Brevet FR2884902A1 — publié le 20061027

La présente invention concerne le domaine technique du traitement par calcination, combustion ou oxydation de produits, au sens général, et elle vise, plus particulièrement quoique de façon non limitative, le traitement de produits à caractère humide et, plus spécifiquement, des boues d'origines diverses. L'objet de l'invention vise, plus particulièrement, le traitement par oxydation, à l'aide d'un lit fluidisé, de produits, tels que des boues alimentaires, de papeterie, de sidérurgie, de teinturerie, de traitement des eaux usées, etc. L'état de la technique a proposé différentes solutions pour traiter ces types de produits en respectant les diverses réglementations destinées à préserver l'environnement. Une technique connue consiste à utiliser un four d'incinération ou d'oxydation mettant en oeuvre un lit fluidisé. D'une manière générale, un tel four comporte une cuve délimitant une enceinte de confinement pour un lit fluidisé formé d'un mélange des produits à traiter et de matériaux inertes se présentant sous la forme de grains ou de particules, tels que du sable siliceux par exemple. Cette enceinte de confinement comporte un circuit de fourniture d'un fluide sous pression débouchant dans le fond de la cuve pour assurer la fluidisation du lit. Un tel four comporte, également, des moyens de chauffage du lit fluidisé, à une température donnée de combustion. Un tel four comporte aussi des moyens d'apport des produits à traiter débouchant à l'intérieur de la cuve qui s'ouvre sur une chambre de postcombustion équipée d'une sortie des gaz et fumées reliée à un système de filtration. Un four d'oxydation à lit fluidisé présente un coût relativement élevé, en raison du prix que représente sa réalisation, son transport et son installation in situ. A cet égard, dans la mesure où les gaz de combustion doivent être soumis à une température d'au moins 850 C pendant un minimum de 2 s pour assurer leur combustion, il s'ensuit que les fours et les bâtiments les protégeant sont très onéreux à réaliser. Aussi, les fours, connus à ce jour, ne permettent pas d'envisager la réalisation d'une installation d'incinération présentant une rentabilité satisfaisante pour une capacité de traitement relativement faible. Or, il apparaît le besoin, notamment pour des communes moyennes, voire petites, de disposer d'une installation de traitement de produits, tels que des boues provenant de stations d'épuration, de manière à pouvoir traiter ces déchets sur un site proche de leur lieu de production, afin d'éviter les inconvénients liés à leur transport. La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un four pour l'oxydation de produits, présentant une capacité de traitement relativement faible, avec une rentabilité satisfaisante, tout en respectant les diverses dispositions réglementaires relatives à l'incinération de produits tels que les déchets organiques. Un autre objet de l'invention est de proposer un four présentant un encombrement réduit facilitant son transport et son installation sur le site. Pour atteindre un tel objectif, l'objet de l'invention concerne un four pour l'oxydation de produits à traiter, comportant: ^ une cuve délimitant une enceinte de confinement pour un lit fluidisé, formé d'un mélange des produits à traiter et de matériaux inertes, l'enceinte de confinement s'ouvrant sur une chambre de postcombustion équipée d'une sortie des fumées, É un circuit de fourniture d'un fluide sous pression débouchant dans le fond de la cuve pour assurer la fluidisation du lit, ^ des moyens d'apport des produits à traiter, débouchant à l'intérieur de la cuve, ^ et des moyens de chauffage du lit fluidisé à une température donnée de combustion. Selon l'invention, la cuve s'ouvre à l'intérieur d'une coiffe fermée s'étendant à distance et sur la majeure partie de la hauteur de la cuve pour délimiter, en partie, la chambre de postcombustion, la coiffe étant équipée, à sa partie inférieure, de la sortie des fumées. Un autre objet de l'invention vise à proposer une installation pour l'oxydation de produits à traiter comportant: un four conforme à l'invention, É une unité d'échange de chaleur reliée à la sortie des fumées du four, É et un système de filtration des fumées communiquant avec l'unité d'échange de chaleur et pourvue d'une cheminée d'évacuation. Un autre objet de l'invention est de proposer un bâtiment de protection pour une installation pour l'oxydation de produits à traiter comportant au moins un toit s'étendant à une distance sensiblement identique de la partie supérieure du four, de l'unité d'échange de chaleur et du système de filtration des fumées. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description ci-dessous faite en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue schématique en coupe élévation montrant un exemple de réalisation d'un four conforme à l'invention. La fig. 2 est une vue de dessus d'une installation d'oxydation mettant en oeuvre un four conforme à l'invention. La fig. 3 est une vue de côté d'une installation d'oxydation mettant en oeuvre un four conforme à l'invention. Tel que cela ressort des figures, l'invention concerne un four d'oxydation 1 pour le traitement thermique par un lit fluidisé de produits à traiter de diverses natures. Selon une application préférée mais non limitative, le four 1 est adapté pour traiter les déchets humides, tels que des boues issues des stations d'épuration des eaux. Le four 1 comporte une cuve 2 présentant une forme allongée et, dans l'exemple illustré, de symétrie de révolution. Cette cuve 2, de section droite transversale circulaire, est destinée à connaître une orientation verticale en condition normale d'utilisation. La cuve 2 délimite, intérieurement, une enceinte de confinement 3 pour un lit fluidisé 4, formé d'un mélange des produits à traiter et de matériaux inertes, tels que, par exemple, du sable. Le lit fluidisé 4, qui s'établit sur une hauteur plus ou moins importante à l'intérieur de la cuve 2, s'ouvre sur une chambre de postcombustion pour les gaz et fumées qui sera décrite plus en détail dans la suite de la description. De manière classique, la cuve 2 comporte, à sa partie inférieure, un fond 5 et un double fond 6 se prolongeant par une paroi verticale 7 se terminant, à la partie supérieure de la cuve, par une section ouverte 8. Le fond 5 et le double fond 6 définissent entre eux un collecteur d'admission et de répartition de pression d'un fluide de fluidisation. Le fond 5 est pourvu de buses de fluidisation 9 s'ouvrant à l'intérieur de la cuve 2 et communiquant avec un circuit 10, adapté pour fournir un fluide gazeux sous pression qui permet une fluidisation du lit formé du mélange des produits à traiter et des matériaux inertes. Par exemple, le fluide gazeux est choisi pour son caractère comburant pour les produits et, par exemple, un tel fluide peut être simplement de l'air surpressé. Le four 1 conforme à l'invention comporte également, de manière classique, des moyens 11 de chauffage du lit fluidisé à une température donnée de combustion. Dans l'exemple illustré, les moyens de chauffage 11 comportent, au moins une buse d'apport d'un gaz combustible traversant le fond 5 et le double fond 6. Bien entendu, il est à noter que d'autres types de moyens de chauffage peuvent être envisagés pour placer le lit fluidisé 4 à la température souhaitée de combustion. Le four 1 comporte, également, des moyens d'apport 12 des produits à traiter, débouchant à l'intérieur de la cuve 2, à partir de sa section ouverte 8 dans l'exemple illustré. Bien entendu, ces moyens d'apport 12, de tous types connus, peuvent déboucher à un endroit différent de la cuve 2. Conformément à l'invention, la cuve 2 s'ouvre, au niveau de sa section ouverte 8, à l'intérieur d'une enveloppe ou d'une coiffe fermée 15 s'étendant à distance et sur la majeure partie de la hauteur de la cuve 2 pour délimiter, en partie, la chambre de postcombustion des gaz et fumées. Tel que cela ressort clairement de la fig. 1, la coiffe 15 présente une symétrie de révolution avec une section droite transversale circulaire plus grande que la section droite transversale de la cuve 2. La coiffe 15 comporte ainsi une paroi périphérique 16 entourant à distance la paroi verticale 7 de la cuve 2 et se prolongeant, à sa partie supérieure, par une paroi de sommet 17 s'étendant en vis-à-vis et à distance de la section ouverte 8 de la cuve. La paroi périphérique 16 de la coiffe 15 comporte, à sa partie inférieure, une paroi de raccordement 18 avec la cuve 2. La paroi périphérique 16 de la coiffe 15 entoure ainsi, de manière concentrique, la paroi verticale de la cuve 7, de manière à délimiter entre elles une chambre annulaire 19 se prolongeant par un ciel 20 délimité, entre la paroi de sommet 17 et la section ouverte 8 de la cuve 2. Cette chambre annulaire 19 entoure ainsi la cuve 2 sur la majeure partie de sa hauteur. Un brûleur 21 de postcombustion des gaz et fumées traverse la coiffe 15 pour déboucher au niveau du ciel 20. Un tel brûleur 21 est mis en service notamment au démarrage pour être sûr que les gaz de combustion sont au moins à 850 C. Il est à noter que la coiffe 15 est équipée d'une sortie 22 pour les fumées contenant d'éventuelles parties minérales non brûlées, située à la partie inférieure de la coiffe, c'est-à-dire au niveau de la paroi de raccordement 18 avec la cuve 2. Selon une caractéristique préférée de réalisation, la coiffe 15 et la cuve 2 sont équipées, au niveau de leur raccordement, de moyens 30 permettant d'assurer un assemblage étanche, à caractère démontable, entre la coiffe 15 et la cuve 2. Dans l'exemple de réalisation illustré, la paroi de raccordement 18 de la coiffe 15 est destinée à coopérer avec une bride 31 périphérique, aménagée à la partie inférieure de la cuve. La bride 31 et la paroi de raccordement 18 sont maintenues assemblées, par tout moyen d'assemblage à caractère démontable connu en soi. Bien entendu, la coiffe 15 et la cuve 2 peuvent être assemblées de manière définitive à l'aide d'une soudure. La coiffe 15 comporte, également, des moyens extérieurs d'appui 32, constitués par exemple par des pieds, s'étendant à partir de la paroi de raccordement 18 de la coiffe et répartis sur la circonférence de la coiffe. Ces pieds 32 permettent de supporter le four 1 ainsi constitué. Le four selon l'invention comporte, également, des moyens d'isolation thermique 33 entourant la coiffe 15 et le double fond 6 de la cuve. Il doit être considéré que le four 1 selon l'invention présente une chambre de postcombustion qui se trouve formée par la partie 31 de l'enceinte de confinement 3 située au dessus du lit fluidisé 4, par la chambre annulaire 19 et par le ciel 20 qui assure la communication entre l'intérieur de la cuve 2 et la chambre annulaire 19. Il ressort de la description qui précède, qu'une telle chambre de postcombustion 31, 19, 20 ainsi aménagée permet aux gaz et fumées de s'élever à l'intérieur de la cuve 2 pour ensuite être dirigés vers le ciel 20 et redescendre dans la chambre annulaire 19, en vue d'être évacués par la sortie 22. La chambre de postcombustion est aménagée de manière à assurer, aux gaz et fumées, un trajet ascendant à l'intérieur de la cuve 2 et un trajet descendant à l'extérieur et autour de la cuve 2 pendant un temps déterminé suffisant pour obtenir leur combustion. Par exemple, les gaz et fumées sont soumis à une température supérieure à 850 C, pendant un temps minimum de 2 s, lors de leur trajet entre le lit fluidisé et la sortie 22, permettant d'obtenir leur combustion. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la surface de la section droite transversale de la chambre annulaire 19 est sensiblement égale à la surface de la section droite transversale de la cuve 2. Il s'ensuit qu'il n'apparaît aucune perte de charge entre les trajets ascendant et descendant des gaz et fumées. Un tel dispositif permet d'obtenir un fonctionnement identique à un four comportant uniquement un trajet ascendant pour les gaz et fumées. Il doit être considéré que la disposition de la chambre de postcombustion, aménagée principalement autour de la cuve 2 de confinement du lit fluidisé 4, permet de diminuer la hauteur du four et de réduire les pertes thermiques dans la mesure où les surfaces d'échanges sont diminuées. Une telle disposition permet ainsi de réaliser un four compact, apte à pouvoir être transporté in situ. Il s'ensuit que le bâtiment de protection pour un tel four présente une hauteur et d'une manière générale un encombrement réduit, ce qui limite son coût de réalisation. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la cuve 2 et la coiffe 15 sont réalisées en métal réfractaire et, en particulier, en acier austénitique réfractaire. Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la coiffe 15 est pourvue, à sa partie supérieure, d'une structure 34 donnant accès à l'intérieur de la coiffe 15 et servant également à la manutention du four. Dans l'exemple illustré, cette structure 34 est constituée par un conduit tubulaire 35, raccordée à la paroi de sommet 17 de la coiffe et obturée par un couvercle étanche 36 aménagé pour comporter des moyens 37 d'aide à la manutention. L'utilisation de cette structure 34, en combinaison avec les moyens extérieurs d'appui 32, permet une manutention aisée du four. L'objet de l'invention vise également à permettre de constituer, comme cela ressort plus précisément des fig. 1 et 2, une installation pour l'oxydation mettant en oeuvre le four 1 conforme à l'invention. Selon cet exemple de réalisation, l'installation comporte une unité d'échange de chaleur 40, reliée à la sortie 22 des fumées du four 1. Une telle unité d'échange de chaleur 40 comporte, de manière classique, une enceinte 41 de circulation pour les fumées, dans laquelle est placé un système 42 de réchauffage de l'air du circuit de fluidisation 10 du lit du four, relié à un surpresseur 43. Cette unité d'échange de chaleur 40 est pourvue d'une sortie 44, reliée à un système de filtration des fumées 45, tel qu'un filtre dépoussiéreur, connecté à une cheminée 46 d'évacuation des fumées, à l'air libre, sur le chemin desquels est placé un ventilateur-extracteur 47. Selon une caractéristique de l'objet de l'invention, l'unité d'échange de chaleur 40 est pourvue d'un système 48 de réchauffage de l'air pulsé par un ventilateur 49. L'air réchauffé est amené à l'intérieur de la cheminée d'évacuation 46 par une conduite 50, afin de réchauffer les fumées avant leur sortie de ladite cheminée. Cet apport d'air chaud permet de limiter, voire de supprimer, la présence d'un nuage de fumée à la sortie de la cheminée 46. L'installation d'oxydation, telle que décrite ci-dessus, possède un encombrement relativement limité dû, principalement, à la compacité du four 1. Ainsi, tel que cela ressort clairement des fig. 1 et 3, le four 1, l'unité d'échange de chaleur 40 et le système 45 de filtration des fumées s'élèvent par rapport au sol, à une hauteur sensiblement identique. Il s'ensuit qu'une telle installation peut être protégée par un bâtiment peu imposant. Ainsi, une telle installation peut être protégée par un toit 52 supporté par des piliers 53 et s'étendant à proximité et à une distance sensiblement identique de la partie supérieure du four 1, de l'unité d'échange de chaleur 40 et du système 45 de filtration des fumées. Par exemple, le toit 52 possède un profil courbe dans lequel débouche la cheminée d'évacuation 46. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. 2884902 9 REVENDICATIONS 1 - Four pour l'oxydation de produits à traiter, comportant: ^ une cuve (2) délimitant une enceinte de confinement (3) pour un lit fluidisé (4) formé d'un mélange des produits à traiter et de matériaux inertes, l'enceinte de confinement s'ouvrant sur une chambre de postcombustion équipée d'une sortie des fumées (22), ^ un circuit (10) de fourniture d'un fluide sous pression débouchant dans le fond de la cuve pour assurer la fluidisation du lit, ^ des moyens (12) d'apport des produits à traiter, débouchant à l'intérieur de la cuve, ^ et des moyens (11) de chauffage du lit fluidisé à une température donnée de combustion, caractérisé en ce que la cuve (2) s'ouvre à l'intérieur d'une coiffe fermée (15) s'étendant à distance et sur la majeure partie de la hauteur de la cuve (2) pour délimiter, en partie, la chambre de postcombustion, la coiffe (15) étant équipée, à sa partie inférieure, de la sortie (22) des fumées, de manière que les fumées possèdent un trajet ascendant à l'intérieur de la cuve (2), suivi d'un trajet descendant à l'extérieur et autour de la cuve (2). 2 - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la coiffe (15) délimite avec la cuve (2) une chambre annulaire (19) entourant la cuve (2) et communiquant avec la cuve (2) par un ciel (20). 3 - Four selon la revendication 2, caractérisé en ce que la surface de la section droite transversale de la chambre annulaire (19) est sensiblement égale à la surface de la section droite transversale de la cuve (2) 4 Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cuve (2) et la coiffe (15) sont réalisées en métal réfractaire. - Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'isolation thermique entourant la coiffe (15) et le double fond de la cuve (2). 6 - Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la coiffe (15) et la cuve (2) sont équipées, à leur partie inférieure, de moyens (30) assurant un assemblage étanche entre la coiffe de la cuve, ces moyens (30) d'assemblage présentant un caractère démontable. 7 - Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la coiffe (15) est pourvue, à sa partie supérieure, d'une structure (34) donnant accès à l'intérieur de la coiffe et servant à la manutention du four. 8 - Four selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la coiffe (15) est pourvue de moyens (32) extérieurs d'appui pour le four. 9 - Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'apport (12) des produits à traiter sont aménagés dans la coiffe (15) pour déboucher dans la partie supérieure de la cuve. - Four selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce la coiffe (15) est pourvue, à sa partie supérieure, d'au moins un brûleur (21) de postcombustion des gaz et fumées sortant du lit fluidisé (4). 11 - Installation pour l'oxydation de produits à traiter, caractérisée en ce qu'elle comprend: ^ un four (1) conforme à l'une des revendications 1 à 10, ^ une unité d'échange de chaleur (40) reliée à la sortie (22) des fumées du four (1), ^ et un système (45) de filtration des fumées communiquant avec l'unité d'échange de chaleur (40) et pourvue en sortie d'une cheminée d'évacuation (46). 12 - Installation selon la revendication 11, caractérisée en ce que l'unité d'échange de chaleur (40) est pourvue d'un système de réchauffage d'air (48), relié à la cheminée d'évacuation (46), afin de réchauffer les gaz et fumées avant leur sortie de ladite cheminée. 13 - Installation selon la revendication 11 ou 12, caractérisée en ce que le four (1), l'unité d'échange de chaleur (40) et le système (45) de filtration 30 des gaz et fumées s'élèvent à une hauteur sensiblement identique. 14 - Bâtiment de protection pour installation conforme à la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un toit (52) s'étendant à une distance sensiblement identique de la partie supérieure du four (1), de l'unité d'échange de chaleur (40) et du système (45) de filtration des fumées.