<Desc/Clms Page number 1>
Procédé pour la réduction de la teneur en polluants acides des fumées et dispositif pour sa mise en oeuvre
La présente invention concerne un procédé et un dispositif de réduction de la teneur en gaz polluants, notamment acides, contenus dans des effluents gazeux, tels que les fumées provenant de la combustion de divers combustibles et de l'incinération des déchets, par exemple mais non exclusivement des ordures ménagères.
La combustion de beaucoup de combustibles qui contiennent plus ou moins de soufre amène dans les fumées la présence d'une certaine quantité de dioxyde de soufre ou anhydride sulfureux S02.
La destruction par incinération des déchets qui contiennent du chlore, principalement sous forme de matières plastiques chlorées (surtout chlorure de polyvinyl PVC), conduit à la présence dans les fumées de chlorure d'hydrogène gazeux HC1 à des teneurs variables suivant la provenance des déchets. Par exemple pour les ordures ménagères, la teneur moyenne en HCl est voisine de 1 g/Nm3 dans les conditions standard d'évaluation (7 % C02 ou 11 % 02) qui sont celles pour lesquelles on a défini les teneurs maxima de rejet. Par contre, pour les déchets, la teneur en S02 des fumées est relativement basse, de l'ordre de quelques centaines de milligrammes par Nm3 alors qu'elle peut atteindre quelques grammes avec certains combustibles.
Dépendant des conditions de combustion et ceci quel que soit le combustible, les fumées contiennent également des oxydes d'azote (NOx) et souvent des traces d'autres polluants acides tel l'acide fluorhydrique HF.
Pour assurer la protection de l'environnement et pour respecter la réglementation en vigueur, il est indispensable de procéder à un traitement des fumées pour abaisser la teneur en polluants acides.
Compte tenu de la solubilité dans l'eau de ces polluants acides, beaucoup de procédés de dépollution consistent à procéder à un lavage à l'eau des fumées.
<Desc/Clms Page number 2>
D'autres procédés connus préconisent une injection de un ou plusieurs réactifs basiques dans les fumées, selon l'une des trois modalités suivantes : - voie sèche : les réactifs sont injectés sous forme de poudre ou les gaz passent sur des lits, en général fixes, de réactifs ; - voie semi-sèche : les réactifs sont injectés sous forme de solution suffisamment concentrée pour que les produits de réaction soient recueillis sous forme pulvérulente ; - voie humide : les réactifs sont injectés sous forme de solution et les produits de réaction sont retirés également en solution.
L'injection de produits neutralisants telle la chaux amène un encrassement rapide par dépôt des produits formés nécessitant ainsi un nettoyage périodique ou cyclique par des moyens chimiques ou mécaniques.
On utilise de préférence des réactifs choisis dans la famille des carbonates ou mieux hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux, le plus souvent la chaux anhydre CaO ou hydratée Ca (OH) 2.
Quel que soit le réactif utilisé, il faut prévoir un circuit pour son injection dans les fumées et un autre circuit pour en retirer les produits de réaction : chlorures, sulfates... alcalins ou alcalinoterreux, pulvérulents ou en solution. Le fonctionnement de cette partie de l'installation représente une part importante dans le coût total du traitement des fumées, et son implantation, une forte augmentation des investissements.
Vu les cinétiques de réaction, il est nécessaire d'utiliser des quantités de réactifs correspondant au moins à deux ou trois fois la quantité stoechiométrique dans les procédés par voie sèche et au moins la quantité stoechiométrique dans les procédés par voie semi-sèche ou humide.
Le procédé objet de l'invention permet de réduire dans les fumées de combustion la teneur en gaz polluants acides solubles dans l'eau en-dessous des teneurs maxima admises par la réglementation en s'affranchissant de l'injection dans les fumées soit d'eau soit de réactif en solution ou sous forme pulvérulente.
<Desc/Clms Page number 3>
La présente invention a ainsi pour objet un procédé pour la réduction de la teneur en polluants acides solubles dans l'eau contenus dans des fumées chaudes produites par un dispositif de combustion, du type suivant lequel les fumées sont dépoussiérées et subissent une phase de refroidissement avant d'être rejetées à l'atmosphère, ce refroidissement des fumées étant effectué par échange de chaleur avec un fluide froid, jusqu'à une température inférieure à leur point de rosée de manière que la condensation, au moins partielle ainsi obtenue, de la vapeur d'eau contenue dans lesdites fumées, capte les polluants acides.
Grâce à l'invention, il est possible de réduire la teneur en gaz polluants notamment acides solubles dans l'eau et en vapeur condensable en-dessous des maxima tolérés sans avoir à utiliser un dispositif de lavage des gaz et d'injection de réactifs neutralisants directement dans les fumées.
Le procédé selon l'invention conduit à la mise en oeuvre d'un volume réduit de liquides acides ne nécessitant qu'une installation de traitement des effluents de petite taille donc peu coûteuse.
Le procédé selon l'invention permet en outre, grâce à une récupération de chaleur sur les fumées, de disposer de fluides auxiliaires réchauffés et en particulier d'air chaud. Cet air chaud peut être utilisé, d'une part, classiquement comme air de combustion améliorant ainsi le rendement de la chaudière et, d'autre part, comme gaz de dilution des fumées refroidies et saturées en vapeur d'eau avant leur rejet à l'atmosphère abaissant ainsi leur température de rosée, ce qui permet de réduire ou de supprimer le panache à la cheminée.
L'invention a également pour objet un dispositif du type comportant des moyens de dépoussiérage des fumées produites par un dispositif de combustion, au moins un échangeur thermique et une cheminée pour le rejet à l'atmosphère des fumées traitées, dans lequel l'échangeur thermique situé sur le trajet des fumées qui le traversent suivant un cheminement vertical descendant est du type à air de refroidissement et comporte à sa base des moyens de
<Desc/Clms Page number 4>
collecte de l'eau condensée chargée en polluants acides, qui autorisent le libre passage des fumées et conduisent la solution acide jusqu'à un bac de neutralisation.
La présente invention est présentée en détail au travers des exemples d'application qui figurent dans la description qui va suivre, en se référant aux dessins schématiques les accompagnant sur lesquels : - la Fig. 1 est un schéma d'ensemble d'un dispositif de trai- tement des fumées de combustion selon une première réalisation de l'invention ; - la Fig. 2 est un schéma analogue à celui de la Fig. 1 mais relatif à un dispositif d'incinération de déchets ; - la Fig. 3 est un schéma semblable à celui de la Fig. 2, également relatif à un dispositif d'incinération de déchets selon une variante de réalisation de l'invention.
Le dispositif de traitement des fumées représenté à la Fig. 1 est associé à un dispositif de combustion 1 pourvu d'une chaudière de récupération de chaleur 2 alimentée en eau par une conduite 21 et produisant de la vapeur sortant par une conduite 22. Les fumées provenant de la combustion d'un combustible C quittent la chaudière 2 par une conduite 3 à une température relativement basse, par exemple 2500C à 3000 C. Elles traversent ensuite un dispositif de dépoussiérage qui est ici représenté par un cyclône 31 mais qui pourrait être remplacé par un autre dispositif, par exemple un dépoussiéreur électrostatique.
Les fumées dépoussiérées passent alors dans un dispositif d'échange thermique 4 qui est composé d'un échangeur fumées-air comprenant une pluralité de surfaces d'échange, par exemple des tubes 41 formant un faisceau, qui véhiculent l'air de refroidissement fourni par un ventilateur 5 tandis que les fumées circulent à l'extérieur des surfaces d'échange 41 dans l'espace limité par des plaques d'extrémité 42 et une enveloppe extérieure au faisceau, non représentée. L'échangeur peut être de type quelconque, à contre-courant, à co-courant ou à courants croisés. Les fumées le traversent suivant un trajet vertical descendant.
La
<Desc/Clms Page number 5>
vapeur d'eau est condensée en partie, plus particulièrement dans la partie de l'échangeur la plus proche de la sortie des fumées, c'est-à-dire dans la partie où les fumées sont les plus froides.
L'eau condensée, chargée en composés solubles dans l'eau, est collectée par un dispositif 43 situé à la base de l'échangeur, tel qu'une goulotte ou une pluralité de goulottes autorisant ainsi le libre passage des fumées sans entraînement de condensats, puis évacuée au-dehors par une conduite 9 jusqu'à un bac 10 où l'on procède à la neutralisation de la solution à l'aide de réactifs R.
Les fumées refroidies, saturées de vapeur d'eau et pouvant entraîner des gouttelettes, sortent de l'échangeur 4 par une conduite 6 située dans sa partie inférieure. Elles traversent d'abord un dévésiculeur 61 qui capte les gouttelettes entraînées puis sont aspirées par un ventilateur 32 qui les rejette à une cheminée 7. Il est à noter qu'en variante le ventilateur 32 pourrait également être situé sur la conduite 3 en amont de l'échangeur 4.
L'air utilisé comme fluide de refroidissement dans l'échangeur 4 est pris dans l'atmosphère à l'aspiration du ventilateur 5. Après son passage à l'intérieur des surfaces d'échange 41, l'air réchauffé est envoyé par une conduite 8 dans deux directions correspondant à deux utilisations différentes :
- d'une part, par une branche 8a vers la cheminée 7 où, par son mélange avec les fumées refroidies et saturées amenées par la conduite 6, l'air chaud diminue la température de rosée du mélange rejeté, ce qui contribue à éloigner les conditions d'apparition du panache à la cheminée, et à éviter la condensation de vapeur d'eau dans la cheminée elle-même, ce qui entraînerait des problèmes de corrosion, - d'autre part, par une branche 8b jusqu'à la chaudière 1 dans laquelle elle débouche grâce à au moins une ouverture 11, ce qui permet d'améliorer le rendement de combustion.
Conformément à la Fig. 2, une seconde réalisation d'un dispositif de traitement des fumées selon l'invention est plus
<Desc/Clms Page number 6>
spécialement adaptée au cas de l'incinération des déchets sans récupération de chaleur.
L'installation comprend un four d'incinération 101 alimenté en déchets D, par exemple mais non exclusivement en ordures ménagères. Les fumées à haute température ainsi produites traversent un dispositif de refroidissement 102 constitué d'une tour à pulvérisation d'eau avant de passer dans un dépoussiéreur électrostatique 110.
Les fumées refroidies sont amenées par la conduite 3 jusqu'au système d'échange destiné à provoquer la condensation partielle de la vapeur d'eau. Dans cet exemple, le système d'échange comprend deux échangeurs en série sur le circuit des fumées. Un premier échangeur eau-fumées 104 est alimenté en eau relativement froide par une pompe 105, l'eau sortant par une conduite 108.
Ce premier échangeur 104 est dimensionné de manière à ce que les fumées sortent par une conduite 103 à une température supérieure au point de rosée acide le plus élevé du mélange gazeux complexe que sont les fumées. En pratique, il s'agit du point de rosée acide pour la solution d'anhydride sulfureux S02, qui se situe entre 130 et 1800C.
L'échangeur 104 permet de réduire les dimensions du second échangeur 4 qui assure la captation par condensation des polluants acides. Ce dispositif est intéressant car l'échangeur à condensation 4 est de construction plus complexe donc plus onéreuse qu'un échangeur sans condensation puisqu'il doit résister aux condensats acides.
Les fumées, amenées assez près du point de rosée à la sortie de l'échangeur eau-fumées 104, passent alors dans l'échangeur a condensation 4 semblable à celui décrit dans le premier exemple de réalisation mais de dimension plus réduite selon le parcours des fumées. On retrouve les mêmes numéros de repère désignant les mêmes parties, les éléments auxiliaires traversés ultérieurement par les fumées et les condensats étant identiques à ceux décrits précédemment.
<Desc/Clms Page number 7>
C'est ainsi que les fumées arrivant par la conduite 103 passent à l'extérieur des surfaces d'échange 41 dont au moins une partie est à une température inférieure au point de rosée des fumées produisant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumées, ce qui assure la captation de la plus grande partie des gaz polluants notamment les polluants acides.
Les condensats chargés de ces polluants surtout acides sont. recueillis par le dispositif 43 et dirigés vers le bac de traitement 10.
De même, l'air préchauffé sortant de l'échangeur 4 par la canalisation 8 est séparé en deux fractions : - la première par la canalisation 8a va diluer dans la cheminée 7 les fumées refroidies et saturées pour éviter la formation de panache et la condensation dans la cheminée ; - la seconde est conduite par la canalisation 8b jusqu'au four d'incinération 101, en partie dans un caisson 111 alimentant le four en air primaire par-dessous la grille, améliorant ainsi le rendement de combustion, et en partie en air secondaire dans le foyer, non représenté.
Suivant une variante de réalisation représentée à la Fig. 3, l'échangeur 104 est relié au four d'incinération.
L'installation comprend un four d'incinération 101 alimenté en déchets D associé à une chaudière de récupération 2.
Les fumées, dont la température a été abaissée jusqu'à 250- 300 C par la chaudière 2, sont amenées par la conduite 3 après un dépoussiérage primaire par l'organe 31 (par exemple un cyclône) dans les échangeurs couplés 104 et 4 semblables à ceux décrits dans la réalisation précédente. Le premier échangeur eaufumées 104 permet dans ce cas un préchauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière de récupération 2, la sortie 108 de l'échangeur étant reliée à l'entrée 21 du circuit d'eau de la chaudière.
L'échangeur condenseur 4 avec ses auxiliaires est tout à fait semblable à celui présenté dans la réalisation précédente et l'air préchauffé y reçoit les mêmes utilisations.
<Desc/Clms Page number 8>
Suivant une autre variante de réalisation, également représentée à la Fig. 3, le circuit des fumées refroidies et saturées traverse à la sortie de l'échangeur 4 un dépoussiéreur humide 62, par exemple du type venturi, avec injection d'eau produisant un effluent liquide recueilli et traité dans une installation de type connu, non représentée. Les fumées traversent ensuite le dévésiculeur 61 avant d'être rejetées à la cheminée 7 grâce au ventilateur 32.
La disposition du laveur ou dépoussiéreur 62 à l'aval de l'échangeur fumées-air 4 présente plusieurs avantages : - les fumées entrant dans le laveur étant saturées en humidité, les eaux de lavage ne peuvent pas s'y évaporer et il n'y a donc pas d'augmentation du volume de panache émis à la cheminée ; - la température des eaux de lavage étant inférieure à celle des fumées, une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumées se condense ; le flux centripète de vapeur vers les gouttelettes d'eau de lavage favorise la diffusion des poussières vers les gouttelettes, donc leur captation ; - les fumées entrant dans le laveur étant débarrassées de la plupart de leurs polluants acides, les effluents issus du laveur sont peu acides, donc plus faciles à traiter ;
- les gouttelettes entraînées par les fumées issues du laveur 62 étant d'une granulométrie supérieure à celle des gouttelettes entraînées par les fumées issues de l'échangeur 4, l'efficacité du dévésiculeur 61 en est notablement améliorée.
Le fonctionnement du dispositif de traitement des fumées selon l'une quelconque des réalisations décrites, ou selon une réalisation combinant tout ou partie des composants utilisés dans les trois exemples donnés ou par des composants équivalents, est présenté ci-dessous.
La partie essentielle du dispositif est le système d'échange thermique indirect qui permet d'abaisser la température des fumées au-dessous du point de rosée, provoquant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau qu'elles contiennent, ladite eau condensée captant la plus grande partie des gaz polluants
<Desc/Clms Page number 9>
notamment acides qui sont solubles dans l'eau. Cette captation se réalise grâce au mouvement centripète de la vapeur d'eau en phase de condensation, qui entraîne les molécules de polluants vers la gouttelette en formation, diminuant la résistance au transfert de masse.
Les fumées provenant de la combustion, soit dans le dispositif de combustion 1 pour un combustible quelconque C, soit dans un four d'incinération 101 pour déchets D, passent dans un dispositif abaissant leur température dans la gamme de 200-300 C, soit de préférence dans la chaudière de récupération 2, soit à défaut dans la tour à pulvérisation d'eau 102 si la récupération de chaleur n'est pas intéressante.
Les gaz refroidis par l'un ou l'autre procédé passent de préférence dans un dispositif de dépoussiérage 31 ou 110 (cyclône, filtre électrostatique...) pour enlever la plus grosse partie des poussières avant 1'échangeur-condenseur et éviter ainsi un encrassement trop rapide des surfaces d'échange par dépôt des poussières les plus grosses, et limiter la quantité de matières sèches drainée dans les condensats.
Les fumées passent ensuite dans l'échangeur indirect qui permet de condenser en partie la vapeur d'eau contenue. Cet échange peut être réalisé dans un échangeur unique, par exemple air-fumées (repère 4, Fig. 1), ou par deux échangeurs en série sur les fumées, par exemple (Fig. 2 et 3) un premier échangeur eaufumées 104 qui amène les fumées à une température supérieure au point de rosée acide le plus élevé, et un second échangeurcondenseur 4 qui, lui, abaisse la température des fumées endessous de la température de rosée des fumées.
On provoque ainsi la condensation d'une fraction de la vapeur d'eau contenue dans les fumées, d'abord sous forme de gouttelettes sur l'extérieur des surfaces d'échange 41 qui en grossissant forment un film ruisselant qui tombe sous forme de gouttes d'une surface d'échange (tube ou plaque) à une autre située à un niveau inférieur. Cette eau condensée capte la plus grande partie des polluants gazeux notamment acides présents dans les fumées dont la
<Desc/Clms Page number 10>
solubilité dans l'eau est élevée. On forme ainsi une solution acide qui peut être très concentrée dans la partie de l'échangeur où débute la condensation (par exemple plus de 10 % HC1) et présente un pH très bas (inférieur à 1).
Ceci impose donc la réalisation de toutes les parties de l'échangeur 4 en contact avec les fumées et les condensats : surfaces d'échange 41, parois enveloppes du faisceau condenseur, plaques de distribution 42 et collecteur du condensat 43, en matériaux résistant aux solutions concentrées et diluées d'acides divers.
Les condensats chargés en composés acides (HC1, S02, NOx, HF, C02, etc...) sont amenés par la conduite 9 jusqu'au bac 10 où l'on ajoute les réactifs R de neutralisation des acides. On peut contrôler exactement cette neutralisation par exemple en suivant le pH de la solution et ne mettre ainsi en oeuvre que la quantité nécessaire de réactifs, ce qui évite une dépense excessive de réactifs, contrairement aux procédés de l'art antérieur. Ce procédé permet surtout le traitement des condensats acides à l'extérieur du circuit des fumées, évitant ainsi tout dépôt dans l'échangeur.
Les produits condensables, telles les vapeurs métalliques (Hg, Cd, Pb...) ou certains composés organiques formés lors de la combustion, sont également drainés par les condensats acides et certains de ces produits sont attaqués par les acides contenus dans les condensats. Les réactions formeront de préférence des produits insolubles qui seront collectés avec les résidus solides provenant du traitement de neutralisation des condensats. C'est ainsi que, par exemple, le mercure métallique tendra à former du chlorure mercureux Hg Cl et le plomb, du sulfate de plomb Pb S04.
La réalisation d'un dispositif de réduction de la teneur en polluants gazeux notamment acides ou en produits condensables dans les fumées d'incinération selon l'invention met en oeuvre des composants connus.
Si l'on réalise l'abaissement de la température des fumées en deux étapes, le premier échangeur placé sur le trajet des fumées sera avantageusement un échangeur eau-fumées de type connu, les
<Desc/Clms Page number 11>
risques de corrosion étant très faibles puisque l'on doit éviter toute condensation.
Par contre, 1'échangeur-condenseur proprement dit, qui peut être le seul moyen de réduction de la température des fumées ou être placé derrière l'échangeur eau-fumée mentionné ci-dessus, doit impérativement être réalisé en matériaux résistant à la corrosion des solutions acides concentrées ou diluées. On pourra utiliser des échangeurs à tubes ou plaques de verre où toutes les étanchéités (raccordement aux plaques de distribution...) sont réalisées avec des pièces en matière plastique fluorée (polytétrafluoréthylène PTFE par exemple).
Une autre possibilité, plus satisfaisante sur le plan des échanges thermiques, est l'utilisation d'échangeurs réalisés en tout ou partie en titane.
Il est également possible de réaliser un échangeur-condenseur en matière plastique mais il faudra alors dans ce cas utiliser un échangeur non condenseur avant cet échangeur en matière plastique pour abaisser suffisamment la température des fumées.
L'utilisation du graphite permet de réaliser des échangeurs résistant parfaitement à tous les acides que l'on peut rencontrer dans les fumées de combustion.
Des essais sur une installation existante d'incinération d'ordures ménagères ont permis de vérifier le bien fondé des hypothèses admises lors de la phase de conception. Ces essais ont porté sur une partie des fumées de combustion qui ont été dérivées sur un échangeur-condenseur eau-fumées, c'est-à-dire le système le plus simple à mettre en oeuvre pour des essais. Ramené aux conditions standard d'évaluation le débit des fumées est de 1 700 Nm3/h.
Le tableau ci-dessous résume les conditions amont et aval pour les fumées, les teneurs étant exprimées en mg/Nm3 ramené à 7 % C02.
<Desc/Clms Page number 12>
EMI12.1
<tb>
<tb>
Amont <SEP> Aval <SEP> Rendement <SEP> d'épuration
<tb> Température <SEP> C <SEP> 223 <SEP> 30
<tb> Teneur <SEP> HCl <SEP> 1 <SEP> 813 <SEP> 79 <SEP> 96 <SEP> %
<tb> Teneur <SEP> S02 <SEP> 207 <SEP> 22 <SEP> 89 <SEP> %
<tb>
Le dosage des condensats recueillis a montré qu'ils contenaient plus de 10 g/1 d'acide chlorhydrique HC1.
Contrairement aux procédés connus qui sont fortement consommateurs d'énergie, le présent procédé permet, pour de faibles consommations d'énergie électrique, de récupérer des quantités très importantes de chaleur.
En effet, grâce à la circulation peu rapide des fumées et fluides, les pertes de charge sont faibles et, par conséquent, les consommations en énergie électrique le sont également. De plus, l'énergie récupérée par les échangeurs de chaleur 104 et 4 (Fig. 3) est très importante, puisque la chaleur récupérée par les fluides s'écoulant dans les conduites 86 et 108 représente 15 à 22 % de l'énergie récupérée par la chaudière 2. Ainsi il est possible, par la vente de la chaleur récupérée, de couvrir les dépenses d'exploitation et tout ou partie des amortissements des équipements.