Brevet FR2916258A1 — publié le 20081121

PROCEDE ET INSTALLATION POUR L'INCINERATION DE DECHETS AVEC PRECHAUFFAGE DE CEUX-CI PAR LES GAZ DE COMBUSTION, LA COMBUSTION ETANT REALISEE SANS AZOTE AVEC APPORT D'OXYGENE. L'invention concerne un procédé pour l'incinération de déchets domestiques ou industriels dans un réacteur avec préchauffage des déchets. L'invention vise à obtenir dans l'incinérateur une combustion complète, sans imbrûlés, sans résidus gênants, sans dégagement de gaz dans l'atmosphère de manière à épargner l'environnement de toute pollution. L'invention vise également à récupérer l'énergie thermique dégagée et à la transformer au moins en partie en énergie électrique et/ou à la réutiliser dans l'installation elle-même, la quantité d'énergie électrique récupérée étant relativement importante. Ces buts sont atteints par l'invention qui consiste en un procédé pour l'incinération de déchets, domestiques ou industriels, dans un réacteur (RC), caractérisé en ce que : - on réalise la combustion sous pression et avec apport d'oxygène pur dans le réacteur, et en absence d'azote, - on prélève les gaz de combustion pour réaliser un préchauffage des déchets avant leur entrée dans le réacteur, - puis on condense une première fois lesdits gaz pour les débarrasser de la vapeur d'eau puis une seconde fois pour condenser les gaz restants en vue de leur récupération. En outre, le procédé se caractérise en ce que on produit l'oxygène nécessaire à la combustion par séparation de l'azote et de l'oxygène de l'air, l'azote ainsi produit étant utilisé notamment pour le refroidissement des cendres résultant de la combustion des déchets et l'oxygène étant injecté en au moins un point du réacteur. Le procédé tel que défini permet une destruction accrue des dioxines et des imbrûlés. Une installation selon l'invention, pour la mise en oeuvre du procédé se caractérise en ce qu'elle comporte : 2 une trémie d'alimentation (TA) comportant en entrée et en sortie un opercule de fermeture et comportant des moyens aptes à préchauffer les déchets grâce aux gaz de combustion prélevés dans le réacteur (RC), une trémie intermédiaire apte à recueillir les déchets préchauffés dans la trémie d'alimentation et à les introduire en partie haute du réacteur, un réacteur équipé de trois brûleurs dont un brûleur principal (BP), un brûleur auxiliaire (BA) et un brûleur catalytique (BC) disposé au voisinage de la sortie des gaz de combustion, chacun des trois brûleurs étant alimenté en combustible par la ligne de combustible (3) et en oxygène pur par un circuit de production d'oxygène (5). Préférentiellement, l'oxygène est produit par séparation d'air en azote et en oxygène. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après, faite en référence aux figures annexées suivantes : - figure 1 : schéma de l'ensemble d'une installation d'incinération de déchets selon l'invention, figure 2 :schéma du circuit de vaporisation d'eau de l'installation, - figure 3 : schéma de détail de la trémie d'alimentation et de la vis d'alimentation selon l'invention. On se rapporte d'abord à la figure 1 montrant une installation dans son ensemble, celle-ci comportant essentiellement : - une ligne d'incinération 1, - un circuit de récupération des gaz de combustion 2, une ligne d'alimentation en combustible 3, un circuit d'azote 4, - un circuit d'oxygène. Ligne d'incinération. Le déchargement des camions contenant les déchets à détruire s'effectue par gravité dans une trémie d'alimentation (TA) dont la sortie est équipée d'un opercule de fermeture (OF1). Une vis d'alimentation (VA) reçoit les déchets provenant de la trémie d'alimentation (TA), les achemine et les déverse dans une trémie intermédiaire (TI) par une entrée située en haut de ladite trémie (TI) et équipée d'un opercule de fermeture (OF2). La vis d'alimentation (VA) permet en outre de préchauffer les déchets comme il sera expliqué plus loin. La trémie intermédiaire TI comporte une sortie basse centrale équipée d'un opercule de fermeture (OF3) et par laquelle elle assure par gravité le chargement des déchets dans un conduit d'entrée débouchant sur un opercule d'ouverture (OF4) d'un réacteur de combustion (RC) et en partie haute de celui-ci. Préférentiellement la trémie (TI) est mise sous pression pour faciliter l'expulsion des déchets vers le réacteur de combustion. Avantageusement la mise sous pression sera effectuée par introduction de la trémie (TI) par au moins un orifice approprié d'une masse gazeuse sous haute pression. Cette masse gazeuse sous haute pression présentera l'avantage de fluidifier la masse de déchets présente dans la trémie TI et par voie de conséquence de faciliter son écoulement vers le réacteur de combustion (RC). Pour éviter toute fuite de masse gazeuse de la trémie intermédiaire vers la trémie TA lors du chargement de ladite trémie intermédiaire, l'orifice d'introduction de la masse gazeuse sera associé à une vanne commandée à distance. Cette vanne sera en position d'obturation de l'orifice lorsque la trappe de chargement de la trémie sera en position d'ouverture et en position d'ouverture de l'orifice lorsque la trappe de chargement de la trémie intermédiaire sera en position d'obturation. Il sera possible d'utiliser plusieurs trémies tour à tour en relation avec la trémie d'alimentation et tour à tour en relation avec le réacteur RC. Cette disposition permet le chargement d'une trémie intermédiaire par la trémie d'alimentation lorsque l'autre ou l'une des autres est en cours de déchargement dans le réacteur (RC). 4 La combustion des déchets produit d'une part des cendres et d'autre part des gaz récupérés comme expliqué plus loin pour le préchauffage des déchets. Les cendres quant à elles, tombent en partie basse du réacteur (RC) puis dans un récupérateur refroidisseur des cendres (RCE) situé sous le réacteur (RC), se déversent dans une trémie de chargement des cendres (TC) par un opercule de fermeture (OF5), puis dans un camion qui les évacue. Le réacteur de combustion (RC) est équipé de briques réfractaires pour une bonne isolation thermique et il assure la combustion des déchets à l'aide de trois brûleurs (BP, BA, BC) alimentés en carburant et en oxygène et respectivement : un brûleur principal (BP) positionné à la base du réacteur de combustion (RC), - un brûleur auxiliaire (BA) positionné en partie centrale du 15 réacteur de combustion (RC), - un brûleur catalytique (BC) positionné en partie supérieure du réacteur et au voisinage de la sortie des gaz, des gaz de combustion 5 achèvent et optimisent la combustion. Les brûleurs primaire et auxiliaire fonctionnent en excès d'oxygène 20 avec une vitesse d'incinération 10 à 20 fois la vitesse habituelle. Le réacteur (RC) est prévu pour fonctionner à haute pression constante et haute température constante, ses entrées et sorties sont donc constituées de trappes constituant des écrans thermiques et assurant l'étanchéité. 25 Les trémies fonctionnent également sous pression et constituées de sas avec leurs opercules d'entrée et de sortie. On prévoit également des soupapes de sécurité CE1 et CE2 dans le réacteur et la trémie intermédiaire. Les opercules OFI à OF5 peuvent être actionnés par des moteurs 30 externes aux éléments qu'ils équipent. Des moteurs seront de tout type connu. Sans que cela soit limitatif, ils pourront être constitués par des vérins électriques, hydrauliques, ou pneumatiques, commandés à distance. Circuit de récupération des gaz de combustion (2). Les gaz de combustion sont prélevés à la sortie (2a) en partie haute du réacteur (RC) et envoyés par un conduit (SGC) dans un filtre à particules (FP) puis dans une turbine de détente (TRGC) et injectés par un conduit (Ti) dans un dispositif de préchauffage (SP) intégré dans une vis d'alimentation sans fin (VA) prévue entre la trémie d'alimentation (TA) et la trémie intermédiaire (TI). Cette vis d'alimentation (TA) comporte un arbre longitudinal (2d) sur lequel est disposé un filet (2c). À l'arbre de la vis sera accouplé un organe moteur de tout type connu. La turbine de détente (TRGC) est avantageusement associée à un générateur d'énergie électrique (GE1), on transforme ainsi une partie de l'énergie calorifique des gaz de combustion en électricité. Le dispositif de préchauffage (SP) est préférentiellement mais non limitativement celui de la figure 3 qui consiste en un filet (2c) sous forme de caisson avec une entrée de gaz aval à la vis et une sortie de gaz amont à la vis la sortie des gaz se faisant entre le filet et l'opercule d'entrée (OF1). Les entrées amont et aval sont chacune formées par un perçage borgne axial pratiqué dans l'arbre (2d) en extrémité correspondante et par un perçage radial pratiqué dans ledit arbre et débouchant d'une part dans le perçage borgne axial et dans la forme de caisson que présente le filet (2c). Les gaz de combustion sont injectés axialement dans l'entrée du filet et réchauffent les déchets tout le long de leur parcours dans le filet de la vis, puis sortent du filet pour être envoyés dans un premier condenseur (CV) qui a pour fonction de condenser la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion. Après passage dans un compresseur (CGCP), ils sont envoyés dans un deuxième condenseur (CGC) dont la fonction est de condenser et liquéfier les gaz restants, tels que vapeur d'eau restante, gaz carbonique, etc, qui peuvent être par exemple récupérés dans une citerne (2b) sans pollution pour l'environnement. On peut remarquer que la circulation des gaz dans la vis s'effectue à contre courant des déchets que cette dernière transporte. En variante, le sens de circulation des déchets sera identique au sens de circulation des déchets. Les deux condenseurs (CV) et (CGC) sont du type classique à échangeur tubulaire de chaleur dans lequel circule un fluide de réfrigération provenant d'un dispositif frigorigène à évaporateur (EFF). 6 Avantageusement une partie de l'eau condensée peut être récupérée pour être vaporisée sous forme de vapeur sèche sous haute pression et former la masse gazeuse sous haute pression introduite dans la trémie intermédiaire. Ainsi en sortie du condenseur (CV) une partie de l'eau peut être dérivée vers un échangeur de chaleur 6 pour être vaporisée sous forme de vapeur sèche sous haute pression. Avantageusement l'échangeur de chaleur peut être constitué par un faisceau de tubes en contact thermique avec le réacteur (RC) pour récupérer une partie de la chaleur dégagée par ce dernier, cette chaleur étant utilisée pour la vaporisation de l'eau. Préférentiellement un compresseur 7 pourra être disposé en amont de l'échangeur 6 pour pressuriser l'eau et pour créer à ce niveau une contre pression s'opposant au reflux de la vapeur vers le condenseur (CV). Les gaz de combustion prélevés sont des gaz oxydés et stabilisés sans dioxine et sans imbrûlés dans le conduit SGC. Une partie de leur énergie calorifique est transformée en énergie électrique dans un générateur associé à la turbine (TRGC) et 40% environ est utilisée dans la vis sans fin (VA) pour le préchauffage des déchets. On prévoit également dans ce circuit de gaz (3) au moins un moyen d'inertage (par exemple par filtration par osmose) des gaz dans le premier condenseur (CV) et/ou dans le deuxième condenseur (CGC). Ligne de combustible (3). Pour l'alimentation en combustible par une ligne (3), on prévoit de prélever le carburant d'un réservoir (RCA) et de l'injecter sous haute pression dans chacun des trois brûleurs à savoir le brûleur principal (BP), le brûleur 25 auxiliaire (BA) et le brûleur catalytique (BC). Circuit d'azote (4). Une batterie de compresseurs d'air (BCA) comprime l'air atmosphérique de 1 bar à 300 bars environ, cet air étant refroidi après chaque étage de compression dans des échangeurs thermiques par le fluide de 30 réfrigération provenant par un conduit (4a) du dispositif frigorigène (EFF) déjà cité. Un turbo compresseur (TCA) détend l'air de 300 bars à 50 bars environ, détente s'accompagnant d'un refroidissement de l'air de 43 (environ en sortie de l'échangeur thermique du dernier étage de compression) jusqu'à - 134 environ ce qui permet de séparer l'azote gazeux de l'oxygène liquéfié à l'intérieur d'un ballon de détente d'air (BDA). Le même turbo compresseur (TCA) recomprime l'azote gazeux de 5 50 bars environ à 280 bars environ ce qui le réchauffe jusque vers -45 C environ, et l'envoie dans un réservoir d'azote (RAG). L'azote est ensuite envoyé du réservoir (RAG) vers un échangeur thermique (CFF2) où est réchauffé à 61 C environ puis est envoyé dans un échangeur tubulaire prévu dans la trémie de chargement des cendres (TC) afin 10 de refroidir lesdites cendres. L'azote est ensuite envoyé dans une turbine de récupération d'azote (TRA) associée à un générateur électrique 0E2. Ainsi l'azote est utilisé pour récupérer de l'énergie calorifique laquelle énergie se trouve transformée en énergie électrique par le générateur GE2. Le circuit de séparation d'azote qui vient d'être décrit à titre 15 d'exemple non limitatif a pour fonction d'éviter la pollution liée à l'azote et à la production d'oxyde d'azote. Circuit d'oxygène (5). Un séparateur paramagnétique sépare l'oxygène liquide de l'azote gazeux en sortie du ballon de détente BDA. 20 L'oxygène liquide est envoyé dans un réservoir d'oxygène liquide (ROL). Après stockage, il est préchauffé dans un échangeur CFF2 de -134 à 0 environ où il se gazéifie et dirigé vers le réacteur RC pour alimenter chacun des trois brûleurs (BP, BA, BC). L'alimentation des brûleurs en oxygène favorise la combustion 25 complète des déchets. Un brûleur complémentaire catalytique (non représenté), également alimenté en oxygène, permet en outre de dissocier les molécules de dioxine et d'éliminer les imbrûlés éventuels. Les moyens de séparation de l'air en oxygène et azote qui vient 30 d'être décrit est utilisé préférentiellement pour les incinérateurs selon l'invention de grande capacité. Pour des incinérateurs selon l'invention, de faible capacité, on peut utiliser de préférence des séparateurs d'air fonctionnant à l'aide de filtres à 10 15 20 25 30 membranes pour séparer l'oxygène et l'azote, ce type de séparateur permettant d'obtenir l'oxygène et l'azote directement sous forme gazeuse et à un prix de revient deux fois moins élevé qu'avec un approvisionnement de ces deux gaz sous forme liquide. Les avantages que représente ce nouveau type d'incinérateur sont les suivants : Pour incinérer la même quantité de déchets, le volume de l'incinérateur est nettement inférieur à celui des incinérateurs actuellement utilisés. L'utilisation de l'oxygène à la place de l'air diminue le volume de comburant des 79% d'azote contenus dans l'air atmosphérique. - Le fonctionnement sous haute pression à l'intérieur de l'incinérateur accélère la vitesse de combustion des déchets en présence d'oxygène, l'absence d'azote permettant un contact direct avec le comburant. La récupération de l'azote provenant de la séparation de l'air permet pour des incinérateurs de grande capacité de produire de l'énergie par l'utilisation de turbines de récupération accouplées à un générateur électrique. - L'incinérateur fonctionnant sous pression, les gaz de combustion produisent de l'énergie par l'utilisation de turbines de récupération accouplées chacune à un générateur électrique. - Compte tenu des caractéristiques de fonctionnement de ce nouveau type d'incinérateur, l'investissement pour incinérer la même quantité de déchets est inférieur à celui nécessaire avec les incinérateurs actuels. - Le fonctionnement en circuit fermé grâce au recyclage des gaz oxydés évite tout rejet de gaz à l'atmosphère. L'installation peut incinérer tout type de déchets y compris de l'amiante et des boues de forage par exemple. REVENDICATIONS . 1/ Procédé pour l'incinération de déchets, domestiques ou industriels, dans un réacteur (RC), caractérisé en ce que : - on réalise la combustion sous pression et avec apport d'oxygène pur dans le réacteur, et en absence d'azote, on prélève les gaz de combustion pour réaliser un préchauffage des déchets avant leur entrée dans le réacteur, - puis on condense une première fois lesdits gaz pour les débarrasser de la vapeur d'eau puis une seconde fois pour condenser les gaz restants en vue de leur récupération. 2/ Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que on produit l'oxygène nécessaire à la combustion par séparation de l'azote et de l'oxygène de l'air, l'azote ainsi produit étant utilisé pour le refroidissement des cend1-es résultant de la combustion des déchets, et l'oxygène étant injecté en au moins un point du réacteur. 3/ Installation pour l'incinération de déchets domestiques ou industriels, du type comportant un réacteur (RC) avec au moins un brûleur alimenté par une ligne d'alimentation en combustible (3), caractérisée en ce qu'elle comporte : - une trémie d'alimentation (TA) comportant en entrée et en sortie un opercule de fermeture et comportant des moyens aptes à préchauffer les déchets grâce aux gaz de combustion prélevés dans le réacteur (RC), au moins une trémie intermédiaire (Tl) apte à recueillir les déchets préchauffés dans la trémie d'alimentation et à les introduire en partie haute du réacteur, - un réacteur équipé de trois brûleurs dont un brûleur principal (BP), un brûleur auxiliaire (BA) et un brûleur catalytique (BC) disposé au voisinage de la sortie des gaz de combustion, chacun des trois brûleurs étant alimenté en combustible par la ligne de combustible (3) et en oxygène pur par un circuit de production d'oxygène (5). 25 304/ Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que les moyens de la trémie d'alimentation aptes à réchauffer les déchets consistent en un filet (2c) sous forme de caisson avec une entrée de gaz aval à la vis et une sortie de gaz amont à la vis la sortie des gaz se faisant à l'autre extrémité entre le filet et l'opercule d'entrée (OF1). 5/ Installation selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un circuit de récupération des gaz de combustion (2) en partie haute du réacteur comportant successivement un filtre à particule (FP), une turbine de détente (TR GC), les moyens de préchauffage des déchets, un premier condenseur (CX) apte à condenser la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion, un deuxième condenseur apte à condenser les gaz restant en vue de leur récupération. 6/ Installation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le circuit de récupération des gaz de combustion comporte au moins un moyen d'inertage. 7/ Installation selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un séparateur d'air fonctionnant à l'aide de filtres à membrane pour séparer l'oxygène et l'azote. 8/ Installation selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisée en ce qu'elle comporte un séparateur d'air formé d'une batterie de compresseur d'air (BCA) et d'un turbo compresseur TCA permettant de séparer l'azote gazeux de l'oxygène liquéfié. 9/ Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le circuit de production d'oxygène (5) comporte après le séparateur d'air et le turbo compresseur un ballon de détente (BDA), un réservoir de stockage d'oxygène liquide (ROL), un échangeur (CFF2) où l'oxygène se gazéifie pour alimenter chacun des trois brûleurs (BP, BA, BC). 10/ Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comporte après le séparateur d'air et le turbo-compresseur un ballon de détente (BDA), un réservoir d'azote (RAG), un échangeur thermique (CFF2) puis un échangeur tubulaire prévu dans la trémie de déchargement des cendres (TC), puis une turbine de récupération d'azote (TRA). 11 11/ Installation selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisée en ce que la turbine de détente (TR GC) et la turbine de récupération d'azote (TRA) sont associées à un générateur électrique. 12/ Installation selon l'une quelconque des revendications 3 à 11, caractérisée en ce que la trémie (TI) est mise sous pression pour faciliter l'expulsion des déchets vers le réacteur de combustion. 13/ Installation selon la revendication 12, caractérisée en ce que la mise sous pression de la trémie intermédiaire (TI) est effectuée par introduction dans ladite trémie (TI), par au moins un orifice approprié, d'une masse gazeuse sous haute pression. 14/ Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que l'orifice d'introduction de la masse gazeuse dans la trémie intermédiaire (TI), est associé à une vanne commandée à distance pour éviter toute fuite de masse gazeuse de la trémie intermédiaire vers la trémie (TA) lors du chargement de ladite trémie intermédiaire. 15/ Installation selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce que la masse gazeuse est de la vapeur sèche sous haute pression. 16/ Installations selon la revendication 4, caractérisé en ce que les gaz en sortie du filet de la vis sont envoyés dans un premier condenseur (cv) qui a pour fonction de condenser la vapeur d'eau contenue dans les gaz de combustion, après passage dans un compresseur (CGCP), lesdits gaz étant envoyés dans un deuxième condenseur (CGC) dont la fonction est de condenser et liquéfier les gaz restants, tels que vapeur d'eau restante, gaz carbonique. 17/ Installation selon les revendications 15 et 16 prises ensemble, caractérisé en ce que une partie de l'eau de condensation en sortie du condenseur (CV) est dérivée vers un échangeur de chaleur pour être vaporisée sous forme de vapeur sèche sous haute pression. 18/ Installation selon la revendication 17, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est constitué par un faisceau de tubes en contact thermique avec le réacteur (RC) pour récupérer une partie de la chaleur dégagée par ce dernier, cette chaleur étant utilisée pour la vaporisation de l'eau.19/ Installation selon la revendication 18, caractérisée en ce que par un compresseur disposé en amont de l'échangeur pour pressuriser l'eau et pour créer à ce niveau une contre-pression s'opposant au reflux de la vapeur vers le condenseur (CV).