Brevet FR2917486A1 — publié le 20081219

PROCEDE DE GAZEIFICATION DE DECHETS DANS UN FOUR A SOLE TOURNANTE, ET FOUR POUR SA MISE EN îUVRE. La présente invention concerne, de façon générale, le domaine de la gazéification de déchets. Plus précisément, l'invention concerne, selon un premier de ses aspects, un procédé de gazéification de déchets organiques. Les techniques de gazéification de déchets connues sont basées sur des technologies de lit fluidisé ou de percolation à travers un lit fixe. Ces techniques sont efficaces en termes de rendement de gazéification mais nécessitent, en amont de la gazéification, un calibrage précis des déchets. En effet, les déchets doivent être de l'ordre du millimètre et présenter une répartition homogène et constante en taille. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de proposer un procédé de gazéification de déchets satisfaisant en termes de rendement de gazéification, de mise en oeuvre simplifiée, et de réalisation plus rapide. A cette fin, le procédé selon l'invention de gazéification de déchets organiques est essentiellement caractérisé en ce que les déchets sont introduits dans un four à sole tournante dans lequel ils sont successivement traités en au moins deux étapes concomitantes, incluant : -une première étape pendant laquelle les déchets introduits dans le four sont traités à une température comprise entre 400 et 600 C, et produisent ainsi des gaz condensables, des gaz incondensables, et du coke reposant sur la sole du four, et - une deuxième étape pendant laquelle les gaz condensables et incondensables et le coke sont traités à une température comprise entre 800 et 1100 C, et sont mis en présence de vapeur d'eau, et produisent des gaz de synthèse. L'invention présente donc l'avantage de proposer une gazéification de déchets exempte de préparation lourde en amont, ce qui simplifie le procédé dans son ensemble et permet un gain de temps ainsi qu'un coût réduit de mise en œuvre. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le procédé inclut en outre une troisième étape de combustion des résidus de coke de la deuxième étape en les portant à une température comprise entre 1000 et 1300 C. De manière avantageuse, au moins une partie des gaz de synthèse obtenus à la deuxième étape sont extraits et valorisés énergétiquement. De préférence, la chaleur générée par la troisième 15 étape est utilisée pour les traitements thermiques d'au moins les première et deuxième étapes. Une partie des gaz de synthèse obtenus à la deuxième étape sont avantageusement brûlés à la troisième étape. Selon une version particulière de l'invention, la 20 sole du four emmagasine de la chaleur pendant la troisième étape et la restitue au moins pendant les première et deuxième étapes. Les déchets, avant d'être introduits dans le four, peuvent être soumis à un broyage et/ou à un criblage. 25 Les déchets introduits dans le four présentent préférentiellement une plus grande dimension au plus égale à 100 millimètres. A la deuxième étape, la vapeur d'eau est par exemple injectée dans le coke reposant sur la sole, de préférence 30 à travers la sole. De préférence, à la troisième étape, de l'oxygène, et notamment de l'air, est apporté dans le four. Selon une version préférée de l'invention, les matériaux reposant sur la sole du four, tels que les 35 déchets ou le coke, sont mélangés, notamment à l'aide de râbles présents au-dessus de la sole, tels que des râteaux ou des socs de charrue, par exemple en acier. On appelle matériaux les déchets et tous leurs produits obtenus par les réactions des première, deuxième et troisième étapes. On appelle en particulier matériaux reposant sur la sole les déchets et leurs produits qui reposent sur la sole du four. En particulier, les déchets sont des mélanges de déchets solides, pulvérulents, et/ou liquides. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, les déchets introduits dans le four sont déposés sur la sole, en périphérie de celle-ci, puis sont, au cours de la rotation de la sole, ponctuellement poussés en direction de centre de la sole, les matériaux reposant sur la sole du four, tels que les déchets ou le coke, suivant ainsi une trajectoire en forme de spirale. Les matériaux reposant sur la sole du four peuvent être poussés et mélangés par les râbles. De manière avantageuse, chaque étape a lieu respectivement dans un volume délimité à l'intérieur du four. Selon une version préférée, au moins une partie des gaz et/ou des fumées présents à la troisième étape sont brûlés à cette étape et circulent au-dessus des volumes délimités dans le four pour chauffer indirectement le contenu des dits volumes. De l'oxygène, et notamment de l'air, peut être injecté au-dessus des volumes délimités dans le four. Les déchets sont de préférence introduits en débit continu dans le four. A titre d'exemple, les déchets sont choisis parmi les combustibles de substitution fabriqués à partir de déchets ménagers et industriels, les rebus de broyage, les boues de stations d'épuration d'eaux, les bois contaminés, les déchets organiques industriels, et/ou les déchets d'agriculture. L'invention concerne, selon un deuxième aspect, un four à sole tournante pour la gazéification de déchets organiques, comprenant une enceinte de four délimitée par un fond, une paroi périphérique et une paroi supérieure, et une sole tournante, au-dessus du fond de l'enceinte, susceptible de rotation autour d'un axe, et destinée à recevoir les déchets. Ledit four est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble interne de parois au- dessus de la sole tournante, définissant trois chambres à l'intérieur de l'enceinte, autour de l'axe de rotation de la sole. Le four selon l'invention peut avantageusement comprendre en outre des moyens de mélange dans l'enceinte de four au-dessus de la sole, lesdits moyens de mélange étant au moins destinés à retourner et mélanger des matériaux reposant sur la sole, tels que les déchets ou le coke. Les moyens de mélange sont notamment des râbles, 15 tels que des râteaux ou des socs de charrue, par exemple en acier. De préférence, les moyens de mélange sont disposés radialement par rapport à l'axe de rotation de la sole. D'autres caractéristiques et avantages de 20 l'invention ressortiront clairement de la description détaillée qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un diagramme d'un mode de 25 réalisation du procédé selon l'invention ; et - la figure 2 représente schématiquement un four à sole tournante selon l'invention, adapté à la mise en œuvre du procédé selon l'invention. Dans la figure 1, des déchets 1 sont introduits dans 30 le four (non représenté) et y subissent la première étape 2. Cette première étape 2 consiste à sécher et à réaliser au moins en partie la thermolyse des déchets. Elle produit du coke qui repose sur la sole du four et 35 est ainsi dirigé, par la rotation de la sole, vers la deuxième étape 3. Des gaz sont également obtenus pendant cette première étape 2. Ils contiennent des gaz incondensables, tels que méthane CH4, éthane C2H6r monoxyde de carbone CO, et hydrogène H2, et des gaz condensables, tels que goudron et phénol. Ces gaz sont également dirigés vers la deuxième 5 étape 3. La deuxième étape 3 est successive à la première étape 2 pour un même lot de déchets. Ces deux étapes 2, 3 sont concomitantes dans le four. La deuxième étape 3 est réalisée à une température 10 supérieure à celle de la première étape 2 et permet éventuellement de terminer la thermolyse des déchets et de leurs produits de réaction issus de la première étape 2. Cette deuxième étape 3 est l'étape de gazéification. 15 Celle-ci se fait grâce à l'introduction 4 de vapeur d'eau. La vapeur d'eau est injectée en particulier dans le coke reposant sur la sole, et de préférence à travers la sole. 20 Cette vapeur d'eau permet le craquage du coke et des gaz condensables issus de la première étape 2. Les gaz obtenus à la deuxième étape 3, appelés gaz de synthèse, sont de préférence extraits, en sortie 5, dès cette étape 3. 25 Les gaz de synthèse extraits sont par exemple lavés, dépoussiérés, et filtrés, avant d'être valorisés énergétiquement en turbine à gaz ou en chaudière. Selon une version particulièrement avantageuse de l'invention, le procédé inclut une troisième étape 6 de 30 combustion, à une température comprise entre 1000 et 1300 C. Cette troisième étape 6 est successive à la deuxième étape 3 pour un même lot de déchets. Les trois étapes 2, 3, 6 sont réalisées concomitamment dans le four. 35 Un comburant, en l'occurrence l'oxygène de l'air, est amené en entrée 7. Lors de cette troisième étape 6, les résidus de coke issus de la deuxième étape 3 sont traités. En outre, une partie des gaz de synthèse obtenus à la deuxième étape 3 peuvent être aussi brûlés à la troisième étape 6. La troisième étape 6 génère beaucoup de chaleur, par la combustion de résidus de coke, qui sont par exemple à l'état de fumées au niveau de cette étape, ainsi que par celle d'une partie des gaz issus de la deuxième étape 3. Cette chaleur est avantageusement utilisée, comme le montre les flèches 8, pour les traitements thermiques des première et deuxième étapes 2, 3. La chaleur générée à la troisième étape 6 est suffisante pour chauffer le four, et en particulier pour l'apport calorifique nécessaire respectivement au déroulement des première, deuxième et troisième étapes 2, 3, 6. La chaleur générée à la troisième étape 6 est par exemple stockée par la sole du four, qui est en matériau réfractaire. La sole restitue ensuite cette chaleur stockée aux matériaux se trouvant dans le four, et en particulier aux matériaux reposant sur la sole. De manière particulièrement avantageuse, chaque étape 2, 3, 6 du procédé selon l'invention a lieu respectivement dans un volume délimité à l'intérieur du four. Chaque volume est par exemple une chambre telle que décrite ci-après. Au moins une partie des gaz et/ou des fumées présents à la troisième étape 6, autrement dit obtenus directement à cette étape 6 et éventuellement provenant de la deuxième étape 3, peuvent avantageusement circuler au-dessus des volumes délimités dans le four pour chauffer indirectement le contenu des dits volumes. Par exemple, ils circulent au niveau de la voûte du four, i.e. de la partie supérieure de l'enceinte de four, sous la paroi supérieure de celle-ci. De l'oxygène, et notamment de l'air, est préférentiellement injecté au-dessus des volumes délimités dans le four pour favoriser la combustion des gaz et/ou des fumées y circulant. A la figure 2 est représenté un four à sole tournante, adapté à la mise en oeuvre du procédé, selon l'invention, de gazéification de déchets organiques. Ce four comprend une enceinte 10 de four délimitée par un fond 11, une paroi périphérique 12 et une paroi supérieure 13. Au-dessus du fond de l'enceinte, la sole tournante 14 est susceptible de rotation autour d'un axe 15. Elle est destinée à recevoir les déchets introduits par l'entrée 16. Le four comprend en outre un ensemble interne 17 de parois au-dessus de la sole tournante 14. L'ensemble 17 de parois définit au moins deux, et de préférence trois, chambres 18a, 18b, 18c à l'intérieur de l'enceinte 10, autour de l'axe 15 de rotation de la sole. L'ensemble 17 de parois présente un ou plusieurs plans de préférence perpendiculaires à celui de la sole 14. Il ménage un ou plusieurs espaces de passage au-dessus de la sole 14, de manière à ce que les matériaux reposant sur la sole puissent circuler sous l'ensemble 17 de parois. Ainsi, les chambres définies par l'ensemble de parois ne sont pas tout à fait fermées par la ou les parois. A titre d'exemple, voici un mode de réalisation du procédé selon l'invention mis en ouvre dans le four représenté à la figure 2 : - Les déchets introduits par l'entrée 16 sont soumis au traitement de la première étape dans la chambre 18a. Les gaz et le coke obtenus passent sous l'ensemble 17 de parois et entrent dans la chambre 18b pour la gazéification. Le coke est en rotation avec la sole 14. - De la vapeur d'eau est amené en entrée 19 pour la gazéification. Cette entrée est de préférence au niveau de la sole 14, et tout préférentiellement à travers la sole 14. -Une partie des gaz de synthèse de la deuxième étape sont extraits par la sortie 20. -La rotation continue de la sole 14 transporte les résidus de coke dans la chambre 18c, par passage sous 5 l'ensemble 17 de parois. -Dans la chambre 18c a lieu la troisième étape de combustion. De l'air est amené par l'entrée 21. -Les cendres restant sur la sole 14 en fin de troisième étape sont extraites par la sortie 22. 10 Le procédé selon l'invention peut de manière avantageuse fonctionner en continu. Les déchets sont alors introduits en débit continu dans le four. La sole du four tourne avantageusement en continu et à vitesse constante. La vitesse de la sole est réglable. 15 Le four peut fonctionner en mode piston, ou en mode spiralé. En mode piston, les déchets sont déposés de préférence sur un rayon de la sole et les cendres obtenues en fin de procédé sont extraites du four à 20 l'aide par exemple d'une vis d'extraction. En mode spiralé, les déchets introduits dans le four sont déposés sur la sole, en périphérie de celle-ci, puis sont, au cours de la rotation de la sole, ponctuellement poussés en direction de centre de la sole, les matériaux 25 reposant sur la sole du four, tels que les déchets ou le coke, suivant ainsi une trajectoire en forme de spirale. Par exemple, sur une sole de 5 mètres de largeur, on dépose les déchets sur 50 centimètres sur cette largeur. Le mode spiralé offre l'avantage d'une vitesse de 30 traitement des déchets plus grande par rapport au mode piston. La vitesse de rotation de la sole est en général plus grande en mode spiralé qu'en mode piston. Le four peut inclure des moyens de mélange dans l'enceinte de four au-dessus de la sole. Ces moyens de 35 mélange sont au moins destinés à retourner et mélanger les matériaux (déchets, coke, etc.) reposant sur la sole. Ces moyens de mélange sont par exemple des râbles, tels que des râteaux ou des ensembles de socs de charrue. Ils sont de préférence en acier. Les matériaux reposant sur la sole du four, tels que les déchets ou le coke, peuvent ainsi être mélangés au cours du procédé. Ce mélange permet d'empêcher la formation d'une couche supérieure de cendres sur l'amas de matériaux, couche qui a pour inconvénient d'isoler le reste de l'amas. Les moyens de mélange sont par exemple disposés radialement par rapport à l'axe de rotation de la sole. Les matériaux reposant sur la sole du four peuvent être non seulement mélangés par les moyens de mélange, mais également poussés par ces moyens, en particulier dans le cadre d'un fonctionnement du four en mode spiralé. Les déchets organiques concernés par l'invention peuvent être de nature hétérogène, et notamment être des mélanges de déchets solides, pulvérulents, et/ou liquides. A titre d'exemple, les déchets sont choisis parmi les combustibles de substitution fabriqués à partir de déchets ménagers et industriels, les rebus de broyage, les boues de stations d'épuration d'eaux, les bois contaminés, les déchets organiques industriels, et/ou les déchets d'agriculture. De préférence, les déchets, avant d'être introduits dans le four, sont soumis à un broyage et/ou à un criblage, pour sélectionner avantageusement les déchets présentant une plus grande dimension au plus égale à l00 millimètres. Un des avantages du procédé de l'invention est de ne nécessiter éventuellement qu'un broyage et/ou un criblage sommaires, et d'accepter des déchets de taille hétérogène, telle que comprise entre environ 1 millimètre et environ 100 millimètres. En outre, par rapport à un procédé d'incinération de déchets, le procédé selon l'invention permet de limiter de manière importante l'émission de dioxyde de carbone CO2r pour une même quantité de déchets traités. REVENDICATIONS 1/ Procédé de gazéification de déchets organiques, caractérisé en ce que les déchets (1) sont introduits dans un four à sole tournante dans lequel ils sont successivement traités en au moins deux étapes (2, 3, 6) concomitantes, incluant : - une première étape (2) pendant laquelle les déchets 1 introduits dans le four sont traités à une température comprise entre 400 et 600 C, et produisent ainsi des gaz condensables, des gaz incondensables, et du coke reposant sur la sole du four, et - une deuxième étape (3) pendant laquelle les gaz condensables et incondensables et le coke sont traités à une température comprise entre 800 et 1100 C, et sont mis en présence de vapeur d'eau, et produisent des gaz de synthèse. 2/Procédé selon la revendication 1, incluant en outre une troisième étape (6) de combustion des résidus de coke de la deuxième étape (3) en les portant à une température comprise entre 1000 et 1300 C. 3/ Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel au moins une partie des gaz de synthèse obtenus à la deuxième étape (3) sont extraits et valorisés énergétiquement. 4/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, dans lequel la chaleur générée par la troisième étape (6) est utilisée pour les traitements thermiques d'au moins les première et deuxième étapes (2, 3). 5/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel une partie des gaz de synthèse obtenus à la deuxième étape (3) sont brûlés à la troisième étape (6). 6/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 35 2 à 5, dans lequel la sole du four emmagasine de la chaleur pendant la troisième étape (6) et la restitue au moins pendant les première et deuxième étapes (2, 3). 7/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les déchets (1), avant d'être introduits dans le four, sont soumis à un broyage et/ou à un criblage. 8/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les déchets 1 introduits dans le four présentent une plus grande dimension au plus égale à 100 millimètres. 9/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel, à la deuxième étape (3), la vapeur d'eau est injectée dans le coke reposant sur la sole, de préférence à travers la sole. 10/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans lequel, à la troisième étape (6), de l'oxygène, et notamment de l'air, est apporté dans le four. 11/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les matériaux reposant sur la sole du four, tels que les déchets ou le coke, sont mélangés, notamment à l'aide de râbles présents au-dessus de la sole, tels que des râteaux ou des socs de charrue, par exemple en acier. 12/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel les déchets (1) sont des mélanges de déchets solides, pulvérulents, et/ou liquides. 13/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel les déchets (1) introduits dans le four sont déposés sur la sole, en périphérie de celle-ci, puis sont, au cours de la rotation de la sole, ponctuellement poussés en direction de centre de la sole, les matériaux reposant sur la sole du four, tels que les déchets ou le coke, suivant ainsi une trajectoire en forme de spirale. 14/ Procédé selon la revendication 13, dans lequel les matériaux reposant sur la sole du four sont poussés et mélangés par les râbles. 15/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, dans lequel chaque étape (2, 3, 6) a lieu respectivement dans un volume délimité à l'intérieur du four. 16/ Procédé selon la revendication 15 prise dans son rattachement à l'une quelconque des revendications 2 à 14, dans lequel au moins une partie des gaz et/ou des fumées présents à la troisième étape (6) sont brûlés à cette étape (6) et circulent au-dessus des volumes délimités dans le four pour chauffer indirectement le contenu des dits volumes. 17/ Procédé selon la revendication 15 ou 16, dans lequel de l'oxygène, et notamment de l'air, est injecté au-dessus des volumes délimités dans le four. 18/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, dans lequel les déchets (1) sont introduits en débit continu dans le four. 19/ Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, dans lequel les déchets (1) sont choisis parmi les combustibles de substitution fabriqués à partir de déchets ménagers et industriels, les rebus de broyage, les boues de stations d'épuration d'eaux, les bois contaminés, les déchets organiques industriels, et/ou les déchets d'agriculture. 20/ Four à sole tournante pour la mise en oeuvre d'un procédé de gazéification de déchets organiques tel que décrit dans l'une quelconque des revendications 1 à 19, comprenant : - une enceinte (10) de four délimitée par un fond (11), une paroi périphérique (12) et une paroi supérieure (13), - une sole tournante (14), au-dessus du fond (11) de l'enceinte, susceptible de rotation autour d'un axe (15), et destinée à recevoir les déchets, ledit four étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un ensemble interne (17) de parois au- dessus de la sole tournante (14), définissant au moins deux chambres (18a, 18b, 18c) à l'intérieur de l'enceinte (10), autour de l'axe (15) de rotation de la sole, deux chambres (18a, 18b) étant adaptées à la mise en oeuvre respective des première et deuxième étapes (2, 3) du procédé. 21/ Four selon la revendication 20, comprenant trois chambres (18a, 18b, 18c) adaptées à la mise en oeuvre respective des première, deuxième et troisième étapes (2, 3, 6) dudit procédé. 22/ Four selon la revendication 20 ou 21, comprenant en outre des moyens de mélange dans l'enceinte (10) de four au-dessus de la sole (14), lesdits moyens de mélange étant au moins destinés à retourner et mélanger des matériaux reposant sur la sole, tels que les déchets ou le coke. 23/ Four selon la revendication 22, dans lequel les 15 moyens de mélange sont des râbles, tels que des râteaux ou des socs de charrue, par exemple en acier. 24/ Four selon la revendication 22 ou 23, dans lequel les moyens de mélange sont disposés radialement par rapport à l'axe (15) de rotation de la sole. 20