EP0441942B1 - Procede et installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques depourvus d'oxygene - Google Patents

Procede et installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques depourvus d'oxygene Download PDF

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EP0441942B1
EP0441942B1 EP90913706A EP90913706A EP0441942B1 EP 0441942 B1 EP0441942 B1 EP 0441942B1 EP 90913706 A EP90913706 A EP 90913706A EP 90913706 A EP90913706 A EP 90913706A EP 0441942 B1 EP0441942 B1 EP 0441942B1
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EP
European Patent Office
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combustion
tunnel
gas
combustion zone
post
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP90913706A
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German (de)
English (en)
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EP0441942A1 (fr
Inventor
Serge Carpentier
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Societe Generale pour les Techniques Nouvelles SA SGN
Original Assignee
Societe Generale pour les Techniques Nouvelles SA SGN
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G7/00—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals
    • F23G7/06—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases
    • F23G7/061—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating
    • F23G7/065—Incinerators or other apparatus for consuming industrial waste, e.g. chemicals of waste gases or noxious gases, e.g. exhaust gases with supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/022—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow
    • F23J15/025—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material for removing solid particulate material from the gasflow using filters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2209/00—Specific waste
    • F23G2209/14—Gaseous waste or fumes
    • F23G2209/142—Halogen gases, e.g. silane

Definitions

  • the invention relates to a method and an installation for the destruction by combustion of toxic oxygen-free gaseous effluents.
  • a known treatment method consists in burning said gases; the combustion products are not toxic or can be easily eliminated (for example by filtration for arsenious oxide).
  • Patent FR 87 03 729 published under the number 2 612 606 describes such a process with its associated device.
  • the effluent is brought into a combustion zone by a central duct surrounded by a tube bringing the combustible gas, itself surrounded by three annular conduits bringing the combustion air.
  • the gas injection rates and speeds are regulated for this purpose.
  • the combustible gas stream constitutes a protective sheath for the effluent vis-à-vis the oxidizing gas.
  • DE-A-2 857 224 has also described a process and its associated device for the incineration of explosive gases. Said method possibly involves an auxiliary fuel and, in order to prolong the residence time of the gases to be incinerated in the combustion chamber, it imposes a reflux of these in said combustion chamber.
  • the Applicant currently offers a combustion process in which, unlike that described in FR-A-2 612 606, a significant turbulence is created.
  • the invention therefore consists of a method of combustion of toxic gaseous effluents, devoid of oxygen.
  • effluents are not, in themselves, explosive. They can become so in the presence of oxygen.
  • Said carrier gas consist of a carrier gas loaded with impurities.
  • Said carrier gas can be hydrogen, nitrogen, etc. or a mixture of gases. Air and oxygen are obviously excluded.
  • Said gaseous effluents to be burned according to the process of the invention can, as indicated above, come from the electronics industry.
  • Such effluents are loaded with hydride, in particular phosphines, arsines ... and / or silanes ... and / or other chemical compounds containing in particular the atoms B, P, As, Te, Se, Cl, F .
  • Said gaseous effluents can also come from the nuclear industry. It can be pyrolysis gas and / or gas loaded with tritium, radioactive.
  • the dart is obtained from a conventional burner placed at the head of the combustion zone, supplied with combustible gas (natural gas for example) and oxidizing gas (air for example).
  • This oxidizing gas is called primary in the text of the present application to distinguish it from other oxidizing streams.
  • the flow rate of this primary oxidizing gas is adjusted so as to ensure combustion, with a small excess of oxidizing gas (approximately 10%).
  • so-called secondary oxidizing gas is sent to the dart in the form of jets, at a rate sufficient to ensure an excess of oxidizer, relative to the quantity necessary for the combustion of the toxic effluent, and at a speed sufficient to create a turbulent gaseous mass at the level of the stinger.
  • the secondary oxidizing gas is for example air.
  • the flow and speed of the secondary oxidizing gas are such that the appearance of the stinger is modified: it changes color, its shape is disturbed and we observe vortex movements. We then say that the gas mass is turbulent. This phenomenon is known to those skilled in the art.
  • the flow rate and speed of the secondary oxidant gas must also be determined to maintain the temperature in the combustion zone and the excess of oxidant.
  • the speeds can go up to several tens of m / s.
  • the secondary oxidizing gas is introduced in the form of at least two jets directed towards the axis of said dart. These jets can converge towards the axis of the dart or else be directed so as to create a swirling movement of the oxidant around said dart; in this case also, the orientation of the jet participates in the creation of turbulence.
  • the method of the invention is implemented, under vacuum with respect to the atmosphere outside the combustion zone (ambient atmosphere).
  • a vacuum makes it possible to avoid the formation of gas pockets, to avoid a possible dispersion of the gases towards the outside. It also facilitates the extraction of gases from the installation in which the method is implemented.
  • This depression is of the order of 0.5 to 6 mbar (or 50 to 600 Pa).
  • the adjustable (secondary) oxidant gas stream cools the gas mass and makes it possible to lower the temperature of the combustion zone, if necessary. By the absence of said current, the temperature is brought up, which can be accelerated by adjusting the flow rate of fuel gas / primary oxidant.
  • the toxic gaseous effluent it is sufficient, in the context of the invention, for the toxic gaseous effluent to be introduced in the form of a jet into the turbulent gas mass (one or more jets). No matter where the effluent jet (s) arrive (s) in relation to the secondary oxidant gas arrivals, it is sufficient that turbulence is created on the gas mass.
  • the toxic effluents When the toxic effluents are of a different nature, they can be introduced in the form of separate jets at the level of the dart, or else be mixed before being introduced.
  • the toxic effluent can be introduced sporadically.
  • the flow of secondary oxidant gas is generally controlled by the measurement of the temperature in the combustion zone.
  • the method of the invention advantageously makes it possible to treat effluents whose flow and speed are not controlled; it then suffices to adjust the flow rates and speeds of oxidizing gas in order to achieve combustion.
  • the temperature in the combustion zone is generally greater than 900 ° C. for the treatment of the toxic gases previously mentioned. Said temperature is advantageously chosen so as to obtain at least 99% destruction of the toxic gases over the entire installation - that is to say combustion zone possibly supplemented with an after-combustion zone in which the reaction ends in which the method of the invention is implemented.
  • a critical temperature the explosive temperature of the gas mixture in the combustion zone. What that said mixture is, a person skilled in the art situates this critical temperature at around 800 ° C.
  • the gases from the combustion zone are sent to a so-called post-combustion zone containing a lining of refractory materials.
  • Said lining is advantageously brought to a temperature higher than the combustion temperature in the combustion zone.
  • Said packing also ensures the filtration of gases and a better distribution of calories in the installation.
  • Said post-combustion zone is obviously also under vacuum (preferably 0.5 to 6 mbar).
  • the flow rates and speeds of the oxidizing gases are adjusted so as to obtain a temperature of 900 to 1,200 ° C, approximately 1,000 ° C preferably in the post-combustion zone, in the context of an application to the toxic effluents listed. above.
  • the outgoing gases can be released directly into the atmosphere or be treated, depending on the amount of residual toxicants and the applicable discharge standards.
  • the installation according to the invention comprises a combustion tunnel, the bottom of which consists of a conical wall.
  • This wall is generally made of refractory materials over a thickness sufficient to ensure the thermal insulation of the installation from the outside.
  • the burner comprises a pipe for the arrival of the combustible gas and another pipe for the arrival of the primary oxidizing gas.
  • It can for example be a workman formed at the bottom of the tunnel, into which the burner opens, the dart then developing in the workman.
  • the burner comprises two concentric pipes, and the fuel supply pipe is set back from the bottom of the tunnel cone, in order to facilitate the fuel / primary oxidant mixture before the development of the dart, the base of the dart being practically at the bottom of the cone of the combustion tunnel.
  • Flow adjustment means are provided on these pipes; they are preferably controlled by the temperature measurement in the installation.
  • the secondary oxidizing gas is supplied by at least two pipes which pass through the conical wall over its entire thickness; the pipes are dimensioned so that the gas escapes in the form of a jet.
  • These tubes can be given a slit shape so as to cover the jets with a larger surface.
  • a more favorable embodiment consists in providing several pipes, for example three or four, regularly arranged around the periphery of the conical wall.
  • the pipes are arranged so that the jets converge towards the axis of the dart substantially at the same point, or else they are inclined identically around the periphery of the conical wall so as to create a rotary movement of the oxidizing gas introduced. .
  • the tubing (s) bringing the effluent also passes through the conical wall and is (are) arranged so as to direct the jet (s) of effluent towards the axis of the dart substantially at the same point.
  • tubes separated into two parts by a wall, the jets then opening out substantially in the same place.
  • the dimensions of the combustion tunnel are determined by a person skilled in the art as a function of the products treated, the combustion temperature to be obtained, the residence time, etc.
  • a device for example an exhaust fan, is mounted on the gas extraction pipe to create the vacuum in the installation.
  • Said installation comprises a combustion tunnel followed by a post-combustion zone, said zone also comprising refractory walls and its axis advantageously making an angle with that of the combustion tunnel.
  • the bottom of said zone is provided with a lining of refractory material and a lateral tube allows the exit of the gases having passed through said lining.
  • an intake valve can be fitted, allowing the passage of oxidant (tertiary oxidant) towards the bottom of said post-combustion zone.
  • said valve is used as an expansion valve, to compensate for accidental overpressures.
  • FIG. 1A shows an installation comprising a combustion tunnel 1 of axis (D) followed by an afterburner zone 2 arranged perpendicular to said tunnel.
  • the bottom of the tunnel 1 is constituted by a conical wall 3 open on the tunnel.
  • the tunnel with its bottom is surrounded by a thickness 4 of bricks (or other material) refractory to ensure thermal insulation.
  • a recess is arranged along the axis (D) and over the entire thickness of the conical wall.
  • a burner 5 is embedded therein, which comprises a line 6 for the supply of combustible gas (natural gas) and a line 7 supplying the primary oxidizing gas (air).
  • a dart 8 develops at the bottom of the tunnel.
  • the base of the dart is at the bottom of the cone of the conical wall; in FIG. 1B, it is located in the opening placed on the recess arranged in the bottom of the cone.
  • Tubes 9 and 10 pass through the conical wall to supply the secondary oxidizing gas (air) and the toxic effluent respectively.
  • FIGS. 1A and 2A three tubes 9 and three tubes 10 are placed.
  • the tubes 9 are arranged so that their axes converge on the axis (D) of the tunnel at a point A, the tubes 10 in point B and point B is located beyond point A.
  • the tubes 9 converge at points A1 and A2, the tubes 10 at point B and the points A1 and A2 are located beyond point B.
  • the pipes 9 supplying the secondary oxidizing gas have a slit shape while the pipes 10 have a circular shape.
  • FIG. 3A presents a preferred variant, in which the pipes 9 are separated into two parts by a partition 11.
  • part 12 the closest to the burner, circulates the secondary oxidizing gas with fixed jet and in part 13 the oxidizing gas secondary with modular jet.
  • the two parts are then supplied by different pipes. Appropriate means of adjusting the flow and speed are placed on the supply pipes.
  • FIG. 18 shows separate tubes 9A and 9B for supplying the secondary oxidizing gas in the form of a respectively modular and fixed jet.
  • FIG. 28 shows in section the tubes 9B inclined so as to create a rotary movement of the secondary oxidizing gas known as a fixed jet around the stinger.
  • the tubes 10 are divided into three groups of three tubes 10A, 108, 10C which each bring a toxic effluent of different nature, for example.
  • the tubing of the groups is regularly arranged around the periphery of the conical wall.
  • the gases from the combustion tunnel 1 are diverted to the post-combustion zone 2 which contains at its bottom a lining 14 (made of silicon carbide for example) which can be evacuated by a withdrawal door 15 and brought by a door 16.
  • the door 16 may include a valve 17 through which the tertiary oxidant (air) which is entrained with the combustion gases towards the lining.
  • the invention is illustrated by the example below.
  • the fuel involved is natural gas, delivered at a rate of 1.1 Nm3 / h at the nose of the burner previously mixed in the burner with 6 Nm3 / h of primary air (primary oxidant).
  • the air / gas ratio was kept constant, whatever the burner flame, with a 10% excess of air compared to the stoichiometry.
  • the depression in the tunnel is 5 mbar.
  • the temperature measured before the silicon carbide packing is 1000 ° C.
  • the smoke volume at this temperature is 90 Nm3 / h.
  • Said fumes are then cooled from 1000 ° C to 700 ° C in a heat exchanger and then undergo a dilution, by ambient air, of a factor of 4 (325 Nm3 / h) to be brought back to a temperature of 100 -120 ° C before very high efficiency filtration (to stop 99.99% of particles of the order of 0.3 ”m) aimed at retaining arsenious acid, solid, formed, before discharge to the chimney.
  • the arsine charge is no more than 0.5 ppm by volume.
  • the purification yield ensured by the installation is therefore 99.966%, higher than the 99.95% required (after taking into account the dilution on cooling).
  • Such an installation is particularly well suited for purifying gases from the electronic industry: not only is there almost complete combustion of toxic combustible elements, but the formation of nitrogen oxides or other toxic gases is avoided.

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Abstract

Procédé pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygène dans une flamme, comportant un dard (8) alimenté en gaz combustible (6) et en gaz comburant (7) dit primaire. Ledit effluent gazeux (10) et un gaz comburant (9) dit secondaire sont introduits séparément au niveau dudit dard, ledit gaz comburant secondaire étant introduit sous forme d'au moins un jet dirigé vers l'axe (D) dudit dard à un débit et une vitesse suffisants pour assurer un excès en comburant, le maintien en température, et créer une masse gazeuse turbulente au niveau dudit dard; l'effluent gazeux toxique (10) étant introduit dans ladite masse gazeuse turbulente. Ledit procédé est mis en ÷uvre en dépression. L'invention concerne également une installation pour la mise en ÷uvre dudit procédé.

Description

  • L'invention concerne un procédé et une installation pour la destruction par combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygène.
  • Le problème de l'élimination de tels effluents s'est notamment posé dans les unités de fabrication de circuits intégrés où, pour doper les matériaux, sont employés des gaz chargés en hydrures d'arsenic (arsines), et/ou hydrures de phosphore (phosphines) et/ou hydrures de silicium (silanes)...
  • Ces gaz sont toxiques et le courant gazeux les contenant doit absolument faire l'objet d'une épuration avant d'être rejeté dans l'atmosphère.
  • Un procédé de traitement connu consiste à faire brûler lesdits gaz ; les produits de combustion n'étant pas toxiques ou pouvant être éliminés facilement (par exemple par filtration pour l'oxyde arsénieux).
  • Le brevet FR 87 03 729 publié sous le numéro 2 612 606 décrit un tel procédé avec son dispositif associé. Selon ce brevet, l'effluent est amené dans une zone de combustion par un conduit central entouré d'une tubulure amenant le gaz combustible, elle-même entourée de trois conduits annulaires amenant l'air comburant. On s'efforce de rester le plus longtemps possible en flux laminaire au-delà même du brûleur pour repousser la zone d'inflammation afin d'éviter le dépôt d'oxydes sur le brûleur. Les débits et les vitesses d'injection des gaz sont réglés dans ce but. Dans le même but, la veine de gaz combustible constitue une gaine de protection pour l'effluent vis-à-vis du gaz comburant.
  • On a par ailleurs décrit dans la demande DE-A-2 857 224 un procédé et son dispositif associé pour l'incinération de gaz explosibles. Ledit procédé fait éventuellement intervenir un combustible d'appoint et, pour prolonger le temps de séjour des gaz à incinérer dans la chambre de combustion, il impose un reflux de ceux-ci dans ladite chambre de combustion.
  • La Demanderesse propose présentement un procédé de combustion dans lequel , au contraire de celui décrit dans FR-A-2 612 606, on crée une turbulence importante.
  • Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygéne dans une flamme comportant un dard alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire , procédé caractérisé en ce que :
    • il est mis en oeuvre en dépression ;
    • un gaz comburant dit secondaire est introduit au niveau dudit dard, sous la forme d'au moins un jet dit fixe, à débit et vitesse constants et suffisants pour générer une masse gazeuse turbulente au niveau dudit dard et maintenir la température de combustion voulue et d'au moins un jet dit modulable, à débit variable pour stabiliser ladite température de combustion ; lesdits jets, dirigés vers l'axe dudit dard, assurant également l'apport de comburant en excès dans la zone de combustion ;
    • ledit effluent gazeux à brûler est introduit au niveau dudit dard, séparément dudit gaz comburant secondaire, dans ladite masse gazeuse turbulente générée ;
    • les gaz issus de ladite zone de combustion sont envoyés dans une zone de post-combustion.
  • L'invention consiste donc en un procédé de combustion d'effluents gazeux toxiques, dépourvus d'oxygène. De tels effluents ne sont pas, en eux-mêmes, explosibles. Ils peuvent le devenir en présence d'oxygène.
  • Ils sont constitués d'un gaz vecteur chargé en impuretés. Ledit gaz vecteur peut être de l'hydrogène, de L'azote, ... ou un mélange de gaz. L'air et l'oxygène sont évidemment exclus.
  • Lesdits effluents gazeux à brûler selon le procédé de l'invention, peuvent, comme indiqué ci-dessus, provenir de l'industrie électronique. De tels effluents sont chargés en hydrure, notamment en phosphines, arsines... et/ou en silanes... et/ou en d'autres composés chimiques contenant notamment les atomes B, P, As, Te, Se, Cl, F.
  • Lesdits effluents gazeux peuvent également provenir de l'industrie nucléaire. Il peut s'agir de gaz de pyrolyse et/ou de gaz chargés en tritium, radioactifs.
  • Le dard est obtenu à partir d'un brûleur classique disposé en tête de la zone de combustion, alimenté en gaz combustible (gaz naturel par exemple) et en gaz comburant (air par exemple). Ce gaz comburant est dénommé primaire dans le texte de la présente demande pour le distinguer des autres courants de comburant. Avantageusement, le débit de ce gaz comburant primaire est réglé de façon à assurer la combustion, avec un faible excès de gaz comburant (10 % environ).
  • Selon l'invention, du gaz comburant dit secondaire est envoyé vers le dard sous forme de jets , à un débit suffisant pour assurer un excès de comburant, par rapport à la quantité nécessaire à la combustion de l'effluent toxique, et à une vitesse suffisante pour créer une masse gazeuse turbulente au niveau du dard.
  • Le gaz comburant secondaire est par exemple de l'air.
  • Le débit et la vitesse du gaz comburant secondaire sont tels que l'apparence du dard se trouve modifiée : il change de couleur, sa forme est perturbée et on observe des mouvements tourbillonnaires. On dit alors que la masse gazeuse est turbulente. Ce phénomène est connu de l'homme du métier.
  • Le débit et la vitesse du gaz comburant secondaire doivent être également déterminés pour assurer le maintien en température dans la zone de combustion et l'excès de comburant.
  • Les vitesses peuvent aller jusqu'à plusieurs dizaines de m/s.
  • Le gaz comburant secondaire est introduit sous forme d'au moins deux jets dirigés vers l'axe dudit dard. Ces jets peuvent converger vers l'axe du dard ou bien être dirigés de façon à créer un mouvement tourbillonnaire du comburant autour dudit dard ; dans ce cas également, l'orientation du jet participe à la création de la turbulence.
  • Le procédé de l'invention est mis en oeuvre, en dépression par rapport à l'atmosphère extérieure à la zone de combustion (atmosphère ambiante). Une telle dépression permet d'éviter la formation de poches de gaz, d'éviter une éventuelle dispersion des gaz vers l'extérieur. Elle facilite par ailleurs l'extraction des gaz issus de l'installation dans laquelle le procédé est mis en oeuvre.
  • Cette dépression est de l'ordre de 0,5 à 6 mbar (soit 50 à 600 Pa).
  • De façon caractéristique, le gaz comburant secondaire est amené par deux circuits différents produisant :
    • au moins un jet dit fixe avec un débit et une vitesse constants et suffisants pour obtenir une masse gazeuse turbulente, et la température de combustion voulue ;
    • au moins un jet dit modulable avec un débit variable pour maintenir la température ;

    lesdits jets assurant également l'apport de comburant en excès.
  • Le courant de gaz comburant (secondaire) modulable refroidit la masse gazeuse et permet d'abaisser la température de la zone de combustion, si besoin. Par l'absence dudit courant, on provoque la remontée en température, qui peut être accélérée par réglage du débit de gaz combustible / comburant primaire.
  • Il suffit, dans le cadre de l'invention, que l'effluent gazeux toxique soit introduit sous forme de jet dans la masse gazeuse turbulente (un ou plusieurs jets). Peu importe l'endroit où arrive(nt) le (ou les) jet(s) d'effluent par rapport aux arrivées de gaz comburant secondaire, il suffit que la turbulence soit créée sur la masse gazeuse.
  • Lorsque les effluents toxiques sont de nature différente, ils peuvent être introduits sous forme de jets séparés au niveau du dard, ou bien être mélangés avant d'être introduits.
  • L'effluent toxique peut être introduit épisodiquement. Le débit de gaz comburant secondaire est généralement asservi à la mesure de la température dans la zone de combustion. Le procédé de l'invention permet, de façon avantageuse, de traiter des effluents dont on ne contrôle pas le débit et la vitesse ; il suffit alors de régler les débits et vitesses en gaz comburant pour aboutir à la combustion.
  • La température dans la zone de combustion est en général supérieure à 900°C pour le traitement des gaz toxiques précédemment cités. Ladite température est avantageusement choisie de façon à obtenir une destruction des gaz toxiques à au moins 99 % sur l'ensemble de l'installation -c'est-à-dire zone de combustion complétée éventuellement d'une zone de post-combustion dans laquelle se termine la réaction- dans laquelle le procédé de l'invention est mis en oeuvre.
  • En tout état de cause, elle sera choisie, par L'homme du métier, supérieure à une température critique : la température d'explosivité du mélange de gaz dans la zone de combustion. Quel que soit ledit mélange, l'homme du métier situe aux environs de 800°C cette température critique.
  • En l'absence d'effluent à traiter, il est intéressant de mettre en veille à une température, très légèrement supérieure à la température d'explosivité des gaz alors présents dans la zone de combustion.
  • Pour permettre à la réaction de combustion de se prolonger, on envoie les gaz issus de la zone de combustion vers une zone dite de post-combustion contenant un garnissage en matériaux réfractaires. Ledit garnissage est avantageusement porté à une température supérieure à la température de combustion dans la zone de combustion. Ledit garnissage assure également la filtration des gaz et une meilleure répartition des calories dans l'installation.
  • Ladite zone de post-combustion est évidemment, elle aussi, en dépression (0,5 à 6 mbar de préférence).
  • Il peut être judicieux de provoquer dans le haut de la zone de post-combustion (partie opposée au fond contenant le garnissage) une fuite amenant un léger courant de gaz comburant dit tertiaire (air en général) qui garantit un excès de comburant dans la zone de post-combustion.
  • Les débits et vitesses des gaz comburants sont réglés de façon à obtenir une température de 900 à 1 200°C, 1 000°C environ de préférence, dans la zone de post-combustion, dans le cadre d'une application aux effluents toxiques énumérés ci-dessus.
  • Les gaz sortant peuvent être rejetés directement dans l'atmosphère ou être traités, selon la quantité de toxiques résiduels et les normes de rejet en vigueur.
  • La présente invention a également pour objet une installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygène, dans laquelle le procédé décrit ci-dessus peut être mis en oeuvre. Ladite installation comporte un tunnel de combustion dans le fond duquel se trouve un brûleur , alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, et est caractérisée en ce que :
       - le fond dudit tunnel est constitué par une paroi conique ouverte sur ledit tunnel, de même axe (D) que lui, ledit brûleur étant disposé sur cet axe (D) à une profondeur telle que la base du dard se situe, en cours de fonctionnement, à proximité dudit fond dudit tunnel ; et
    en ce qu'elle comporte en outre :
    • au moins deux tubulures , au moins une pour un jet dit fixe et au moins une autre pour un jet dit modulable, pour amener le gaz comburant secondaire au niveau dudit fond dudit tunnel ; lesdites tubulures étant orientées pour diriger en cours de fonctionnement ledit gaz comburant secondaire en jets vers ledit dard ;
    • au moins une tubulure pour amener l'effluent gazeux toxique au niveau dudit fond dudit tunnel , la(les)dite(s) tubulure(s) étant orienté(e)s pour diriger, en cours de fonctionnement, ledit effluent en jet(s) convergent(s) vers l'axe (D) dudit dard ;
    • une zone de post-combustion prolongeant ledit tunnel de combustion ;
    • un dispositif d'extraction des gaz créant une dépression dans ledit tunnel et ladite zone de post-combustion .
  • L'installation selon l'invention comporte un tunnel de combustion dont le fond est constitué par une paroi conique. Cette paroi est généralement constituée de matériaux réfractaires sur une épaisseur suffisante pour assurer l'isolation thermique de l'installation vis-à-vis de l'extérieur.
  • Dans le fond du cône est aménagé un évidement pour le brûleur. Le brûleur comprend une tubulure pour l'arrivée du gaz combustible et une autre tubulure pour l'arrivée du gaz comburant primaire.
  • Ce peut être par exemple un ouvreau ménagé au fond du tunnel, dans lequel débouche le brûleur, le dard se développant alors dans l'ouvreau.
  • Dans une autre réalisation, le brûleur comprend deux tubulures concentriques, et la tubulure amenant le combustible est placée en retrait du fond du cône du tunnel, afin de faciliter le mélange combustible/comburant primaire avant le développement du dard, la base du dard étant pratiquement au niveau du fond du cône du tunnel de combustion.
  • Des moyens de réglage des débits sont prévus sur ces tubulures ; ils sont de préférence asservis à la mesure de la température dans l'installation.
  • Sur la paroi conique du tunnel de combustion, débouchent les arrivées de gaz comburant secondaire et d'effluent toxique.
  • Le gaz comburant secondaire est amené par au moins deux tubulures qui traversent la paroi conique sur toute son épaisseur; les tubulures sont dimensionnées pour que le gaz s'échappe sous forme de jet. On peut donner à ces tubulures une forme de fente de façon à couvrir par les jets une surface plus grande.
  • Une réalisation plus favorable consiste à prévoir plusieurs tubulures par exemple trois ou quatre, disposées régulièrement sur le pourtour de la paroi conique. Selon les cas, les tubulures sont disposées de façon que les jets convergent vers l'axe du dard sensiblement en un même point, ou bien elles sont inclinées identiquement sur le pourtour de la paroi conique de façon à créer un mouvement rotatif du gaz comburant introduit.
  • La (les) tubulure(s) amenant l'effluent, traverse(nt) également la paroi conique et est (sont) disposée(s) de façon à diriger le(s) jet(s) d'effluent vers l'axe du dard sensiblement en un même point. De préférence, on dispose plusieurs tubulures réparties régulièrement sur le pourtour de la paroi conique.
  • On prévoit des tubulures de gaz comburant secondaire pour jets dits fixes et des tubulures pour jets dits modulables, chaque type de jet étant piloté indépendamment de l'autre.
  • Dans une réalisation particulière, sont prévues des tubulures séparées en deux parties par une paroi, les jets débouchant alors sensiblement au même endroit.
  • Les dimensions du tunnel de combustion sont déterminées par l'homme du métier en fonction des produits traités, de la température de combustion à obtenir, du temps de séjour ...
  • Un dispositif , par exemple un ventilateur d'extraction, est monté sur la tuyauterie d'extraction des gaz pour créer la dépression dans l'installation.
  • Ladite installation comporte un tunnel de combustion suivie d'une zone de post-combustion, ladite zone comportant également des parois en réfractaire et son axe faisant avantageusement un angle avec celui du tunnel de combustion. Le fond de ladite zone est muni d'un garnissage en matériau réfractaire et une tubulure latérale permet la sortie des gaz ayant traversé ledit garnissage.
  • Dans le haut de la zone de post-combustion (le haut étant opposé au fond), un clapet d'admission peut être aménagé, permettant le passage de comburant (comburant tertiaire) vers le fond de ladite zone de post-combustion. Avantageusement, ledit clapet est utilisé comme clapet d'expansion, pour compenser des surpressions accidentelles.
  • Les figures ci-après illustrent l'invention :
    • les figures 1A et 1B représentent des réalisations préférées de l'installation selon l'invention ;
    • les figures 2A, 2B et 3A montrent en coupe (vue selon l'axe du tunnel de combustion) le fond du tunnel avec le brûleur et les tubulures pour les gaz, la figure 3B montre une vue en coupe de l'installation 1B selon la direction F.
  • La figure 1A montre une installation comprenant un tunnel de combustion 1 d'axe (D) suivie d'une zone de post-combustion 2 disposée perpendiculairement audit tunnel.
  • Le fond du tunnel 1 est constitué par une paroi conique 3 ouverte sur le tunnel. Le tunnel avec son fond est entouré d'une épaisseur 4 de briques (ou autre matériau) réfractaires pour assurer l'isolation thermique.
  • Dans le fond du tunnel, un évidement est aménagé selon l'axe (D) et sur toute l'épaisseur de la paroi conique. Un brûleur 5 y est encastré, qui comprend une conduite 6 d'arrivée de gaz combustible (gaz naturel) et une conduite 7 amenant le gaz comburant primaire (air). Un dard 8 se développe dans le fond du tunnel.
  • Sur la figure 1A, la base du dard est au fond du cône de la paroi conique ; sur la figure 1B, elle est située dans l'ouvreau placé sur l'évidement aménagé dans le fond du cône.
  • Des tubulures 9 et 10 traversent la paroi conique pour amener respectivement le gaz comburant secondaire (air) et l'effluent toxique.
  • Dans l'exemple illustré figures 1A et 2A, on a disposé trois tubulures 9 et trois tubulures 10. Les tubulures 9 sont disposées de façon que leurs axes convergent sur l'axe (D) du tunnel en un point A, les tubulures 10 en un point B et le point B est situé au-delà du point A.
  • Par contre, dans la figure 18, les tubulures 9 convergent aux points A1 et A2, les tubulures 10 au point B et les points A1 et A2 sont situés au-delà du point B.
  • Sur la coupe figure 2A, selon un mode de réalisation de l'invention, les tubulures 9 amenant le gaz comburant secondaire ont une forme de fente alors que les tubulures 10 ont une forme circulaire.
  • La figure 3A présente une variante préférée, dans laquelle les tubulures 9 sont séparées en deux parties par une cloison 11. Dans la partie 12, la plus proche du brûleur, circule le gaz comburant secondaire à jet fixe et dans la partie 13 le gaz comburant secondaire à jet modulable. Les deux parties sont alors alimentées par des tuyauteries différentes. Sur les tuyauteries d'alimentation, sont placés des moyens appropriés de réglage en débit et vitesse.
  • La figure 18 montre des tubulures séparées 9A et 9B pour amener le gaz comburant secondaire sous forme de jet respectivement modulable et fixe.
  • La figure 28 montre en coupe les tubulures 9B inclinées de façon à créer un mouvement rotatif du gaz comburant secondaire dit à jet fixe autour du dard.
  • Les tubulures 10 sont réparties en trois groupes de trois tubulures 10A, 108, 10C qui amènent chacune un effluent toxique de nature différente, par exemple. Les tubulures des groupes sont régulièrement disposées sur le pourtour de la paroi conique.
  • Selon la figure 1A, les gaz issus du tunnel de combustion 1 sont déviés vers la zone 2 de post-combustion qui contient en son fond un garnissage 14 (en carbure de silicium par exemple) pouvant être évacué par une porte de soutirage 15 et amené par une porte 16. La porte 16 peut comporter un clapet 17 par lequel arrive alors le comburant tertiaire (air) qui est entraîné avec les gaz de combustion vers le garnissage. Les gaz ayant traversé le garnissage, quittent l'installation par la tuyauterie 18.
  • L'invention est illustrée par l'exemple ci-après. Dans une installation du type décrit ci-dessus dont la chambre de combustion cylindrique a un diamètre extérieur d'environ 1 200 mm, un diamètre intérieur d'environ 400 mm, une longueur approximative intérieur de 1 600 mm et dont la chambre de post-combustion -qui fait suite à ladite chambre de combustion- contient des agrégats de carbure de silicium, on a traité un gaz chargé en arsine, a 6 000 ppm en volume, à un débit de 14 Nm³/h.
  • En tête et dans l'axe du tunnel de combustion, on trouve un ouvreau de brûleur supportant le brûleur proprement dit et les arrivées d'air et de gaz.
  • Le gaz vecteur chargé en arsine est envoyé dans l'ouvreau vers le tunnel de combustion. Il est composé de :
    • hydrogène 10,2   Nm³/h
    • azote 3,0   Nm³/h
  • Le combustible intervenant est du gaz naturel, débité à raison de 1,1 Nm³/h au nez du brûleur préalablement mélangé dans le brûleur à 6 Nm³/h d'air primaire (comburant primaire). La proportion air/gaz a été maintenue constante, quelle que soit l'allure de la flamme du brûleur, avec un excès d'air de 10 % par rapport à la stoechiométrie.
  • Par l'ouvreau du brûleur arrive également, à une vitesse de 12 m/s le gaz comburant secondaire composé de :
    • un air à débit constant (33 Nm³/h) et à vitesse constante (12 m/s) pour le balayage turbulent du tunnel de combustion,
    • un air modulé à débit variable (de 0 à 35 Nm³/h) pour le maintien en température.
  • La dépression dans le tunnel est de 5 mbar.
  • La température mesurée avant le garnissage de carbure de silicium est de 1 000°C. Le volume des fumées à cette température est de 90 Nm³/h.
  • Lesdites fumées sont ensuite refroidies de 1 000°C à 700°C dans un échangeur de chaleur puis subissent une dilution, par de l'air ambiant, d'un facteur 4 (325 Nm³/h) pour être ramenées à une température de 100-120°C avant une filtration à très haute efficacité (pour arrêter 99,99 % des particules de l'ordre de 0,3 »m) visant à retenir l'acide arsénieux, solide, formé, avant rejet à la cheminée.
  • A ce niveau, la charge en arsine n'est plus que de 0,5 ppm en volume. Le rendement d'épuration assuré par l'installation est donc de 99,966 %, supérieur au 99,95 % exigés (après avoir tenu compte de la dilution au refroidissement).
  • En outre, la composition des fumées à la cheminée était approximativement la suivante :
    • azote   80,0 %
    • oxygène   18,0 %
    • eau (vapeur)   1,5 %
    • gaz carbonique   0,5 %
  • Une telle installation est particulièrement bien adaptée à l'épuration des gaz issus de l'industrie électronique : non seulement il y a combustion pratiquement complète des éléments combustibles toxiques, mais la formation d'oxydes d'azote ou autres gaz toxiques est évitée.

Claims (10)

  1. Procédé pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygène, dans une flamme comportant un dard alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, caractérisé en ce que :
    - il est mis en oeuvre en dépression ;
    - un gaz comburant dit secondaire est introduit au niveau dudit dard, sous la forme d'au moins un jet dit fixe, à débit et vitesse constants et suffisants pour générer une masse gazeuse turbulente au niveau dudit dard et maintenir la température de combustion voulue et d'au moins un jet dit modulable, à débit variable pour stabiliser ladite température de combustion ; lesdits jets, dirigés vers l'axe dudit dard, assurant également l'apport de comburant en excès dans la zone de combustion ;
    - ledit effluent gazeux à brûler est introduit au niveau dudit dard, séparément dudit gaz comburant secondaire, dans ladite masse gazeuse turbulente générée ;
    - les gaz issus de ladite zone de combustion sont envoyés dans une zone de post-combustion.
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le(s) jet(s) modulable(s) a(ont) un débit asservi à la mesure de la température dans la zone de combustion.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les zones de combustion et de post-combustion sont en dépression de 50 à 600 Pa par rapport à l'atmosphère ambiante.
  4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un courant de gaz comburant supplémentaire (dit comburant tertiaire) est introduit dans les gaz issus de la zone de combustion, pour garantir un excès en comburant dans la zone de post-combustion.
  5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il règne dans la zone de post-combustion une température comprise entre 900 et 1 200°C et de préférence une température d'environ 1 000°C.
  6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'effluent traité contient au moins l'un des constituants suivants : silane, B, P, As, Te, Se, Cl, F.
  7. Installation pour la combustion d'effluents gazeux toxiques dépourvus d'oxygène par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, ladite installation comportant un tunnel de combustion (1) dans le fond duquel se trouve un brûleur (5), alimenté en gaz combustible et en gaz comburant dit primaire, et étant caractérisée en ce que :
       - le fond dudit tunnel (1) est constitué par une paroi conique (3) ouverte sur ledit tunnel (1), de même axe (D) que lui, ledit brûleur (5) étant disposé sur cet axe (D) à une profondeur telle que la base du dard se situe, en cours de fonctionnement, à proximité dudit fond dudit tunnel (1) ; et
    en ce qu'elle comporte en outre :
    - au moins deux tubulures (9), au moins une pour un jet dit fixe et au moins une autre pour un jet dit modulable, pour amener le gaz comburant secondaire au niveau dudit fond dudit tunnel (1) ; lesdites tubulures (9) étant orientées pour diriger en cours de fonctionnement ledit gaz comburant secondaire en jets vers ledit dard ;
    - au moins une tubulure (10) pour amener l'effluent gazeux toxique au niveau dudit fond dudit tunnel (1), la(les)dite(s) tubulure(s) (10) étant orienté(e)s pour diriger, en cours de fonctionnement, ledit effluent en jet(s) convergent(s) vers l'axe (D) dudit dard ;
    - une zone de post-combustion (2) prolongeant ledit tunnel de combustion (1) ;
    - un dispositif d'extraction des gaz créant une dépression dans ledit tunnel (1) et ladite zone de post-combustion (2).
  8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que les tubulures (9) amenant le gaz comburant secondaire ont une forme de fente.
  9. Installation selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisée en ce que l'axe de ladite zone de post-combustion (2) fait un angle avec celui (D) dudit tunnel (1) et en ce que ladite zone de post-combustion (2) est munie, en son fond, d'un garnissage de matériaux réfractaires (14).
  10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'un clapet (17) est disposé dans le haut de ladite zone de post-combustion (2).
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