Brevet FR2957528A1 — publié le 20110923

PROCEDE ET INSTALLATION D'EPURATION DE FUMEES CONTENANT DES POLLUANTS ACIDES La présente invention concerne un procédé et une installation d'épuration de fumées contenant des polluants acides. Au sens de l'invention, ces polluants acides comprennent notamment, mais non exclusivement, l'acide chlorhydrique et les oxydes de soufre. Ces polluants sont générés par de nombreuses activités industrielles, telles que les incinérateurs, les fours cimentiers ou les raffineries de pétrole. En effet, la combustion de matières fossiles, tout comme l'incinération de déchets, produit des fumées chargées en oxyde de soufre, en oxyde d'azote et en autres polluants acides. L'épuration de ces fumées représente donc un enjeu environnemental important. D'ailleurs, parmi les polluants émis, les oxydes de soufre représentent un défit important et plusieurs procédés sont employés pour les éliminer avant le rejet des fumées à l'atmosphère. Principalement, trois classes de procédé sont actuellement disponibles. On connaît ainsi les procédés humides, dans lesquels les fumées sont mises en contact avec un liquide contenant un réactif de neutralisation. On connaît également les procédés semi-secs, dans lesquels on atomise une bouillie contenant un réactif de neutralisation qui va être évaporé puis collecté avec des sous-produits de réaction et les résidus sur un collecteur. Enfin, on dispose des procédés secs, dans lesquels les fumées à épurer sont mises en contact avec un réactif pulvérulent en vue de collecter, de manière similaire à ce qui se fait pour les procédés semi-secs, les produits issus de la réaction et les résidus sur un collecteur, par exemple un filtre à manches. Il existe d'autres procédés d'épuration, de nature catalytique ou basés sur des solvants, de moindre importance industrielle. Dans tous les cas, chaque type de procédé présente ses avantages et ses inconvénients : les procédés secs, en particulier, sont souvent utilisés pour les installations de petites et moyennes tailles car elles offrent un excellent compromis performance/coût d'investissement et d'exploitation. Si l'on s'intéresse plus en détail aux procédés secs, il est prévu, dans leur forme de base, qu'un réactif de neutralisation, tel que de la chaux, est injecté dans la veine gazeuse des fumées à épurer, pour que ce réactif réagisse avec les polluants acides présents. Les fumées épurées, ainsi que l'excès de réactif sont captés en aval. Cependant, pour avoir des performances attractives, on est amené à opérer dans une plage de températures limitée et, même dans ces conditions de température, l'obtention d'un rendement élevé d'épuration, notamment de désulfuration, requiert un excès important de réactifs. Pour améliorer cette situation, il est souvent préconisé de 2 conditionner les fumées en en abaissant la température par divers moyens, comme l'injection d'eau liquide et son évaporation dans des tours de conditionnement ou bien directement dans la gaine de circulation des fumées. La première option conduit à des tours d'atomisation de dimensions importantes, et donc onéreuses, tandis que la seconde crée des risques de dépôt et d'encrassement dans la gaine où on injecte l'eau, ce qui crée des problèmes de maintenance et d'exploitation. On peut par ailleurs abaisser la température des fumées à épurer par injection d'air froid, rendant ainsi le procédé plus efficace. Toutefois, cette solution est très peu attractive dès qu'il s'agit de réaliser un refroidissement de plus de 5 à 10°C en raison de l'augmentation du volume des fumées et des difficultés à bien mélanger les fumées et l'air froid. Ceci abaisse en outre l'humidité des fumées, ce qui est défavorable. Une autre possibilité est de réaliser une recirculation des résidus après réactivation par humidification : US 6 213 629 en fournit un exemple. Pour ce faire, on pulvérise de l'eau sur les résidus recirculés. Cependant, pour des refroidissements de plus de 20°C, les quantités à recirculer sont considérables. De plus, la quantité d'eau à injecter doit être parfaitement maîtrisée en regard du débit des résidus solides recirculés : malgré cette précaution, les risques de colmatage sont réels au moment de la mise en contact des résidus solides, c'est-à-dire de cendres, avec l'eau pulvérisée. Enfin, le caractère encrassant et mottant de ces solides humidifiés est important. Encore une autre possibilité est de placer dans le circuit d'alimentation en fumées à épurer un économiseur pour abaisser la température de ces fumées. Toutefois, ce type de solution, qui n'augmente pas l'humidité des fumées et qui ne réalise pas une humidification des cendres, n'est pas favorable pour la réaction de neutralisation et la captation des polluants acides. Enfin, FR-A-2 883 772 et FR-A-2 911 518 ont proposé de réaliser un recyclage et une activation des résidus par de la vapeur d'eau, ce qui constitue une amélioration par rapport à une humidification par de l'eau liquide. Toutefois, cette solution ne suffit pas élever beaucoup la teneur en humidité dans les fumées et ne contribue pas significativement à leur refroidissement. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et une installation d'épuration améliorés, qui concilient, de manière performante, activation des résidus recirculés, humidification de ces résidus et des fumées à épurer, et refroidissement des fumées à épurer. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'épuration de fumées contenant des polluants acides, notamment de l'acide chlorhydrique et/ou des oxydes de soufre, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes suivant lesquelles : - on fait circuler les fumées à épurer, à une température comprise entre 120 et 250°C, de préférence entre 130 et 180°C, à travers un générateur de vapeur d'eau de façon à abaisser la température de ces fumées à épurer de 5 à 40°C, tout en produisant de la vapeur d'eau à une pression comprise entre 1 et 5 bars absolus, - on alimente les fumées à épurer sortant du générateur à un séparateur gaz-solides auquel on alimente également un réactif de neutralisation, notamment de la chaux, de la magnésie, du carbonate de sodium et/ou du bicarbonate de sodium, - on admet dans un réacteur gaz-solides : • une fraction des fumées épurées sortant du séparateur, cette fraction étant comprise entre 0,1 et 5%, de préférence 0,3 et 1%, du débit total de ces fumées épurées, • une fraction des résidus solides issus du séparateur, et • au moins une fraction de la vapeur d'eau produite par le générateur, et - on recycle vers le séparateur au moins une partie des résidus solides issus du réacteur et au moins une partie des gaz sortant de ce réacteur. L'idée à la base de l'invention est, en quelque sorte, de renforcer l'intégration des traitements mis en oeuvre pour épurer les fumées contenant des polluants acides. Selon l'invention, avant d'envoyer les fumées à épurer à un séparateur gaz-solides, on en abaisse la température, en récupérant la chaleur qu'on a fait perde à ces fumées, pour générer de la vapeur d'eau dont au moins une fraction alimente la réaction d'activation entre une fraction des fumées épurées sortant du séparateur et une fraction des résidus solides issus de ce séparateur. Les produits de cette réaction d'activation, qui sont donc humides, sont recyclés vers le séparateur gaz-solides. Ainsi, l'invention réalise une réelle synergie opératoire puisqu'elle combine astucieusement, à la fois, un abaissement de la température des fumées à épurer, sans augmenter pour autant le flux volumique de ces fumées, une humidification de ces fumées, et une limitation de la quantité de réactif de neutralisation nécessaire grâce à l'activation des résidus recyclés. Suivant d'autres caractéristiques additionnelles avantageuses du procédé conforme à l'invention, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la totalité des résidus solides, issus du réacteur, et des gaz sortant de ce réacteur est recyclée vers le séparateur ; - les résidus solides, issus du réacteur, et les gaz sortant de ce réacteur sont recyclés vers le séparateur, en étant introduits en amont du générateur ; - les résidus solides, issus du réacteur, et les gaz sortant de ce réacteur sont envoyés vers le séparateur conjointement dans une même gaine ; - la totalité du débit de vapeur d'eau produite par le générateur est admise dans le réacteur; - la quantité de vapeur d'eau produite par le générateur est comprise entre 0,3 et 5% en masse de la quantité de fumées à épurer circulant à travers ce générateur ; - le rapport entre, d'une part, le débit des fumées épurées qui sont admises dans le réacteur et, d'autre part, le débit gazeux total alimentant ce réacteur, est ajusté de façon à être compris entre 0,25 et 0,9, de préférence entre 0,5 et 0,8 ; - la fraction de résidus solides admise dans le réacteur est comprise entre 50 et 99%, de préférence entre 80 et 95%, du débit total des résidus solides issus du séparateur. L'invention a également pour objet une installation d'épuration des fumées pour la mise en oeuvre du procédé tel que défini ci-dessus, comprenant : - un générateur de vapeur d'eau adapté pour produire de la vapeur d'eau par transfert de chaleur provenant des fumées à épurer circulant à travers ce générateur, - un séparateur gaz-solides, qui, en entrée, est raccordé à la sortie en fumées à épurer du générateur et dans lequel débouchent des moyens d'alimentation en un réactif de neutralisation, - un réacteur gaz-solides qui, en entrée, est raccordé à la fois à la sortie en fumées épurées du séparateur, à la sortie en résidus solides de ce séparateur, et à la sortie en vapeur d'eau du générateur, et - des moyens de recyclage d'au moins une partie des résidus solides issus du réacteur et d'au moins une partie des gaz sortant de ce réacteur, ces moyens de recyclage étant mis en communication avec l'entrée du séparateur, de préférence via le générateur. Suivant des caractéristiques avantageuses additionnelles de cette installation, le générateur est constitué par un faisceau de tubes alimentés en eau et placés dans une gaine véhiculant les fumées à épurer. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant à la figure 1 représentant schématiquement une installation d'épuration conforme à l'invention. Un dispositif d'épuration de fumée 101, d'une technologie connue en soi et faisant office de séparateur gaz-solides, reçoit des fumées à épurer 1, ainsi qu'un apport de réactif frais 11. Ce réactif 11, dit de neutralisation, est par exemple de la chaux, en particulier à grande surface spécifique, de la magnésie, du carbonate de sodium et/ou encore du bicarbonate de sodium. Le séparateur 101 est, par exemple, un filtre à manches ou un électrofiltre. En amont de ce séparateur 101, les fumées à épurer 1 circulent à travers un dispositif de génération de vapeur d'eau 103 : à titre d'exemple, ce générateur 103 est constitué d'un faisceau de tubes alimentés en eau 2 et placés dans la gaine véhiculant les fumées à épurer 1. Le générateur 103 est conçu pour transférer de la chaleur provenant des fumées à épurer 1, à l'eau 2 de manière à vaporiser cette dernière. Ainsi, pour des fumées à épurer 1 présentant, à l'entrée du générateur 103, une température comprise entre 120 et 250°C, de préférence entre 130 et 180°C, le générateur abaisse leur température de 5 à 40°C, tout en produisant de la vapeur d'eau 3 à une pression comprise entre 1 et 5 bars absolus. En pratique, la quantité de vapeur d'eau 3 produite par le générateur 103 est comprise entre 0,3 et 5% en masse de la quantité des fumées à épurer 1, la quantité de chaleur nécessaire à cette évaporation devant faire baisser la température des fumées de 5 à 40°C. Cet abaissement de température est le critère déterminant. En sortie du séparateur 101, une partie 6 des fumées épurées 5 est dirigée vers un traitement complémentaire ou bien vers une cheminée d'évacuation, non représentée. Dans le même temps, la partie restante 7 des fumées épurées 5 est dirigée jusqu'à un réacteur d'activation gaz-solides 102, d'une technologie connue en soi. Pour ce faire, on utilise, de manière optionnelle, un ventilateur non représenté. Cette fraction de fumées épurées 7 représente entre 0,1 et 5% du débit total des fumées épurées 5, de préférence entre 0,3 et 1% de ce débit total. Dans le même temps, également en sortie du séparateur 101, une partie 9 des résidus solides 8, qui contiennent encore du réactif non utilisé, est introduite dans le réacteur 102. La partie restante 10 des résidus solides 8 est par ailleurs évacuée de l'installation. En pratique, la fraction des résidus solides 9 admise dans le réacteur 102 est comprise entre 50 et 99%, de préférence entre 80 et 95%, du débit total des résidus solides 8 issus du séparateur 101. Dans le réacteur 102, les résidus solides 9, contenant du réactif de neutralisation, sont soumis à une opération d'activation, mettant en oeuvre des ré-équilibrages de nature chimique, thermochimique et/ou thermodynamique. A titre d'exemple, le réacteur 102 est un lit fluidisé, un lit jaillissant ou un tambour rotatif. Pour renforcer l'activation des résidus solides 9 dans le réacteur 102, au moins une partie 3' de la vapeur 3 produite par le générateur 103 est également admise dans le réacteur 102. Les résidus solides activés 12, issus du réacteur 102, ainsi que les gaz 12' sortant de ce réacteur 102 sont, au moins en partie, retournés en amont du séparateur 101, de préférence en amont du générateur 103 comme représenté sur la figure 1. Avantageusement, les résidus 12 et les gaz 12' sont véhiculés conjointement dans une seule et même gaine. On souligne que l'abaissement de température des fumées à épurer 1, obtenu par le générateur 103, combiné à l'augmentation d'humidité de ces fumées, provoquée par la ré-injection des gaz 12' sortant du réacteur 102, est particulièrement bénéfique à l'épuration des fumées par le séparateur 101. En pratique, on ajuste avantageusement l'un par rapport à l'autre le débit des fumées épurées 7 et le débit de la fraction 3' de la vapeur d'eau générée 3 de manière que le rapport (7/(7+3')) entre, d'une part, le débit des fumées épurées 7 et, d'autre part, le débit gazeux total alimentant le réacteur 102, autrement dit la somme des débits des fumées épurées 7 et de la fraction de vapeur d'eau 3', est compris entre 0,25 et 0,9, de préférence entre 0,5 et 0,8. On notera qu'un des avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur est que l'abaissement de température des fumées à épurer, obtenu par le générateur 103, est réalisé sans augmentation significative du flux de ces fumées, contrairement à ce qui se passerait en cas de dilution par de l'air. Autrement dit, l'augmentation du flux gazeux net 4 en entrée du séparateur 101, par rapport au flux des fumées à épurer 1, n'est que la quantité de gaz recyclé 12'. A titre de variante optionnelle, indiquée en pointillés sur la figure 1, la partie restante 3" de la vapeur d'eau générée 3, non utilisée par le réacteur 102, est ré- introduite en amont du séparateur 101, de préférence en amont du générateur 103, de façon à exploiter sa capacité à brasser les fumées à épurer. En effet, l'abaissement de température de 5 à 40°C à travers le générateur 103 peut conduire à la génération de davantage de vapeur d'eau qu'il n'est nécessaire au réacteur 102. Bien entendu, pour d'autres configurations, la fraction de vapeur d'eau 3' constitue la totalité de la vapeur d'eau 3 produite par le générateur 103. L'invention peut être mieux comprise à l'aide de l'exemple suivant : Une usine d'incinération d'ordures génère 100 000 Nm3/h de fumées à traiter 1, contenant entre autres de l'acide chlorhydrique et du dioxyde de souffre. Les fumées sont disponibles à 180°C. L'évaporation de 1850 kg d'eau est nécessaire pour abaisser la température des fumées à 145°C, point de fonctionnement choisi pour un filtre à manches constituant le séparateur 101. On souhaite que la composition des gaz entrant dans le réacteur 102 soit de 70% volumique en humidité. Par ailleurs, 700 Nm3/h des fumées épurées 5 sont extraits du séparateur 101 pour former le flux 7 allant au réacteur 102. La situation peut se résumer par le tableau ci-dessous : Référence du flux 1 4 5 7 Mélange 3 3' 7+9 Débit Kg/h 127 000 130 000 129 000 980 1 880 1 850 1 000 Température °C 180 145 145 145 137 132 132 0/0 H2O humidité 14 15.9 15.9 15.9 70 100 100 Le flux de résidus solides 9 admis dans le réacteur 102 vaut 4 000 kg/h. Dans cet exemple, on notera que la quantité de vapeur d'eau 3 saturée à 132°C, nécessaire à l'abaissement de température souhaité, est supérieure à la quantité dont a besoin le réacteur d'activation 102, à savoir 1 000 kg/h. L'excédent formant le flux 3", c'est-à-dire 850 kg/h, est retourné immédiatement en amont du générateur 103. On notera également que la totalité des matières recyclées 12 et 12' ne contribue à augmenter que de 2,3% le flux massique des fumées 4 à l'entrée du séparateur 101 ((130 000 û 127 000)/130 000), tout en diminuant de 5% leur flux volumique par abaissement de température. Ainsi, l'invention permet de réaliser les objectifs précédemment mentionnés. En particulier, l'invention permet de cumuler des bénéfices multiples, à savoir abaissement de température des fumées à épurer, humidification de ces fumées, diminution du flux volumique en entrée du séparateur, et diminution de la consommation du réactif grâce à l'activation des résidus recyclés. REVENDICATIONS1.- Procédé d'épuration de fumées (1) contenant des polluants acides, notamment de l'acide chlorhydrique et/ou des oxydes de soufre, caractérisé en ce qu'il comprend des étapes suivant lesquelles : - on fait circuler les fumées à épurer (1), à une température comprise entre 120 et 250°C, de préférence entre 130 et 180°C, à travers un générateur de vapeur d'eau (103) de façon à abaisser la température de ces fumées à épurer de 5 à 40°C, tout en produisant de la vapeur d'eau (3) à une pression comprise entre 1 et 5 bars absolus, - on alimente les fumées à épurer (1) sortant du générateur (103) à un séparateur gaz-solides (101) auquel on alimente également un réactif de neutralisation (11), notamment de la chaux, de la magnésie, du carbonate de sodium et/ou du bicarbonate de sodium, - on admet dans un réacteur gaz-solides (102) : • une fraction (7) des fumées épurées (5) sortant du séparateur (101), cette fraction étant comprise entre 0,1 et 5%, de préférence 0,3 et 1%, du débit total de ces fumées épurées, • une fraction (9) des résidus solides (8) issus du séparateur (101), et • au moins une fraction (3') de la vapeur d'eau (3) produite par le générateur (103), et - on recycle vers le séparateur (101) au moins une partie des résidus solides (12) issus du réacteur (102) et au moins une partie des gaz (12') sortant de ce réacteur. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la totalité des résidus solides (12), issus du réacteur (102), et des gaz (12') sortant de ce réacteur est recyclée vers le séparateur (101). 3.- Procédé suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les résidus solides (12), issus du réacteur (102), et les gaz (12') sortant de ce réacteur sont recyclés vers le séparateur (101), en étant introduits en amont du générateur (103). 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les résidus solides (12), issus du réacteur (102), et les gaz (12') sortant de ce réacteur sont envoyés vers le séparateur (101) conjointement dans une même gaine. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la totalité du débit de vapeur d'eau (3) produite par le générateur (103) est admise dans le réacteur (102). 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la quantité de vapeur d'eau (3) produite par le générateur (103) est compriseentre 0,3 et 5% en masse de la quantité de fumées à épurer (1) circulant à travers ce générateur. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport entre, d'une part, le débit des fumées épurées (7) qui sont admises dans le réacteur (102) et, d'autre part, le débit gazeux total (3' + 7) alimentant ce réacteur, est ajusté de façon à être compris entre 0,25 et 0,9, de préférence entre 0,5 et 0,8. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fraction de résidus solides (9) admise dans le réacteur (102) est comprise entre 50 et 99%, de préférence entre 80 et 95%, du débit total des résidus solides (8) issus du séparateur (101). 9.- Installation d'épuration de fumées pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant : - un générateur de vapeur d'eau (103) adapté pour produire de la vapeur d'eau (3) par transfert de chaleur provenant des fumées à épurer (1) circulant à travers ce générateur, - un séparateur gaz-solides (101), qui, en entrée, est raccordé à la sortie en fumées à épurer (1) du générateur (103) et dans lequel débouchent des moyens d'alimentation en un réactif de neutralisation (11), - un réacteur gaz-solides (102) qui, en entrée, est raccordé à la fois à la sortie en fumées épurées (5) du séparateur (101), à la sortie en résidus solides (8) de ce séparateur, et à la sortie en vapeur d'eau (3) du générateur (103), et - des moyens de recyclage d'au moins une partie des résidus solides (12) issus du réacteur (102) et d'au moins une partie des gaz (12') sortant de ce réacteur, ces moyens de recyclage étant mis en communication avec l'entrée du séparateur (101), de préférence via le générateur (103). 10.- Installation suivant la revendication 9, caractérisée en ce que le générateur (103) est constitué par un faisceau de tubes alimentés en eau (2) et placés dans une gaine véhiculant les fumées à épurer (1).