EP0692677A1 - Procédé et installation de thermolyse de déchets - Google Patents

Procédé et installation de thermolyse de déchets Download PDF

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EP0692677A1
EP0692677A1 EP95401503A EP95401503A EP0692677A1 EP 0692677 A1 EP0692677 A1 EP 0692677A1 EP 95401503 A EP95401503 A EP 95401503A EP 95401503 A EP95401503 A EP 95401503A EP 0692677 A1 EP0692677 A1 EP 0692677A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
thermolysis
solids
treatment
cyclone
hearth
Prior art date
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Application number
EP95401503A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0692677B1 (fr
Inventor
Gérard Martin
Eric Marty
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IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
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Publication date
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Publication of EP0692677A1 publication Critical patent/EP0692677A1/fr
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Publication of EP0692677B1 publication Critical patent/EP0692677B1/fr
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03B—SEPARATING SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS
    • B03B9/00—General arrangement of separating plant, e.g. flow sheets
    • B03B9/04—General arrangement of separating plant, e.g. flow sheets specially adapted for furnace residues, smeltings, or foundry slags
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F23G5/0273—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage using indirect heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2201/00—Pretreatment
    • F23G2201/30—Pyrolysing
    • F23G2201/302—Treating pyrosolids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2201/00—Pretreatment
    • F23G2201/30—Pyrolysing
    • F23G2201/303—Burning pyrogases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2201/00—Pretreatment
    • F23G2201/30—Pyrolysing
    • F23G2201/304—Burning pyrosolids

Definitions

  • the present invention relates to the field of thermal treatment of waste, treatment which comprises in particular a thermolysis of waste.
  • the waste capable of being treated according to the invention is preferably solid, heterogeneous and not dangerous.
  • the invention advantageously makes it possible to treat waste of very variable sizes, at very variable flow rates also.
  • thermolysis thermolysis
  • thermolysis solids there may be mentioned, for example, the German patent DE 4308551 or the French applications FR 2 679 009 and FR 2 678 850 both filed in the name of the applicant.
  • German document DE 4308551 has the characteristic of gasifying the fine carbon-rich fraction of solid residues in order to produce a synthesis gas and slag from fusion.
  • thermolysis oven hot gas treatment, in the thermolysis oven itself, can be carried out; this allows the pyrolysis gases to be reused directly, without further treatment. More particularly according to this document, the pyrolysis gases are used to heat, directly or indirectly, the waste.
  • thermolysis process in terms of the implications for the gaseous or solid discharges it generates.
  • Increasingly stringent environmental standards planned or already in force in most industrialized countries, force operators to install less and less polluting installations. Releases of N0 x and MCI, HF, SO2, Co, fly ash, clinker, etc. are in particular subject to increasingly strict standards.
  • thermolysis products namely either the gaseous effluents or the solid products.
  • the object of the present invention is to remedy these drawbacks. In particular, it allows better recovery of the energy content of waste.
  • the present invention makes it possible to minimize the self-consumption of energy necessary for carrying out the method.
  • thermolysis gases can be burned at least partially as fuel either in the cyclone hearth or in at least one of said energy recovery means.
  • the post-treatment essentially consists of a purification of the carbonaceous solids.
  • the method according to the invention can also consist in controlling the quantity of solid fuels burned in the cyclone hearth and the quantity of solid fuels stored, according to the energy balance.
  • the means for combustion of the thermolysis gases comprises said hearth-cyclone.
  • the means for combustion of the thermolysis gases and the means for recovering energy are arranged such that the combustion means are supplied with thermolysis gases and the means for recovering energy is supplied by the effluents from the combustion means and, under certain operating conditions, by hot gases from the cyclone hearth.
  • the solid post-treatment means can advantageously carry out a purification of carbonaceous solids.
  • the installation according to the invention may comprise a means of filtering the fumes from the energy recovery means 11, an outlet of said filtration means being connected to an inlet of the cyclone hearth.
  • the referenced raw waste (DB) can first of all undergo a pretreatment, the complexity of which depends on the type of waste treated, and which uses traditional techniques: grinding, partial sorting, de-wire removal, drying, etc. ...
  • the purpose of this pretreatment step is to recover easily separable and recoverable materials, and to homogenize the waste.
  • This part of the installation does not in itself have an innovative character since the techniques used have long been used in the waste industry.
  • This pre-treatment has no advantage of a mandatory nature.
  • the pretreated waste (DP) is introduced into a rotary kiln 1 with indirect external or internal heating by means of a device 2 making it possible to guarantee the tightness of the furnace with the outside and of thus prevent any entry of air into the oven.
  • the device 2 which makes it possible to achieve this seal can be an Archimedes screw, or else a system for introducing the load by compacted bundle.
  • the rotary kiln may be such as that disclosed in the French patent application EN. 94/06660, with indirect internal heating.
  • waste undergoes thermal degradation to result in the formation of a gas phase (GT) and a solid residue rich in carbonaceous matter (SC).
  • GT gas phase
  • SC carbonaceous matter
  • Waste and gases from their thermal decomposition circulate cocurrently in the oven. This operation is carried out at a temperature between 200 and 800 ° C and preferably between 350 and 600 ° C.
  • the rotary kiln is surrounded by a double envelope 3 equipped with combustion means such as burners (not referenced), making it possible to generate the thermal power necessary for heating the waste.
  • the burners can be supplied, in a known manner, by a GT1 part of the thermolysis gases, or by any other fuel such as fuel oil or natural gas.
  • thermolysis allow the retention in carbon solids of almost all of the acid gases, in particular hydrochloric acid produced during the thermal decomposition of chlorinated plastics such as PVC.
  • This self-neutralization of the acid components by basic materials always present in the waste is favored, among other things, by the reducing atmosphere as well as the low temperatures to which the waste is subjected during thermolysis.
  • the yield is improved of capture of acid gases by carbonaceous solids.
  • the purification of carbonaceous solids which is described below makes it possible to eliminate in particular the chlorine salts resulting from the capture of acid gases.
  • the processing temperatures being low and the thermolysis being carried out away from oxygen, the heavy metals are neither volatilized nor oxidized, and therefore remain concentrated in carbonaceous solids (SC).
  • the carbonaceous solids (SC) are evacuated by a device 4 guaranteeing tightness with respect to the outside (rotary valves, airlock with guillotine valves, or any other equivalent device making it possible to perform this function ).
  • the carbonaceous solids (SC) are conveyed to a purification device 6 which aims to separate part of the inert materials and to eliminate the soluble pollutants, in particular the chlorine salts, present in the carbonaceous solids.
  • the detail of the device for purifying carbonaceous solids 6 is described in more detail below, in relation to FIG. 3.
  • the purified carbonaceous solids (SCE) can be directed to a combustion device. 5, here consisting of a cyclone hearth with molten ash.
  • part of the thermolysis gas can be used to heat the rotary kiln by combustion, for example in burners located in the jacket 3 surrounding the rotary kiln 1.
  • the excess fraction (GT2) of the thermolysis gas can be directed to a combustion device, for example the cyclone hearth with molten ash 5.
  • the cyclone hearth with molten ash 5 is a hearth suitable for the combustion of solid fuels heavily loaded with ash at low melting point. It is characterized by a high turbulence and a rotation of the flow, which makes it possible to obtain a long residence time of the fuel and a good retention of the ashes. It operates at temperatures of the order of 1000 to 1500 ° C. At these temperatures, the ash melts and flows in the molten state out of the reactor.
  • the interior of the cyclone hearth 5 can preferably be covered with a refractory ceramic coating capable of withstanding temperatures of the order of 1500 ° C.
  • the injection of purified carbon solids (SCE) is done pneumatically by one or more tangential rectangular or circular inlets distributed over a perimeter of the cyclone. It is also possible to inject into one or more of these inlets a supplement of combustion air and / or all or part of the excess of the thermolysis gas GT2.
  • other tangential inlets can be installed in order to carry out additional injections of combustion air or gaseous fuel like all or part of the excess of the thermolysis gas GT2.
  • an additional air injection can be performed at the upper outlet of the cyclone hearth, in order to improve the combustion efficiency.
  • the combustion in the cyclone hearth with molten ash is optimized so as to minimize the emissions of gaseous pollutants.
  • the sharing of combustion air between the various inlets will therefore be carried out so as to ensure total combustion of the purified carbon solids and of the thermolysis gas, and to minimize the formation of nitrogen oxides and unburnt materials.
  • the cyclone hearth with molten ash advantageously makes it possible to immobilize the elements definitively pollutants present in purified carbon solids, in particular heavy metals, by trapping in the vitreous matrix formed during the melting of the mineral matter contained in the purified carbon solids.
  • the temperatures obtained during the combustion of purified carbon solids (SCE) and the excess of the thermolysis gas GT2 are sufficient to melt these mineral materials.
  • the ashes thus melted (CF) flow out of the hearth 5 and fall into a water tank 10 where they are cooled. As they cool, the ashes form solid aggregates. These aggregates are inert with respect to leaching, which allows them to be recycled and reused in road applications or public works, for example.
  • the hot fumes (F) from the mixed combustion of purified carbon solids and part of the thermolysis gases in the cyclone hearth 5 are then directed to an energy recovery device 11 such as a heat exchanger, a boiler producing steam or hot water, or a boiler coupled to a turbine to generate electricity. Then these fumes are dusted in a device 12 which can be a bag filter or an electrostatic dust collector, and returned to the atmosphere via an extractor 13 and a chimney 14 via a line 35.
  • the ashes from respectively of the energy recovery device 11 and of the dust collector 12 are mixed with the purified carbon solids and then sent to the cyclone hearth 5 via lines 36 and 37 respectively.
  • the ashes are vitrified in the cyclone hearth 5, thus allowing the inerting of the pollutants adsorbed on this dust.
  • thermolysis gas part of the thermolysis gas (GT1) is used to heat the rotary kiln by combustion, for example in burners located in the double jacket 3 surrounding the rotary kiln 1.
  • GT1 part of the thermolysis gas
  • GT2 excess fraction
  • the burner and combustion chamber configurations make it possible to minimize the formation of nitrogen oxides during the combustion of the thermolysis gas, and guarantee the destruction of all organic compounds thanks to a gas residence time of at least minus 2 seconds at 850 ° C.
  • the purified carbon solids (SCE) are burned in a cyclone hearth with molten ash 5 of a design identical to that described above but of lower thermal power, mixed with the ash from the device for removing dust from the fumes 12 and from the energy recovery device 11.
  • the temperature reached during the combustion of purified carbon solids is sufficient to allow the ash to melt and therefore trap the pollutants in the vitreous matrix.
  • the molten ash (CF) flows into a tank of water 10 where it is cooled and solidified so as to produce inert aggregates.
  • the combustion air is staged as described above and all or part of this air can also be preheated in order to improve the thermal balance of the operation.
  • the hot fumes (F) from the combustion of thermolysis gases (GT2) in the combustion chamber 15 and those from the combustion of purified carbon solids (SCE) in the cyclone hearth 5 are mixed and sent to a recovery device energy 11 such as a heat exchanger, a boiler producing steam or hot water, or a boiler coupled to a turbine making it possible to produce electricity. Then these fumes are filtered in a device 12 and returned to the atmosphere via an extractor 13 and a chimney 14. The ash and dust from the energy recovery device 11 and the dust collector 12 are mixed with the purified carbon solids then sent in the cyclone 5 hearth in order to be vitrified, thus allowing the definitive inerting of the pollutants adsorbed on this dust.
  • a recovery device energy 11 such as a heat exchanger, a boiler producing steam or hot water, or a boiler coupled to a turbine making it possible to produce electricity.
  • these fumes are filtered in a device 12 and returned to the atmosphere via an extractor 13 and a chimney 14.
  • the embodiment of the invention according to FIG. 2 has a more flexible operation than that according to FIG. 1.
  • the purified carbon solids (SCE) are not sent to the hearth-cyclone 5, but stored.
  • the cyclone hearth 5 operates as indicated above. The stored fuels can then be burned during this period.
  • This embodiment of the invention therefore allows a very good match between the energy demand and the need.
  • the device for purifying carbonaceous solids 6 as shown in FIG. 3 will now be described.
  • the carbonaceous solids (SC) are evacuated via a sealed device 4 and fall by gravity into a stirred tank 16 filled with water at room temperature, which allows the solids to cool.
  • the agitation of the mixture ensured for example by rotation of a shaft carrying blades 17, is such that the heaviest particles composed essentially of metals, mineral matter or glass, are deposited at the bottom of the tank, while the lighter carbon-rich particles are kept in suspension.
  • the bottom of the tank 16 can be immersed a screw, a mat, a scraper or any other equivalent device 18 allowing the continuous extraction of the mineral matter deposited at the bottom of the tank.
  • This first tank 16 therefore allows the cooling of carbonaceous solids as well as the separation of part of the mineral matter contained in the carbonaceous solids.
  • the inert mineral materials extracted by the extraction device 18 are then rinsed with water on a vibrating screen 19 surmounted by a water spray boom 20, in order to remove the carbon particles deposited on these materials mineral.
  • the rinsing water contaminated by these carbon particles can be sent by a pump 21 to the first settling tank 16.
  • the water-carbonaceous solids mixture suspended in the tank 16 is taken up by a pump 22, then sent to a second perfectly agitated washing tank 23 containing water maintained at a temperature between 40 and 95 ° C., and preferably between 75 and 85 ° C.
  • This temperature is kept constant in the tank 23 thanks to a temperature regulation 24 connected to an electrical resistance or to any other equivalent device making it possible to maintain the temperature of the water at a set value.
  • the residence time of the carbonaceous solids in the tank 23 is between 15 and 120 minutes.
  • the water / carbonaceous solids mass ratio is between 1 and 100 and preferably between 5 and 15. This operation essentially solubilizes the chlorinated salts formed during the thermolysis step. Heavy metals are not dissolved and remain concentrated in carbonaceous solids.
  • the carbonaceous solids Before their introduction into the agitated tank 23, the carbonaceous solids can be ground in a mill 25 operating in the liquid phase, in order to reduce the average particle size of the carbonaceous particles and to accelerate the washing step. This step can also be followed by a separation step on a calibrated sieve 26 making it possible to separate the aluminum sheets contained in the carbonaceous solids (SC). This operation is particularly necessary when the carbonaceous solids come from the thermolysis of household waste. A spray of water 27 is maintained on the sieve containing the aluminum sheets in order to remove the carbon particles deposited on the surface of these. This last operation makes it possible to recover the aluminum sheets which can then be recycled and recovered.
  • SC carbonaceous solids
  • the water-carbon solids suspension is taken up by a pump 28 and then directed to a filtration device 29 which aims to remove the water loaded with chlorides from the carbon solids.
  • This operation can be carried out with a centrifuge, a vacuum belt filter, or any other filtration device making it possible to separate water from carbonaceous solids.
  • the dry purified carbonaceous solids, or containing no more than a reduced amount of moisture are stored in a silo 30.
  • the waste water from the filtration is directed if necessary to a treatment device of water 34 making it possible to precipitate the chlorinated salts, then reinjected into the first settling tank 16.
  • An addition of new water is carried out permanently using the devices 20 and 27.
  • the decanting and washing steps as described above can be carried out in the same tank, simultaneously fulfilling the functions of tanks 16 and 23, the temperature of which is maintained between 40 and 95 ° C.
  • the previous device is then simplified.
  • the present invention allows the recovery of the energy content of waste through the production of a solid fuel and a purified gaseous fuel, and their combustion.
  • the device 6 for purifying carbonaceous solids according to the invention makes it possible to eliminate part of the mineral matter and to recover recoverable materials such as aluminum.
  • This device also makes it possible to increase the quality of the fuel produced, by reducing its ash rate and its content of pollutants. Finally it increases its calorific value.
  • the waste treatment method according to the invention makes it possible to avoid the dispersion of pollutants, since almost all of the pollutants are concentrated in carbonaceous solids. Part of these pollutants is then eliminated by the purification treatment of carbonaceous solids, the other part being immobilized in the inert granules resulting from combustion in the cyclone hearth with molten ash.
  • the invention relates to the production of a complete waste treatment system which suppresses pollutant emissions in the fumes from the combustion of thermolysis gases and carbonaceous solids, so that the only smoke treatment to be used is a simple dusting.
  • the invention therefore makes it possible to avoid installing smoke treatment devices by washing, which reduces the cost of waste treatment compared to that of conventional techniques such as incineration.

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et une installation de traitement thermique des déchets. L'installation selon l'invention comprend : un four de thermolyse (1); au moins un moyen de combustion des gaz de thermolyse; un moyen de récupération d'énergie (11); et un moyen (6) de post-traitement des solides de thermolyse, un foyer-cyclone (5) alimenté par une partie au moins des combustibles solides (SCE) issus du moyen de post-traitement, et un moyen (F) destiné à véhiculer les gaz chauds issus dudit foyer-cyclone (5) vers ledit moyen de récupération d'énergie (11). Application notamment au traitement des ordures ménagères. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne le domaine du traitement thermique de déchets, traitement qui comprend notamment une thermolyse des déchets.
  • Les déchets susceptibles d'être traités selon l'invention sont de préférence solides, hétérogènes et non dangereux.
  • Ce sont donc en premier lieu les ordures ménagères mais également les déchets industriels banals comme les résidus de broyage d'automobiles, les pneux usagés, les déchets de plastiques, les boues industrielles ou de stations d'épuration, etc...
  • Comme il ressortira mieux de la description qui va suivre, l'invention permet avantageusement de traiter des déchets de tailles très variables, à des débits très variables également.
  • On connait déjà, dans le domaine du traitement thermique de déchets, des installations destinées à réaliser une thermolyse, qui permettent en outre pour la plupart de traiter soit les gaz de thermolyse soit les solides issus de la thermolyse.
  • Parmi les documents concernant des dispositifs orientés vers le traitement des solides de thermolyse, on peut citer par exemple le brevet allemand DE 4308551 ou les demandes françaises FR 2 679 009 et FR 2 678 850 toutes deux déposées au nom de la demanderesse.
  • Le document allemand DE 4308551 présente la caractéristique de gazéifier la fraction fine riche en carbone des résidus solides afin de produire un gaz de synthèse et des scories de fusion.
  • Les deux demandes de brevet françaises précitées divulguent en particulier un lavage des solides issues de la thermolyse.
  • D'autres documents révèlent plus particulièrement un traitement des effluents ou gaz de thermolyse : dans cette catégorie peuvent être cités la demande de brevet française FR 2 668 774, ou encore le document EP-A1-0302310.
  • Selon la demande française FR 2 668 774 un traitement des gaz à chaud, dans le four de thermolyse lui-même, peut être opéré ; ceci permet de pouvoir réutiliser directement les gaz de pyrolyse, sans autre traitement. Plus particulièrement selon ce document, les gaz de pyrolyse sont employés pour chauffer, directement ou indirectement, les déchets.
  • Le document EP-A1-0302310 divulgue notamment une combustion à très haute température des effluents de combustion.
  • Cet art antérieur permet, on le voit, d'améliorer le processus de thermolyse au plan des implications sur les rejets gazeux ou solides qu'il génèrent. Les normes de plus en plus sévères sur l'environnement, en projet ou déjà en vigueur dans la plupart des pays industrialisés, contraignent en effet les opérateurs à mettre en oeuvre des installations de moins en moins polluantes. Les rejets de N0x et de MCI, HF, SO₂, Co, cendres volantes, mâchefer, etc sont en particulier soumises à des normes de plus en plus strictes.
  • Cependant l'art antérieur précité n'améliore que l'un ou l'autre des produits de thermolyse à savoir soit les effluents gazeux soit les produits solides.
  • Par ailleurs au plan énergétique, la consommation et surtout le bilan énergétique global restent des paramètres sous-estimés voire négligés dans l'art antérieur.
  • La présente invention a pour objet de remédier à ces inconvénients. Elle permet notamment une meilleure valorisation du contenu énergétique des déchets.
  • En outre, la présente invention permet de minimiser l'autoconsommation d'énergie nécessaire à la réalisation du procédé.
  • Ainsi la présente invention vise un procédé de traitement thermique de déchets comprenant notamment :
    • une thermolyse desdits déchets;
    • une utilisation des gaz de thermolyse comme combustible pour la thermolyse;
    • un post-traitement des solides issus de la thermolyse.
  • Selon l'invention :
    • les combustibles solides issus du post-traitement des solides de thermolyse peuvent être brûlés au moins en partie dans un foyer-cyclone et/ou stockés;
    • les gaz chauds issus du foyer-cyclone peuvent alimenter au moins un moyen de récupération d'énergie.
  • Plus particulièrement, les gaz de thermolyse peuvent être brûlés au moins partiellement comme combustible soit dans le foyer-cyclone soit dans l'un au moins desdits moyens de récupération d'énergie.
  • Conformément à l'invention, le post-traitement consiste essentiellement en une épuration des solides carbonés.
  • Le procédé selon l'invention peut consister en outre à contrôler la quantité de combustibles solides brûlés dans le foyer-cyclone et la quantité de combustibles solides stockés, en fonction du bilan énergétique.
  • La présente invention vise en outre une installation de traitement thermique de déchets comprenant :
    • un four de thermolyse;
    • au moins un moyen de combustion des gaz de thermolyse;
    • un moyen de récupération d'énergie; et
    • un moyen de post-traitement des solides de thermolyse.
  • Avantageusement, l'installation comprend en outre :
    • un foyer-cyclone alimenté par une partie au moins des combustibles solides issus du moyen de post-traitement, et
    • un moyen destiné à véhiculer les gaz chauds issus dudit foyer-cyclone vers ledit moyen de récupération d'énergie.
  • Plus précisément, le moyen de combustion des gaz de thermolyse comprend ledit foyer-cyclone.
  • Selon l'invention, le moyen de combustion des gaz de thermolyse et le moyen de récupération d'énergie sont agencés de telle sorte que le moyen de combustion est alimenté par des gaz de thermolyse et le moyen de récupération d'énergie est alimenté par les effluents du moyen de combustion et, dans certaines conditions de fonctionnement, par des gaz chauds issus du foyer-cyclone.
  • Le moyen de post-traitement des solides peut avantageusement réaliser une épuration des solides carbonés.
  • En outre l'installation selon l'invention peut comprendre un moyen de filtration des fumées issues du moyen 11 de récupération d'énergie, une sortie dudit moyen de filtration étant reliée à une entrée du foyer cyclone.
  • D'autres caractéristiques, améliorations et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui va suivre, faite à titre illustratif et nullement limitatif en référence aux dessins annexés selon lesquels :
    • La figure 1 est une représentation schématique fonctionnelle d'une installation selon un mode de réalisation de l'invention;
    • La figure 2 est une représentation schématique fonctionnelle d'un autre mode de réalisation de l'invention ; et
    • La figure 3 est une représentation schématique fonctionnelle d'un ensemble de post-traitement des solides de thermolyse selon l'invention.
  • Selon la figure 1, les déchets bruts référencés (DB) peuvent subir tout d'abord un prétraitement, dont la complexité dépend du type de déchet traité, et qui met en oeuvre des techniques traditionnelles : broyage, tri partiel, déferraillage, séchage, etc... L'objet de cette étape de prétraitement est de récupérer les matériaux facilement séparables et valorisables, et d'homognéiser les déchets. Cette partie de l'installation ne possède pas en soi un caractère innovant puisque les techniques mises en oeuvre sont utilisées depuis longtemps dans l'industrie des déchets. Ce prétraitement ne présente pas d'avantage un caractère obligatoire.
  • A la suite de ce prétraitement, les déchets prétraités (DP) sont introduits dans un four tournant 1 à chauffage externe ou interne indirect par l'intermédiaire d'un dispositif 2 permettant de garantir l'étanchéité du four avec l'extérieur et d'empêcher ainsi toute entrée d'air dans le four. Le dispositif 2 qui permet de réaliser cette étanchéité peut être une vis d'Archimède, ou bien un système d'introduction de la charge par ballot compacté.
  • Sans sortir du cadre de l'invention le four tournant peut être tel que celui divulgué dans la demande de brevet français EN. 94/06660, avec chauffage interne indirect.
  • Au cours de leur progression dans le four 1, les déchets subissent une dégradation thermique pour aboutir à la formation d'une phase gazeuse (GT) et d'un résidu solide riche en matières carbonées (SC). Les déchets et les gaz issus de leur décomposition thermique circulent à co-courant dans le four. Cette opération est menée à une température comprise entre 200 et 800°C et de préférence entre 350 et 600°C. Le four tournant est entouré d'une double enveloppe 3 équipée de moyens de combustion comme des brûleurs (non référencés), permettant de générer la puissance thermique nécessaire au chauffage des déchets. Les brûleurs peuvent être alimentés, de façon connue, par une partie GT1 des gaz de thermolyse, ou par tout autre combustible comme du fioul ou du gaz naturel.
  • Les conditions réactionnelles de la thermolyse permettent la rétention dans les solides carbonés de la quasi-totalité des gaz acides, notamment l'acide chlorhydrique produit lors de la décomposition thermique des plastiques chlorés comme le PVC. Cette auto-neutralisation des composants acides par des matières basiques toujours présentes dans les déchets est favorisée, entre autres, par l'atmosphère réductrice ainsi que les basses températures auxquelles les déchets sont soumis durant la thermolyse. En augmentant la composante basique des déchets par ajout d'absorbant calcique ou sodé, on améliore le rendement de captation des gaz acides par les solides carbonés. L'épuration des solides carbonés qui est décrite plus bas permet d'éliminer en particulier les sels de chlore résultant de la captation des gaz acides. De même, les températures de traitement étant faibles et la thermolyse étant réalisée à l'abri de l'oxygène, les métaux lourds ne sont ni volatilisés ni oxydés, et restent donc concentrés dans les solides carbonés (SC).
  • A la sortie du four rotatif 1, les solides carbonés (SC) sont évacués par un dispositif 4 garantissant l'étanchéité vis à vis de l'extérieur (vanne rotatives, sas à vannes guillotines, ou tout autre dispositif équivalent permettant de réaliser cette fonction). Les solides carbonés (SC) sont acheminés vers un dispositif d'épuration 6 qui a pour but de séparer une partie des matières inertes et d'éliminer les polluants solubles, notamment les sels de chlore, présents dans les solides carbonés. Le détail du dispositif d'épuration des solides carbonés 6 est décrit plus en détail plus bas, en relation avec la figure 3. A la suite du traitement d'épuration, les solides carbonés épurés (SCE) peuvent être dirigés vers un dispositif de combustion 5, constitué ici d'un foyer cyclone à cendres fondues.
  • Comme il a déjà été dit, une partie du gaz de thermolyse (GT1) peut être utilisée pour chauffer le four tournant par combustion par exemple dans des brûleurs situés dans la double enveloppe 3 entourant le four tournant 1. La fraction excédentaire (GT2) des gaz de thermolyse peut être dirigée vers un dispositif de combustion, par exemple le foyer cyclone à cendres fondues 5.
  • Le foyer cyclone à cendres fondues 5 est un foyer adapté à la combustion de combustibles solides fortement chargés en cendres à bas point de fusion. Il se caractérise par une turbulence élevée et une mise en rotation de l'écoulement, ce qui permet d'obtenir un temps de séjour important du combustible et une bonne rétention des cendres. Il fonctionne à des températures de l'ordre de 1000 à 1500°C. A ces températures, les cendres fondent et s'écoulent à l'état fondu hors du réacteur.
  • Les avantages de ce type de foyer par rapport aux dispositifs traditionnels de combustion sont les suivants : une quantité d'imbrûlés faible due au temps de séjour important des particules dans le foyer, des cendres inertes car vitrifiées, une compacité importante due à l'importante densité de feu de l'installation, des possibilités d'étagement de l'air de combustion permettant de minimiser la formation d'oxydes d'azote, et une combustion stable même lorsque les caractéristiques du combustible varient notablement.
  • L'intérieur du foyer cyclone 5 peut être préférentiellement recouvert d'un revêtement en céramique réfractaire capable de supporter des températures de l'ordre de 1500°C. L'injection des solides carbonés épurés (SCE) se fait pneumatiquement par une ou plusieurs entrées tangentielles rectangulaires ou circulaires réparties sur un périmètre du cyclone. On peut également injecter dans une ou plusieurs de ces entrées un complément d'air de combustion et/ou tout ou partie de l'excédent du gaz de thermolyse GT2. Sur un second périmètre du foyer cyclone, d'autres entrées tangentielles peuvent être installées afin d'effectuer des injections complémentaires d'air de combustion ou de combustible gazeux comme tout ou partie de l'excédent du gaz de thermolyse GT2. Enfin, une injection d'air complémentaire peut être effectuée à la sortie supérieure du foyer cyclone, afin d'améliorer le rendement de combustion.
  • La combustion dans le foyer cyclone à cendres fondues est optimisée de façon à minimiser les émissions de polluants gazeux. Le partage de l'air de combustion entre les différentes entrées sera donc effectué de manière à assurer une combustion totale des solides carbonés épurés et du gaz de thermolyse, et à minimiser la formation d'oxydes d'azote et d'imbrûlés. D'autre part, on pourra préchauffer tout ou partie de l'air de combustion, afin de faciliter l'obtention de températures élevées dans le foyer cyclone.
  • Le foyer cyclone à cendres fondues permet avantageusement d'immobiliser définitivement les éléments polluants présents dans les solides carbonés épurés, notamment les métaux lourds, par piégeage dans la matrice vitreuse formée lors de la fusion des matières minérales contenues dans les solides carbonés épurés. Les températures obtenues lors de la combustion des solides carbonés épurés (SCE) et de l'excédent du gaz de thermolyse GT2 sont suffisantes pour fondre ces matières minérales. Les cendres ainsi fondues (CF) s'écoulent hors du foyer 5 et tombent dans un bac d'eau 10 où elles sont refroidies. Lors de leur refroidissement, les cendres forments des granulats solides. Ces granulats sont inertes vis à vis de la lixiviation ce qui permet de les recycler et de les réutiliser dans des applications routières ou travaux publics par exemple.
  • Les fumées chaudes (F) issues de la combustion mixte des solides carbonés épurés et d'une partie des gaz de thermolyse dans le foyer cyclone 5 sont ensuite dirigées vers un dispositif de récupération d'énergie 11 comme un échangeur thermique, une chaudière produisant de la vapeur ou de l'eau chaude, ou une chaudière couplée à une turbine permettant de produire de l'électricité. Puis ces fumées sont dépoussiérées dans un dispositif 12 qui peut être un filtre à manches ou un dépoussiéreur électrostatique, et renvoyées à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un extracteur 13 et d'une cheminée 14 via une ligne 35. Les cendres issues respectivement du dispositif de récupération d'énergie 11 et du dépoussiéreur 12 sont mélangées avec les solides carbonés épurés puis envoyées dans le foyer cyclone 5 via respectivement les lignes 36 et 37. Les cendres sont vitrifiées dans le foyer-cyclone 5, permettant ainsi l'inertage des polluants adsorbés sur ces poussières.
  • Un deuxième mode de réalisation de l'invention est représenté sur la figure 2. La différence essentielle entre le mode de réalisation déjà décrit et celui qui va être décrit maintenant réside en ce que les solides carbonés épurés et les gaz issus de la thermolyse des déchets sont brûlés dans deux dispositifs séparés. Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, une partie du gaz de thermolyse (GT1) est utilisée pour chauffer le four tournant par combustion par exemple dans des brûleurs situés dans la double enveloppe 3 entourant le four tournant 1. Ici la fraction excédentaire (GT2) est envoyée vers une chambre de combustion classique 15 équipée d'un brûleur à gaz. Les configurations du brûleur et de la chambre de combustion permettent de minimiser la formation d'oxydes d'azote lors de la combustion du gaz de thermolyse, et garantissent la destruction de tous les composés organiques grâce à un temps de séjour des gaz d'au moins 2 secondes à 850°C.
  • Les solides carbonés épurés (SCE) sont brûlés dans un foyer cyclone à cendres fondues 5 d'une conception identique à celle décrite plus haut mais d'une puissance thermique inférieure, en mélange avec les cendres issues du dispositif de dépoussiérage des fumées 12 et du dispositif de récupération d'énergie 11. Comme précédemment, la température atteinte lors de la combustion des solides carbonés épurés est suffisante pour permettre la fusion des cendres et donc emprisonner les polluants dans la matrice vitreuse. A la sortie du foyer, les cendres fondues (CF) s'écoulent dans un bac d'eau 10 où elles sont refroidies et solidifiées de façon à produire des granulats inertes. L'air de combustion est étagé comme décrit précédemment et tout ou partie de cet air pourra également être préchauffé afin d'améliorer le bilan thermique de l'opération.
  • Les fumées chaudes (F) issues de la combustion des gaz de thermolyse (GT2) dans la chambre de combustion 15 et celles issues de la combustion des solides carbonés épurés (SCE) dans le foyer cyclone 5 sont mélangées et envoyées sur un dispositif de récupération d'énergie 11 comme un échangeur thermique, une chaudière produisant de la vapeur ou de l'eau chaude, ou une chaudière couplée à une turbine permettant de produire de l'électricité. Puis ces fumées sont filtrées dans un dispositif 12 et renvoyées à l'atmosphère par l'intermédiaire d'un extracteur 13 et d'une cheminée 14. Les cendres et poussières issues du dispositif de récupération d'énergie 11 et du dépoussiéreur 12 sont mélangées avec les solides carbonés épurés puis envoyées dans le foyer cyclone 5 afin d'être vitrifiées, permettant ainsi l'inertage définitif des polluants adsorbés sur ces poussières.
  • Le mode de réalisation de l'invention selon la figure 2 présente un fonctionnement plus souple que celui selon la figure 1. En particulier il est possible conformément à ce mode de réalisation d'arrêter le foyer-cyclone 5 lorsque la consommation énergétique globale est faible. Dans ce cas, les solides carbonés épurés (SCE) ne sont pas envoyés vers le foyer-cyclone 5, mais stockés. Par contre en période de forte demande énergétique (l'hiver par exemple), le foyer-cyclone 5 fonctionne comme indiqué ci-dessus. Les combustibles stockés peuvent alors être brûlés dans cette période.
  • Ce mode de réalisation de l'invention permet donc une très bonne adéquation entre la demande d'énergie et le besoin.
  • Le dispositif d'épuration des solides carbonés 6 tel que représenté sur la figure 3 va maintenant être décrit.
  • En sortie du four tournant 1, les solides carbonés (SC) sont évacués via un dispositif étanche 4 et tombent par gravité dans un bac agité 16 rempli d'eau à température ambiante, ce qui permet le refroidissement des solides. L'agitation du mélange, assurée par exemple par rotation d'un arbre portant des pales 17, est telle que les particules les plus lourdes composées essentiellement de métaux, de matières minérales ou de verre, se déposent au fond du bac, alors que les particules plus légères riches en carbone sont maintenues en suspension. Dans le fond du bac 16 peut être immergé une vis, un tapis, un racleur ou tout autre dispositif équivalent 18 permettant l'extraction en continu des matières minérales déposées au fond du bac.
  • Ce premier bac 16 permet donc le refroidissement des solides carbonés ainsi que la séparation d'une partie des matières minérales contenues dans les solides carbonés.
  • Les matières minérales inertes extraites par le dispositif 18 d'extraction sont ensuite rincées par de l'eau sur un tamis vibrant 19 surmonté par une rampe de pulvérisation d'eau 20, afin d'éliminer les particules de carbone déposées sur ces matières minérales. L'eau de rinçage souillée par ces particules de carbone peut être envoyée par une pompe 21 vers le premier bac de décantation 16.
  • L'opération de rinçage des matières minérales peut bien entendu être réalisée par d'autres moyens que ceux qui viennent d'être décrits sans sortir du cadre de la présente invention.
  • Par ailleurs, le mélange eau-solides carbonés en suspension dans le bac 16 est repris par une pompe 22, puis envoyé dans un second bac laveur parfaitement agité 23 contenant de l'eau maintenue à une température comprise entre 40 et 95°C, et de préférence entre 75 et 85°C. Cette température est maintenue constante dans le bac 23 grâce à une régulation de température 24 raccordée à une résistance électrique ou à tout autre dispositif équivalent permettant de maintenir la température de l'eau à une valeur de consigne. Le temps de séjour des solides carbonés dans le bac 23 est compris entre 15 et 120 minutes. Le rapport massique eau/solides carbonés est compris entre 1 et 100 et de préférence entre 5 et 15. Cette opération permet de solubiliser essentiellement les sels chlorés formés lors de l'étape de thermolyse. Les métaux lourds ne sont pas solubilisés et restent concentrés dans les solides carbonés.
  • Avant leur introduction dans le bac agité 23, les solides carbonés peuvent être broyés dans un broyeur 25 opérant en phase liquide, afin de diminuer la granulométrie moyenne des particules carbonées et d'accélérer l'étape de lavage. Cette étape peut également être suivie par une étape de séparation sur un tamis calibré 26 permettant de séparer les feuilles d'aluminium contenues dans les solides carbonés (SC). Cette opération est notamment nécessaire lorsque les solides carbonés proviennent de la thermolyse des déchets ménagers. Une pulvérisation d'eau 27 est maintenue sur le tamis contenant les feuilles d'aluminium afin d'éliminer les particules de carbone déposées à la surface de celles-ci. Cette dernière opération permet de récupérer les feuilles d'aluminium qui peuvent ensuite être recyclées et valorisées.
  • A la sortie du bac de lavage 23, la suspension eau-solides carbonés est reprise par une pompe 28 puis dirigée vers un dispositif de filtration 29 qui a pour but d'éliminer l'eau chargée en chlorures des solides carbonés. Cette opération peut être effectuée avec une centrifugeuse, un filtre à bandes sous vide, ou tout autre dispositif de filtration permettant de séparer l'eau des solides carbonés.
  • En sortie du dispositif de filtration 29, les solides carbonés épurés secs, ou ne contenant plus qu'une quantité réduite d'humidité, sont stockés dans un silo 30. Les eaux usées issues de la filtration sont dirigées si nécessaire vers un dispositif de traitement d'eau 34 permettant de précipiter les sels chlorés, puis réinjectées dans le premier bac de décantation 16. Un appoint d'eau neuve est réalisé en permanence grâce aux dispositifs 20 et 27.
  • Dans certains cas, les étapes de décantation et lavage telles que décrite ci-dessus peuvent être réalisées dans le même bac, remplissant simultanément les fonctions des bac 16 et 23, dont la température est maintenue entre 40 et 95°C. Le dispositif précédent se trouve alors simplifié.
  • Après cette opération d'épuration, on dispose d'un combustible riche en matières carbonées et débarrassé d'une partie de ces éléments polluants, qui peut être immédiatement brûlé pour générer de l'énergie dans le foyer cyclone à cendres fondues, ou bien être stocké en vue d'une combustion ultérieure.
  • De ce qui précède il ressort que la présente invention permet la valorisation du contenu énergétique de déchets grâce à la production d'un combustible solide et d'un combustible gazeux épurés, et à leur combustion.
  • En outre le dispositif 6 d'épuration des solides carbonés selon l'invention permet d'éliminer une partie des matières minérales et de récupérer des matériaux valorisables tels que l'aluminium. Ce dispositif permet en outre d'augmenter la qualité du combustible produit, en diminuant son taux de cendres et sa teneur en éléments polluants. Enfin il augmente son pouvoir calorifique.
  • Par ailleurs l'utilisation selon l'invention d'un foyer cyclone à cendres fondues avec étagement de l'air de combustion permet de brûler les solides carbonés épurés et/ou tout ou partie des gaz issus de la thermolyse des déchets, et ceci sans émission de composés polluants dans les effluents gazeux ou solides de la combustion.
  • Le procédé de traitement de déchets selon l'invention permet d'éviter la dispersion des polluants, puisque la quasi totalité des polluants est concentrée dans les solides carbonés. Une partie de ces polluants est ensuite éliminée par le traitement d'épuration des solides carbonés, l'autre partie étant immobilisée dans les granulés inertes issues de la combustion dans le foyer cyclone à cendres fondues.
  • L'invention concerne la réalisation d'un système complet de traitement de déchets qui supprime les émissions de polluants dans les fumées issues de la combustion des gaz de thermolyse et des solides carbonés, si bien que le seul traitement de fumées à mettre en oeuvre est un simple dépoussiérage. L'invention permet donc d'éviter la mise en place de dispositifs de traitement de fumées par lavage, ce qui diminue le coût du traitement des déchets par rapport à celui des techniques classiques comme l'incinération.

Claims (13)

1) Procédé de traitement thermique de déchets comprenant notamment :
- une thermolyse desdits déchets;
- un recyclage des gaz de thermolyse comme combustible pour la thermolyse;
- un post-traitement des solides issus de la thermolyse;
caractérisé en ce que :
- les combustibles solides issus du post-traitement des solides de thermolyse peuvent être brûlés au moins en partie dans un foyer-cyclone (5) et/ou stockés;
- les gaz chauds issus du foyer-cyclone peuvent alimenter au moins un moyen de récupération d'énergie (11); et
- le post-traitement consiste essentiellement en une épuration des solides carbonés.
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz de thermolyse (GT) peuvent être brûlés au moins partiellement comme combustible soit dans le foyer-cyclone (5) soit dans l'un au moins desdits moyens de récupération d'énergie (11).
3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épuration des solides carbonés consiste essentiellement en :
- un refroidissement desdits solides;
- une extraction et un rinçage des matières minérales;
- un lavage à chaud destiné à solubiliser notamment les sels chlorés;
- une séparation entre eau et solides carbonés.
4) Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il consiste en outre en un traitement suivi d'un recyclage de l'eau utilisé pendant l'étape d'épuration.
5) Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre en un broyage des solides carbonés et/ou une séparation des feuilles d'aluminium.
6) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste en outre à contrôler la quantité de combustibles solides brûlée dans le foyer-cyclone et la quantité de combustibles solides stockée, en fonction du bilan énergétique.
7) Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les effluents issus du moyen de récupération d'énergie sont filtrés puis les particules issues de ladite filtration peuvent être introduites dans le foyer-cyclone.
8) Installation de traitement thermique de déchets comprenant :
- un four de thermolyse (1);
- au moins un moyen (5 ; 15) de combustion des gaz de thermolyse;
- un moyen de récupération d'énergie (11); et
- un moyen (6) de post-traitement des solides de thermolyse,
caractérisé en ce qu'elle comprend en outre
- un foyer-cyclone (5) alimenté par une partie au moins des combustibles solides (SCE) issus du moyen de post-traitement,
- un moyen (F) destiné à véhiculer les gaz chauds issus dudit foyer-cyclone (5) vers ledit moyen de récupération d'énergie (11) et en ce que ledit moyen (6) de post-traitement des solides de thermolyse réalise une épuration des solides carbonés.
9) Installation de traitement selon la revendication 9, caractérisée en ce que le moyen de combustion des gaz de thermolyse comprend ledit foyer-cyclone (5).
10) Installation selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moyen de combustion (15) des gaz de thermolyse et le moyen de récupération d'énergie (6) sont agencés de telle sorte que le moyen de combustion (15) est alimenté par des gaz de thermolyse (GT2) et le moyen de récupération d'énergie (11) est alimenté par les effluents (F) du moyen de combustion (15) et, dans certaines conditions de fonctionnement, par des gaz chauds issus du foyer-cyclone (5).
11) Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisée en ce que le moyen destiné à l'épuration des solides carbonés comprend :
- une première cuve (16) de refroidissement des solides;
- un moyen (18) d'extraction des matières minérales associé à ladite cuve (16);
- une cuve (21) de lavage à chaud; et
- un moyen (27) de filtration et/ou de rinçage destinée à séparer l'eau des solides carbonés épurés.
12) Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moyen (12) de filtration des fumées issues du moyen (11) de récupération d'énergie, une sortie (37) dudit moyen de filtration étant reliée à une entrée du foyer cyclone (5).
13) Installation selon l'une quelconque des revendications 8 à 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre un moyen (0) de prétraitement des déchets tel qu'un sécheur, disposé en amont du four de thermolyse.
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