~W0 93/0232l 2 1 13 1 0 9 PCr/FR92~0065g Procédé d' incinération de rDatériaux, notamrnent de graphite irradié.
La présente invention concerne un procédé pour incinérer du graphite, notamment du graphite irradié et plus généralement un matériau combustible, tel qu'un déchet, avec une production de fumées limitée, afin d~ éviter un traitement important et coûteux de celles-ci.
L ' incinération des déchets est l ~ une des méthodes les plus employées pour les dégrader. La protection de l ' environnement impose cependant des contraintes de plu6 en plus sévères en ce qui concerne les rejets dans l'atmosphère, ce qui conduit à des installations de traitement des fumées importantes pour retenir les éléments indésirables et/ou polluants .
Il est donc utile de produire un minimum de fumées de manière à diminuer les volumes à traiter en sortie d ' incinérateur.
Il est également utile d éviter la production de composants gazeux nocifs (par exemple des oxydes d~azote) au cours de l 'incinération et l 'un des moyens permettant de limiter cette production est de limiter la température de combustion.
Il est enfin avantageux de pouvoir procéder à une combustion complète et de disposer d une cinétique de réaction rapide.
Dans le but d atteindre ces objectifs, l'invention propose un procédé d~ incinération d un matériau, avec une préparation préalable de ce dernier.
Ainsi, conformément à l ' invention, le procédé
comporte, avant la combustion, la réalisation en continu des étapes suivantes:
- division du matériau en particules, - incorporation du matériau divisé dans un milieu aqueux additionne de produits moussants (tensio-actifs) à
raison d'un maximum de 35 96 à 459s en poids de solide selon la nature du solide considéré, - élévation en pression de la suspens~on a ns . _,, _ .. _ ... . . . . , . , , _ _,, _ _ _ _, ~1131~9 WO 93/02321 ~ ~ PCr/FR92/00659~
' obtenu e, - - et moussage de la 6uspen6ion sou6 pres6ion réali6é par incorporation d ~ un gaz comburant 60u6 pré66ion .
Le gaz comburant peut être de 1 oxygène ou de 1 air 5 enrichi et la pre66ion de la mou66e obtenue 6era de 1 ordre de 2 à 10 bar6, en fonction, 60it de l'ouverture d~une vanne de régulation située avant le :Eoyer de combustion, soit de la pre66ion dan6 le foyer et de la perte de charge entre la sortie de la pompe et le foyer de combu6tion.
_ Le maximum de la fraction 601ide ( de 35 A454 en poids de la suspen6ion) dépendra de la mas6e volumique apparente du 601ide pulvéri6é et de 60n pouvoir calorii~ique inférieur. Par exemple, le graphite ayant un pouvoir calori-fique et une masse volumique~ apparente élevé6, la fraction 15 601ide sera de 1 ' ordre de 3596 . Pour de6 critare6 plu6 faible6, la fraction pourra être plus élévée sans que celà
nui6e au caractère pompable du produit ni condui6e à une combu6tion trop chaude.
D ' autre6 caractéri6tique6 et avantage6 de 1 ' inven-20 tion res60rtiront de la de6cription d ~ un mode de réali6ationdonné ci-apra6 à titre d ' exemple, appliqué à 1 ' incinération du graphite et notamment du graphite irradié.
Il sera fait référence au de66in annexé qui repré6ente par une figure unique le 6chéma du procédé mi6 en 25 oeuvre par 1 ' invention .
Il existe actuellemen'c un be60in de traiter par incinération le graphite u6agé et irradié provenant du démantèlement de réacteur6~ nucléaires. Ce graphite 6e pré6ente 60u6 deux forme6 géométrique6, en brique6 et en 3C tube6. La qualité nucléaire ~du matérIau est telle qu~ il ne contient pratiquement que du carbone pur; le6 impureté6 60nt en concentration trè6 faible6. A~in de réduire le vblume de ce graphite à 6tocker 60u6 forme de dechet6, il a été propo6 de le broyer et de 1 ' incinérer. Il a été en effet montré que 35 la combu6tion e6t d ~ autant plu6 complate que le diamètre de6 ~ .
-- -- -- . .... . ... ... . . .. . ..... .. . ... ... . _ _ ~ _ _ _ _ _ _ ~WO 93/02321 211310 g PCr/FR92/00659 particules est faible, que le temps de séjour dans le foyer de ces particules est important et que la vitesse relative gaz-solide est également importante.
Pour satisfaire à ces conditions, il a été retenu 5 un foyer de type cyclone bien que ce foyer ne soit pas une solution parfaite à tous les problèmes rencontrés lors de cette combustion, notamment par le transport du solide divisé
en particules très fines, et d autre part du fait de la génération d ' oxydes d ' azote toxiques .
Per ailleurs, compte tenu du fait que le matériau à incinérer comporte des particules radio-actives, et qu'une fraction de ces particules se retrouveront entraînées par les fumées de la combustion, il est tout-a-fait indispensable de traiter ces fumées à la sortie de l ' incinérateur, et le 15 procédé de traitement sera d ' autant plus économique que le volume de fumées 8era le plu6 réduit possible.
La réponse à ces contraintes réside, selon l ' inven-tion, dans la préparation du combustible.
Le schéma représenté au dessin illustre une chaîne 20 de traitement et d'incinération d un produit brut 1, qui dans le cas d ' espèce, est du graphite . La première étape du tra~tement de ce produit consiste en un broyage 2. Le broyage peut consister en plusieurs étapes mettant en oeuvre plu-sieurs types d ~ appareils de manière a obtenir en sortie un 25 produit pulvérulent de granulométrie appropriée (par exemple 80 % des particules dont le diamètre est inférieur à 200 ~).
Ce broyage peut être réalisé en milieu humide pour éviter les dégagements de poussières et diminuer les risques d~explosion qui en résultent, et également obtenir une fluide qui est 30 transportable au moyen de pompes.
Le graphite pulvérulent obtenu à la sortie des broyeurs 2 est additionné d~eau dans un mélangeur 3. A l aide d une pompe 4, la circulation continue du produit issu du mélangeur 3 est assurée en direction par exemple d ' un 35 détecteur de concentration 5 (agissant par mesure de la _ _ .. , . _ . _ .. .. . _ , _ _ _ _ WO 93/02321 PCI/FR92/00659~
-~4 viscosité par exemple) pour aboutir à un mélangeur 6 d ajus-tement de cette concentration par addition d' eau. Le produit sortant de ce mélangeur 6 aura une teneur au plus égale à 35 96 de particules solides . Ii s ~ agit là d ' une suspension S aqueuse relativement chargée ~qui est très facilement pompa ble. Cette suspension est à l ~ aide d' une pompe 7 introduite dans un mélangeur 8 destiné à fabriquer un mélange triphasi-que liquide-solide-gaz. Pour ce faire~ on introduit dans le mélangeur, outre la suspension à transformer en mousse, des adjuvents tensio-actifs 9 et un gaz de foisonnement lO. Dans le cas présent le gaz sera de l ' oxygène .
- Grâce à une vanne de régulation de pression 11 en aval de la pompe ou à la perte de charge du circuit, on peut obtenir une mousse pressurisée, par exemple entre 2 et lO
bars. La pre6surisation de la mousse présente un double intérêt: tout d'abord elle devient autopropulsive par détente partielLe dans les conduites d ' alimentation 12 d ' un foyer de combustion 13, et d autre part la détente de cette mousse dans le foyer en ~avorise son injection.
Le foyer 13 est un foyer cyclone connu en lui-même qui présente les avantages ~ rappelés ci-dessus en ce qui concerne le temps de séjour des particules et la vitesse relative gaz-so~ide, pour accéder à une combustion complète du produit . De l' oxyg~ene 14 ~est introduit dans le foyer 13 comme gaz de combustion. On notera que la combustion peut comporter un étage de post-combustion. Les cendres sont recueillies dan6 un cendrier 15 tandis que les fumées 16 sont conduites dans un refroidisseur à eau 17 qui permet de condenser la vapeur d ' eau produite par la combustion . Ce refroidisseur incluera un dévesiculiseur retenant les goutte-lettes d'eau. Les fumées ainsi débarrassées des effluents aqueux, passent dans un réchauffeur 18 ~ui les place à une température au-dessus du point de rosée pour éviter toute condensation qui pourrait être nuisible au fonctionnement des filtres à très haute efficacLté l9 trauersés par les fumées.
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.
Ces filtres permettent de piéger les résidus solides 20 tandis que la phase gazeuse des fumées est transmise à
1 atmosphère par un ventilateur d extraction et une cheminée 22 .
Afin d'illustrer l~intéret de la préparation du graphite 80US forme d~une mousse chargée ~ base aqueuse (mélange triphasique eau, oxygène, graphite), on donnera ci-après des éléments comparatif s entre une incinération réalisée au moyen d'une technologie connue (par exemple en lit fluidisé~ et une incin~ration par foyer cyclone avec le combustible introduit sous forme de mousse.
J Foyer cyclone Lit fluidisé
Combustible Composition massique ( % ) débit massique (kg/h) 750 150 Comburant . . - 2 air déb i t ma s s iqu e ( kg/H ) 4 8 0 2 9 0 0 Fumées Température ( C) 1200 1200 débit massique (kg/h) 1230 3050 comp . massique ( 4 ) CO2 44,7 18 H2O 48,8 N2 - 73,1 ~ W0 93 / 0232l 2 1 13 1 0 9 PCr / FR92 ~ 0065g Process for the incineration of materials, in particular irradiated graphite.
The present invention relates to a method for incinerate graphite, including irradiated graphite and more generally a combustible material, such as waste, with limited smoke production to avoid treatment important and expensive of these.
Waste incineration is one of the methods most used to degrade them. The protection of the environment, however, imposes rain constraints in more severe in terms of releases to the atmosphere, which leads to smoke treatment facilities important to retain unwanted items and / or pollutants.
It is therefore useful to produce a minimum of fumes so as to reduce the volumes to be treated at the output incinerator.
It is also useful to avoid the production of harmful gaseous components (e.g. nitrogen oxides) at during incineration and one of the ways to limit this production is to limit the temperature of combustion.
Finally, it is advantageous to be able to carry out a complete combustion and to have kinetics of quick reaction.
In order to achieve these objectives, the invention provides a process for incinerating a material, with a prior preparation of the latter.
Thus, according to the invention, the method includes, before combustion, the continuous production of following steps:
- division of the material into particles, - incorporation of the divided material in a medium aqueous adds foaming products (surfactants) to due to a maximum of 35 96 to 459s by weight of solid depending on the nature of the solid considered, - pressure increase of the suspense ~ we have ns . _ ,, _ .. _ .... . . . ,. ,, _ _ ,, _ _ _ _, ~ 1131 ~ 9 WO 93/02321 ~ ~ PCr / FR92 / 00659 ~
'' got e, - - and foaming of the 6uspen6ion sou6 pres6ion made by incorporating an oxidizing gas 60u6 pré66ion.
The oxidizing gas can be 1 oxygen or 1 air 5 enriched and the pre66ion of the resulting mou66e 6era of 1 order from 2 to 10 bar6, depending, 60it of the opening of a valve control valve located before: Combustion furnace, i.e.
pre66ion dan6 the hearth and the pressure drop between the pump outlet and combustion furnace.
_ The maximum of the 601ide fraction (from 35 A454 in weight of the suspension) will depend on the volume apparent 601ide pulvéri6é and 60n calorific power ~ ique inferior. For example, graphite having a calorific value and a high apparent density ~ 6, the fraction 15,601 will be of the order of 3,596. For de6 critare6 plus low6, the fraction could be higher without this harms the pumpable nature of the product or leads to combustion too hot.
Another6 characteristic6 and advantage6 of the invention 20 tion will emerge from the description of a method of implementation given below by way of example, applied to incineration graphite and in particular irradiated graphite.
Reference will be made to the attached de66in which represents by a single figure the diagram of the mi6 process in 25 work by the invention.
There is currently a be60in to treat by incineration of used and irradiated graphite from dismantling of nuclear reactor6 ~. This 6th graphite presents 60u6 two geometric forms6, brick6 and 3C tube 6. The nuclear quality of the material is such that it does not contains practically only pure carbon; le6 impurity6 60nt in very low concentration 6. A ~ in to reduce the vblume of this graphite to 6tocker 60u6 form of waste6, it was propo6 crush and incinerate it. It has indeed been shown that 35 the combustion was as much more complicated as the diameter of 6 ~.
- - -. ..... ... .... . ... ..... ... ... .... _ _ ~ _ _ _ _ _ _ ~ WO 93/02321 211310 g PCr / FR92 / 00659 particles is small, that the residence time in the hearth of these particles is important and that the relative velocity gas-solid is also important.
To meet these conditions, he was selected 5 a cyclone type fire although this fire is not a perfect solution to all the problems encountered during this combustion, in particular by the transport of the divided solid in very fine particles, and on the other hand due to the generation of toxic nitrogen oxides.
Furthermore, taking into account the fact that the material to be incinerated contains radioactive particles, and that fraction of these particles will be entrained by combustion fumes, it is absolutely essential to treat this smoke at the outlet of the incinerator, and 15 treatment process will be more economical than the smoke volume 8 will be reduced as much as possible.
The answer to these constraints lies, according to the invent tion, in the preparation of fuel.
The diagram shown in the drawing illustrates a chain 20 for processing and incinerating a raw product 1, which in the present case is graphite. The first stage of treatment of this product consists of a grinding 2. The grinding can consist of several stages implementing more various types of apparatus so as to obtain an output 25 powdered product of suitable particle size (e.g.
80% of particles whose diameter is less than 200 ~).
This grinding can be carried out in a humid environment to avoid release of dust and reduce the risk of explosion that result, and also get a fluid that is 30 transportable by means of pumps.
The powdery graphite obtained at the outlet of the grinders 2 is added with water in a mixer 3. Using d a pump 4, the continuous circulation of the product from the mixer 3 is provided in the direction for example of a 35 concentration detector 5 (acting by measuring the _ _ ..,. _. _ .. ... _, _ _ _ _ WO 93/02321 PCI / FR92 / 00659 ~
-~ 4 viscosity for example) to arrive at a 6 d mixer This concentration by addition of water. The product leaving this mixer 6 will have a content at most equal to 35 96 of solid particles. This is a suspension S relatively charged aqueous ~ which is very easily pumped corn. This suspension is by means of a pump 7 introduced in a mixer 8 intended for manufacturing a three-phase mixture than liquid-solid-gas. To do this ~ we introduce in the mixer, in addition to the suspension to be transformed into foam, surfactant adjuvants 9 and a profusion gas 10. In in this case the gas will be oxygen.
- Thanks to a pressure regulating valve 11 in downstream of the pump or at the circuit pressure drop, you can obtain a pressurized foam, for example between 2 and 10 bars. The pre-pressurization of the foam has a double interest: first of all it becomes self-propelling by partial expansion The in the supply lines 12 of a combustion hearth 13, and on the other hand the expansion of this foam in the hearth in ~ favors its injection.
The hearth 13 is a cyclone hearth known in itself which has the advantages ~ recalled above with regard to concerns the residence time of the particles and the speed relative gaz-so ~ ide, to access complete combustion of the product . Oxygen ~ ene 14 ~ is introduced into the hearth 13 as combustion gas. Note that combustion can have a post-combustion stage. The ashes are collected in 6 an ashtray 15 while the fumes 16 are pipes in a water cooler 17 which allows condense the water vapor produced by combustion. This cooler will include a drip retainer water lettes. The fumes thus freed of effluents aqueous, pass through a heater 18 ~ which places them at a temperature above dew point to avoid any condensation which could be harmful to the operation of very high efficiency filters l9 trapped by smoke.
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.
These filters make it possible to trap solid residues 20 while the gas phase of the fumes is transmitted to 1 atmosphere with an extractor fan and a chimney 22.
In order to illustrate the interest of the preparation of 80US graphite forms a charged foam ~ aqueous base (three-phase mixture of water, oxygen, graphite), we will give below after comparative elements between an incineration carried out using known technology (for example in fluidized bed ~ and an incin ~ ration by cyclone hearth with the fuel introduced in the form of foam.
J Cyclone hearth Fluidized bed Combustible Mass composition (%) mass flow (kg / h) 750 150 Oxidizing. . - 2 air mass flow (kg / H) 4 8 0 2 9 0 0 Smoke Temperature (C) 1200 1200 mass flow (kg / h) 1,230 3,050 comp. mass (4) CO2 44.7 18 H2O 48.8 N2 - 73.1
2 6,5 8,9 On remarque de ce tableau une réduction de 60 % du 30 débit massique des fumées produites par la combustion du graphite en foyer cyclone ear rapport i~ celles en lit fluidi-sé. En outre, les fumées en sortie du foyer cyclone contien-nent pratiquement 50 % d ' eau . Ainsi les fumées à traiter 2 ~ ~ ~3902321 PCI'/FR92/0065~
.
,, avant rejet dans l~atmosphère sont 78 % moins importante6 en masse lors d~une incinération dans un foyer cyclone que lors d ' une incinération en lit fluidise . On comprend donc que les installations de fïltration et d i epuration sont beaucoup moins importantes dans une tachnique que dans l autre.
De ce tableau on comprend également l ' intérêt de procéder, d'une part ~ la formation d'une mousse à partir d oxygène (bien que çet oxygène ne représente que moins de 496 de l ' oxygène néce5saire à la combustion du produit ) et d'autre part et surtout, à utiliser comme comburant de l ' oxygène pur : on évite ainsi la production d ' oxydes d ' azote .
L' utilisation d ' une mousse aqueuse facilite grandement la conduite du foyer d incinération puisque la production de vapeurs d'eau tend à abaisser la température et la régulation de la charge en solide de la mousse permet de réaliser une regulation simple du fonctionnement du four, voire son extinction en cas d' urgence si on supprime totale-ment le solide combustible de la mousse.
Enfin, on ajoutera qu'il est possible d'inclure une ~raction relativement faible de liquide combustible pollué
(pnr exemple une huile usagée ou contaminée) dans la suspen-sion avant fois^nne~ nt .
, ;
. . . : 2 6.5 8.9 We notice from this table a reduction of 60% of the 30 mass flow of fumes produced by the combustion of graphite in cyclone hearth ear ratio i ~ those in fluid bed se. In addition, the fumes leaving the cyclone hearth contain-contain almost 50% water. So the fumes to be treated 2 ~ ~ ~ 3902321 PCI '/ FR92 / 0065 ~
.
,, before release to the atmosphere are 78% lower6 in mass during an incineration in a cyclone fire than during of a fluidized bed incineration. We therefore understand that the filtration and sewage facilities are many less important in one tachnic than in the other.
From this table we also understand the interest of proceed, on the one hand ~ the formation of a foam from oxygen (although this represents only less than 496 oxygen necessary for the combustion of the product) and on the other hand and above all, to be used as oxidizer of pure oxygen: this avoids the production of oxides of nitrogen.
The use of an aqueous foam facilitates greatly the operation of the incineration hearth since the water vapor production tends to lower the temperature and the regulation of the solid load of the foam allows carry out simple regulation of the operation of the oven, or even its extinction in case of emergency if it is completely removed the solid combustible foam.
Finally, we will add that it is possible to include a ~ relatively weak reaction of polluted combustible liquid (for example a used or contaminated oil) in the suspension sion before times ^ nne ~ nt.
, ;
. . . :