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Mémoire descriptif déposé à l'appui de la demande de brevet d'invention pour : "Procédé de destruction de déchets" formée par la Société dite : SKF Steel Engineering AB, HOFORS SUEDE Inventeur : Sven Santén, Hofors, Suède
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oProcédé de destruction de déchets
La présente invention se rapporte à un procédé de destruction et de vaporisation de déchets, principalement des déchets domestiques, la matière étant amenée au sommet d'un four à cuve par un moyen de décharge étanche au gaz.
Le problème de la vaporisation des déchets selon les procédés connus réside dans le fait que la température dans l'étape finale de vaporisation ainsi que dans le gaz produit dans le réacteur est trop faible. Cela est partiellement dû au fait que les déchets ont une faible teneur en chaleur et une forte teneur en eau.
De si basses températures de vaporisation provoquent plusieurs inconvénients comme : les composés hydrocarburés sont incomplètement désintégrés, ce qui donne lieu à une problématique "formation de goudron"dans le système du gaz et les constituants, qui ne peuvent être vaporisés, sont extraits sous forme d'une cendre solide où les constituants sont dissous ou ne sont pas liés, ce qui donne lieu à des problèmes de dépôt comme la formation de poussière et parce que des substances nuisibles peuvent facilement être retirées des cendres par lixiviation.
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La présente invention a pour objet l'élimination des inconvénients ci-dessus mentionnés en offrant un procédé sensiblement indépendant de la teneur en eau et de la composition de la matière reçue.
La présente invention a pour autre objet d'effectuer un procédé consommant moins d'énergie que les procédés précédemment utilisés, ayant également pour résultat un gaz valable.
Ces objets sont atteints par le procédé décrit dans l'introduction selon la présente invention, qui est caractérisé en ce que la matière est préséchée et prévaporisée tout en s'écoulant avec le gaz de traitement, et outre l'énergie thermique produite pendant la combustion, une quantité supplémentaire et contrôlée d'énergie thermique est ajoutée au moyen d'un gaz soufflé qui est partiellement ou totalement chauffé électriquement.
Le chauffage du gaz soufflé peut être accompli par des générateurs de plasma, des éléments à résistance électrique et/ou indirectement dans des échangeurs de chaleur.
Cependant, on utilise, de préférence, au moins un générateur de plasma, dans le procédé. De cette façon, le gaz peut être fourni à une quantité extrêmement élevée d'énergie par unité de volume, et cela permet de contrôler les températures de vaporisation et de scorification avec une extrême précision.
Le chauffage du gaz soufflé à l'aide de générateurs de plasma peut être accompli de différentes
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ofaçons. Ainsi, le gaz soufflé peut passer totalement ou partiellement à travers le générateur de plasma. Par ailleurs, on peut mélanger plus ou moins du gaz soufflé en aval du générateur de plasma.
Normalement, on utilise de l'air comme gaz soufflé. Cependant, dans des conditions normales, il est essentiel de minimiser le risque de la formation de bioxyde d'azote, ce que l'on peut obtenir en chauffant de la vapeur dans le générateur de plasma, laquelle vapeur chauffée est alors utilisée pour chauffer le courant de gaz principal. D'autres gaz peuvent également être mélangés, par exemple différents hydrocarbures, du gaz de traitement en recirculation et autres.
Eventuellement, des combustibles solides comme du charbon, des déchets de caoutchouc et/ou de l'huile usée sont mélangés à la matière reçue, ce qui permet de contrôler l'équivalent thermique du gaz produit.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'énergie thermique supplémentaire est fournie à plusieurs niveaux différents dans le four à cuve ce qui, avec l'utilisation d'au moins un générateur de plasma pour accomplir le chauffage, permet aux températures aux divers stades du procédé d'être rapidement contrôlées à une grande précision, quel que soit l'équivalent thermique et la teneur en eau de la matière reçue.
L'énergie thermique supplémentaire obtenue par le gaz préchauffé de traitement au-dessus du niveau de charge au sommet du four à cuve a pour résultat que la
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matière reçue est préséchée et vaporisée tandis qu'elle s'écoule en même temps que le gaz de traitement. L'un des avantages réside dans le fait que la plus grande partie de la teneur en eau n'a pas à être désintégrée et qu'une petite quantité du carbone reçu peut s'oxyder en gaz carbonique sans obtenir une trop basse température dans le gaz sortant. Cet enlèvement de l'eau et cette oxydation d'une partie du carbone réduisent considérablement la nécessité de l'énergie thermique supplémentaire.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon la présente invention seront révélés dans la description détaillée qui suit en se référant au dessin joint dans lequel :
La figure unique montre schématiquement un moyen pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Ainsi, la figure montre schématiquement une installation pour accomplir le procédé selon la présente invention, le four à cuve où a lieu la destruction étant indiqué en 1.
La matière reçue sous la forme de déchets, principalement des déchets domestiques, éventuellement en mélange avec un combustible solide comme de la houille et des déchets de caoutchouc, est introduite au sommet du four à cuve désigné en 2, par un moyen de décharge étanche au gaz, qui n'est pas représenté en détail.
Le four à cuve 1 est pourvu d'un moyen d'alimentation en air soufflé à trois niveaux
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0différents, c'est-à-dire au-dessus du niveau de chargement 3, dans la région moyenne 4 de la cuve et au fond 5 de la cuve. Un tambour annulaire 6 est également agencé à peu près aux deux tiers, en hauteur, de la cuve, par lequel le gaz produit peut quitter le four.
Des générateurs de plasma 7 sont agencés pour chauffer l'air soufflé. L'air soufflé est amené au four à cuve par des tuyaux 9 et le gaz produit quitte le tambour annulaire 6 par le tuyau 10. Diverses unités d'échange de chaleur peuvent être agencées pour préchauffer l'air soufflé au moyen du gaz quittant le four, avant que l'air soufflé ne soit forcé à traverser les générateurs de plasma. Cependant, celles-ci ont été omises afin de ne pas compliquer inutilement le dessin, en particulier parce que leur emplacement et leur construction n'a pas une importance décisive pour le concept inventif.
Le procédé selon l'invention sera maintenant illustré en détail. Il faut cependant noter que les données indiquées peuvent être modifiées et changées sans sortir du cadre de l'invention.
La matière reçue est ainsi introduite par le moyen de décharge étanche au gaz qui a été précédemment mentionné, et la température augmente graduellement tandis que la matière descend à travers la cuve. Au fond 11 de la cuve, des substances non combustibles sont converties en scories liquides que l'on retire par une sortie 12 de scories. Le gaz produit est retiré par le tambour annulaire 6 qui, selon ce que l'on a indiqué ci-dessus, est agencé à peu près aux deux tiers, en hauteur, de la cuve.
L'air soufflé prétraité à environ 400 C par échange de chaleur avec le gaz produit, est chauffé par le générateur de plasma 7 à environ 800 C
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puis est soufflé par le moyen d'alimentation en air 3, 4,5 au-dessus de la surface de chargement, immédiatement au-dessus ou en-dessous de la bague annulaire 6 pour l'enlèvement du gaz et à la partie du fond de la cuve. Ces trois écoulements d'air soufflé peuvent être contrôlés indépendamment les uns des autres, à la fois par rapport à la température et à la quantité.
Le procédé peut être subdivisé en trois étapes, désignées en I, II et III, qui ont lieu dans différentes zones du four à cuve, les limites approximatives de ces zones étant indiquées sur le dessin par des lignes en pointillés. Le procédé n'est en aucun cas limité à ces trois zones, on peut utiliser quatre zones ou plus.
A la zone I, la teneur en eau dans la matière reçue est évaporée et il se produit une vaporisation et une carbonisation initiales de la matière ainsi qu'une combustion partielle. Comme la température finale n'atteint qu'environ 600 C, l'eau ne peut se désintégre] de façon remarquable, et la matière vaporisée peut, de façon importante, être brûlée en gaz carbonique et eau.
On. admet que cela réduit l'équivalent thermique du gaz produit mais cela réduit également considérablement la chaleur requise dans le procédé continu de vaporisation.
La vapeur d'eau dans le gaz à la sortie de la zone I aide également à la désintégration des hydrocarbures incomplètement désintégrés à la sortie de la zone II.
Comme la composition, les dimensions des morceaux et la teneur en eau dans la matière reçue varient considérablement, il est impossible de spécifier des valeurs exactes pour le processus de
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réaction dans la zone I. Il est par conséquent essentiel que l'installation soit surdimensionnée par rapport à la quantité attendue de matière reçue, en particulier par rapport à la température et à la quantité de l'air soufflé qui est amené. Le procédé dans la zone I peut être contrôlé au moyen de la température du gaz sortant.
Les données approximatives qui suivent donnent une idée de ce qui se produit dans la zone I - 80 % de l'eau introduite s'évaporent - 30 % de la partie volatile des déchets se vaporisent - 30 % de la partie volatile de carbone se vaporisent - 10 % du carbone lié se vaporisent le rappcrt C02/CO est de 2 : 1 et le rapport H20/H2 est de 3 : 1 dans le gaz sortant la température du gaz sortant est d'environ 600 C.
Dans la zone II, la température de la matière augmente de 600 C à environ 14000C tandis que la température du gaz quittant la zone II est d'environ 1200 C. La partie volatile des déchets, le charbon et le caoutchouc se vaporise sensiblement totalement dans la zone II. La chaleur requise dans la zone II est couverte par le gaz chaud provenant de la zone III, tandis qu'il y a un certain manque d'oxygène.
De l'air soufflé supplémentaire doit par conséquent être fourni à la zone II pour obtenir une désintégration complète des hydrocarbures vaporisés.
A la transition entre les zcnes I et II, le gaz chaud de la zone II est mélangé à un gaz quelque peu plus froid sortant de la zone I, donc la température du gaz s'écoulant vers le tambour annulaire est d'environ
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01000 C. Cette relativement haute température, ainsi que la vapeur d'eau dans le gaz de la zone I a pour résultat que tous les hydrocarbures restants se désintègrent rapidement.
Ce piccécé qui a lieu dans la zone II est contrôlé à l'aide de la température et du potentiel d'oxygène dans le gaz sortant.
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Dans la zone III, la température augmente d'environ 1200 C à environ 1500 C. Seule la matière carbonisée et inerte entre dans la zone III et les produits quittant la zone III sont par conséquent de l'oxyde de carbone et des scories liquides. La chaleur nécessaire dans cette zone est couverte partiellement par la chaleur de combustion quand le carbone s'oxyde en oxyde de carbone et partiellement par l'air soufflé chauffé. Comme la température finale de vaporisation est maintenue à une valeur aussi élevée que 1500 C, toute la matière ne pouvant se vaporiser est convertie en scories, et peut être prélevée sous la forme de scories liquides, où tous les constituants sont fermement liés en une phase de scories ressemblant à du verre, ce qui facilite ainsi considérablement un dépôt sans risque.
Le procédé dans la zone III est contrôlé principalement par la température des scories.
Le mélange d'un combustible solide dans les déchets avant de les soumettre au processus de vaporisation selon l'invention offre un certain nombre d'avantages. Cela augmente l'équivalent thermique de la matière, réduisant ainsi la nécessité d'une énergie thermique amenée de l'extérieur. Cela délie également la matière chargée, la rendant plus uniforme. En contrôlant la quantité de la proportion du combustible
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oajouta, il est également possible de contrôler le volume de chaleur produite dans le gaz dans de larges limites, en suivant ainsi les variations de l'énergie thermique dont aura besoin le consommateur futur.
L'addition du combustible solide à un destructeur de déchets opérant selon les principes de l'invention en forme un fournisseur valable de gaz pour des installations de chauffage de quartiers et des stations génératrices de vapeur ayant des demandes
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thermiques variables, par exemple.
1 Les avantages les plus remarquables du procédé selon l'invention peuvent être résumés comme suit : - la vaporisation se produit à une haute température, ce qui donne un gaz pur et empêche la formation de goudron et de substances d'une odeur désagréable.
- Les substances ne pouvant être vaporisées sont liées en scories liquides se solidifiant lors du refroidissement, ce qui donne un produit sans odeur, cela facilite le dépôt et cela empêche les métaux lourds, par exemple, d'être lixiviés vers l'extérieur - La teneur en chaleur dans le gaz produit peut être contrôlée par addition de combustibles solides.
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Descriptive memorandum filed in support of the invention patent application for: "Waste destruction process" formed by the so-called Company: SKF Steel Engineering AB, HOFORS SUEDE Inventor: Sven Santén, Hofors, Sweden
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o Waste destruction process
The present invention relates to a process for destroying and vaporizing waste, mainly household waste, the material being brought to the top of a shaft furnace by a gas-tight discharge means.
The problem of vaporizing waste according to known methods lies in the fact that the temperature in the final vaporization stage as well as in the gas produced in the reactor is too low. This is partly due to the fact that the waste has a low heat content and a high water content.
Such low vaporization temperatures cause several disadvantages such as: the hydrocarbon compounds are incompletely disintegrated, which gives rise to a problematic "tar formation" in the gas system and the constituents, which cannot be vaporized, are extracted in the form of 'a solid ash where the constituents are dissolved or not bound, which gives rise to deposition problems such as dust formation and because harmful substances can easily be removed from the ash by leaching.
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The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks by providing a process which is substantially independent of the water content and the composition of the material received.
Another object of the present invention is to carry out a process consuming less energy than the previously used processes, also resulting in a valid gas.
These objects are achieved by the method described in the introduction according to the present invention, which is characterized in that the material is pre-dried and pre-evaporated while flowing with the treatment gas, and in addition to the thermal energy produced during combustion , an additional and controlled amount of thermal energy is added by means of a blown gas which is partially or totally electrically heated.
Heating of the blown gas can be accomplished by plasma generators, electric resistance elements and / or indirectly in heat exchangers.
However, preferably, at least one plasma generator is used in the process. In this way, the gas can be supplied at an extremely high amount of energy per unit volume, and this makes it possible to control the vaporization and slagging temperatures with extreme precision.
The heating of the blown gas using plasma generators can be accomplished in different ways
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ofons. Thus, the blown gas can pass totally or partially through the plasma generator. Furthermore, it is possible to mix more or less of the gas blown downstream of the plasma generator.
Normally, air is used as the blown gas. However, under normal conditions it is essential to minimize the risk of nitrogen dioxide formation, which can be achieved by heating steam in the plasma generator, which heated steam is then used to heat the main gas stream. Other gases can also be mixed, for example different hydrocarbons, recirculating process gas and the like.
Optionally, solid fuels such as coal, rubber waste and / or used oil are mixed with the material received, which makes it possible to control the thermal equivalent of the gas produced.
According to a preferred embodiment of the invention, the additional thermal energy is supplied at several different levels in the shaft furnace which, with the use of at least one plasma generator to accomplish the heating, allows the temperatures at the various stages of the process to be quickly checked with great precision, whatever the thermal equivalent and the water content of the material received.
The additional thermal energy obtained by the preheated process gas above the charge level at the top of the shaft furnace results in the
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received material is pre-dried and vaporized as it flows along with the process gas. One of the advantages is that most of the water content does not have to be disintegrated and that a small quantity of the carbon received can oxidize to carbon dioxide without obtaining a too low temperature in the outgoing gas. This removal of water and this oxidation of part of the carbon considerably reduces the need for additional thermal energy.
Other characteristics and advantages of the method according to the present invention will be revealed in the detailed description which follows, with reference to the attached drawing in which:
The single figure schematically shows a means for implementing the method according to the invention.
Thus, the figure schematically shows an installation for carrying out the process according to the present invention, the tank furnace where the destruction takes place being indicated in 1.
The material received in the form of waste, mainly domestic waste, possibly mixed with a solid fuel such as coal and rubber waste, is introduced at the top of the tank furnace designated in 2, by a discharge means sealed against gas, which is not shown in detail.
The shaft furnace 1 is provided with a three-stage supply air supply means
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0different, that is to say above the loading level 3, in the middle region 4 of the tank and at the bottom 5 of the tank. An annular drum 6 is also arranged approximately two-thirds of the way in height of the tank, by which the gas produced can leave the oven.
Plasma generators 7 are arranged to heat the supply air. The blown air is brought to the shaft furnace by pipes 9 and the gas produced leaves the annular drum 6 by the pipe 10. Various heat exchange units can be arranged to preheat the blown air by means of the gas leaving the furnace, before the blown air is forced to pass through the plasma generators. However, these have been omitted so as not to unnecessarily complicate the drawing, in particular because their location and construction is not of decisive importance for the inventive concept.
The method according to the invention will now be illustrated in detail. It should however be noted that the data indicated can be modified and changed without departing from the scope of the invention.
The material received is thus introduced by the gas-tight discharge means which has been mentioned previously, and the temperature gradually increases as the material descends through the tank. At the bottom 11 of the tank, non-combustible substances are converted into liquid slag which is removed via an outlet 12 for slag. The gas produced is withdrawn by the annular drum 6 which, according to what has been indicated above, is arranged approximately two-thirds, in height, of the tank.
The blown air pretreated to about 400 C by heat exchange with the gas produced, is heated by the plasma generator 7 to about 800 C
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then is blown by the air supply means 3, 4.5 above the loading surface, immediately above or below the annular ring 6 for the removal of the gas and at the bottom part of the tank. These three supply air flows can be controlled independently of each other, both with respect to temperature and quantity.
The process can be subdivided into three stages, designated in I, II and III, which take place in different zones of the shaft furnace, the approximate limits of these zones being indicated in the drawing by dotted lines. The process is in no way limited to these three zones, four or more zones can be used.
In zone I, the water content in the material received is evaporated and there is initial vaporization and carbonization of the material as well as partial combustion. Since the final temperature only reaches about 600 ° C., the water cannot decay remarkably, and the vaporized material can, to a large extent, be burned in carbon dioxide and water.
We. admits that this reduces the thermal equivalent of the gas produced, but it also considerably reduces the heat required in the continuous vaporization process.
The water vapor in the gas at the exit from zone I also helps in the disintegration of incompletely disintegrated hydrocarbons at the exit from zone II.
As the composition, the dimensions of the pieces and the water content in the material received vary considerably, it is impossible to specify exact values for the process of
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reaction in zone I. It is therefore essential that the installation is oversized in relation to the expected quantity of material received, in particular in relation to the temperature and the quantity of blown air which is supplied. The process in zone I can be controlled by the temperature of the outgoing gas.
The following approximate data give an idea of what is happening in zone I - 80% of the water introduced evaporates - 30% of the volatile part of the waste vaporizes - 30% of the volatile part of carbon vaporizes - 10% of the bound carbon vaporizes the C02 / CO ratio is 2: 1 and the H2O / H2 ratio is 3: 1 in the outgoing gas the temperature of the outgoing gas is approximately 600 C.
In zone II, the temperature of the material increases from 600 C to approximately 14000C while the temperature of the gas leaving zone II is approximately 1200 C. The volatile part of the waste, coal and rubber vaporizes substantially completely in zone II. The heat required in zone II is covered by the hot gas from zone III, while there is a certain lack of oxygen.
Additional supply air must therefore be supplied to zone II to achieve complete disintegration of the vaporized hydrocarbons.
At the transition between zones I and II, the hot gas from zone II is mixed with a somewhat colder gas leaving zone I, therefore the temperature of the gas flowing to the annular drum is approximately
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01000 C. This relatively high temperature, as well as the water vapor in the gas of zone I results in that all the remaining hydrocarbons disintegrate quickly.
This piccécé which takes place in zone II is controlled using the temperature and the oxygen potential in the leaving gas.
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In zone III, the temperature increases from approximately 1200 C to approximately 1500 C. Only the carbonized and inert material enters zone III and the products leaving zone III are therefore carbon monoxide and liquid slag. The heat required in this area is partially covered by the heat of combustion when the carbon oxidizes to carbon monoxide and partially by the heated blown air. As the final vaporization temperature is kept as high as 1500 C, all of the material which cannot vaporize is converted into slag, and can be taken up in the form of liquid slag, where all the constituents are firmly bound in one phase glass-like slag, which greatly facilitates safe deposit.
The process in zone III is mainly controlled by the temperature of the slag.
Mixing a solid fuel in the waste before subjecting it to the vaporization process according to the invention offers a number of advantages. This increases the thermal equivalent of the material, thereby reducing the need for thermal energy from outside. It also unties the charged material, making it more uniform. Controlling the amount of the proportion of the fuel
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added, it is also possible to control the volume of heat produced in the gas within wide limits, thus following the variations in thermal energy which the future consumer will need.
The addition of solid fuel to a waste shredder operating according to the principles of the invention forms a valid supplier of gas for district heating installations and steam generating stations with requests
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variable thermics, for example.
1 The most remarkable advantages of the process according to the invention can be summarized as follows: - vaporization occurs at a high temperature, which gives a pure gas and prevents the formation of tar and substances with an unpleasant odor.
- Substances that cannot be vaporized are bound in liquid slag which solidifies during cooling, which gives an odorless product, this facilitates deposition and prevents heavy metals, for example, from being leached to the outside - The heat content in the product gas can be controlled by adding solid fuels.