Brevet FR2989285A1 — publié le 20131018

PROCEDE ET INSTALLATION D'EPURATION DE FUMEES DE COMUBUSTION PAR VOIE HUMIDE La présente invention concerne un procédé et une installation d'épuration de fumées de combustion par voie humide. Dans ce type de procédé, un liquide de lavage est mis en contact avec des fumées à épurer dans un laveur de sorte que les poussières en suspension dans ces fumées sont transférées dans le liquide de lavage en même temps que les polluants gazeux, et en particulier l'acide chlorhydrique et le dioxyde de soufre. Le débit de liquide nécessaire pour assurer une bonne épuration est en général élevé, par exemple de l'ordre de plusieurs dizaines à quelques centaines de m3/h, si bien que la purge liquide du laveur est recyclée, seule une faible fraction de celle-ci étant soutirée pour déconcentration. Par exemple, dans le cas d'une usine d'incinération d'ordures ménagères, du dioxyde de soufre, de l'acide chlorhydrique ainsi que des métaux lourds sont captés dans la purge de lavage et ces polluants doivent trouver un exutoire. Il peut alors être utile de séparer les métaux lourds à l'aide d'un traitement d'eau. Toutefois, ce traitement d'eau va générer un gâteau de boues qui, en plus des hydroxydes métalliques précipités, contient souvent aussi du gypse. Par ailleurs, avec les laveurs humides, on est souvent amené à travailler avec deux étages de lavage, c'est-à-dire avec deux laveurs se succédant pour traiter les fumées de combustion, à savoir un laveur acide, opérant à bas pH, typiquement inférieur à 4, notamment pour capter l'acide chlorhydrique, et un laveur alcalin, opérant à un pH plus élevé, typiquement supérieur à 5, pour capter notamment le dioxyde de soufre. Pour éviter d'avoir des purges respectives trop importantes en sortie de ces deux laveurs, on réalise souvent une cascade hydraulique dans laquelle la purge d'un des laveurs, en général le laveur alcalin, est réalimentée dans l'autre laveur, en l'occurrence le laveur acide. De plus, on peut alors utiliser des réactifs de neutralisation différents dans chacun des deux laveurs, notamment du calcaire ou de la chaux dans le laveur acide et de la soude dans le laveur alcalin. Dans tous les cas de figure, on se retrouve, in fine, à mélanger les purges liquides respectives des laveurs acides et alcalins, alors que ces purges présentent des compositions respectives très différentes, ce qui peut contribuer à faire des précipitations incontrôlées qui sont sources d'encrassement des laveurs ainsi que des matériels aval. C'est en particulier le cas lorsqu'on utilise du calcaire ou de la chaux dans le laveur acide et de la soude dans le laveur alcalin puisque le mélange de chlorure de calcium, qui résulte de la neutralisation de l'acide chlorhydrique, et de sulfate de sodium, qui résulte de la neutralisation du dioxyde de soufre, va donner du gypse, peu soluble et qui précipite. Même dans le cas où la précipitation de ce gypse se ferait de manière à peu près contrôlée, c'est-à-dire non anarchique, le gypse finit au traitement d'eau évoqué plus haut : ainsi ce gypse se retrouve mélangé aux boues d'hydroxydes de métaux et en augmente ainsi le volume. Or, comme ces boues doivent en général être mises en décharges contrôlées, cela en augmente sensiblement le coût. En outre, la précipitation se fait dans des conditions où les métaux lourds sont encore en solution, ce qui fait que le gypse lui-même ne peut être que de piètre qualité, dans le sens où il contient trop de métaux lourds, ce qui le rend impropre à une quelconque valorisation. Enfin il existe des situations où, sur un même site industriel, plusieurs trains de laveurs sont présents, en utilisant des réactifs différents, par exemple parce que des fumées respectivement issues de différents procédés doivent être épurées. Là encore, à un moment donné, les diverses purges provenant des laveurs présents sont mélangées et sont donc susceptibles d'engendrer des précipitations qui sont à la fois anti économiques et sources d'ennuis pour le lavage et le traitement d'eau. Le but de la présente invention est de proposer un procédé et une installation d'épuration, qui soient plus performants, notamment en ce qui concerne l'encrassement des matériels d'épuration, et plus économiques, notamment par valorisation potentielle aval. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'épuration de fumées de combustion par voie humide, dans lequel - les fumées à épurer sont envoyées à un laveur acide puis à un laveur alcalin, - la purge du laveur acide est envoyée à une unité de précipitation-cristallisation après avoir été épurée par un premier traitement d'eau, - la purge du laveur alcalin est envoyée, de manière séparée de la purge du laveur acide, à l'unité de précipitation-cristallisation, - la sortie de l'unité de précipitation-cristallisation, contenant du gypse précipité, est admise dans un séparateur liquide-solide pour produire un flux de gypse, contenant moins de 15% en poids d'eau libre et destiné à être valorisé, et un flux de liquides résiduels, et - 30 à 100% en débit, de préférence 50 à 80% en débit, du flux de liquides résiduels sont épurés par un second traitement d'eau pour produire une saumure destinée à être valorisée, le reliquat du flux de liquides résiduels étant recyclé vers l'un et/ou l'autre des laveurs acide et alcalin. L'invention a également pour objet une installation d'épuration de fumées de combustion par voie humide, comportant : - un laveur acide alimenté par des fumées à épurer, - un laveur alcalin alimenté par les fumées sortant du laveur acide, - une première unité de traitement d'eau, alimentée par la purge du laveur acide, - une unité de précipitation-cristallisation, alimentée, de manière séparée, par la purge du laveur acide, épurée par la première unité de traitement d'eau, et par la purge du laveur alcalin, - un séparateur liquide-solide, alimenté par la sortie de l'unité de précipitation- cristallisation, contenant du gypse précipité, et adapté pour produire un flux de gypse, contenant moins de 15% d'eau libre et destiné à être valorisé, et un flux de liquides résiduels, - une seconde unité de traitement d'eau, alimentée par 30 à 100% en débit, de préférence 50 à 80% en débit, du flux de liquides résiduels, et adaptée pour produire une saumure destinée à être valorisée, et - des moyens pour recycler vers l'un et/ou l'autre des laveurs acide et alcalin le reliquat du flux de liquides résiduels, non traité par la seconde unité de traitement d'eau. Ainsi, l'invention permet de réaliser une précipitation de gypse contrôlée et dans des conditions propres de manière à obtenir de manière séparée : un gypse assez pur, destiné à être valorisé, une saumure sensiblement exempte de métaux lourds, pouvant également être valorisée, et une faible quantité de gâteaux d'hydroxydes métalliques, également valorisable par récupération des métaux qu'ils contiennent, notamment le zinc. L'invention permet de générer des flux séparés et valorisables par chaque produit sortant, ainsi que d'assurer des conditions opératoires pour les matériels, notamment les laveurs, les mettant à l'abri de précipitations potentielles. Suivant des caractéristiques additionnelles avantageuses du procédé et de l'installation conformes à l'invention, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - au moins un flux contenant des sulfates, autre que la purge du laveur alcalin, est également admis dans l'unité de précipitation-cristallisation ; - les fumées traitées par les laveurs acide et alcalin sont des fumées d'incinération d'ordures, tandis que des fumées d'incinération de boues de station d'épuration d'eau sont traitées au moins par un autre laveur alcalin dont la purge constitue ledit au moins un flux contenant des sulfates ; - le second traitement d'eau est plus intensif que le premier traitement d'eau ; - le reliquat du flux de liquides résiduels est envoyé au laveur acide ; - un flux acide, notamment de l'acide chlorhydrique ou de l'acide sulfurique, est également introduit dans l'unité de précipitation-cristallisation ; - l'unité de précipitation-cristallisation comprend un cristalliseur ou un bac agité ; - l'unité de précipitation-cristallisation comprend des hydrocyclones ; - le séparateur liquide-solide est constitué par un filtre à bande ou une centrifugeuse. 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 aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est un schéma d'une installation conforme à l'invention, mettant en oeuvre un procédé conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1, illustrant une variante de l'installation et du procédé conformes à l'invention. Dans l'installation montrée à la figure 1, des fumées à épurer 1 traversent un laveur acide 101, utilisant par exemple comme réactif de neutralisation de la chaux ou du calcaire, puis un second laveur alcalin 102, utilisant par exemple de la soude comme agent neutralisant. Les fumées sortant du laveur acide 101 et entrant dans le laveur alcalin sont référencées 2. Chaque laveur 101, 102 est pourvu en général d'une amenée d'eau fraîche, non représentée, qui permet, entre autres, de compenser des évaporations d'eau dans les laveurs. Les fumées épurées 3, sortant du laveur alcalin aval 102, sont évacuées, par exemple via une cheminée et un ventilateur de tirage, ou bien sont soumises à un traitement complémentaire, ce qui n'est pas l'objet de l'invention et ce qui n'est donc pas représenté sur la figure 1. La purge liquide 4 du laveur acide 101 est envoyée à une unité de traitement d'eau 201 dans laquelle la purge 4 est débarrassée d'au moins 90% en poids des métaux lourds, tels que le plomb, le zinc ou le cadmium. Le traitement d'eau mis en oeuvre dans l'unité 201 est connu en lui-même et n'est pas l'objet de l'invention. Un flux 5, constitué de boues d'hydroxydes ou de gâteaux d'hydroxydes, est issu de l'unité de traitement d'eau 201 : ce flux de produit 5 est valorisable car il est riche en métaux. La sortie principale de l'unité de traitement d'eau 201 est un flux liquide 6 constitué de la purge du laveur acide 101, débarrassée des métaux lourds par le traitement d'eau mis en oeuvre dans l'unité 201. Ce flux 6 est envoyé vers une unité de précipitation-cristallisation 301 détaillée ci- après. L'unité 301 reçoit également la purge 7 du laveur alcalin 102 : comme représenté sur la figure 1, cette purge 7 est envoyée du laveur alcalin 102 à l'unité de précipitation-cristallisation 301 de manière séparée du flux de purge provenant du laveur acide 101, et ce directement, c'est-à-dire sans traitement modifiant significativement la composition de cette purge 7. L'unité de précipitation-cristallisation 301 permet de réaliser une précipitation contrôlée par cristallisation du gypse qui va s'y former. Plus précisément, dans la mesure où, dans cette unité 301, la purge traitée 6 provenant du laveur acide 101, qui contient surtout du chlorure de calcium en solution produit par la réaction de neutralisation entre l'acide chlorhydrique et le réactif de neutralisation utilisé, par exemple du calcaire ou de la chaux, est mélangée à la purge 7 du laveur alcalin 101 contenant des sulfates, qui sont produits par la réaction de neutralisation entre le dioxyde de soufre et l'agent neutralisant utilisé, par exemple de la soude, du gypse se forme par la réaction : Calapporté par 4) + SO4 --(apporté par 7) Ca S041 (sous forme hydratée) De manière optionnelle, un flux acide 8, pouvant être de l'acide sulfurique ou de l'acide chlorhydrique, est également introduit dans l'unité de précipitation-cristallisation 301 : il peut en effet être bénéfique de réaliser la réaction de précipitation-cristallisation du gypse dans des conditions de pH légèrement acides. L'unité de précipitation-cristallisation 301 est d'une technologie connue en soi. En particulier, cette unité 301 peut être constituée d'un bac agité ou d'un cristalliseur et d'unités auxiliaires comme des pompes et des hydrocyclones destinés à maintenir les noyaux de nucléation dans cette unité 301. La sortie principale 9 de l'unité de précipitation-cristallisation 301, qui contient le gypse précipité produit, est dirigée vers un séparateur liquide-solide 302. Ce séparateur liquide-solide 302, qui est par exemple un filtre à bande ou une centrifugeuse, est également alimenté en eau 11 qui, dans le séparateur 302, lave le gypse pour lui en assurer des caractéristiques le rendant valorisable. Ce séparateur 302 permet alors de produire un flux de gypse 10, qui contient moins de 15% en poids d'eau libre et dont le gypse est purifié et blanc. A titre d'exemple, la pureté du gypse contenu dans ce flux 10 est telle que ce flux contient au moins 95% en poids de gypse pur, ainsi que, au maximum, 0,1% en poids de magnésium, 0,01% en poids de chlore, 0,5% en poids de sulfite de calcium (CaS03), 0,15% en poids d'oxyde ferrique (Fe2O3), 2,5% en poids de silice (SiO2) et 0,3% en poids d'alumine (A1203). Les liquides résiduels sortant du séparateur liquide-solide 302 forment un flux 12 dont au moins une partie, voire la totalité, forme un flux 13 envoyé à une unité de traitement d'eau 401, qui est différente de l'unité 201 et qui relève d'une technologie connue en soi. Selon l'invention, le flux 13 envoyé à l'unité de traitement d'eau 401 représente entre 30 et 100% en débit du flux 12, de préférence entre 50 et 80% en débit de ce flux 12. Sous l'action du traitement d'eau mis en oeuvre dans cette unité 401, le flux 13 est épuré jusqu'à produire une saumure 15 potentiellement valorisable. En particulier, cette saumure 15 est essentiellement constituée de chlorure de sodium en solution aqueuse. Les résidus, résultant du traitement d'eau mis en oeuvre dans l'unité 401, forment des boues ou un gâteau 16, qui sont évacués de l'installation. On notera que, suivant une disposition avantageuse de l'invention, le traitement d'eau, mis en oeuvre dans l'unité 201, n'a pas à être aussi intensif que celui mis en oeuvre dans l'unité 401, dans le sens où, à la différence de la saumure 15 destinée à être valorisée, le flux 6 sortant de l'unité 201 subit nécessairement, en aval de cette unité 201, des traitements complémentaires, comme décrit plus haut. En pratique, cela revient à dire que l'unité 401 est prévue pour mettre en oeuvre un traitement d'eau complet tandis que l'unité 201 n'est prévue que pour mettre en oeuvre un traitement d'eau partiel. Dans le cas où une partie seulement du flux de liquides résiduels 12 est envoyée à l'unité de traitement d'eau 401, c'est-à-dire dans le cas où le flux 13 n'est pas égal à 100% du flux 12, le reliquat 14 du flux de liquides résiduels 12 est recyclé dans l'installation, en étant retourné à l'un et/ou l'autre des laveurs 101 et 102, de préférence au laveur acide 101 comme représenté sur la figure 1. Le recyclage du reliquat 14 permet de réduire la quantité d'eau fraîche globalement consommée pour le lavage des fumées. Ainsi, comme on l'aura compris à la lecture de ce qui précède, l'invention consiste par essence à séparer les purges 4 et 7 des laveurs 101 et 102, à extraire les métaux lourds de la purge 4 du laveur acide 101 et à ensuite mélanger cette dernière avec la purge 7 du laveur alcalin 102, contenant des sulfates, dans des conditions contrôlées pour faire précipiter-cristalliser du gypse. De cette façon et selon l'invention, on obtient : - un flux de gypse 10 destiné à être valorisé, - une saumure 15 constituée essentiellement de chlorure de sodium dans de l'eau, potentiellement valorisable, et - des boues ou des gâteaux 5 et 16, qui sont en quantité limitée puisqu'ils ne contiennent plus de gypse et qui sont riches en métaux ce qui les rend également susceptibles d'être valorisés. Comme on l'aura aussi compris, en séparant l'une de l'autre les purges 4 et 7, on évite tout problème de précipitations incontrôlées dans les laveurs 101 et 102, ainsi qu'immédiatement en aval de ces laveurs. On notera par ailleurs que, selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la précipitation-cristallisation qui s'effectue dans l'unité 301, se fait à partir de solutions qui ne contiennent que très peu de métaux lourds, en particulier car le traitement d'eau mis en oeuvre dans l'unité 201 a traité la purge 4 qui est la principale source de ces métaux. Ceci assure une grande pureté au gypse qui se forme dans l'unité de précipitation- cristallisation 301. L'invention présente par ailleurs un intérêt particulier dans les cas où, sur un même site industriel, on dispose de plusieurs flux contenant des sulfates. C'est notamment le cas des sites d'incinération sur lesquels une ou plusieurs lignes sont dédiées à l'incinération de déchets ou d'ordures, tandis qu'une ou plusieurs autres lignes sont dédiées à l'incinération de boues de stations d'épuration d'eau : ce cas typique est illustré par la figure 2. En effet, sur la figure 2, les matériels 101, 102, 201, 301, 302 et 401 sont respectivement identiques à ceux décrits ci-dessus en regard de la figure 1 et assurent les mêmes fonctions respectives. Ainsi, ces matériels 101, 102, 201, 301, 302 et 401 traitent les fumées à épurer 1 qui sont par exemple des fumées d'incinération d'ordures. Dans le même temps, des fumées à épurer 1' constituées de fumées d'incinération des boues d'une station d'épuration d'eau, sont traitées par une ligne dédiée qui, comme représenté sur la figure 2, est séparée des laveurs 101 et 102. Cette ligne dédiée produit un effluent 17 riche en sulfates. Typiquement, cette ligne dédiée comporte au moins deux laveurs 501 et 502, le laveur 502 étant un laveur alcalin ayant capté le dioxyde de soufre des fumées 1' et produisant le flux 17. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le flux 17 riche en sulfates alimente l'unité de précipitation-cristallisation 301, ce qui permet d'y produire davantage de gypse. Ainsi, un bénéfice additionnel est lié au fait que, sans cette disposition de l'invention, le flux 17 devrait être traité autrement avant son rejet à l'environnement. REVENDICATIONS1.- Procédé d'épuration de fumées de combustion par voie humide, dans lequel : - les fumées à épurer (1) sont envoyées à un laveur acide (101) puis à un laveur alcalin (102), - la purge (4) du laveur acide (101) est envoyée à une unité de précipitation-cristallisation (301) après avoir été épurée par un premier traitement d'eau, - la purge (7) du laveur alcalin (102) est envoyée, de manière séparée de la purge du laveur acide, à l'unité de précipitation-cristallisation (301), - la sortie (9) de l'unité de précipitation-cristallisation (301), contenant du gypse précipité, est admise dans un séparateur liquide-solide (302) pour produire un flux de gypse (10), contenant moins de 15% en poids d'eau libre et destiné à être valorisé, et un flux de liquides résiduels (12), et - 30 à 100% en débit, de préférence 50 à 80% en débit, du flux de liquides résiduels (12) sont épurés par un second traitement d'eau pour produire une saumure (15) destinée à être valorisée, le reliquat (14) du flux de liquides résiduels étant recyclé vers l'un et/ou l'autre des laveurs acide (101) et alcalin (102). 2.- Procédé suivant la revendication 1, dans lequel au moins un flux (17) contenant des sulfates, autre que la purge (7) du laveur alcalin (102), est également admis dans l'unité de précipitation-cristallisation (301). 3. Procédé suivant la revendication 2, dans lequel les fumées (1) traitées par les laveurs acide (101) et alcalin (102) sont des fumées d'incinération d'ordures, tandis que des fumées (1') d'incinération de boues de station d'épuration d'eau sont traitées au moins par un autre laveur alcalin (502) dont la purge constitue ledit au moins un flux (17) contenant des sulfates. 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le second traitement d'eau est plus intensif que le premier traitement d'eau. 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le reliquat (14) du flux de liquides résiduels (12) est envoyé au laveur acide (101). 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel un flux acide (8), notamment de l'acide chlorhydrique ou de l'acide sulfurique, est également introduit dans l'unité de précipitation-cristallisation (301). 7.- Installation d'épuration de fumées de combustion par voie humide, comportant : - un laveur acide (101) alimenté par des fumées à épurer (1), - un laveur alcalin (102) alimenté par les fumées (2) sortant du laveur acide (101),- une première unité de traitement d'eau (201), alimentée par la purge (4) du laveur acide (101), - une unité de précipitation-cristallisation (301), alimentée, de manière séparée, par la purge du laveur acide, épurée par la première unité de traitement d'eau (201), et par la purge (7) du laveur alcalin (102), - un séparateur liquide-solide (302), alimenté par la sortie (9) de l'unité de précipitation-cristallisation (301), contenant du gypse précipité, et adapté pour produire un flux de gypse (10), contenant moins de 15% d'eau libre et destiné à être valorisé, et un flux de liquides résiduels (12), - une seconde unité de traitement d'eau (401), alimentée par 30 à 100% en débit, de préférence 50 à 80% en débit, du flux de liquides résiduels (12), et adaptée pour produire une saumure (15) destinée à être valorisée, et - des moyens pour recycler vers l'un et/ou l'autre des laveurs acide (101) et alcalin (102) le reliquat (14) du flux de liquides résiduels (12), non traité par la seconde unité de traitement d'eau (401). 8.- Installation selon la revendication 7, dans laquelle l'unité de précipitation-cristallisation (301) comprend un cristalliseur ou un bac agité. 9.- Installation suivant l'une des revendications 7 ou 8, dans laquelle l'unité de précipitation-cristallisation (301) comprend des hydrocyclones. 10.- Installation suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle le séparateur liquide-solide (302) est constitué par un filtre à bande ou une centrifugeuse.