Brevet FR3010175A1 — publié le 20150306

FOUR D'INCINERATION DE PRODUITS PÂTEUX, EN PARTICULIER DE BOUES DE STATIONS D'EPURATION. La présente invention concerne un four d'incinération de produits pâteux, en particulier de boues de stations d'épuration, à lit de matériau granulaire fluidisé par injection d'un fluide gazeux, le four étant du genre de ceux qui comprennent au moins deux buses d'injection de produits pâteux dans le lit, alimentées respectivement par une conduite munie d'une vanne et reliée au refoulement d'une même pompe, et un conduit d'évacuation des gaz de combustion. Lors d'une combustion de produits pâteux dans un four à lit fluidisé, l'injection la plus efficace est celle obtenue par un pompage refoulant directement dans le lit de matériau granulaire. En effet, les produits pâteux sont alors finement distribués dans le lit de matériau granulaire et la combustion est la plus efficace et la plus complète. L'injection du produit est effectuée à travers un nombre limité de buses à l'intérieur du lit. Cependant ce type d'injection peut générer plusieurs problèmes : d'une part une buse d'injection peut se boucher sans que l'on observe rapidement ce bouchage, d'autre part, ce bouchage peut entraîner une carbonisation de la boue à l'orifice et un bouchage permanent de la buse d'injection. Ces problèmes sont particulièrement présents lorsque les produits pâteux injectés sont très visqueux, notamment dans le cas de boues de station d'épuration. Plusieurs solutions ont été proposées pour remédier à ces 25 problèmes. Une première solution consiste en une fermeture cyclique de chacune des buses d'injection du four alimentées par une même pompe : cette pompe pousse les produits dans le four alternativement, grâce à un jeu de vannes, par une seule des buses. Les produits pâteux, notamment la 30 boue, sont obligés de sortir par cette buse, ce qui provoque son débouchage. Cette solution présente plusieurs inconvénients. Elle nécessite la mise en place de vannes guillotines automatiques qui fonctionnent fréquemment et qui vont s'user relativement rapidement. De plus cette 35 solution génère une forte perte de charge pour faire passer en permanence l'ensemble du produit dans une seule buse, ce qui entraîne un surdimensionnement de la pompe. Une autre solution consiste en l'utilisation d'une pompe par buse d'injection. Dans ce cas, l'injection est parfaitement contrôlée par la mise en place de débitmètre sur chaque pompe. Mais cette solution est onéreuse car les pompes sous pression sont d'un coût important. L'invention a pour but, notamment, de proposer un four d'incinération permettant le contrôle de l'injection des produits pâteux, et le débouchage des buses, lorsque nécessaire, pour un coût modéré. Selon l'invention, un four d'incinération de produits pâteux, en particulier de boues de stations d'épuration, à lit de matériau granulaire fluidisé par injection d'un fluide gazeux, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que le four comprend au moins deux capteurs de température disposés au-dessus du lit de matériau granulaire, chaque capteur de température étant situé dans une zone associée à au moins une buse d'injection, et un moyen sensible à une différence de température entre les capteurs, propre à détecter, lorsque la différence de température dépasse une valeur déterminée, le bouchage d'au moins une buse. Avantageusement, le moyen sensible à la différence de température entre les capteurs, est propre à couper l'alimentation en boues de la, ou des buse(s) associée(s) au capteur de température indiquant une température supérieure à celle fournie par l'autre capteur. De préférence, le moyen sensible comprend un automate propre à commander la coupure de l'alimentation en produits pâteux, en particulier en boues de la, ou des buse(s), associée(s) au capteur de température indiquant une température supérieure, en particulier d'au moins 10°C, à celle fournie par l'autre capteur. Le lit de matériau granulaire peut être configuré fictivement en secteurs angulaires, en particulier de taille égale, et au moins une buse d'injection est associée à chaque secteur angulaire. Avantageusement, chaque capteur de température est disposé à la verticale au-dessus d'une buse d'injection, ou de la zone médiane d'un groupe de buses associées au capteur. En variante, chaque capteur de température peut être disposé 35 dans une partie de la zone associée à chaque buse ou groupe de buses. Chaque capteur de température peut se trouver à une distance comprise entre 0.1 et 2 mètres au-dessus du lit de matériau granulaire, l'ensemble de ces capteurs constituant une première série. De préférence, chaque capteur de température de cette première série se trouve à une distance de 0.5 mètre au-dessus du lit de matériau granulaire. Le four peut comporter une seconde série de capteurs de température situés au-dessus de la première série de capteurs de température. Chaque capteur de température de la seconde série peut se trouver à une distance comprise entre 1.5 et 8 mètres au-dessus du lit de matériau granulaire. Avantageusement, chaque capteur de température de la seconde série se trouve à une distance d'environ 2 mètres au-dessus du lit de matériau granulaire. Le four peut comprendre deux buses d'injection, diamétralement opposées, chaque buse étant surmontée d'un capteur de température. Selon une variante, le four peut comprendre quatre buses d'injection, deux buses étant affectées à un premier secteur angulaire semi-circulaire surmonté d'un premier capteur de température et deux autres buses étant affectées à un second secteur angulaire semi-circulaire surmonté d'un second capteur de température. Chaque buse d'injection peut présenter une forme en V renversé, avec rétrécissement de la section de passage jusqu'à la sortie, propre à créer une perte de charge au moins égale à la différence maximale de perte de charge entre deux lignes d'injection de produits pâteux à partir du refoulement d'une même pompe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit de modes de réalisation préférés avec référence aux dessins annexés mais qui n'ont aucun caractère limitatif. Sur ces dessins : Fig. 1 est un schéma d'un premier mode de réalisation d'un four selon l'invention, Fig. 2 est un schéma à plus grande échelle de la zone d'injection des boues du four de Fig. 1, Fig. 3 est une coupe horizontale schématique de Fig. 1, et Fig. 4 est une vue similaire à Fig. 3 d'un autre mode de réalisation de l'invention. En se reportant à la Figure 1, on peut voir un four 1 d'incinération de produits pâteux, en particulier de boues de stations d'épuration, à lit fluidisé de matériau granulaire, notamment de sable. Le four 1 comporte dans sa partie basse une boîte à vent 2 au- dessus de laquelle est disposé un lit de sable 3. La boîte à vent 2 est reliée au refoulement d'une soufflante, non représentée, pour le soufflage d'air au travers du lit 3. Des tubulures non représentées permettent le passage de l'air depuis la boîte à air vers le lit de sable 3 afin d'assurer la fluidisation du sable. Au-dessus du lit de sable se trouve une zone de postcombustion 4 surmontée par un orifice et une conduite 5 de sortie des fumées. Deux buses d'injection 6 et 7 situées de part et d'autre du lit de sable 3, de préférence diamétralement opposées, permettent l'injection de boues à incinérer dans le lit de sable 3. L'alimentation des buses 6 et 7 est régulée par l'ouverture et la fermeture de vannes respectivement 8 et 9, de préférence des électrovannes. L'amenée des boues sous pression se fait par l'intermédiaire de conduites et d'une pompe 10. La turbulence du lit de sable induite par l'air soufflé, provenant de la boîte à vent, permet un mélange homogène avec les boues en provenance des buses 6 et 7. Lorsqu'une buse d'injection se bouche, une baisse de la température de l'ensemble du lit peut être détectée. Mais du fait de l'homogénéité de la température dans le lit de sable 3 et de son fort effet tampon thermique (forte capacité calorifique de la masse de sable), il n'est pas possible de déterminer quelle est la buse qui est bouchée. D'une manière surprenante, et bien que la température du lit soit homogène, il est apparu que des mesures de températures effectuées au-dessus du lit 3, de préférence à la verticale des buses, faisaient apparaître rapidement une différence sensible, d'au moins 10°C, entre la température plus élevée au-dessus d'une buse qui n'est pas bouchée, et la température au-dessus d'une buse bouchée, alimentée par la même pompe que l'autre buse. Des capteurs de température, en particulier des thermocouples 11, 12, 13, 14, ont été installés au-dessus du lit de sable, à la verticale des buses 6 et 7 (Fig. 1 et 3). Cette configuration permet de détecter si le produit pâteux est bien injecté par chaque buse considérée. Dans le lit de sable, il n'est pas possible de constater un bouchage, car la turbulence dans le lit, provoquée par l'injection d'air horizontalement qui se transforme en mouvement vertical, est très forte et il y a une véritable homogénéisation du lit. La constatation effectuée au-dessus du lit de sable permet de penser que le flux d'air, devenu vertical, dépend pour beaucoup de ce qui se passe à sa verticale plus bas. De plus la combustion de la matière pâteuse se déroule en deux temps : une partie dans le lit de sable et une autre partie au-dessus. C'est l'inhomogénéité de cette deuxième partie qui est détectée. Une mesure de température dans le lit de sable 3 permettrait de détecter la présence d'un problème global, si une variation sensible de température était détectée, mais pas de localiser précisément le problème. On désigne par nO l'altitude moyenne de la surface supérieure du lit de sable 3. A un niveau n1 situé au-dessus de nO, sont disposés deux thermocouples 11 et 12, constituant une première série. Le thermocouple 11 est disposé à la verticale de la buse d'injection 6 tandis que le thermocouple 12 est disposé à la verticale de la buse d'injection 7. Le niveau nl, altitude à laquelle se situent les thermocouples 11 et 12, est situé à environ 0,5 m au-dessus du niveau nO correspondant à la surface supérieure du lit de sable. Une seconde série de deux thermocouples 13 et 14 se situe à un niveau n2 au-dessus du niveau nl. Le thermocouple 13 se situe à la verticale de la buse d'injection 6 tandis que le thermocouple 14 se situe à la verticale de la buse d'injection 7. Le niveau n2 est situé plus haut dans la zone de postcombustion. Le niveau n2 se situe à environ 2 m au-dessus du niveau nO. D'autres thermocouples 15 et 16 sont situés en partie supérieure de la zone de postcombustion 4. Enfin, un thermocouple 17 est situé au niveau du conduit d'évacuation 1. Les capteurs de température sont reliés à un automate A constituant un moyen sensible à la différence de température entre les capteurs. Les mesures issues des différents thermocouples sont traitées par l'automate A, qui est relié aux électrovannes 8, 9 pour les commander. Dans le cas où une différence de température supérieure à une valeur déterminée, en particulier 10°C, est détectée entre la température mesurée par le capteur 11 et celle mesurée par le capteur 12, l'automate A peut émettre une alarme pour indiquer la probabilité d'un bouchage de l'une des deux buses d'injection. La température la plus basse indique la localisation du bouchage. En effet, s'il n'y a plus introduction du produit dans une buse, la température va rapidement descendre, et donc la température mesurée par le capteur situé à la verticale de ladite buse sera inférieure. Dans le cas de la détection d'un bouchage, par exemple si la température mesurée par le thermocouple 11 est inférieure de plus de 10°C à la température mesurée par le thermocouple 12, ce qui correspond à un bouchage de la buse d'injection 6, avantageusement l'automate A commande la fermeture de la vanne 9 , de manière à orienter la totalité du débit de boues provenant de la pompe 10 commune aux deux buses 5, 6 vers la seule buse 6 bouchée, ce qui provoquera rapidement son débouchage, sans compromettre d'une manière globale le débit injecté dans le four. A l'issue d'un temps pré-paramétré, la vanne 9 sera de nouveau ouverte pour permettre le retour à un fonctionnement normal. Si les thermocouples 11 et 12 indiquent une persistance de 20 différence de température, et donc de bouchage à l'issue du temps préparamétré, un deuxième cycle de débouchage est déclenché. La deuxième rangée de thermocouples 13 et 14 permet en cas de dysfonctionnement, par exemple de l'un des thermocouples de la première rangée de thermocouples 11, 12, de basculer vers une régulation du 25 débouchage automatique en utilisant les thermocouples 13 et 14. Elle permet aussi de déterminer un deuxième niveau d'alarme si la première rangée de thermocouples ne détecte pas de différence de température alors que la seconde en détecte une. L'invention permet de nombreuses possibilités et, en particulier, 30 ne se limite pas à la gestion de deux injecteurs. Il est possible d'utiliser un nombre plus important de buses d'injection, chacune des buses comportant au moins un thermocouple situé préférentiellement à la verticale au-dessus du lit de sable. Il est également possible de grouper les buses d'injection par 35 secteur angulaire, l'ensemble des buses d'injection dudit secteur étant considéré comme une buse unique dans le cadre du dispositif de débouchage selon l'invention. Le capteur de température associé à un secteur est de préférence disposé dans la zone médiane de ce secteur. Fig. 4 illustre le cas où on utilise quatre buses 6a, 6b, 7a, 7b également réparties sur deux secteurs semi-circulaires S1 et S2 opposés, les secteurs S1 et S2 étant surmontés par les thermocouples, respectivement 11 et 12. Dans le cas où le thermocouple 11 situé à la verticale de la zone médiane du secteur S1 détecte une baisse de température, et donc un bouchage, les vannes 9a et 9b alimentant les buses 7a et 7b de l'autre secteur S2 sont temporairement fermées tandis que les vannes 8a et 8b alimentant le secteur S1 sont maintenues ouvertes. Après une première période de temps prédéterminée, si les thermocouples n'indiquent pas que la situation est redevenue normale, les vannes 8a et 8b sont fermées alternativement pour assurer le débouchage. Il est cependant recommandé dans le cas des quatre buses de mettre quatre thermocouples strictement au-dessus des buses ou dans un angle de 45° (360/4/2) autour des buses pour contrôler l'action de chaque buse. Le four selon l'invention comporte également des dispositions permettant de minimiser le risque de bouchage des buses. Ce risque de bouchage provient essentiellement du fait qu'une petite différence de perte de charge, sur une des lignes d'injection provenant du refoulement d'une même pompe, entraîne une baisse de débit dans cette ligne. Cette baisse de débit entraîne un léger dépôt qui augmente la perte de charge, ce qui amplifie la baisse de débit, et au final amène au bouchage. Pour minimiser ce risque de bouchage, on prévoit selon Fig.2 des buses d'injection 6, 7 présentent chacune une forme en V renversé, en particulier tronconique, avec rétrécissement de la section de passage jusqu'à la sortie. Une telle buse est prévue pour créer une perte de charge au moins égale à la différence maximale de perte de charge entre les deux lignes d'injection provenant de la même pompe. La perte de charge créée par les buses, correspondant à 100 % du maximum de différence possible de perte de charge entre les deux lignes d'injection, permet de réduire l'influence relative de ladite perte de charge entre lignes. Cette perte de charge, créée par la forme des buses, permet couvrir pratiquement 100% des « inhomogénéités » de perte de charge. Le four selon l'invention présente de nombreux avantages. Il permet d'une part de minimiser les bouchages d'une des buses d'injection et d'autre part d'automatiser le débouchage des buses en cas de bouchage et ce, sans avoir à multiplier les équipements onéreux tels que les pompes d'injection ou sans avoir à les sur-dimensionner. REVENDICATIONS1. Four (1) d'incinération de produits pâteux, ou de boues, à lit de matériau granulaire fluidisé par injection d'un fluide gazeux, le four comprenant au moins deux buses d'injection (6, 7) de produits dans le lit, alimentées respectivement par une conduite munie d'une vanne (8,9) et reliée au refoulement d'une même pompe, et un conduit d'évacuation des gaz de combustion (5), caractérisé en ce que le four (1) comprend au moins deux capteurs de température (11, 12) situés au-dessus du lit de matériau granulaire (3), chaque capteur de température (11, 12) étant situé dans une zone associée à au moins une buse d'injection (6,7), et un moyen (A) sensible à une différence de température entre les capteurs (11,12), propre à détecter le bouchage d'au moins une buse lorsque la différence de température dépasse une valeur déterminée. 2. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (A) sensible à une différence de température entre les capteurs, est propre à couper l'alimentation en boues de la, ou des buse(s) associée(s) au capteur de température indiquant une température supérieure d'au moins la valeur prédéterminée à celle fournie par l'autre capteur. 3. Four selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen sensible comprend un automate (A) propre à commander la coupure de l'alimentation en produits pâteux, en particulier en boues de la, ou des buse(s), associée(s) au capteur de température indiquant une température supérieure, en particulier d'au moins 10°C, à celle fournie par l'autre capteur. 4. Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le lit de matériau granulaire (3) est configuré fictivement en secteurs angulaires (51, S2), en particulier de taille égale, au moins une buse d'injection (6, 7) étant associée à chaque secteur (51, S2).-10- 5. Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque capteur de température est disposé à la verticale au-dessus d'une buse d'injection, ou de la zone médiane d'un groupe de buses associées au capteur. 6. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque capteur de température est disposé dans une partie de la zone associée à chaque buse ou groupe de buses. 7. Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque capteur de température (11, 12) d'une première série se trouve à une distance comprise entre 0.1 et 2 mètres au dessus du lit de sable (3). 8. Four selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque capteur de température (11, 12) de la première série se trouve à une distance de 0.5 mètre au-dessus du lit de sable (3). 9. Four selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le four (1) comporte une seconde série de capteurs de température (13, 14) situés au-dessus de la première série de capteurs de température (11, 12). 10. Four selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque capteur de température (13, 14) de la seconde série se trouve à une distance comprise entre 1.5 et 8 mètres au-dessus du lit de sable (3). 11. Four selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque capteur de température (13, 14) de la seconde série se trouve à une distance de 2 mètres au-dessus du lit de sable (3). 12. Four selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend quatre buses d'injection (6a, 6b, 7a, 7b), les buses (6a, 6b) étant affectées à un premier secteur (S1) surmonté par un premier capteur de température (11) et les buses (7a, 7b) étant affectées à un second secteur (S2) surmonté par un second capteur de température (12).. Four selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les buses d'injection (6, 7) présentent chacune une forme en V renversé, avec rétrécissement de la section de passage jusqu'à la sortie, propre à créer une perte de charge au moins égale à la différence maximale de perte de charge entre deux lignes d'injection.