CA1306957C - Procede pour la reduction de la teneur en polluants acides contenus dans des fumees et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents
Procede pour la reduction de la teneur en polluants acides contenus dans des fumees et dispositif pour sa mise en oeuvreInfo
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Abstract
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. Le procédé a application au traitement des fumées provenant de l'incinération des ordures ménagères.
Description
~6~i7 La présente invention concerne un procede et un dispositif de reduction de la teneur en gaz polluants, notamment acides, contenus dans des effluents ga~eux, tels que les fumees provenant de la combustion de divers combustibles et de l'incineration des dechets, 5 par exemple mais non exclusivement des ordures menagères.
La combustion de beaucoup de combustibles qui contiennent plus ou moins de soufre amène dans les fumees la presence d'une certaine quantite de dioxyde de soufre ou anhydride sulfureux S02.
La destruction par incineration des dechets qui contiennent du 10 chlore, principalement sous forme de matières plastiques chlorees (surtout chlorure de polyvinyle PVC), conduit à la presence dans les fumees de chlorure d'hydrogène gazeux HCl à des teneurs variables suivant la provenance des dechets. Par exemple pour les ordures menageres, la teneur moyenne en ~Cl est voisine de 1 g/Nm3 dans les 15 conditions standard d'evaluation (7 % C02 ou 11 % 02) qui sont celles pour lesquelles on a defini les teneurs maxima de rejet. Par contre, pour les dechets, la teneur en S02 des fumees est relativement basse, de l'ordre de quelques centaines de milligrammes par Nm3 alors qu'elle peut atteindre quelques grammes avec certains combustibles.
Dependant des conditions de combustion et ceci quel que soit le combustible, les fumees contiennent egalement des oxydes d'azote (NOx) et souvent des traces d'autres polluants acides tel l'acide fluor-hydrique HF.
Pour assurer la protection de l'environnement et pour respecter 25 la reglementation en vigueur, il est indispensable de proceder a un traitement des fumees pour abaisser la teneur en polluants acides.
Compte tenu de la solubilite dans l'eau de ces polluants acides, beaucoup de procedes de depollution consistent à proceder à un lavage à l'eau des fumees.
D'autres procedes connus preconisent une injection de un ou plusieurs reactifs basiques dans les fumees, selon l'une des trois modalites suivantes :
- voie sèche : les reactifs sont injectes sous forme de poudre ou les gaz passent sur des lits, en general fixes, de reactifs ;
- voie semi-sèche : les reactifs sont injectes sous forme de solution suffisamment concentree pour que les produits de reaction soient recueillis sous forme pulverulente ;
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, ~6~57 - voie humide : les reactifs sont injectês sous forme de solution et les produits de reaction sont retires egalement en solution.
L'injection de produits neutralisants telle la chaux amène un encrassement rapide par depôt des produits formes necessitant ainsi un 5 nettoyage periodique ou cyclique par des moyens chimiques ou mecaniques.
On utilise de preference des reactifs choisis dans la famille des carbonates ou mieux hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux, le plus souvent la chaux anhydre CaO ou hydratee Ca(OH)2.
Quel que soit le reactif utilise, il faut prevoir un circuit pour son injection dans les fumees et un autre circuit pour en retirer les produits de reaction : chlorures, sulfates... alcalins ou alcalino-terreux, pulverulents ou en solution. Le fonctionnement de cette partie de l'installation represente une part importante dans le coût 15 total du traitement des fumees, et son implantation, une forte augmentation des investissements.
Vu les cinetiques de reaction, il est necessaire d'utiliser des quantites de reactifs correspondant au moins a deux ou trois fois la quantite stoechiometrique dans les procedes par voie seche et au moins 20 la quantite stoechiometrique dans les procedes par voie semi-seche ou humide.
Le procede objet de l'invention permet de reduire dans les fumees de combustion la teneur en gaz polluants acides solubles dans l'eau en-dessous des teneurs maxima admises par la reglementation en 25 s'affranchissant de l'injection dans les fumees soit d'eau soit de reactif en solution ou sous forme pulverulente.
La presente invention a ainsi pour objet un procede pour la reduction de la teneur en polluants acides solubles dans l'eau contenus dans des fumees chaudes produites par un dispositif de 30 combustion, du type suivant lequel les fumees sont depoussierees et subissent une phase de refroidissement avant d'être rejetees a l'atmosphere, ce refroidissement des fumees etant effectue par echange de chaleur avec un fluide froid, jusqu'a une temperature inferieure a leur point de rosee de maniere que la condensation, au moins partielle 35 ainsi obtenue, de la vapeur d'eau contenue dans lesdites fumees, capte les polluants acides.
~.3~6~357 Grâce a l'invention, il est possible de reduire la teneur en gaz polluants notamment acides solubles dans l'eau et en vapeur condensable en-dessous des maxima toleres sans avoir a utiliser un dispositif de lavage des gaz et d'injection de reactifs neutralisants 5 directement dans les fumees.
Le procede selon l'invention conduit a la mise en oeuvre d'un volume reduit de liquides acides ne necessitant qu'une installation de traitement des effluents de petite taille donc peu coûteuse.
Le procede selon l'invention permet en outre, grâce a une recupe-10 ration de chaleur sur les fumees, de disposer de fluides auxiliairesrechauffes et en particulier d'air chaud. Cet air chaud peut etre utilise, d'une part, classiquement comme air de combustion ameliorant ainsi le rendement de la chaudiere et, d'autre part, comme ga2 de dilution des fumees refroidies et saturees en vapeur d'eau avant leur 15 rejet a l'atmosphere abaissant ainsi leur temperature de rosee, ce qui permet de reduire ou de supprimer le panache a la cheminee.
L'invention a egalement pour objet un dispositif du type comportant des moyens de depoussierage des fumees procluites par un dispositif de combustion, au moins un echangeur thermique et une 20 cheminee pour le rejet a l'atmosphère des fumees traitees, dans lequel l'echangeur thermique situe sur le trajet des fumees qui le traversent suivant un cheminement vertical descendant est du type à air de refroidissement et comporte à sa base des moyens de collecte de l'eau condensee chargee en polluants acides, qui autorisent le libre passage 25 des fumees et conduisent la solution acide jusqu'à un bac de neutralisation.
La presente invention est presentee en detail au travers des exemples d'application qui figurent dans la description qui va suivre, en se referant aux dessins schematiques les accompagnant sur 30 lesquels :
- la Fig. 1 est un schema d'ensemble d'un dispositif de traitement des fumees de combustion selon une premiere realisation de l'invention ;
- la Fig. 2 est un schema analogue a celui de la Fig. 1 mais relatif a un dispositif d'incineration de dechets , - la Fig. 3 est un schema semblable à celui de la Fig. 2, egalement relatif a un dispositif d'incineration de dechets selon une variante de realisation de l'invention.
Le dispositif de traitement des fumees represente a la Fig. 1 5 est associe a un clispositif de combustion 1 pourvu d'une chaudiere de recuperation de chaleur 2 alimentee en eau par une conduite 21 et produisant de la vapeur sortant par une conduite 22. Les fumees prove-nant de la combustion d'un combustible C quittent la chaudiere 2 par une conduite 3 a une temperature relativement basse, par exemple 250C
10 a 300 C. Elles traversent ensuite un dispositif de depoussierage qui est ici represente par un cyclône 31 mais qui pourrait être remplace par un autre dispositif, par exemple un depoussiereur electrostatique.
Les fumees depoussierees passent alors dans un dispositif d'echange thermique 4 qui est compose d'un echangeur fumees-air 15 comprenant une pluralite de surfaces d'echange, par exemple des tubes 41 formant un faisceau, qui vehiculent l'air de refroidissement fourni par un ventilateur 5 tandis que les fumees circulent à l'exte-rieur des surfaces d'echange 41 dans l'espace limite par des plaques d'extremite 42 et une enveloppe exterieure au faisceau, non repre-20 sentee. L'echangeur peut être de type quelconque, à contre-courant, à
co-courant ou à courants croises. Les fumees le traversent suivant un trajet vertical descendant. La vapeur d'eau est condensee en partie, plus particulièrement dans la partie de l'echangeur la plus proche de la sortie des fumees, c'est-à-dire dans la partie où les fumees sont 25 les plus froides. L'eau condensee, chargee en composes solubles dans l'eau, est collectee par un dispositif 43 situe à la base de l'echangeur, tel qu'une goulotte ou une pluralite de goulottes autorisant ainsi le libre passage des fumees sans entrainement de condensats, puis evacuee au-dehors par une conduite 9 jusqu'à un 30 bac 10 où l'on procède à la neutralisation de la solution à l'aide de reactifs R.
Les fumees refroidies, saturees de vapeur d'eau et pouvant entraîner des gouttelettes, sortent de l'echangeur 4 par une conduite 6 situee dans sa partie inferieure. Elles traversent d'abord 35 un devesiculeur 61 qui capte les gouttelettes entraînees puis sont aspirees par un ventilateur 32 qui les rejette à une cheminee 7. Il !
~ 3~ 7 est à noter qu'en variante le ventilateur 32 pourrait egalement être situé sur la conduite 3 en amont de l'echangeur 4.
L'air utilise comme fluide de refroidissement dans l'echangeur 4 est pris dans l'atmosphère à l'aspiration du ventilateur 5. Après son 5 passage à l'interieur des surfaces d'echange 41, l'air réchauffe est envoye par une conduite 8 dans deux directions correspondant à deux utilisations differentes :
- d'une part~ par une branche 8a vers la cheminee 7 où, par son melange avec les fumees refroidies et saturees amenees par la conduite 6, l'air chaud diminue la temperature de rosee du melange rejete, ce qui contribue à eloigner les conditions d'apparition du panache à la cheminee, et à eviter la condensation de vapeur d'eau dans la cheminee elle-même, ce qui entraîneraît des problèmes de corrosion, - d'autre part, par une branche 8b jusqu'à la chaudiere 1 dans laquelle elle debouche grâce a au moins une ouverture 11, ce qui permet d'ameliorer le rendement de combustion.
Conformement à la Fig. 2, une seconde realisation d'un dispositif de traitement des fumees selon l'invention est plus specialement 20 adaptee au cas de l'incineration des dechets sans recuperation de chaleur.
L'installation comprend un four d`incineration 101 alimente en dechets D, par exemple mais non exclusivement en ordures menagères.
Les fumees à haute temperature ainsi produites traversent un 25 dispositif de refroidissement 102 constitue d'une tour à pulverisation d'eau avant de passer dans un depoussiereur electrostatique 110.
Les fumees refroidies sont amenees par la conduite 3 jusqu'au système d'echange~destine à provoquer la condensation partielle de la vapeur d'eau. Dans cet exemple, le systeme d'echange comprend deux 30 echangeurs en serie sur le circuit des fumees. Un premier echangeur eau-fumees 104 est alimente en eau relativement froide par une pompe 105, l'eau sortant par une conduite 108.
Ce premier echangeur 104 est dimensionne de maniere à ce que les fumees sortent par une conduite 103 à une temperature superieure au 35 point de rosee acide le plus eleve du melange gazeux complexe que sont les fumees. En pratique, il s'agit du point de rosee acide pour la solution d'anhydride sulfureux S02, qui se situe entre 130 et 180C.
- - . ~ - . . ~ - . , L'echangeur 104 permet de reduire les dimensions du second echangeur 4 qui assure la captation par condensation des polluants acides. Ce dispositif est interessant car l'echangeur à cGndensation 4 est de construction plus complexe donc plus onereuse qu'un echangeur 5 sans condensation puisqu'il doit resister aux condensats acides.
Les fumees, amenees assez pres du point de rosee a la sortie de l'echangeur eau-fumees 104, passent alors dans l'echangeur a condensation 4 semblable a celui decrit dans le premier exemple de realisation mais de dimension plus reduite selon le parcours des 10 fumees. On retrouve les mêmes numeros de repere designant les mêmes parties, les elements auxiliaires traverses ulterieurement par les fumees et les condensats etant identiques a ceux decrits precedemment.
C'est ainsi que les fumees arrivant par la conduite 103 passent a l'exterieur des surfaces d'echange 41 dont au moins une partie est a 15 une temperature inferieure au point de rosee des fumees produisant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumees, ce qui assure la captation de la plus grande partie des gaz polluants notamment les polluants acides. Les condensats charges de ces polluants surtout acides sont recueillis par le dispositif 43 et 20 diriges vers le bac de traitement 10.
De même, l'air prechauffe sortant de l'echangeur 4 par la canalisation 8 est separe en deux fractions :
- la premiere par la canalisation 8a va diluer dans la cheminee 7 les fumees refroidies et saturees pour eviter la formation de panache et la condensation dans la cheminee ;
- la seconde est conduite par la canalisation 8b jusqu'au four d'incineration 101, en partie dans un caisson 111 alimentant le four en air primaire par-dessous la grille, ameliorant ainsi le rendement de combustion, et en partie en air secondaire dans le foyer, non represente.
Suivant une variante de realisation representee a la Fig. 3, l'echangeur 104 est relie au four d'incineration.
L'installation comprend un four d'incineration 101 alimente en dechets D associe a une chaudiere de recuperation 2.
Les fumees, dont la temperature a ete abaissee jusqu'a 250-300C
par la chaudière 2, sont amenees par la conduite 3 apres un depous-sierage primaire par l'organe 31 (par exemple un cyclône) dans les ?~7 echangeurs couples 104 et 4 semblables à ceux decrits dans la reali-sation precedente. Le premier echangeur eau-fumees 104 permet dans ce cas un prechauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière de recupe-ration 2, la sortie 108 de l'echangeur etant reliee à l'entree 21 du 5 circuit d'eau de la chaudière.
L'echangeur condenseur 4 avec ses auxiliaires est tout à fait semblable à celui presente dans la realisation precedente et l'air prechauffe y reçoit les memes utilisations.
Suivant une autre variante de realisation, egalement representee 10 à la Fig. 3, le circuit des fumees refroidies et saturees traverse à
la sortie de l'echangeur 4 un depoussiereur humide 62, par exemple du type venturi, avec injection d'eau produisant un effluent liquide recueilli et traite dans une installation de type connu, non repre-sentee. Les fumees traversent ensuite le devesiculeur 61 avant d'être 15 rejetees à la cheminee 7 grâce au ventilateur 32.
La disposition du laveur ou depoussiereur 62 a l'aval de l'echangeur fumees-air 4 presente plusieurs avantages :
- les fumees entrant dans le laveur etant saturees en humidite, les eaux de lavage ne peuvent pas s'y evaporer et il n'y a donc pas d'augmentation du volume de panache emis à la cheminee ;
- la temperature des eaux de lavage etant inferieure à celle des fumees, une partie de la vapeur cl'eau contenue dans les fumees 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 fumees entrant dans le laveur etant debarrassees de la plupart de leurs polluants acides, les effluents issus du laveur sont peu acides, donc plus faciles à traiter ;
- les gouttelettes entrainees par les fumees issues du laveur 62 etant d'une granulometrie superieure à celle des gouttelettes entrainees par les fumees issues de l'echangeur 4, l'efficacite du devesiculeur 61 en est notablement amelioree.
Le fonctionnement du dispositif de traitement des fumees selon l'une quelconque des realisations decrites, ou selon une realisation 35 combinant tout ou partie des composants utilises dans les trois exemples donnes ou par des composants equivalents, est presente ci-dessous.
.
~6~ii7 La partie essentielle du dispositif est le systeme d'échange thermique indirect qui permet d'abaisser la temperature des fumees au-dessous du point de rosée, provoquant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau qu~elles contiennent, ladite eau condensee captant 5 la plus grande partie des gaz polluants notamment acides qui sont solubles dans l'eau. Cette captation se realise grâce au mouvement centripete de la vapeur d'eau en phase de condensation, qui entraîne les molecules de polluants vers la gouttelette en formation, diminuant la resistance au transfert de masse.
Les fumees provenant de la combustion, soit dans le dispositif de combustion 1 pour un combustible quelconque C, soit dans un four d'incineration 101 pour dechets D, passent dans un dispositif abaissant leur température dans la gamme de 200-300~C, soit de préference dans la chaudiere de recuperation 2, soit a defaut dans la 15 tour a pulverisation d'eau 102 si la recuperation de chaleur n'est-pas interessante.
Les gaz refroidis par l'un ou l'autre procede passent de preference dans un dispositif de depoussierage 31 ou 110 (cyclône, filtre electrostatique ...) pour enlever la plus grosse partie des 20 poussieres avant l'echangeur-condenseur et eviter ainsi un encras-sement trop rapide des surfaces d'echange par depôt des poussieres les plus grosses, et limiter la quantite de matieres seches drainee dans les condensats.
~ Les fumees passent ensuite dans l'echangeur indirect qui permet 25 de condenser en partie la vapeur d'eau contenue. Cet echange peut être realise dans un echangeur unique, par exemple air-fumees (repere 4, Fig. l), ou par deux echangeurs en serie sur les fumees, par exemple - (Fig. 2 et 3) un premier echangeur eau-fumees 104 qui amene les fumees : a: une temperature superieure au point de rosee acide le plus eleve, et 30 un second echangeur-condenseur 4 qui, lui, abaisse la température des ' fumees en-dessous de la temperature de rosee des fumees.
On provoque ainsi la condensation d'une fraction de la vapeur d'eau contenue dans les fumees, d'abord sous forme de gouttelettes sur l'exterieur des surfaces d'echange 41 qui en grossissant forment un 35 film ruisselant qui tombe sous forme de gouttes d'une surface d'echange (tube ou plaque) a une autre situee a un niveau inferieur.
Cette eau condensee capte la plus grande partie des polluants gazeux ~36~37 notamment acides présents dans les fumées dont la solubilite dans l'eau est élevée. On forme ainsi une solution acide qui peut être très concentree dans la partie de l'echangeur ou debute la condensation (par exemple plus de 10 ~ HCl) et presente un pH tres bas (inferieur S a 1). Ceci impose donc la realisation de toutes les parties de l'echangeur 4 en contact avec les fumees et les condensats : surfaces d'échange 41, parois enveloppes du faisceau condenseur, plaques de distribution 42 et collecteur du condensat 43, en materiaux resistant aux solutions concentrées et diluées d'acides divers.
Les condensats charges en composes acides (HCl, S02, NOx, HF, C02, etc...) sont amenes par la conduite 9 jusqu'au bac 10 où l'on ajoute les reactifs R de neutralisation des acides. On peut controler exactement cette neutralisation par exemple en suivant le pH de la solution et ne mettre ainsi en oeuvre que la quantite necessaire de 15 reactifs, ce qui evite une dépense excessive de reactifs, contrairement aux procédés de l'art antérieur. Ce procédé permet surtout le traitement des condensats acides a l'exterieur du circuit des fumees, evitant ainsi tout depôt dans l'echangeur.
Les produits condensables, telles les vapeurs metalliques (Hg, 20 Cd, Pb...) ou certains composes organiques formes lors de la combustion, sont egalement draines par les condensats acides et certains de ces produits sont attaqués par les acides contenus dans les condensats. Les réactions formeront de preference des produits insolubles qui seront collectés avec les residus solides provenant du 25 traitement de neutralisation des condenxats. C'est ainsi que, par exemple, le mercure métallique tendra a former du chlorure mercureux ; ~ Hg Cl et le plomb, du sulfate de plomb Pb S04.
La réalisation d'un dispositif de reduction de la teneur en pol-luants gazeux notamment acides ou en produits condensables dans les 30 fumees d'incineration selon l'invention met en oeuvr~ des composants connus.
Si l'on réalise l'abaissement de la temperature des fumées en deux etapes, le premier echangeur place sur le trajet des fumees sera avantageusement un echangeur eau-fumees de type connu, les risques de 35 corrosion etant très faibles puisque l'on doit eviter toute condensation.
- '. - , ~ ~ .
~6~57 Par contre, 1'echangeur-condenseur proprement dit, qui peut être le seul moyen de reduction de la temperature des fumees ou être place derrière l'echangeur eau-fumee mentionne ci^dessus, doit impera-tivement ëtre realise en materiallx resistant a la corrosion des 5 solutions acides cGncentrees ou diluees. On pourra utiliser des echangeurs a tubes GU plaques de verre ou toutes les etancheites (raccordement aux plaques de distribution ...) sont realisees avec des pieces en matiere plastique fluoree (polytetrafluorethylene PTFE par exemple).
Une autre possibilite, plus satisfaisante sur le plan des echanges thermiques, est l'utilisation d'echangeurs realises en tout ou partie en titane.
Il est egalement possible de realiser un echangeur-condenseur en matiere plastique mais il faudra alors dans ce cas utiliser un 15 echangeur non condenseur avant cet echangeur en matière plastique pour abaisser suffisamment la temperature des fumees.
L'utilisation du graphite permet de realiser des echangeurs resistant parfaitement à tous les acides que l'on peut rencontrer dans les fumees de combustion.
Des essais sur une installation existante d'incineration d'ordures menagères ont permis de verifier le bien fonde des hypo-thèses admises lors de la phase de conception. Ces essais ont porte sur une partie des fumees de combustion qui ont ete derivees sur un echangeur-condenseur eau-fumees, c'est-à-dire le système le plus 25 simple à mettre en oeuvre pour des essais. Ramene aux conditions standard d'evaluation le debit des fumees est de 1 700 Nm3/h.
Le tableau ci-dessous resume les conditions amont et aval pour les fumees, les teneurs etant exprimees en mg/Nm3 ramene à 7 % C02.
: Amont : Aval : Rendement d'epuration :
: Temperature C : 223 : 30 : Teneur HCl : 1 813 : 79 : 96 %
: Teneur S02 : 207 : 22 : 89 %
Le dosage des condensats recueillis a montre qu'ils contenaient plus de 10 9/l d'acide chlorhydrique HCl.
~6i~
ll Contrairement aux procedes connus qui sont fortement consommateurs d'energie, le present procede permet, pour de faibles consommations d'energie electrique, de recuperer des quantites très importantes de chaleur.
En effet, grâce a la circulation peu rapide des fumees et fluides, les pertes de charge sont faibles et, par consequent, les consommations en energie electrique le son-t egalement. De plus, l'energie recuperee par les echangeurs de chaleur 104 et ~ (Fig. 3) est tres importante, puisque la chaleur recuperee par les fluides 10 s'ecoulant dans les conduites 86 et 108 represente 15 a 22 % de l'energie recuperee par la chaudiere 2. Ainsi il est possible, par la vente de la chaleur recuperee, de couvrir les depenses d'exploitation et tout ou partie des amortissements des equipements.
La combustion de beaucoup de combustibles qui contiennent plus ou moins de soufre amène dans les fumees la presence d'une certaine quantite de dioxyde de soufre ou anhydride sulfureux S02.
La destruction par incineration des dechets qui contiennent du 10 chlore, principalement sous forme de matières plastiques chlorees (surtout chlorure de polyvinyle PVC), conduit à la presence dans les fumees de chlorure d'hydrogène gazeux HCl à des teneurs variables suivant la provenance des dechets. Par exemple pour les ordures menageres, la teneur moyenne en ~Cl est voisine de 1 g/Nm3 dans les 15 conditions standard d'evaluation (7 % C02 ou 11 % 02) qui sont celles pour lesquelles on a defini les teneurs maxima de rejet. Par contre, pour les dechets, la teneur en S02 des fumees est relativement basse, de l'ordre de quelques centaines de milligrammes par Nm3 alors qu'elle peut atteindre quelques grammes avec certains combustibles.
Dependant des conditions de combustion et ceci quel que soit le combustible, les fumees contiennent egalement des oxydes d'azote (NOx) et souvent des traces d'autres polluants acides tel l'acide fluor-hydrique HF.
Pour assurer la protection de l'environnement et pour respecter 25 la reglementation en vigueur, il est indispensable de proceder a un traitement des fumees pour abaisser la teneur en polluants acides.
Compte tenu de la solubilite dans l'eau de ces polluants acides, beaucoup de procedes de depollution consistent à proceder à un lavage à l'eau des fumees.
D'autres procedes connus preconisent une injection de un ou plusieurs reactifs basiques dans les fumees, selon l'une des trois modalites suivantes :
- voie sèche : les reactifs sont injectes sous forme de poudre ou les gaz passent sur des lits, en general fixes, de reactifs ;
- voie semi-sèche : les reactifs sont injectes sous forme de solution suffisamment concentree pour que les produits de reaction soient recueillis sous forme pulverulente ;
:
:
, ~6~57 - voie humide : les reactifs sont injectês sous forme de solution et les produits de reaction sont retires egalement en solution.
L'injection de produits neutralisants telle la chaux amène un encrassement rapide par depôt des produits formes necessitant ainsi un 5 nettoyage periodique ou cyclique par des moyens chimiques ou mecaniques.
On utilise de preference des reactifs choisis dans la famille des carbonates ou mieux hydroxydes alcalins ou alcalino-terreux, le plus souvent la chaux anhydre CaO ou hydratee Ca(OH)2.
Quel que soit le reactif utilise, il faut prevoir un circuit pour son injection dans les fumees et un autre circuit pour en retirer les produits de reaction : chlorures, sulfates... alcalins ou alcalino-terreux, pulverulents ou en solution. Le fonctionnement de cette partie de l'installation represente une part importante dans le coût 15 total du traitement des fumees, et son implantation, une forte augmentation des investissements.
Vu les cinetiques de reaction, il est necessaire d'utiliser des quantites de reactifs correspondant au moins a deux ou trois fois la quantite stoechiometrique dans les procedes par voie seche et au moins 20 la quantite stoechiometrique dans les procedes par voie semi-seche ou humide.
Le procede objet de l'invention permet de reduire dans les fumees de combustion la teneur en gaz polluants acides solubles dans l'eau en-dessous des teneurs maxima admises par la reglementation en 25 s'affranchissant de l'injection dans les fumees soit d'eau soit de reactif en solution ou sous forme pulverulente.
La presente invention a ainsi pour objet un procede pour la reduction de la teneur en polluants acides solubles dans l'eau contenus dans des fumees chaudes produites par un dispositif de 30 combustion, du type suivant lequel les fumees sont depoussierees et subissent une phase de refroidissement avant d'être rejetees a l'atmosphere, ce refroidissement des fumees etant effectue par echange de chaleur avec un fluide froid, jusqu'a une temperature inferieure a leur point de rosee de maniere que la condensation, au moins partielle 35 ainsi obtenue, de la vapeur d'eau contenue dans lesdites fumees, capte les polluants acides.
~.3~6~357 Grâce a l'invention, il est possible de reduire la teneur en gaz polluants notamment acides solubles dans l'eau et en vapeur condensable en-dessous des maxima toleres sans avoir a utiliser un dispositif de lavage des gaz et d'injection de reactifs neutralisants 5 directement dans les fumees.
Le procede selon l'invention conduit a la mise en oeuvre d'un volume reduit de liquides acides ne necessitant qu'une installation de traitement des effluents de petite taille donc peu coûteuse.
Le procede selon l'invention permet en outre, grâce a une recupe-10 ration de chaleur sur les fumees, de disposer de fluides auxiliairesrechauffes et en particulier d'air chaud. Cet air chaud peut etre utilise, d'une part, classiquement comme air de combustion ameliorant ainsi le rendement de la chaudiere et, d'autre part, comme ga2 de dilution des fumees refroidies et saturees en vapeur d'eau avant leur 15 rejet a l'atmosphere abaissant ainsi leur temperature de rosee, ce qui permet de reduire ou de supprimer le panache a la cheminee.
L'invention a egalement pour objet un dispositif du type comportant des moyens de depoussierage des fumees procluites par un dispositif de combustion, au moins un echangeur thermique et une 20 cheminee pour le rejet a l'atmosphère des fumees traitees, dans lequel l'echangeur thermique situe sur le trajet des fumees qui le traversent suivant un cheminement vertical descendant est du type à air de refroidissement et comporte à sa base des moyens de collecte de l'eau condensee chargee en polluants acides, qui autorisent le libre passage 25 des fumees et conduisent la solution acide jusqu'à un bac de neutralisation.
La presente invention est presentee en detail au travers des exemples d'application qui figurent dans la description qui va suivre, en se referant aux dessins schematiques les accompagnant sur 30 lesquels :
- la Fig. 1 est un schema d'ensemble d'un dispositif de traitement des fumees de combustion selon une premiere realisation de l'invention ;
- la Fig. 2 est un schema analogue a celui de la Fig. 1 mais relatif a un dispositif d'incineration de dechets , - la Fig. 3 est un schema semblable à celui de la Fig. 2, egalement relatif a un dispositif d'incineration de dechets selon une variante de realisation de l'invention.
Le dispositif de traitement des fumees represente a la Fig. 1 5 est associe a un clispositif de combustion 1 pourvu d'une chaudiere de recuperation de chaleur 2 alimentee en eau par une conduite 21 et produisant de la vapeur sortant par une conduite 22. Les fumees prove-nant de la combustion d'un combustible C quittent la chaudiere 2 par une conduite 3 a une temperature relativement basse, par exemple 250C
10 a 300 C. Elles traversent ensuite un dispositif de depoussierage qui est ici represente par un cyclône 31 mais qui pourrait être remplace par un autre dispositif, par exemple un depoussiereur electrostatique.
Les fumees depoussierees passent alors dans un dispositif d'echange thermique 4 qui est compose d'un echangeur fumees-air 15 comprenant une pluralite de surfaces d'echange, par exemple des tubes 41 formant un faisceau, qui vehiculent l'air de refroidissement fourni par un ventilateur 5 tandis que les fumees circulent à l'exte-rieur des surfaces d'echange 41 dans l'espace limite par des plaques d'extremite 42 et une enveloppe exterieure au faisceau, non repre-20 sentee. L'echangeur peut être de type quelconque, à contre-courant, à
co-courant ou à courants croises. Les fumees le traversent suivant un trajet vertical descendant. La vapeur d'eau est condensee en partie, plus particulièrement dans la partie de l'echangeur la plus proche de la sortie des fumees, c'est-à-dire dans la partie où les fumees sont 25 les plus froides. L'eau condensee, chargee en composes solubles dans l'eau, est collectee par un dispositif 43 situe à la base de l'echangeur, tel qu'une goulotte ou une pluralite de goulottes autorisant ainsi le libre passage des fumees sans entrainement de condensats, puis evacuee au-dehors par une conduite 9 jusqu'à un 30 bac 10 où l'on procède à la neutralisation de la solution à l'aide de reactifs R.
Les fumees refroidies, saturees de vapeur d'eau et pouvant entraîner des gouttelettes, sortent de l'echangeur 4 par une conduite 6 situee dans sa partie inferieure. Elles traversent d'abord 35 un devesiculeur 61 qui capte les gouttelettes entraînees puis sont aspirees par un ventilateur 32 qui les rejette à une cheminee 7. Il !
~ 3~ 7 est à noter qu'en variante le ventilateur 32 pourrait egalement être situé sur la conduite 3 en amont de l'echangeur 4.
L'air utilise comme fluide de refroidissement dans l'echangeur 4 est pris dans l'atmosphère à l'aspiration du ventilateur 5. Après son 5 passage à l'interieur des surfaces d'echange 41, l'air réchauffe est envoye par une conduite 8 dans deux directions correspondant à deux utilisations differentes :
- d'une part~ par une branche 8a vers la cheminee 7 où, par son melange avec les fumees refroidies et saturees amenees par la conduite 6, l'air chaud diminue la temperature de rosee du melange rejete, ce qui contribue à eloigner les conditions d'apparition du panache à la cheminee, et à eviter la condensation de vapeur d'eau dans la cheminee elle-même, ce qui entraîneraît des problèmes de corrosion, - d'autre part, par une branche 8b jusqu'à la chaudiere 1 dans laquelle elle debouche grâce a au moins une ouverture 11, ce qui permet d'ameliorer le rendement de combustion.
Conformement à la Fig. 2, une seconde realisation d'un dispositif de traitement des fumees selon l'invention est plus specialement 20 adaptee au cas de l'incineration des dechets sans recuperation de chaleur.
L'installation comprend un four d`incineration 101 alimente en dechets D, par exemple mais non exclusivement en ordures menagères.
Les fumees à haute temperature ainsi produites traversent un 25 dispositif de refroidissement 102 constitue d'une tour à pulverisation d'eau avant de passer dans un depoussiereur electrostatique 110.
Les fumees refroidies sont amenees par la conduite 3 jusqu'au système d'echange~destine à provoquer la condensation partielle de la vapeur d'eau. Dans cet exemple, le systeme d'echange comprend deux 30 echangeurs en serie sur le circuit des fumees. Un premier echangeur eau-fumees 104 est alimente en eau relativement froide par une pompe 105, l'eau sortant par une conduite 108.
Ce premier echangeur 104 est dimensionne de maniere à ce que les fumees sortent par une conduite 103 à une temperature superieure au 35 point de rosee acide le plus eleve du melange gazeux complexe que sont les fumees. En pratique, il s'agit du point de rosee acide pour la solution d'anhydride sulfureux S02, qui se situe entre 130 et 180C.
- - . ~ - . . ~ - . , L'echangeur 104 permet de reduire les dimensions du second echangeur 4 qui assure la captation par condensation des polluants acides. Ce dispositif est interessant car l'echangeur à cGndensation 4 est de construction plus complexe donc plus onereuse qu'un echangeur 5 sans condensation puisqu'il doit resister aux condensats acides.
Les fumees, amenees assez pres du point de rosee a la sortie de l'echangeur eau-fumees 104, passent alors dans l'echangeur a condensation 4 semblable a celui decrit dans le premier exemple de realisation mais de dimension plus reduite selon le parcours des 10 fumees. On retrouve les mêmes numeros de repere designant les mêmes parties, les elements auxiliaires traverses ulterieurement par les fumees et les condensats etant identiques a ceux decrits precedemment.
C'est ainsi que les fumees arrivant par la conduite 103 passent a l'exterieur des surfaces d'echange 41 dont au moins une partie est a 15 une temperature inferieure au point de rosee des fumees produisant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau contenue dans les fumees, ce qui assure la captation de la plus grande partie des gaz polluants notamment les polluants acides. Les condensats charges de ces polluants surtout acides sont recueillis par le dispositif 43 et 20 diriges vers le bac de traitement 10.
De même, l'air prechauffe sortant de l'echangeur 4 par la canalisation 8 est separe en deux fractions :
- la premiere par la canalisation 8a va diluer dans la cheminee 7 les fumees refroidies et saturees pour eviter la formation de panache et la condensation dans la cheminee ;
- la seconde est conduite par la canalisation 8b jusqu'au four d'incineration 101, en partie dans un caisson 111 alimentant le four en air primaire par-dessous la grille, ameliorant ainsi le rendement de combustion, et en partie en air secondaire dans le foyer, non represente.
Suivant une variante de realisation representee a la Fig. 3, l'echangeur 104 est relie au four d'incineration.
L'installation comprend un four d'incineration 101 alimente en dechets D associe a une chaudiere de recuperation 2.
Les fumees, dont la temperature a ete abaissee jusqu'a 250-300C
par la chaudière 2, sont amenees par la conduite 3 apres un depous-sierage primaire par l'organe 31 (par exemple un cyclône) dans les ?~7 echangeurs couples 104 et 4 semblables à ceux decrits dans la reali-sation precedente. Le premier echangeur eau-fumees 104 permet dans ce cas un prechauffage de l'eau d'alimentation de la chaudière de recupe-ration 2, la sortie 108 de l'echangeur etant reliee à l'entree 21 du 5 circuit d'eau de la chaudière.
L'echangeur condenseur 4 avec ses auxiliaires est tout à fait semblable à celui presente dans la realisation precedente et l'air prechauffe y reçoit les memes utilisations.
Suivant une autre variante de realisation, egalement representee 10 à la Fig. 3, le circuit des fumees refroidies et saturees traverse à
la sortie de l'echangeur 4 un depoussiereur humide 62, par exemple du type venturi, avec injection d'eau produisant un effluent liquide recueilli et traite dans une installation de type connu, non repre-sentee. Les fumees traversent ensuite le devesiculeur 61 avant d'être 15 rejetees à la cheminee 7 grâce au ventilateur 32.
La disposition du laveur ou depoussiereur 62 a l'aval de l'echangeur fumees-air 4 presente plusieurs avantages :
- les fumees entrant dans le laveur etant saturees en humidite, les eaux de lavage ne peuvent pas s'y evaporer et il n'y a donc pas d'augmentation du volume de panache emis à la cheminee ;
- la temperature des eaux de lavage etant inferieure à celle des fumees, une partie de la vapeur cl'eau contenue dans les fumees 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 fumees entrant dans le laveur etant debarrassees de la plupart de leurs polluants acides, les effluents issus du laveur sont peu acides, donc plus faciles à traiter ;
- les gouttelettes entrainees par les fumees issues du laveur 62 etant d'une granulometrie superieure à celle des gouttelettes entrainees par les fumees issues de l'echangeur 4, l'efficacite du devesiculeur 61 en est notablement amelioree.
Le fonctionnement du dispositif de traitement des fumees selon l'une quelconque des realisations decrites, ou selon une realisation 35 combinant tout ou partie des composants utilises dans les trois exemples donnes ou par des composants equivalents, est presente ci-dessous.
.
~6~ii7 La partie essentielle du dispositif est le systeme d'échange thermique indirect qui permet d'abaisser la temperature des fumees au-dessous du point de rosée, provoquant la condensation d'une partie de la vapeur d'eau qu~elles contiennent, ladite eau condensee captant 5 la plus grande partie des gaz polluants notamment acides qui sont solubles dans l'eau. Cette captation se realise grâce au mouvement centripete de la vapeur d'eau en phase de condensation, qui entraîne les molecules de polluants vers la gouttelette en formation, diminuant la resistance au transfert de masse.
Les fumees provenant de la combustion, soit dans le dispositif de combustion 1 pour un combustible quelconque C, soit dans un four d'incineration 101 pour dechets D, passent dans un dispositif abaissant leur température dans la gamme de 200-300~C, soit de préference dans la chaudiere de recuperation 2, soit a defaut dans la 15 tour a pulverisation d'eau 102 si la recuperation de chaleur n'est-pas interessante.
Les gaz refroidis par l'un ou l'autre procede passent de preference dans un dispositif de depoussierage 31 ou 110 (cyclône, filtre electrostatique ...) pour enlever la plus grosse partie des 20 poussieres avant l'echangeur-condenseur et eviter ainsi un encras-sement trop rapide des surfaces d'echange par depôt des poussieres les plus grosses, et limiter la quantite de matieres seches drainee dans les condensats.
~ Les fumees passent ensuite dans l'echangeur indirect qui permet 25 de condenser en partie la vapeur d'eau contenue. Cet echange peut être realise dans un echangeur unique, par exemple air-fumees (repere 4, Fig. l), ou par deux echangeurs en serie sur les fumees, par exemple - (Fig. 2 et 3) un premier echangeur eau-fumees 104 qui amene les fumees : a: une temperature superieure au point de rosee acide le plus eleve, et 30 un second echangeur-condenseur 4 qui, lui, abaisse la température des ' fumees en-dessous de la temperature de rosee des fumees.
On provoque ainsi la condensation d'une fraction de la vapeur d'eau contenue dans les fumees, d'abord sous forme de gouttelettes sur l'exterieur des surfaces d'echange 41 qui en grossissant forment un 35 film ruisselant qui tombe sous forme de gouttes d'une surface d'echange (tube ou plaque) a une autre situee a un niveau inferieur.
Cette eau condensee capte la plus grande partie des polluants gazeux ~36~37 notamment acides présents dans les fumées dont la solubilite dans l'eau est élevée. On forme ainsi une solution acide qui peut être très concentree dans la partie de l'echangeur ou debute la condensation (par exemple plus de 10 ~ HCl) et presente un pH tres bas (inferieur S a 1). Ceci impose donc la realisation de toutes les parties de l'echangeur 4 en contact avec les fumees et les condensats : surfaces d'échange 41, parois enveloppes du faisceau condenseur, plaques de distribution 42 et collecteur du condensat 43, en materiaux resistant aux solutions concentrées et diluées d'acides divers.
Les condensats charges en composes acides (HCl, S02, NOx, HF, C02, etc...) sont amenes par la conduite 9 jusqu'au bac 10 où l'on ajoute les reactifs R de neutralisation des acides. On peut controler exactement cette neutralisation par exemple en suivant le pH de la solution et ne mettre ainsi en oeuvre que la quantite necessaire de 15 reactifs, ce qui evite une dépense excessive de reactifs, contrairement aux procédés de l'art antérieur. Ce procédé permet surtout le traitement des condensats acides a l'exterieur du circuit des fumees, evitant ainsi tout depôt dans l'echangeur.
Les produits condensables, telles les vapeurs metalliques (Hg, 20 Cd, Pb...) ou certains composes organiques formes lors de la combustion, sont egalement draines par les condensats acides et certains de ces produits sont attaqués par les acides contenus dans les condensats. Les réactions formeront de preference des produits insolubles qui seront collectés avec les residus solides provenant du 25 traitement de neutralisation des condenxats. C'est ainsi que, par exemple, le mercure métallique tendra a former du chlorure mercureux ; ~ Hg Cl et le plomb, du sulfate de plomb Pb S04.
La réalisation d'un dispositif de reduction de la teneur en pol-luants gazeux notamment acides ou en produits condensables dans les 30 fumees d'incineration selon l'invention met en oeuvr~ des composants connus.
Si l'on réalise l'abaissement de la temperature des fumées en deux etapes, le premier echangeur place sur le trajet des fumees sera avantageusement un echangeur eau-fumees de type connu, les risques de 35 corrosion etant très faibles puisque l'on doit eviter toute condensation.
- '. - , ~ ~ .
~6~57 Par contre, 1'echangeur-condenseur proprement dit, qui peut être le seul moyen de reduction de la temperature des fumees ou être place derrière l'echangeur eau-fumee mentionne ci^dessus, doit impera-tivement ëtre realise en materiallx resistant a la corrosion des 5 solutions acides cGncentrees ou diluees. On pourra utiliser des echangeurs a tubes GU plaques de verre ou toutes les etancheites (raccordement aux plaques de distribution ...) sont realisees avec des pieces en matiere plastique fluoree (polytetrafluorethylene PTFE par exemple).
Une autre possibilite, plus satisfaisante sur le plan des echanges thermiques, est l'utilisation d'echangeurs realises en tout ou partie en titane.
Il est egalement possible de realiser un echangeur-condenseur en matiere plastique mais il faudra alors dans ce cas utiliser un 15 echangeur non condenseur avant cet echangeur en matière plastique pour abaisser suffisamment la temperature des fumees.
L'utilisation du graphite permet de realiser des echangeurs resistant parfaitement à tous les acides que l'on peut rencontrer dans les fumees de combustion.
Des essais sur une installation existante d'incineration d'ordures menagères ont permis de verifier le bien fonde des hypo-thèses admises lors de la phase de conception. Ces essais ont porte sur une partie des fumees de combustion qui ont ete derivees sur un echangeur-condenseur eau-fumees, c'est-à-dire le système le plus 25 simple à mettre en oeuvre pour des essais. Ramene aux conditions standard d'evaluation le debit des fumees est de 1 700 Nm3/h.
Le tableau ci-dessous resume les conditions amont et aval pour les fumees, les teneurs etant exprimees en mg/Nm3 ramene à 7 % C02.
: Amont : Aval : Rendement d'epuration :
: Temperature C : 223 : 30 : Teneur HCl : 1 813 : 79 : 96 %
: Teneur S02 : 207 : 22 : 89 %
Le dosage des condensats recueillis a montre qu'ils contenaient plus de 10 9/l d'acide chlorhydrique HCl.
~6i~
ll Contrairement aux procedes connus qui sont fortement consommateurs d'energie, le present procede permet, pour de faibles consommations d'energie electrique, de recuperer des quantites très importantes de chaleur.
En effet, grâce a la circulation peu rapide des fumees et fluides, les pertes de charge sont faibles et, par consequent, les consommations en energie electrique le son-t egalement. De plus, l'energie recuperee par les echangeurs de chaleur 104 et ~ (Fig. 3) est tres importante, puisque la chaleur recuperee par les fluides 10 s'ecoulant dans les conduites 86 et 108 represente 15 a 22 % de l'energie recuperee par la chaudiere 2. Ainsi il est possible, par la vente de la chaleur recuperee, de couvrir les depenses d'exploitation et tout ou partie des amortissements des equipements.
Claims (9)
EXCLUSIF DE PROPRIETE OU DE PRIVILEGE EST REVENDIQUE, SONT
DEFINIES COMME IL SUIT:
1. 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, procédé suivant lequel les fumées sont dépoussiérées et subissent une phase de refroidissement avant d'être rejetées à l'atmosphère, le refroidissement des fumées s'effectuant par échange thermique indirect avec un fluide froid, jusqu'à une température inférieure à leur point de rosée de maniére que la condensation, au moins partielle ainsi obtenue de la vapeur d'eau contenue dans lesdites fumées, capte les polluants acides, l'eau condensée est évacuée par des moyens d'évacuation, et les fumées suivent un cheminement vertical descendant au cours de la phase de refroidissement puis traversent un dispositif de captation de gouttelettes entraînées.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la phase de refroidissement des fumées jusqu'à un température inférieure à leur point de rosée est précédée d'une phase de refroidissement jusqu'à une température supérieure au point de rosée acide le plus élevé des fumées
3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la température des fumées après cette première phase de refroidissement est comprise entre 130°C et 180°C.
4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'agent de refroidissement utilisé est de l'eau.
5. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide froid est de l'air qui, après son réchauffement au contact des fumées, est séparé en deux fractions, la première étant mélangée aux fumées, refroidies et saturées, la seconde étant dirigée vers le dispositif de combustion où elle constitue un apport d'air de combustion.
6. Dispositif pour la mise en oeuvre de procédé pour la réduction de la teneur en polluants acides solubles dans l'eau, 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'atmosphére des fumées traitées, des moyens d'évacuation d'eau concleusée dans l'échangeur thermique, ledit l'échangeur thermique étant situé sur le trajet des fumées est du type à air de refroidissement, et étant suivi de moyens de dépoussiérage constitués par un dévésiculeur.
l'atmosphére des fumées traitées, des moyens d'évacuation d'eau concleusée dans l'échangeur thermique, ledit l'échangeur thermique étant situé sur le trajet des fumées est du type à air de refroidissement, et étant suivi de moyens de dépoussiérage constitués par un dévésiculeur.
7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'échangeur fumées-air est situé à l'aval d'un échangeur fumées-eau dont l'eau réchauffée est dirigée vers une chaudière de récupération placée dans le dispositif de combustion.
8. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de dépoussiérage sont constitués par un dépoussiéreur humide situé à la sortie de l'échangeur fumées-air
9. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la dispositif de combustion est un four d'incinération d'ordures ménagères.
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