuite véhiculés au sein des moyens évaporateurs 6 pour sortir par la canalisation 18 avant condensation finale dans une chambre de récupération d'énergie 19, puis épurés à l'aide de filtres avant rejet atmosphérique par le conduit 20. Le système échangeur thermique 4 consiste en une pluralité de tubes de faible section. Les moyens évaporateurs 6 sont constitués d'une pluralité de tubes horizontaux 22 montés en parallèle sous forme de couronnes (figure 3) pour définir des sortes de conduits centraux 22'. Chaque tube 22 a une longueur pouvant atteindre plusieurs mètres (par exemple 5 mètres) et a un diamètre par exemple de l'ordre de 15 centimètres. Tel qu'on peut le voir sur la figure 3, dans le mode de réalisation illustré, l'installation comporte 11 couronnes formées chacune de six tubes évaporateurs 22. 2865202 L'un de ces tubes évaporateurs 22 est représenté isolément et de manière schématique sur la figure 4. Tel que détaillé sur cette figure 4, les tubes évaporateurs 22 comportent une ouverture amont 23 par laquelle entre l'effluent préchauffé provenant du système de pompe(s) 5, et une ouverture aval 24 par laquelle sortent les déchets solides ou pâteux obtenus suite à l'évaporation de l'eau. L'intérieur du tube est équipé de moyens d'entraînement de l'effluent pour le diriger depuis l'ouverture amont 23 jusqu'à l'ouverture aval 24, constitués d'une lame hélicoïdale flottante longitudinale 25. Cette lame hélicoïdale 25 est dépourvue d'âme centrale ce qui facilite l'évaporation de l'eau et le transfert de la vapeur d'eau générée, vers l'ouverture aval 24. Elle est entraînée en rotation par une motorisation actionnant un pignon 26; elle est montée sur roulements 27 et 28 au niveau de ses deux extrémités et elle est maintenue par une pluralité de câbles tendus 29, pour permettre à sa bordure périphérique de racler convenablement toute la surface interne du tube. La lame 25 permet ainsi le convoyage de l'effluent et le raclage des dépôts de tartre. Le pignon 26 est aménagé à l'extrémité d'un arbre d'entraînement 30 monté également sur roulements 31. Entre l'arbre 30 et la lame de raclage 25, on remarque la présence d'un système de ressort 32 de tension et de compensation de dilatation (ce ressort 32 est porté par l'arbre 30 en association avec un roulement coulissant 33). Plusieurs pignons 26 peuvent être entraînés par des engrenages fixés sur un axe commandé en rotation par une même motorisation. Par exemple, comme cela apparaît sur la figure 3, les lames hélicoïdales de chaque étage de couronnes d'évaporateurs peuvent être commandées par une seule motorisation 34. La répartition de l'effluent préchauffé provenant du système de pompe(s) 5 dans les différents tubes 22 s'effectue à partir d'une canalisation 35 alimentant une nourrice au moyen de différents tubes d'alimentation situés sur la partie amont des tubes évaporateurs 22. La vapeur d'eau formée dans les tubes évaporateurs 22 s'évacue par les ouvertures aval 24; elle est récupérée dans la chambre 7 de séparation vapeur/solides, puis par la canalisation 8 précitée. Comme expliqué cidessus, cette canalisation 8 transporte la vapeur d'eau jusqu'au système échangeur thermique 4; un compresseur mécanique 36 peut être interposé sur cette canalisation 8 pour transférer l'énergie de condensation vers l'échangeur thermique 4. Les déchets solides ou pâteux obtenus suite à l'évaporation de l'effluent tombent par simple gravité depuis la chambre 7 sur le convoyeur à vis 12. L'entraînement de la vis dans un sens assure l'évacuation externe de ces déchets, et son entraînement dans l'autre sens transporte les déchets en question dans le four incinérateur 14. Ce four incinérateur 14 est avantageusement de type pyrofluide fonctionnant au moyen de brûleurs à gaz ou au fioul. II comporte deux lits, chacun équipé d'un brûleur 40-41 et d'un système 42-43 de brassage et de mélange des déchets et des cendres. Les systèmes brasseurs/mélangeurs 42-43 consistent chacun en un mélangeur à pales rotatives d'axe vertical, associé à un système d'évacuation des cendres en forme de valve rotative 44. Comme indiqué précédemment, ces valves rotatives 44 sont connectées à un conduit 15 relié à un groupe d'aspiration permettant un fonctionnement à la manière d'un système venturi: les cendres sont aspirées par le système, ce qui permet de les stocker directement en même temps que d'alimenter le four en oxygène. On notera en outre la présence de buses 45 d'injection d'air aménagées au niveau des mélangeurs à pales 42-43, assurant également l'alimentation du four en air frais, mais permettant surtout la fluidification des lits du four. Les buses 45 sont alimentées par des canalisations 46. Un premier mélangeur/brasseur 42 est aménagé sous le premier brûleur 40, à proximité de la sortie des moyens évaporateurs 6 et du convoyeur à déchets 12. Une arrivée complémentaire 47 de déchets solides, par exemple en forme de convoyeur à vis, est prévue au niveau de ce premier groupe brûleur 40/mélangeur 42. Cette arrivée 47 permet par exemple l'introduction de matières solides genre sciures, écorces ou bois déchiquetés. Un second mélangeur/brasseur 43 est prévu sous le second brûleur 41; une arrivée complémentaire 48 de déchets solides, par exemple en forme de convoyeur à vis, est prévue au niveau de ce second groupe brûleur 41/mélangeur 43; cette arrivée 48 permet par exemple l'introduction de matières solides genre refus de recyclage (plastiques, papiers, cartons... ). La chambre 16 de récupération des gaz/fumées de combustion et la chambre 30 d'oxydation 17 sont aménagées entre l'échangeur thermique 4, d'une part, et les moyens évaporateurs 6 et le four 14, d'autre part. Les gaz et fumées provenant de la combustion des déchets solides dans le four 14 sont transférés par une conduite adaptée, en matériaux réfractaires tels que 1', dans la chambre d'oxydation 17 où ils sont traités pendant un temps supérieur à la seconde, à une température très élevée (de l'ordre de 1100 C), ceci au moyen d'un brûleur 49. La conduite de transfert des gaz et fumées depuis le four 14 jusqu'à la chambre d'oxydation 17 n'a pas été représentée sur la figure 1, son entrée dans la chambre 17 est repérée 50 sur la figure 2. Après introduction et traitement dans le chambre 17, les gaz et fumées passent dans la chambre de récupération d'énergie 16 par un orifice 51. Les cendres volantes sont évacuées de la chambre 16 par un conduit 52 associé à une valve rotative 53. Les gaz de combustion sortent de la chambre 16 par un cinduit 54 et ils se répartissent dans une canalisation circulaire 55 (figure 1) placée entre la chambre 16 et le groupe formé par les moyens évaporateurs 6 et le four 14. Cette canalisation circulaire 55 est thermiquement isolée, par exemple par des matériaux en fibres de céramique et des tissus spéciaux. Elle permet de répartir de manière homogène les gaz de combustion dans les conduits centraux 22' des moyens évaporateurs 6, par des canalisations adaptées. Dans la chambre de récupération d'énergie 19, on remarque la présence d'un échangeur thermique 56 adapté pour réchauffer de l'air destiné à l'alimentation des brûleurs 40, 41 et 49; l'air chaud en question est véhiculé jusqu'aux brûleurs par des canalisations appropriées. L'intérêt de ce réchauffage de l'air est de réduire les écarts de température de l'air extérieur entrant dans le four. Le ventilateur 57 illustré au niveau de la chambre de récupération d'énergie 19 a pour but de condenser les fumées et gaz en sortie du process et d'alimenter les brûleurs en air chaud. L'installation décrite sur les figures 1 à 4 est particulièrement adaptée pour le traitement des effluents des industries de la papeterie ou pour le traitement des eaux et des boues urbaines. Comme indiqué précédemment, elle pourrait également être adaptée pour assurer la production d'eau potable par désalinisation d'eaux de mer ou par distillation d'eaux fluviales. 8 2865202 - REVENDICATIONS - 1.- Installation de traitement d'effluents liquides ou semi-liquides et éventuellement de déchets solides, caractérisée en ce qu'elle comprend: au moins une arrivée (2) pour l'effluent à traiter, - des moyens (6) aptes à assurer l'évaporation d'au moins une partie de l'eau contenue dans ledit effluent, pour assurer sa transformation en vapeur d'eau, d'une part, et en déchets solides ou pâteux, d'autre part, - des moyens (8, 10) d'évacuation de la vapeur d'eau ou de l'eau générée par cette vapeur d'eau, - des moyens en forme de four (14) pour incinérer lesdits déchets solides ou pâteux afin de les réduire en cendres, lequel four incinérateur (14) est disposé sous lesdits moyens évaporateurs (6) de manière à utiliser l'énergie de combustion desdits déchets solides ou pâteux pour assurer l'évaporation précitée, et - des moyens (15, 44) d'évacuation des cendres générées par ladite incinération. 2.- Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de chauffage (4) de l'effluent liquide avant son entrée dans les moyens évaporateurs (6). 3.- Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens de chauffage de l'effluent liquide avant son entrée dans les moyens évaporateurs (6) consistent en un échangeur thermique (4) alimenté par la vapeur d'eau générée par lesdits moyens évaporateurs (6), l'installation comportant en outre une sortie (10) pour l'eau provenant du refroidissement de la vapeur d'eau par ledit échangeur thermique (4). 4.- Installation selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisée 25 en ce qu'elle comporte des moyens (5, 35) assurant le transfert de l'effluent chauffé vers les moyens d'évaporation (6). 5.- Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdits moyens de transfert consistent en un système de pompe(s) (5) et de canalisation(s) (35). 6.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en qu'elle comporte un four incinérateur (14) muni d'au moins un brûleur (40, 41) et d'au moins un système de brassage (42, 43) des déchets solides et des cendres. 7.- Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le système de brassage des déchets solides et des cendres consiste en un mélangeur du type à pales rotatives d'axe vertical (42, 43), associé à un système d'évacuation des cendres en forme de valve rotative (44). 8.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une arrivée (47, 48) pour des déchets solides directement au niveau du four d'incinération (14). 9.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens incinérateurs (14) associés à une chambre (17) d'oxydation thermique des fumées générées par la combustion des matières solides. 10.- Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (52, 53) assurant l'évacuation des cendres volantes provenant de la chambre d'oxydation (17). 11.- Installation selon l'une quelconque des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens (16, 54, 55) qui permettent l'envoi de l'air chaud provenant de la chambre d'oxydation (17) , en direction des moyens évaporateurs (6). 12.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisée en ce qu'elle comporte un système (12) de récupération des déchets solides ou semisolides provenant des moyens évaporateurs (6), adapté pour permettre le transfert desdits déchets soit en direction du four d'incinération (14), soit vers l'extérieur. 13.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend un four d'incinération (14) comportant un premier mélangeur (42) aménagé au dessous d'un premier brûleur (40), à proximité de la sortie des moyens évaporateurs (6), une arrivée (47) de déchets solides étant prévue au niveau dudit premier mélangeur (42), et un second mélangeur (43) aménagé au dessous d'un second brûleur (41), une arrivée complémentaire (48) de déchets solides étant prévue au niveau dudit second mélangeur (43). 14.- Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens évaporateurs (6) constitués d'une pluralité de tubes horizontaux ou sensiblement horizontaux (22) munis d'une ouverture amont (23) et d'une ouverture aval (24), lesquels tubes (22) sont chacun connectés aux moyens d'alimentation en effluent (5, 35) au niveau de leur ouverture amont (23), et lesquels tubes (22) comportent des moyens (25) d'entraînement dudit effluent en direction de leur ouverture aval (24). 15.- Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que les moyens d'entraînement de l'effluent aménagés dans les tubes d'évaporation (22) consistent en une lame hélicoïdale flottante longitudinale (25) montée sur roulements (27, 28) et maintenue par une pluralité de câbles longitudinaux (29).