Brevet FR2983744A1 — publié le 20130614

La présente invention concerne un mode de chauffage thermique et économique d'une unité de vitrification de cendres et l' association de celle-ci avec une unité de gazéification ou de pyrogazéification de déchets, productive de ces cendres. La gazéification consiste à convertir la fraction combustible du déchet constituée de carbone, hydrogène, oxygène en un mélange de gaz constitué majoritairement de monoxyde de carbone CO, d'hydrogène H2, de méthane CH4, et d'un grand nombre de composés volatils de formule CxHyOz, tous ces corps étant parfaitement combustibles en présence d'oxygène. Suivant les technologies, la gazéification peut s'effectuer dans une large gamme de température ( 400 °C - 1000°C) La pyrogazéification peut être considérée comme une gazéification avec une quantité moindre en agents réactifs, elle s'effectue généralement à basse température ( inférieure à 600°C) et produit un gaz riche en goudrons comparée à la gazéification. Le gaz, est communément appelé syngaz, et contient également de la vapeur d'eau, ainsi que de fines poussières, appelées cendres volantes. La valorisation énergétique du syngaz peut s'effectuer en direct, c'est-à-dire sans traitement particulier, par combustion dans des brûleurs appropriés, équipant des chaudières avec production de vapeur d'eau pour des utilisations diverses, en vapeur de procédé et/ou en turbine pour production d'électricité. Dans certains, cas, il est nécessaire d'épurer le syngaz, dans le cas où la valorisation énergétique s'oriente vers une combustion dans des moteurs à, pistons ou dans des turbines à gaz, ces équipements exigeant un syngaz propre, en excluant particulièrement la présence de poussières et d'acides. La réglementation actuelle (Classification Européenne des Déchets, transmise en droit français sous le décret n° 2002-540 du 18 avril 2002 - rubrique 19 - 01 -00) concernant les résidus issus des unités de traitement thermique de déchets (incinération, gazéification, pyrolyse) définit les cendres comme étant des produits dangereux de par les contaminants qu'elles contiennent (présence de métaux lourds en particulier tels que chrome, cadmium, mercure, nickel, plomb, arsenic..) ce qui nécessite des traitements spécifiques coûteux, réalisés à l'extérieur des unités de traitement par des entreprises spécialisées (inertage par encapsulation puis mises en centres d'enfouissements spéciaux ou mines de sel) La vitrification permet, par le processus de fusion mis en oeuvre, d'englober les contaminants dans une matrice vitreuse, limitant ainsi très fortement leur potentiel de dangerosité, les cendres à l'état fondu ou vitrifié étant alors considérées comme déchet inerte, voire valorisables dans certains cas. Cette opération, telle que décrite dans la présente invention, est réalisée in situ, et permet donc la maîtrise en interne de leur traitement, dans des conditions économiques très inférieures à celles nécessitant les traitements extérieurs cités ci-dessus. Les cendres ont pour origine la fraction inerte ou minérale du déchet. Elles sont produites, dans la chaîne de traitement par gazéification ou pyrogazéififcation et sauf exception, sous forme pulvérulente en plusieurs points : sous gazéifieur (pyrogazéifieur), sous épuration éventuelle du syngaz, sous chaudière, sous pré-dépoussiéreur en aval de la chaudière. La proportion entre cendres produites sous gazéifieur (pyrogazéifieur) et celles évacuées dans le syngaz brut est variable et dépend des techniques de gazéification. Cette proportion n'affecte pas la présente invention, qui peut les traiter partiellement ou en totalité, dans le cadre du traitement envisagé. Le traitement final en bout de l'unité de gazéification (pyrogazéification), qui consiste à capter les cendres volantes résiduelles et en même temps, à neutraliser les contaminations telles que acides, métaux lourds volatils, organochlorés, et produit donc un résidu pulvérulent ou sous forme de boues selon la technologie utilisée, n'est pas concerné par la présente invention. La granulométrie des cendres est variable et s'étend de 20 microns à 5 millimètres, selon le point de collecte dans la chaîne de traitement des déchets. Leur composition chimique comprend majoritairement de la silice SiO2, de l'oxyde d'alumine A1203, de l'oxyde de chaux, CaO, de l'oxyde magnésium, MgO, de l'oxyde fer Fe2O3, de l'oxyde potassium, K2O, du carbone C, des métaux lourds ( Zn, Pb, Cd, Hg, C, Ni, As..) Leur température de fusion est généralement comprise entre 1250°C et 1350°C. Des procédés utilisant la vitrification à haute température (supérieure à 1500°C) ont vu le jour mettant en oeuvre des torches à plasma, des arcs électriques, voire un traitement in situ dans les unités de gazéification faisant appel à une combustion en température élevée (de 1400 à 1600°C) de la totalité du gaz issu du gazéifieur (pyrogazéifieur) pour permettre une fusion des cendres au sein même de l'unité de gazéification, ce type de solution étant dénommée vitrification intégrée. On conçoit aisément que pour une unité de gazéification à vitrification intégrée, toute perturbation (défaut d'alimentation en combustible déchets, défauts de contrôle de gazéification ou pyrogazéification..) peut entraîner une chute de température du syngaz et par ce fait des risques de prises en masse des cendres en fusion, phénomène qu'il faut éviter à tout prix, puisqu'il risque d'entraîner un arrêt prolongé de l'installation. L'utilisation de torches à plasma ou d'arcs électriques nécessitent une consommation élevée en électricité, et mettent en oeuvre de facto des températures bien supérieures (5000 °C) à celles nécessaires pour obtenir la fusion des cendres. Ces procédés n'ont pratiquement pas eu de développement industriel, compte tenu de leurs coûts d'exploitation élevés, de la nécessité de faire appel entièrement à de l'énergie non renouvelable, ou de leur manque de fiabilité. Il apparaît judicieux d'utiliser en majorité de l'énergie renouvelable dégagée par la combustion d'une faible fraction de syngaz brut ou épuré (conditionné) représentant en besoin énergétique 2 % à 3,5 % du potentiel énergie entrant dans le gazéifieur, prélevée sur le flux principal issu du gazéifieur/pyrogazéifieur (syngaz brut) ou si besoin en aval de l'épuration (syngaz épuré) pour assurer la vitrification de ces dernières dans une unité indépendante, les gaz chauds en résultant étant retournés à l'unité de gazéification. Ce besoin énergétique correspond à l'énergie nécessaire pour porter les cendres à la température de vitrification, déduction faite de l'énergie rétrocédée par les fumées de combustion des brûleurs de la chambre de vitrification, vers l'unité de gazéification (pyrogazéification). La variation de 2,5 % à 3, 5 % est liée au taux de cendres du déchet considéré et à la température de restitution des gaz, variable selon la température de vitrification mise en oeuvre. De même, il apparaît judicieux de pouvoir utiliser éventuellement une autre source de gaz, comme du biogaz, si l'unité de gazéification est située à proximité d'une unité de méthanisation fonctionnant sur des déchets domestiques, boues urbaines, effluents à composantes majoritairement organiques voire d'un centre d'enfouissement de déchets ménagers, si celui-ci est équipé d'un réseau de captage de biogaz. De même il apparaît judicieux, de complémenter si nécessaire, par du gaz naturel et en faible proportions puisque le pouvoir calorifique inférieur du gaz naturel est supérieur d'un facteur 8 à 10 à celui des syngaz, toute variation importante de la qualité du syngaz, qui pourrait résulter de toute variation sensible de la qualité des déchets ou du fonctionnement du gazéifieur (pyrogazéifieur), afin de pouvoir maintenir constante la température de vitrification et d'éviter ainsi une prise en masse par refroidissement dans la chambre de vitrification. L'utilisation du gaz naturel, pourra également pallier à un arrêt prolongé du gazéifieur (pyrogazéifieur), permettant dans la limite de la capacité tampon de stockage des cendres, de continuer à procéder à la vitrification de celles-ci. Les brûleurs de syngaz existent à l'heure actuelle, ils permettent d'obtenir sans problème des températures de flamme stable entre 1450°C et 1550°C. En cas d'insuffisance éventuelle de température, ces brûleurs peuvent être dopés par du gaz naturel ou éventuellement par de l'air enrichi en oxygène, en proportion(s) ajustable(s) selon la composition du syngaz utilisé. Pour faciliter le traitement, s'il s'avère que la température de fusion des cendres est élevée (supérieure à 1400°C), il apparaît judicieux d'utiliser des fondants en qualités et proportions qui seront définies selon le type de cendres utilisées. La chambre de vitrification des cendres, peut être conçue selon le principe des fours de vitrification visant à produire du verre industriel (brevet n° de publication 2 654 021 tombé dans le domaine public depuis le 07 décembre 2009) Elle se présente généralement sous la forme d'un tunnel revêtu intérieurement de réfractaires adéquats, fonction du ou des produit(s) à vitrifier. Le tunnel est porté et chauffé à la température requise par une batterie de brûleurs judicieusement positionnés. Le nombre de brûleurs de syngaz est fonction de la taille et de la conception de la chambre de vitrification sus visée, en tenant compte qu'un brûleur à syngaz est généralement de dimension supérieure à un brûleur conventionnel utilisant du gaz naturel. Les conduites d'amenée du syngaz brut ou éventuellement épuré dont la température peut varier, suivant les procédés de gazéification (pyrogazéification) et/ou de conditionnement, de 300°C à 700°C, seront calorifugées, voire tracées électriquement dans le cas d'utilisation de syngaz brut riche en goudrons (de 5 à 100 gr/Nm3 de syngaz, voire plus) les goudrons se condensant généralement à températures voisines de 300-350°C, ceci afin d'éviter toute condensation de ces produits dans la conduite d'amenée. De même, il apparaît judicieux de restituer les gaz de combustion issu des brûleurs vers l'unité de gazéification (pyrogazéification) pour en récupérer l'énergie contenue et pour leur traitement (épuration) dans l'unité principale. La chambre comprendra donc une gaine revêtue intérieurement de réfractaires évacuant les gaz de combustion des brûleurs, généralement à des températures supérieures à 1200°C, vers l'unité de gazéification (pyrogazéification), généralement à l'entrée de la chaudière de récupération. Ces gaz sont pollués, notamment par les métaux lourds volatils et certaines fractions halogénées riches en chlore et soufre contenus dans les cendres issues du gazéifieur 10 (pyrogazéifieur). Ils rejoindront donc le flux de gaz principal dans l'unité de gazéification (pyrogazéification), et subiront donc le traitement adéquat en même temps que ces derniers. Les cendres en fusion, en sortie de chambre de vitrification, arrivent gravitairement à une enceinte pleine d'eau pour être refroidies brutalement, ceci entraînant une fragmentation 15 en éléments de faibles dimensions (quelques millimètres à quelques centimètres). La vapeur d'eau produite rejoint la gaine d'évacuation des fumées où elle s'y mélange. Les cendres, ainsi récupérées sous forme vitreuse, ont démontrées être de grande stabilité et une très faible potentialité à relarguer par lixiviation les contaminants initiaux, les rendant ainsi assimilables à des déchets de type inertes. 20 Des voies potentielles de valorisation ont été identifiées (Travaux Publics..) mais restent à créer, en fonction des marchés potentiels et de la réglementation. L'unité de vitrification de cendres issues d'une ligne de traitement par gazéification (pyrogazéification) représentée sur le dessin qui suit, comprend une chambre de vitrification des cendres 26, complétée d'équipements périphériques tels que stockage tampon des 25 cendres avec dispositif 32 d'extraction et d'amenée des cendres vers le four de vitrification. Cette chambre de vitrification peut recevoir en même temps que les cendres, des produits fondants de composition chimique différente, via des systèmes similaires 21 (Fondant A) et 22 (Fondant B) comprenant stockage, extraction et amenée vers la chambre de vitrification 26. 30 La chambre de vitrification est équipée de plusieurs brûleurs 25 conçus spécialement pour la combustion à l'air ou l'air enrichi, ou l'oxygène, simultanée ou non, de syngaz brut 3 ou éventuellement épuré 6, biogaz 23 et gaz naturel 24. En aval, une gaine d'extraction 27 par ventilation, utilisant la dépression dans la chaudière 8, des gaz de combustion des brûleurs précités et de la vapeur d'eau issue du 35 refroidissement brutal des cendres, avec mise à l'air 28, et vannes d'isolements, en cas de nécessité d'isoler la chaîne de vitrification de la traitement de gazéification (pyrogazéification). En aval également, une chambre 30 de refroidissement brutal des cendres vitrifiées utilisant une arrivée 29 d'eau, d'où sont extraites mécaniquement les cendres vitrifiées. 40 Le gazéifieur (pyrogazéifieur) 1 produit un gaz pauvre, appelé syngaz brut 2 plus ou moins riche en goudrons, provenant de la conversion des déchets et/ou combustibles 17, via des agents réactifs 18, pouvant être de l'air, de l'air enrichi à l'oxygène, de l'oxygène, de la vapeur d'eau, seuls ou en mélange. La fraction minérale, issue de la fraction inerte des déchets et non convertie en syngaz, est généralement extraite sous forme de cendres pulvérulentes 19, plus ou moins chaude (de 200°C à 700°C) en fonction des systèmes d'introduction des agents réactifs et du type de gazéifieur (pyrogazéifieur). Le syngaz brut peut être selon le mode de valorisation de ce dernier ( moteur à gaz, turbine à gaz), épuré par un système 4 de réduction des poussières ou cendres volantes, ainsi que des contaminants tels que l'acide chlorhydrique ou le sulfure d'hydrogène, formé dans le gazéifieur (pyrogazéifieur). Dans ce cas, les cendres volantes 7 collectées à cette étape rejoindront le stockage de cendres 10 32. Un mode de valorisation énergétique du syngaz brut ou épuré très répandu est représenté par une chaudière 8, produisant de la vapeur d'eau, généralement surchauffée (360 à 500°C) et sous pression relativement élevée (15 à 90 bars) utilisée soit dans des process industriels, soit dans des turbines pour de la production d'électricité. 15 Le syngaz est alors brûlé dans des brûleurs spécifiques installés sur la chaudière et transformé en fumées 9. Les parcours des fumées dans la chaudière, collectent par effet d'impact des cendres volantes, qui sont dirigées par un système de transport adéquat 10, puis 31, vers le stockage de cendres 32. 20 En sortie de chaudière se trouve très souvent un prédépoussiéreur 11, qui collectent en amont du traitement des fumées, des cendres volantes, amenées par un système adéquat 13, puis 31, vers le stockage des cendres 32. Le traitement des fumées final 14 qui reçoit les fumées 12 issues du pré-dépoussiéreur ( cyclone, ou électroflitre, ou filtre à manches) réduit très fortement les 25 poussières mais aussi les acides, les métaux lourds, produits des résidus de traitement qui sont collectés séparément par un système adéquat 16. Ces cendres, riches en sels, excès de réactifs, métaux lourds.. ne sont pas concernées par la présente invention. Les fumées épurées vont à l'atmosphère via une cheminée. 30 REVENDICATIONS1 . Procédé de vitrification de cendres issues d'un procédé de gazéification ou de pyrogazéification, caractérisé en ce que l'invention consiste à réaliser : Le chauffage jusqu'à la température de vitrification des cendres par un ensemble de brûleurs spécifiques 25 utilisant comme comburant de l'air, de l'air enrichi à l'oxygène, de l'oxygène et comme carburants, soit du syngaz brut 3, éventuellemnt du syngaz purifié 6, récupéré(s) sur l'unité de gazéification ( pyrogazéification), soit du biogaz 23 en provenance d'une unité de méthanisation ou d'un stockage de déchets organiques avec production contrôlée de biogaz, soit du gaz naturel 24, soit un mélange en toutes proportions de ces gaz précités. L'évacuation des fumées de combustion 27 produites par les brûleurs ci-dessus désignés et de la vapeur d'eau produite lors du refroidissement brutal des cendres, issues de la chambre de vitrification des cendres 26 et dirigées vers l'unité de gazéification (pyrogazéification) productrice de ces cendres, en un ou plusieurs points de cette unité, mais de toute façon en amont du traitement des fumées 14 de cette unité. 2 . Procédé selon la revendication 1, qui consiste à collecter tout ou partie des cendres sous gazéifieur ou pyrogazéifieur 1, sous épuration éventuelle du syngaz brut 7, sous chaudière 8, sous pré-dépoussiéreur 11, pour y être stockées et amenées par la suite, par des systèmes adéquats 19, 7, 10, 13 et 31 à l'unité de stockage tampon 32, pour y être vitrifiées dans la chambre 26, moyennant l'utilisation éventuelle des fondants stockés dans les systèmes 21 et 22.