Brevet FR3081978A1 — publié le 20191206

La présente invention concerne un dispositif de traitement thermique. La présente invention concerne également l'utilisation d'un tel dispositif pour traiter thermiquement un produit à une température supérieure à 800 degrés. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION Les dispositifs de traitement thermique couramment utilisés dans l'industrie comprennent en général un organe de transfert et un moyen chauffant réalisant le traitement thermique. Il est ainsi connu un dispositif de traitement thermique comportant une enceinte et des moyens de convoyage du produit entre l'entrée de l'enceinte et la sortie de l'enceinte qui comprennent une vis montée pour tourner dans l'enceinte selon un axe géométrique de rotation et des moyens d'entraînement en rotation de la vis. Le dispositif comporte en outre des moyens de chauffage de la vis par effet Joule. Le produit à traiter est usuellement introduit à l'entrée de l'enceinte sous forme de solides divisés. La vis pousse de façon continue le produit vers la sortie de l'enceinte. Du fait de la température de la vis, le produit est chauffé au fur et à mesure de sa progression ce qui permet son traitement thermique. Néanmoins un tel agencement ne permet cependant pas toujours d'envisager le traitement à hautes températures. La présente demanderesse a ainsi proposé dans son brevet EP 2 218 300 d'avoir une enceinte présentant des parois internes en matériau réfractaire, la vis constituant un moyen de chauffage des parois internes de sorte que lesdites parois internes constituent elles-mêmes des moyens de chauffage par rayonnement des solides divisés qui progressent dans l'enceinte. 2 Avec une telle installation on favorise donc le traitement thermique des solides divisés par le rayonnement. Toutefois, ceci n'est pas encore suffisant pour 5 envisager de traiter un produit à de très hautes températures. OBJET DE L'INVENTION La présente invention a pour objet de concevoir un dispositif de traitement thermique mieux adapté aux 10 traitements à très hautes températures. La présente invention a également pour objet de proposer une utilisation d'un tel dispositif. DEFINITION GENERALE DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un 15 dispositif de traitement thermique d'un produit comportant : - une enceinte, - un convoyeur du produit entre une entrée de l'enceinte et une sortie de l'enceinte qui comprend une 20 vis montée pour tourner dans l'enceinte selon un axe géométrique de rotation et qui comprend un actionneur d'entraînement en rotation de la vis selon ledit axe, - un chauffage par effet Joule de la vis. Selon l'invention, l'enceinte comprend une 25 enveloppe en matériau réfractaire à travers laquelle s'étend la vis, ladite enveloppe étant conformée en un tube dont une surface interne suit des contours de la vis. De la sorte, l'enveloppe épouse les contours de 30 la vis. Ainsi on limite un espace entre la vis et l'enveloppe ce qui permet d'augmenter les échanges thermiques au sein de l'enveloppe dans lequel circule le produit. L'invention permet donc une montée en température 35 très importante du produit. 3 Grâce à l'invention il est en conséquence possible de travailler à hautes températures et même à très hautes températures. Les inventeurs ont ainsi pu constater qu'il était possible de travailler à des 5 températures supérieures à 800 degrés Celsius, et même supérieures à 1000 degrés Celsius et préférentiellement encore à des températures supérieures à 1300 degrés Celsius, 1500 degrés Celsius et même 1800 degrés Celsius (une telle température correspondant à la température 10 maximale enregistrée dans l'enceinte ; généralement une telle température se trouve au niveau de la spire et de l'enveloppe vers la sortie de l'enceinte). Bien entendu l'invention peut également être utilisée pour des traitements thermiques à plus basses 15 températures (et donc à des températures inférieures à 800 degrés Celsius) si cela est souhaité. Optionnellement, l'enveloppe est en céramique réfractaire. Optionnellement, l'enveloppe est conformée en un cylindre creux. Optionnellement, un rayon interne de l'enveloppe est supérieur au rayon externe de la vis d'une valeur comprise entre 1 et 20 millimètres. Optionnellement, le rayon interne de l'enveloppe est supérieur au rayon externe de la vis d'une valeur entre 5 et 15 millimètres. Optionnellement, l'enveloppe est formée d'une succession de tronçons. Optionnellement, les différents tronçons sont conformés pour être emboîtés les uns dans les autres. Optionnellement, l'enceinte comporte un étui externe qui renferme l'enveloppe et est conformé au moins intérieurement à la forme de l'enveloppe. Optionnellement, l'étui est conformé en un cylindre creux. 4 Optionnellement, l'enceinte comporte une couverture en matériau thermiquement isolant entourant l'enveloppe. La présente invention concerne également une utilisation d'un tel dispositif pour traiter thermiquement un produit à une température supérieure à 800 degrés. Optionnellement, on utilise le dispositif pour traiter thermiquement un produit et le gaz associé à sa décomposition à une température supérieure à 800 degrés. D'autres caractéristiques et avantages de 5 l'invention apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre et des dessins annexés, concernant un mode de réalisation particulier. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Il sera fait référence aux figures des dessins 10 annexés, où : - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un dispositif de traitement thermique selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de 15 l'enveloppe du dispositif illustré à la figure 1 ; - la figure 3 est une vue en perspective d'un tronçon de l'enveloppe illustré à la figure 2 ; - la figure 4 est une vue en coupe transversale d'une portion du dispositif illustré à la figure 1. 20 DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PARTICULIER DE L'INVENTION A la figure 1 est représenté le dispositif de traitement thermique selon un mode de réalisation particulier de l'invention, généralement désigné en 1. 25 Le dispositif 1 est ici applicable à la gazéification de déchets, par exemple végétaux, ou bien encore polymérique, afin de produire un gaz comme par exemple un gaz méthane ou encore du dihydrogène. Bien 5 entendu, cette application n'est pas limitative et le dispositif 1 peut être utilisé pour de nombreuses autres applications. On peut citer par exemple la torréfaction, la pyrolyse, la gazéification, la dévolatilisation, la 5 dessiccation De la même façon, les solides divisés peuvent être sous forme de poudres, granulés, morceaux, fibres, feuillets et être de nature végétale, minérale, chimique Le dispositif 1 comporte une enceinte 2, de 10 direction générale essentiellement horizontale, qui est maintenue à distance du sol par des piètements. L'enceinte 2 comporte ici une entrée 4 aménagée dans le couvercle de l'enceinte 2 sensiblement au niveau d'une première extrémité longitudinale de l'enceinte 2. 15 Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte une cheminée d'entrée 5 qui est connectée de façon étanche à l'entrée 4 de l'enceinte. La cheminée d'entrée 5 est par exemple connectée à un dispositif de broyage, de compactage, d'extrusion, de fusion ou de 20 granulation du produit considéré en solides divisés ou encore à un dispositif de pré-conditionnement du produit considéré sous forme de solides divisés. Un dispositif de pré-conditionnement permet par exemple de chauffer et de sécher ledit produit à des valeurs prescrites de 25 température et d'humidité relative ou encore de densifier le produit ou encore d'humidifier le produit ou encore d'en extraire l'air interstitiel par fusion partielle ou totale. L'enceinte 2 comporte en outre une première 30 sortie 6 aménagée ici dans le fond de l'enceinte 2 sensiblement au niveau de la deuxième des deux extrémités longitudinales de l'enceinte 2. Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte une cheminée de sortie 7 qui est connectée de façon étanche à 35 la première sortie 6 de l'enceinte 2. La cheminée de 6 sortie 7 est par exemple connectée à un dispositif de refroidissement du produit. L'enceinte 1 comporte en outre ici une deuxième sortie 8 aménagée ici dans le couvercle de l'enceinte 2 5 sensiblement au niveau de la deuxième des deux extrémités longitudinales de l'enceinte 2 mais pouvant être située plus en amont. Cette deuxième sortie 8 va permettre de récupérer des sous-produits gazeux qui pourraient être issus du traitement des solides divisés. La nature des 10 sous-produits gazeux concernés dépendra du type de traitement concerné : il pourra ainsi s'agir de gaz, de fumée, de vapeur d'eau, de métal lourd .... Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif comporte une cheminée de sortie 9 qui est connectée de façon étanche à 15 la deuxième sortie 8 de l'enceinte 2. La cheminée de sortie 9 est par exemple connectée à un dispositif de post-traitement des sous-produits gazeux par exemple pour purifier lesdits sous-produits gazeux. Des caissons (non représentés ici) sont fixés à 20 chacune des extrémités de l'enceinte 2. Le dispositif 1 comprend une vis 10 ayant un axe longitudinal X et montée pour tourner autour dudit axe longitudinal X dans l'enceinte 2. En l'espèce, la vis 10 a une forme de serpentin hélicoïdal qui est fixé à ses 25 deux extrémités en bout d'un tronçon d'arbre lia, 11b, mais ceci ne constitue naturellement qu'un exemple, et l'on pourra utiliser toute autre géométrie de type hélicoïdal. La vis 10 est ainsi dépourvue elle-même d'arbre à 30 proprement parler. Chaque tronçon d'arbre 11a, llb est relié à son autre extrémité, à un arbre coaxial qui passe dans un caisson associé. Chaque caisson est équipé de moyens servant à 35 entraîner en rotation la vis 10, ainsi que des moyens 7 assurant l'alimentation en énergie électrique de la vis 10 afin que celle-ci forme un moyen de chauffage par effet Joule. La vis 10 constitue donc un moyen de transfert chauffant. 5 A cet effet la vis 10 est formée dans sa masse d'un matériau électriquement conducteur. On choisit ici la vis 10 de sorte que son point de fusion soit élevé et évidemment supérieur à la température à laquelle on souhaite employer le dispositif. On peut ainsi avoir une 10 vis en métal avec un point de fusion supérieur à 800 degrés mais de préférence supérieur à 1500 degrés Celsius, préférentiellement supérieur à 2000 degrés Celsius, préférentiellement encore supérieure à 2500 degrés Celsius et même supérieur à 3000 degrés Celsius. 15 Pour un travail à des températures très importantes, on peut ainsi avoir une vis 10 dans un métal réfractaire ou dans un alliage réfractaire, tel qu'un alliage à base de Tantale (le point de fusion de la vis 10 étant alors sensiblement de 3000 degrés Celsius). 20 Par ailleurs, si l'on souhaite réaliser un traitement thermique à hautes températures (typiquement supérieures à 800 degrés Celsius) ou très hautes températures (typiquement supérieures à 1500 degrés Celsius), les caissons doivent être agencés et reliés à 25 l'enceinte 2 de telle façon que la température régnant à l'intérieur desdits caissons soit une température compatible avec les composants qui y sont disposés et donc à une température bien inférieure à 800 degrés Celsius. A cet effet, on peut prévoir une isolation 30 thermique des caissons et/ou une ventilation des caissons (par exemple par des ailettes de refroidissement, un ou des ventilateurs, la circulation d'un fluide de refroidissement De préférence, les tronçons d'arbres portant la vis 10 sont creux afin qu'un fluide de 35 refroidissement puisse circuler à l'intérieur de ces 8 tronçons d'arbres. Pour plus de détails, on pourra se référer au document EP 2 218 300 précité de la demanderesse, dans lequel l'entrainement et le chauffage de la vis 10 ainsi 5 que le refroidissement des caissons et des tronçons d'arbres sont davantage décrits. Selon l'invention, l'enceinte comporte une enveloppe 12 en matériau réfractaire à travers laquelle s'étend la vis 10. La vis 10 forme ainsi en plus de ses 10 fonctions de chauffage direct des produits venant à son contact et de transfert longitudinal desdits produits, un chauffage de cette enveloppe 12 qui constitue ainsi elle-même un chauffage par rayonnement de la masse de solides divisés. 15 Du fait que la vis 10 est formée dans sa masse d'un matériau électriquement conducteur, et est relié à au moins une source d'alimentation en énergie électrique, il faudra prévoir que l'enveloppe 12 soit réalisée en un matériau qui est à la fois réfractaire et isolant 20 électriquement. Il pourra par exemple s'agir d'un béton réfractaire ou d'un matériau céramique réfractaire tel que ceux couramment utilisés pour réaliser des parois de fours. De tels matériaux ont un point de fusion très élevés et notamment supérieurs à 2000 degrés Celsius. 25 L'enveloppe 12 est par exemple à base d'alumine (A1203). On choisit bien entendu l'enveloppe 12 de sorte que son point de fusion soit élevé et évidemment supérieur à la température à laquelle on souhaite employer le dispositif. 30 Dans le cas présent, les cheminées 5, 7, 9 sont de préférence également réalisés en matériau réfractaire de même nature que celui de l'enveloppe 12. En référence aux différentes figures, l'enveloppe 12 est conformée en un tube s'étendant longitudinalement 35 et à travers lequel la vis 10 est agencée. L'enveloppe 12 9 tubulaire entoure ainsi circonférentiellement la vis 10. La vis 10 repose par ailleurs ici sur le fond de l'enveloppe 12. L'enveloppe 12 est donc conformée en un cylindre 5 creux. La section transversale de l'enveloppe 12 suit les contours de la vis 10. La section transversale de l'enveloppe 12 est ainsi conformée en un anneau dont le cercle interne entoure la vis 10. 10 De la sorte, on limite un espace entre la vis 10 et l'enveloppe 12 l'entourant. On force ainsi le gaz produit par la décomposition thermique partielle ou totale du produit à passer au centre de la vis 10 et dans l'espace hélicoïdal 15 correspondant à travers les spires là où la température est la plus élevée ce qui permet de pouvoir traiter thermiquement le gaz issu du produit à des températures très élevées, tout comme la phase solide du produit. En outre, on force le gaz à passer dès le début par le 20 centre de la vis 10 et l'espace hélicoïdal ce qui permet de maximiser le temps de séjour du gaz au centre de la vis 10 lors de son passage dans l'enceinte. Le gaz pour s'échapper de l'enveloppe doit ainsi parcourir l'espace laissé entre les spires chauffantes de 25 la vis 10 du fait de la proximité très étroite entre la spire 10 et l'enveloppe 12. C'est cette distance parcourue au coeur de la vis qui vient parfaire le traitement thermique du gaz. On limite ainsi la proportion de gaz partant dans 30 le ciel de l'enveloppe 12 en allongeant en conséquence la durée de traitement thermique dudit gaz. On conforme donc l'enveloppe 12 pour qu'elle soit la plus ajustée possible au diamètre de la vis 10.Préférentiellement, le rayon interne de l'enveloppe 12 35 est identique au rayon externe de la vis 10. Dans ce cas 10 la vis 10 touche également le reste de l'enveloppe 12 (et non uniquement le fond de l'enveloppe). La vis 10 et l'enveloppe 12 sont ainsi concentriques. Pour des questions de facilité de montage, on 5 peut préférer que le rayon de l'enveloppe 12 soit légèrement supérieur à celui de la vis. Dans ce cas, la vis reposant sur le fond de l'enveloppe 12, la vis 10 et l'enveloppe 12 ne sont pas concentriques mais légèrement désaxées. Un ciel existe alors en partie haute de 10 l'enveloppe 12. De préférence, l'enveloppe 12 est conformée de sorte que ce ciel soit compris entre 1 et 20 millimètres et de préférence compris entre 5 et 15 millimètres et de préférence encore compris entre 5 et 10 millimètres. 15 Dans tous les cas, l'enveloppe 12 est conformée en un véritable fourreau de la vis 10 en étant non seulement conformée à la forme de la vis 10 mais également proche de la vis 10. L'enveloppe 12 entoure bien entendu à 360 degrés 20 la vis 10. Par ailleurs, l'enveloppe 12 s'étend au moins sur toute la longueur de la vis 10. Préférentiellement, l'enveloppe 12 s'étend sur toute la longueur de l'enceinte 2. L'enveloppe 12 est par exemple fabriquée par 25 moulage. Comme plus visible aux figures 3 et 4, l'enveloppe 12 n'est pas ici d'un seul tenant. L'enveloppe 12 est ainsi formée d'une succession de tronçons 13. 30 Ceci facilite notamment l'agencement de la vis 10 à l'intérieur de l'enveloppe 12. En outre, il est ainsi possible de ne changer qu'une partie de l'enveloppe 12 lorsqu'un des tronçons 13 est abîmé. Ceci facilite également la fabrication de 35 l'enveloppe 12. On peut notamment fabriquer chaque 11 tronçon 13 par moulage. Préférentiellement, les différents tronçons 13 sont tous identiques entre eux. L'enveloppe 12 comporte typiquement entre 3 et 7 5 tronçons. De préférence, les différents tronçons 13 sont liés entre eux par vissage, par collage, par encliquetage, par emboîtement, par scellement ... Préférentiellement, les différents tronçons 13 10 sont conformés pour pouvoir être emboîtés les uns à la suite des autres. On assure ainsi une bonne continuité de l'enveloppe 12. Ceci permet notamment d'assurer une bonne étanchéité de l'enveloppe 12 ce qui particulièrement 15 avantageux pour conserver les sous-produits gazeux à l'intérieur de l'enveloppe 12. Par ailleurs, l'emboîtement des différents tronçons 13 permet un auto-centrage des différents tronçons 13 entre eux ce qui facilite le montage de 20 l'enveloppe 12. Chaque tronçon 13 se présente ici sous la forme d'un tube cylindrique, une première extrémité du tronçon 13 présentant une rainure interne circulaire 14 et une deuxième extrémité du tronçon 13 (opposée à la première) 25 présentant une extension circulaire 15 apte à être insérée dans la rainure interne circulaire 14 du tronçon 13 adjacent. On a ainsi un emboîtement par escalier des différents tronçons 13 entre eux ce qui assure une bonne 30 étanchéité de l'ensemble. On peut prévoir une fixation des différents tronçons 13 entre eux une fois qu'ils sont emboîtés (par exemple par scellement céramique). Comme plus visible à la figure 4, selon un mode 35 de réalisation particulier, l'enceinte 2 comporte un étui 12 16 externe qui renferme l'enveloppe 12 et la vis 10 et est préférentiellement conformé à la forme de l'enveloppe 12, et donc de la vis 10. L'étui 16 est donc conformé en un tube s'étendant 5 longitudinalement et à travers lequel l'enveloppe 12 est agencée, deux parois latérales fermant le tube. Lesdites parois latérales sont celles à travers lesquelles s'étendent les tronçons d'arbre 11a, llb portant la vis 10. 10 L'étui 16 entoure ainsi circonférentiellement l'enveloppe 12. L'étui 16 entoure bien entendu à 360 degrés l'enveloppe 12. L'étui 16 est ainsi concentrique à l'enveloppe 12. 15 La section transversale de l'étui 16 suit les contours de l'enveloppe 12. La section transversale de l'étui 16 est ainsi conformée en un anneau dont le cercle interne entoure l'enveloppe 12. De la sorte, on limite un espace entre l'étui 16 20 et l'enveloppe 12. L'étui 16 est ici d'une seule pièce. L'étui 16 présente une forme de cylindre creux. L'étui 16 est en matière métallique. Typiquement l'étui 16 est en acier, comme en acier inoxydable, et par 25 exemple amagnétique. Selon un mode de réalisation préférée, l'étui 16 et l'enveloppe 12 ne sont pas en contact l'une de l'autre. Ainsi, l'enceinte 2 comporte une couverture 17 30. intermédiaire en matière thermiquement isolante s'étendant entre l'enveloppe 12 et l'étui 16. La couverture 17 est par exemple en laine de roche. La couverture 17 est ici agencée de manière que la surface externe de l'enveloppe 12 soit en contact avec 35 la surface interne de la couverture 17 et que la surface 13 interne de l'étui 16 soit en contact avec la surface externe de la couverture 17. Ainsi la couverture 17 est également conformée à la forme de l'enceinte 2 et de l'enveloppe 12. 5 La couverture 17 est donc conformée en un tube s'étendant longitudinalement et à travers laquelle l'enveloppe 12 est agencée, la couverture 17 s'étendant elle-même à travers l'étui 16, deux parois latérales fermant le tube. Lesdites parois latérales sont celles 10 contre lesquelles s'appuie l'enveloppe 12 à ses deux extrémités et celles également à travers lesquelles s'étendent les tronçons d'arbres 11a, llb portant la vis 10. Lesdites parois latérales sont elles-mêmes appuyées contre les parois latérales correspondantes de l'étui 16. 15 La couverture 17 s'étend donc sur toute la longueur de l'étui 16 de sorte à s'appuyer à ses deux extrémités sur les parois latérales de l'étui 16. La couverture 17 entoure ainsi circonférentiellement l'enveloppe 12. La couverture 17 20 entoure bien entendu à 360 degrés l'enveloppe 12. La couverture 17 est ainsi concentrique à l'enveloppe 12. La section transversale de la couverture 17 suit les contours de l'étui 16 et de l'enveloppe 12. La 25 section transversale de la couverture 17 est ainsi conformée en un anneau dont le cercle interne entoure l'enveloppe 12 et dont le cercle externe est entouré par l'étui 16. La couverture 17 est en forme de cylindre creux. 30 La couverture 17 est ici d'une seule pièce. De par sa forme générale tubulaire avec des couches (étui, couverture, enveloppe, vis) très proches, voire en contact pour l'étui 16 et la couverture 17 d'une part et la couverture 17 et l'enveloppe 12 d'autre part, 35 l'enceinte 2 s'avère de faible dimensions. 14 On est ainsi parvenu à réaliser un dispositif 1 de traitement thermique à hautes températures et même très hautes températures qui est à la fois simple, polyvalent et peu encombrant, et aussi faiblement 5 consommateur d'énergie, tout en permettant des traitements très variés. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais englobe au contraire toute variante reprenant, avec des moyens 10 équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées plus haut. En particulier, seule l'enveloppe pourra être conformée à la forme de la vis. L'étui de l'enceinte pourra ainsi présenter une autre forme. On pourra 15 également avoir un étui dont seule la surface interne suit la forme de l'enveloppe, la surface externe étant toutefois différente. L'étui et la couverture et/ou la couverture et l'enveloppe pourront ne pas être en contact sur toute la longueur de l'étui, la couverture et/ou 20 l'enveloppe. La couverture pourra ne pas être d'une seule pièce mais composée de plusieurs éléments fixés entre eux et/ou fixés à l'enveloppe et/ou fixés à l'étui. On pourra s'affranchir d'une couverture. 25 L'étui pourra également ne pas être d'une seule pièce. L'enveloppe pourra être d'une seule pièce. Seule la surface interne de l'enveloppe pourra être conformée à la forme de la vis, la surface externe présentant une 30 autre forme. L'enveloppe pourra ainsi être un tube, soit un organe allongé et creux, dont le contour externe n'est pas cylindrique. L'enveloppe et la vis pourront être concentriques même si le rayon interne de l'enveloppe est plus 35 important que celui de la vis, la vis ne reposant alors 15 pas au fond de l'enveloppe. Bien qu'ici le produit soit introduit sous forme de solides divisés dans l'enceinte, le produit pourra être introduit sous une autre forme par exemple liquide ou encore gazeuse. De la même façon on 5 pourra récupérer en sortie un ou plusieurs produits sous forme de gaz, de liquide, d'huile, de solide Le nombre d'entrée et de sortie de l'enceinte variera en conséquence. Parmi les applications possibles de l'invention, 10 on notera également que le dispositif de traitement peut être monté en aval d'une installation de pyrolyse classique de manière à traiter le char sortant de cette pyrolyse pour lui faire subir un post-traitement. 16