EP2843309B1 - Procédé et installation de vitrification de déchets - Google Patents

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EP2843309B1
EP2843309B1 EP14180074.8A EP14180074A EP2843309B1 EP 2843309 B1 EP2843309 B1 EP 2843309B1 EP 14180074 A EP14180074 A EP 14180074A EP 2843309 B1 EP2843309 B1 EP 2843309B1
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EP
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waste
type
stage
melting furnace
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Gérard Antonini
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Savoie Dechets
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Savoie Dechets
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Publication date
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    • F23G2209/30—Solid combustion residues, e.g. bottom or flyash

Definitions

  • the invention relates to the field of waste treatment.
  • it involves vitrifying a quantity of particular waste, such as bottom ash from incineration of non-hazardous waste.
  • the subject of the invention is more particularly a method and a device for treating waste.
  • bottom ash constitutes the largest production of residues from incineration. More than 16 million tonnes of bottom ash were produced in 2009 in Europe and their recovery is therefore an important issue in the economic and environmental assessment of thermal waste treatment facilities.
  • the document EP 1 310 733 A discloses waste treatment.
  • vitrification of bottom ash is a high temperature melting treatment, between 1100 ° C and 1500 ° C, making it possible to obtain, after cooling, a non-crystalline (amorphous) solid.
  • Cooling of molten bottom ash can be slow or fast.
  • the molten casting is collected in ingot molds, the cooling being natural and leading to an amorphous vitrify, comparable to a pebble.
  • the molten bottom ash is poured in a water tank, in the form of granular vitrifiates, more or less divided, in the form of vitreous solids.
  • the quality of the vitreous material obtained strongly depends on the mineral composition of the treated residues, in particular on their initial distributions in oxide elements such as SiO 2 , Al 2 O 3 , CaO, which can lead to poorly or non-fusible materials, as well as of the cooling rate.
  • the bottom ash can then be upgraded in various fields of application.
  • Bottom ash vitrifies in particular in granular and non-amorphous form, can also be used in civil engineering, their inert properties making them a draining and stabilizing material.
  • Industrial applications are, for example, the use in road technology as an aggregate of mixes in a bituminous matrix or even as a road sub-layer. They can also be used as backfill material, as a coating material or as concrete blocks.
  • Bottom ash are not pure substances and therefore do not have a defined melting point.
  • the melting of the mixture of the mineral compounds which constitute them takes place in a temperature interval between the liquidus temperature and the solidus temperature of the mixture, the latter varying according to the composition of the bottom ash.
  • the liquidus and solidus temperatures of the bottom ash were a priori close to 1150 ° C and 1450 ° C, respectively, with an average melting temperature of 1250 ° C.
  • the calorific energy required to provide a unit mass of bottom ash, assumed to be at ambient temperature, to bring it from 20 ° C to 1200 ° C and melt it, is of the order of 0.8 kWhth per kg of bottom ash .
  • the aim of the present invention is to provide a solution for recovering solid residual waste resulting from waste incineration which overcomes the drawbacks listed above.
  • an object of the invention is to provide a solution which improves the balance from an environmental point of view.
  • An object of the invention is to provide a solution which is particularly suitable, but not exclusively, for the vitrification of bottom ash resulting from the incineration of non-hazardous waste (waste of the first type).
  • Waste of the second type can be chosen from biomass, solid recovered fuels, wood containing chemicals such as gluing, finishing and preserving substances.
  • the vitrification step can comprise a post-combustion step, carried out in the melting furnace, by oxidation in an oxidizing atmosphere of the combustible synthesis gas produced in the gasification step so as to produce a quantity of heat energy and a step melting the quantity of waste of the first type in a melting furnace and using said quantity of heat energy produced by oxidation.
  • the treatment process may include a step of heat exchange between the fumes generated during the post-combustion step and the quantity of waste of the first type present in the melting furnace.
  • the post-combustion of the combustible synthesis gas can be controlled so that the temperature in the melting furnace is such that the dynamic viscosity of the quantity of waste of the first type in fusion is less than or equal to 25 Pa.s.
  • the temperature in the melting furnace is controlled so that the quantity of waste of the first type reaches a temperature greater than or equal to 1400 degrees.
  • the melting step may comprise a step of introducing at least one melting agent into the melting furnace, in particular cullet and / or sodium oxide, chosen so as to lower the melting temperature of the quantity waste of the first type and / or to lower the dynamic viscosity of the quantity of waste of the first type in fusion.
  • the melting step can comprise a step of introducing at least one carbon-containing agent into the melting furnace, configured so as to reduce the metal oxides initially contained in the charge, to metals.
  • the vitrification step comprises a step of casting out of the melting furnace the waste of the first type in fusion and then a step of cooling the waste of the first type in a cooling tank in a manner generating said vitrify, the cooling tank being a water bath.
  • the method according to the invention comprises a step of separating the basaltic granular materials from the vitrify, the ferrous and non-ferrous metals and the metal oxides previously contained. in the amount of waste of the first type and reduced in the melting furnace.
  • the vitrification step can comprise a step of admitting air, optionally enriched with oxygen, into the melting furnace and the method can comprise a step of heat exchange between the air admitted into the melting furnace and the fumes. generated by the vitrification step.
  • the method may comprise a step of treating the fumes generated by the vitrification step, in particular by the dry process, then a step of discharging the treated fumes into the atmosphere.
  • the temperature of the combustible synthesis gas produced in the gasification step is preferably between 600 and 800 ° C, in particular between 650 and 750 ° C.
  • a second aspect of the invention relates to a waste treatment installation according to claim 14.
  • the waste treatment installation may include a heat exchange device between the air admitted into the melting furnace at a third inlet of the melting furnace and the fumes generated in the melting furnace and / or in the cooling tank, the heat exchange device being in particular separate from the melting furnace.
  • the gasification step uses a dense fluidized bed type gasification reactor, into which the quantity of waste of the second type to be gasified is continuously introduced.
  • the quantity of waste of the first type is formed by residues resulting from the incineration of waste, in particular household waste.
  • the waste of the first type is in particular formed by solid incineration residues resulting from the incineration of a quantity of basic waste. He These are mainly bottom ash from the incineration of non-hazardous waste.
  • a waste treatment installation is also described, according to claim 14, comprising the software and / or hardware elements implementing the waste treatment method described below.
  • the waste of the second type constituting the quantity 11 is chosen from biomass (for example, forest chips), solid recovered fuels, so-called class B wood, that is to say containing chemical substances. such as gluing, finishing and preserving substances.
  • Solid recovered fuels also known by the acronym “CSR” are preferentially substitute fuels derived from waste used for their high calorific value for energy recovery purposes as a substitute for conventional fossil fuels (coke, fuel oil, etc.) .
  • the waste used to manufacture solid recovered fuels can be ordinary industrial waste and bulky waste from waste reception centers of heterogeneous quality or too large to be recovered in the incineration and co-incineration energy recovery units. They are notably composed of wood, plastics, paper and cardboard, polyurethane foam, etc.
  • the quantity of waste of the second type could include hazardous waste, such as for example so-called class C wood, that is to say treated to the heart, soiled or fireproof.
  • hazardous waste will preferably be considered as meaning waste which presents one or more of the properties listed in appendix I of Decree n ° 2002-540 of April 18, 2002 relating to the classification of waste. They are indicated by an asterisk in the list of wastes in Annex II of the same decree.
  • non-hazardous waste will preferably be considered to mean any waste that is not defined as hazardous by decree n ° 2002-540 of April 18, 2002.
  • the gasification step comprises a step of continuously introducing the quantity 11 of waste of the second type into the gasification reactor 13 of the dense fluidized bed type, then a pyrolysis step in which the waste of the second type constituting the quantity 11 are decomposed in the gasification reactor 13 in a manner producing volatile compounds in the form of gaseous hydrocarbons and organic vapors and pyrolysis coke, followed by a step of converting the hydrocarbons and coke in a manner producing the fuel synthesis gas 12.
  • thermochemical conversions are carried out in a reducing atmosphere and are generally endothermic.
  • the heat energy necessary for the pyrolysis step and the conversion step is provided by exothermicity of the partial oxidation of a fraction of the carbon contained in the quantity 11 of waste of the second type, so that the gasification reactor 13 can advantageously have a self-thermal operating mode.
  • the pyrolysis step and the conversion step can be carried out in the same thermal chamber, or in two separate chambers, by the action of a fluidizing agent 16, such as water or carbon dioxide. carbon, in a reducing atmosphere admitted into the gasification reactor 13.
  • a fluidizing agent 16 such as water or carbon dioxide. carbon
  • the combustible synthesis gas 12 comprises carbon monoxide and dihydrogen. It can also contain carbon dioxide, methane, tars and water vapor. It is also known as "syngas”.
  • the main reactions involved in the gasification reactor 13 are, a devolatilization reaction, followed by a reaction in which the water vapor reacts with the fixed carbon of the quantity 11, to give hydrogen and carbon monoxide. , a second reaction in which the carbon of quantity 11 reacts with carbon dioxide to give carbon monoxide and a third reaction in which the carbon of quantity 11 reacts with oxygen to give carbon monoxide.
  • the temperature of the combustible synthesis gas 12, produced in the gasification step is preferably between 600 and 800 ° C, in particular between 650 and 750 ° C. These are therefore advantageously moderate temperatures so as on the one hand to ensure the selectivity of the thermochemical conversion reactions and on the other hand in order to avoid the problems of agglomeration of the feed, by softening and / or melting of its. inert fraction, due to the frequent presence of high alkali content in biomasses (Na, K).
  • gasification is understood to mean any method allowing the carbonaceous material of the quantity of waste of the second type to be transformed at high temperature into combustible gas, the main constituents of which are carbon monoxide and hydrogen.
  • the vitrification step is carried out continuously. It is implemented in a vitrification chamber 15 which comprises a melting furnace 151 and a cooling tank 152.
  • the union of the melting furnace 151 and the cooling tank 152, illustrated on figure 3 constitutes the vitrification chamber 15 taking as input in particular the combustible synthesis gas 12 coming from the gasification reactor 13 and the quantity 10 of waste of the first type, supplied continuously, and delivering mainly the vitrify 14 as well as fumes at the outlet 19 generated by the oxidation of syngas, at the level of the melting furnace 151 and / or the cooling tank 152.
  • the cooling tank 152 is preferably a water bath, in particular a cold water bath to achieve very rapid cooling by immersion in this cold water bath and allowing a thermal shock, causing, in particular, the division of the vitreous matrix.
  • the gasification reactor 13 of the dense fluidized bed type is particularly suitable. This is a reactor in which the quantity 11 to be gasified is introduced continuously into a bed of inert particles (for example sand) suspended in the reactor, by an upward current of air, which promotes thermal and mass exchanges between the solid and the gas.
  • the dense fluidized bed reactor 13 provides for a relatively low fluidization rate (1 to 2 m / s) without bed entrainment.
  • the fluidization agent 16 is blown under a fluidization grid.
  • the introduction of fluidization agent 16 intended to carry out the partial oxidation of the quantity 11, so as to supply the heat energy necessary for the gasification reactions. in self-thermal conduct, is carried out at a flow rate corresponding in practice to the flow rate of fluidization air in dense regime. It is distributed uniformly in the quantity 11, mixed with the inert fluidization medium, through the fluidization grid.
  • a fluidization medium sand
  • the presence of a fluidization medium (sand) also makes it possible to obtain a uniform bed temperature, limiting the agglomeration processes by softening the load.
  • the bed plays, moreover, a role of thermal buffer, vis-à-vis a variation of the lower calorific value of the incoming quantity, contributing to the uniformity of its temperature.
  • the enclosures are static and can easily be produced as cooled walls (membrane walls with water or oil tubes, integrated into a heat recovery circuit, double-flushing. air casing) and sealed against parasitic air inlets.
  • the agent 16 is uniformly distributed therein in the quantity 11, via the fluidization grid, making it possible to avoid hot spots which may lead to the softening of the mineral compounds of the incoming quantity 11 and of the processes. clogging of walls and deposits in downstream conduits.
  • the internal transfer coefficients between the fluidizing agent 16 and the divided quantity 11 to be treated, as well as between the bed and the cooled walls can reach values ranging from 500 to 800 W / m 2 ° C, allowing at the same flow rate, to reduce the volumes of enclosures involved. Higher values of heat transfer coefficients can be reached with other reactor technologies gasification 13 but to the detriment of bulk.
  • the reactor is cooled by flushing with ambient air or with water.
  • the establishment of a device for extracting unwanted from the incoming quantity can be achieved by installing a screw at the bottom of the bed.
  • the inert part of these undesirable can be advantageously introduced into the melting furnace 151.
  • the fluidization agent (air) 16 is for example admitted into the lower part of the reactor 13 via a fan, at a second inlet of the gasification reactor 13.
  • the second feed device 27 comprises for example a hopper for receiving and storing the quantity 10 of waste from the first type, the outlet of which feeds a conveyor which itself feeds the second inlet of the melting furnace 151.
  • the continuous introduction of the gasifiable charge is carried out via a double airlock device or via a metering screw, allowing, in the two cases, to limit the entry of parasitic air into the reactor.
  • the start-up sequence of the gasification reactor begins with the preheating of the inert sand-type media, by the preheating of the fluidization air via an external burner.
  • the charge to be gasified is introduced when the medium has reached a temperature in the region of 450 to 500 ° C. Therefore, the gasification of the incoming charge takes place homogeneously in the hot inert medium, its maintenance being ensured by the partial oxidation of a fraction of the incoming charge, by the fluidization air itself.
  • the burner for preheating the fluidizing air can therefore be gradually stopped.
  • the vitrifies 14 continuously exit out of the vitrification enclosure 15 at the level of a first outlet of the vitrification enclosure 15 while the fumes 19 exit out of the vitrification enclosure 15 at the level of a second outlet.
  • the vitrification step preferably comprises a step of post-combustion by oxidation in an oxidizing atmosphere of the combustible synthesis gas 12 produced in the gasification step so as to produce a quantity of heat energy allowing a step of melting the quantity 10 of waste of the first type in the melting furnace 151 and using this amount of heat energy produced by oxidation.
  • the post-combustion step is carried out in the melting furnace 151 but it could be deported by providing for a transfer of the quantity of heat energy produced during the post-combustion to the melting furnace.
  • a step of heat exchange between the fumes generated during the post-combustion stage and the quantity of waste of the first type present in the melting furnace 151 can advantageously be implemented.
  • the solution described here makes it possible to ensure that the heat input necessary for the melting of waste of the first type, for example bottom ash from incineration of non-hazardous waste, following their introduction.
  • the melting furnace 151 is obtained by an oxidative postcombustion (air 20 possibly enriched with oxygen being also introduced into the melting furnace 151) of the combustible synthesis gas 12 previously produced in the auto-thermal gasification reactor 13 of wastes from waste gasification based on carbonaceous material.
  • the post-combustion releases the heat necessary for melting the waste of the first type introduced into the melting furnace 151.
  • the high specific amount of conventional energy (electricity, gas, etc.) used in the prior art to carry out the melting of bottom ash is advantageously replaced by the energy obtained by post-combustion of the synthesis gas itself obtained. by an operation of gasification of waste of another nature, that is to say based on carbonaceous material.
  • the solution is therefore particularly interesting from an overall economic and environmental point of view.
  • the waste of the first type and the waste of the second type are jointly treated.
  • the external energy, based on fossil fuels and / or electricity from the grid, to be supplied for vitrification is considerably reduced.
  • the tars possibly present in the synthesis gas 12 produced by the gasification reactor 13 are advantageously directly thermally cracked in the melting furnace 151, thus recovering their thermochemical content by combustion.
  • the synthesis gas 12 also comprises significant quantities of particulate flights of the inert fraction of the incoming quantity 11.
  • the particulate pollutants are recovered by the molten bath from the quantity of waste of the first type in fusion and the tars are thermally destroyed. .
  • the vitrification step can comprise a step of casting out of the melting furnace 151 the waste of the first type in fusion and then a step of cooling the waste of the first type in the cooling tank 152 in a manner generating said vitrify 14.
  • the tank 152 is for example a water bath.
  • the vitrifies 14 are evacuated out of the cooling tank 152 via a conveyor marked 26, for example consisting of a continuous extraction screw.
  • the melting furnace 151 can also be supplied at its second inlet with cullet 24 and at its first inlet with natural gas 25.
  • the addition of fixed carbon in the bath is also possible, so to be carried out in the molten bath, the reduction of the metal oxides present, making it possible to increase the subsequent recovery of metals.
  • This addition of fixed carbon can come from the inert part of the undesirable substances resulting from the gasification reactor 13.
  • the natural gas 25 and the cullet 24 are only used when starting the melting furnace 151. It is in particular a furnace. with bubbling bath tub.
  • a silo for storing the cullet 24 can be provided, as well as a line supplied with natural gas 25. The installation is started up. using cullet, melted by the combustion of natural gas. Once the bath is formed, the cullet feed is reduced by substituting it for the amount of waste of the first type.
  • the natural gas 25 is then gradually replaced by the synthesis gas 12 supplied by the gasification reactor 13.
  • a silo for storing the vitrifiates can be provided, as well as a fume evacuation duct 19 leaving the furnace 151 and directed, using an extractor, at the inlet of the main boiler relating to the incineration stage.
  • the method according to the invention comprises a step of separating the basaltic granular materials from the vitrify, the ferrous and non-ferrous metals and the metal oxides previously contained. in the amount of waste of the first type and reduced in the melting furnace.
  • the addition of fixed carbon in the molten bath is likely to increase the rate of recovery of the metals, by reducing the metal oxides previously contained in quantity 10.
  • Ferrous / on-ferrous metals and the remaining quantity may be the object separate valuation.
  • the melting step may comprise a step of introducing at least one melting agent 17 into the melting furnace 151, in particular cullet and / or sodium oxide, chosen so as to lower the melting temperature of the quantity of waste of the first type and / or to lower the dynamic viscosity of the quantity of waste of the first type molten.
  • the melting furnace 151 therefore includes a third inlet for this purpose.
  • Na 2 O supplied in the form of Na 2 CO 3, makes it possible to obtain glasses at temperatures between 1100 and 1200 ° C.
  • the melting step comprises a step of introducing at least one carbon agent 17 into the melting furnace, with the aim of reducing the metal oxides initially contained in the charge, to metals.
  • the post-combustion of the combustible synthesis gas 12 is preferably controlled so that the temperature in the melting furnace 151 is such that the dynamic viscosity of the quantity of waste of the first type in fusion is less than or equal to 25 Pa.s. It is in fact considered that above this limit, the viscosity reached does not allow the casting of the vitrified material 14 out of the furnace 151.
  • the temperature in the melting furnace 151 is controlled so that the quantity of waste from the first type reaches a temperature greater than or equal to 1400 degrees, preferably of the order of 1450 ° C.
  • the vitrification step preferably comprises a step of admitting air 20, optionally enriched with oxygen, into the melting furnace 151.
  • the melting furnace 151 therefore comprises a fourth inlet for this purpose.
  • the post-combustion of the synthesis gas 12 being carried out in a homogeneous phase gas-gas combustion
  • the excess air 20 to be carried out in order to obtain complete combustion are low (included in a range going from 5 to 8%) so that the adiabatic flame temperature obtained is high (of the order of 1500 ° C.) and the volume of the fumes 19 is reduced.
  • the use of air 20 enriched with oxygen for the post-combustion of the gas 12 makes it possible, if necessary, both to increase the flame temperature and to reduce the volume of fumes 19, by reducing the nitrogen ballast. With such a flame temperature, the temperature level necessary for melting waste of the first type, ie beyond 1400 ° C. in the example of bottom ash from incineration of non-hazardous waste, is easy to achieve.
  • the installation therefore optionally comprises an intake air enrichment unit 20 supplying air enriched between 40 and 50% dioxygen, replacing the standard air which comprises 21% dioxygen, to significantly increase the temperature of the 10 molten quantity and therefore facilitate its pouring out of the furnace 151.
  • a heat exchange step can advantageously be implemented between the air admitted 20 into the melting furnace 151 and the fumes 19 generated by the vitrification step.
  • the installation comprises a heat exchange device 21 between the air admitted 20 into the melting furnace 151 at a third inlet of the melting furnace 151 and the fumes 19 generated in the melting furnace 151 and / or in the cooling tank 152.
  • This heat exchange device 21 is very preferably separated from the melting furnace, that is to say arranged outside,
  • Maintaining a deliberately higher carbon rate than current practice in incineration techniques, for example beyond 2% by mass, aims to take into account the fact that this fixed carbon participates, through its lower calorific value, to reduce the specific energy demand of the melting furnace 151.
  • the introduction of air 20 into the melting furnace 151 causes the exothermic oxidation of this carbon fraction.
  • the addition of biomass directly into the molten bath formed by the molten quantity is also possible.
  • the specific allothermal energy to be provided for the vitrification is 0.34 kWh / kg while it is 0.8 kWh / kg for a carbon mass percentage of 2%.
  • Maintaining a relatively high bottom ash temperature for example greater than 600 ° C., makes it possible to reduce the specific heat energy required for the quantity 10 to melt into the furnace 151 and therefore for the vitrification. For example, this makes it possible to go from around 0.8 kWhth / kg (for an initial temperature at the inlet of furnace 151 of 20 ° C) to around 0.62 kWhth / kg (for an initial temperature at the inlet oven 151 of 600 ° C).
  • the hot fumes 19 (of the order of 1400 ° C.) generated by the vitrification step are then treated, after cooling by injection of water and passing through the exchanger 21, into the treatment device 18, in particular by dried. Then the fumes 22 treated by the treatment device 18 are discharged into the atmosphere.
  • the fumes 19 contain, in particular, chlorides, sulfur compounds, mercury and certain heavy metals, not solubilized in the molten bath in the furnace 151.
  • the treatment device 18 can be constituted by the device for treating the fumes obtained from the basic waste incineration step or by an autonomous treatment device 18.
  • the specific demand for external heat energy to be supplied to obtain the melting of quantity 10 is therefore 0.5 kWh / kg, or 0.5 MWh / t. It should be remembered that this energy demand could be reduced by increasing the residual fixed carbon content of the quantity at the outlet of the incinerator, for example by simply increasing the speed of advance of the waste on the grate of the incinerator.
  • the hourly quantity 11 of class B wood feeding the reactor 13 is 0.326 t / h, corresponding to a power entering the reactor 13 of 1.3 MWth.

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Description

    Domaine technique de l'invention
  • L'invention concerne le domaine du traitement de déchets. En particulier, il s'agit de réaliser une vitrification d'une quantité de déchets particuliers, tels que des mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux.
  • L'invention a pour objet plus particulièrement un procédé et un dispositif de traitement de déchets.
    • État de la technique
  • Le développement économique des pays entraine une augmentation de la quantité de déchets produits. Si l'objectif de tous doit être la prévention des déchets à la source, le réemploi, ou le recyclage des déchets, il reste une quantité de déchets résiduels non négligeable à traiter.
  • Les méthodes de traitement varient beaucoup selon les pays. Le traitement thermique des déchets est un des procédés les plus répandus en Europe puisqu'en 2011, 23% des déchets européens étaient incinérés. Seuls six pays européens n'ont pas recours à l'incinération à l'heure actuelle.
  • Ainsi, il est connu actuellement d'incinérer les déchets non dangereux recueillis. Cette technique a pour conséquence de produire des mâchefers, qui sont des résidus issus de l'incinération.
  • Ainsi, environ 200-250 kg de mâchefers par tonne de déchets incinérés sont produits. Ces mâchefers constituent la plus grosse production de résidus issus de l'incinération. Plus de 16 millions de tonnes de mâchefers ont été produites en 2009 en Europe et leur valorisation est donc un enjeu important dans le bilan économique et environnemental des installations de traitement thermique des déchets.
  • Le document EP 1 310 733 A divulgue un traitement des déchets.
  • Il a déjà été imaginé de valoriser les mâchefers en élaborant des matériaux vitrifiés, ou vitrifiats, à partir des mâchefers. La vitrification des mâchefers est un traitement de fusion à haute température, entre 1100°C et 1500°C, permettant d'obtenir, après refroidissement, un solide non cristallin (amorphe).
  • L'avantage principal de la vitrification des mâchefers est de les rendre inertes : les métaux lourds contenus dans les mâchefers sont piégés dans la matrice verrière et ne sont plus transférables à l'environnement. Le principal obstacle à la valorisation des mâchefers est donc levé. Ce procédé présente également d'autres avantages :
    • la réduction du volume spécifique des mâchefers,
    • la destruction à haute température de leurs imbrûlés carbone,
    • la destruction à haute température des dioxines et furannes,
    • la récupération facilitée des ferreux et non-ferreux résiduels, contenus dans les mâchefers.
  • Le refroidissement des mâchefers en fusion peut être lent ou rapide. Dans le premier cas, la coulée fondue est recueillie en lingotières, le refroidissement étant naturel et conduisant à un vitrifiat amorphe, assimilable à un caillou. Dans le second cas, la coulée de mâchefers fondus est faite en bac d'eau, sous forme de vitrifiats granulaires, plus ou moins divisés, se présentant sous forme de solides vitreux.
  • La qualité du matériau vitreux obtenu, dépend fortement de la composition minérale des résidus traités, en particulier de leurs répartitions initiales en éléments oxydes tels que SiO2, Al2O3, CaO, pouvant conduire à des matériaux peu ou non fusibles, ainsi que de la vitesse de refroidissement.
  • Suite à leur vitrification, les mâchefers peuvent ensuite être valorisés dans différents domaines d'application.
  • Les vitrifiats de mâchefers, notamment sous forme granulaire et non amorphe, peuvent également être valorisés en génie civil, leurs propriétés inertes en faisant un matériau drainant et stabilisant. Les applications industrielles sont, par exemple, l'utilisation en technique routière comme agrégat d'enrobés dans une matrice bitumeuse ou bien encore comme sous-couche routière. Ils peuvent aussi servir comme matériau de remblai, en matériau de revêtement ou en parpaings.
  • Les mâchefers ne sont pas des corps purs et n'ont donc pas une température de fusion définie. D'une manière générale, la fusion du mélange des composés minéraux qui les constituent, s'effectue dans un intervalle de température compris entre la température de liquidus et la température de solidus du mélange, celles-ci variant suivant la composition des mâchefers. Il a toutefois pu être constaté que les températures de liquidus et de solidus des mâchefers étaient a priori voisines de 1150°C et 1450°C, respectivement, avecune température moyenne de fusion de 1250°C. L'énergie calorifique nécessaire à apporter à une unité de masse de mâchefer, supposée à température ambiante, pour le porter de 20°C à 1200°C et le faire fondre, est de l'ordre de 0,8 kWhth par kg de mâchefers.
  • Plusieurs types de fours permettant une vitrification après une incinération sont répertoriés, utilisant un apport d'énergie calorifique par un combustible ou par de l'électricité :
    • les fours à oxy-fuel ou oxy-gaz, fonctionnant à l'air enrichi ou à l'oxygène,
    • les fours à arc électrique ou électrodes, en bain de fusion,
    • four à résistance électrique rayonnante,
    • les fours à torche plasma (arc soufflé ou transféré),
    • les fours de chauffage par induction en creuset froid.
  • Si la valorisation des mâchefers par vitrification présente donc les avantages déjà mentionnés, son principal inconvénient est, par contre, une consommation énergétique importante nécessaire pour monter les mâchefers en température et les faire fondre. L'utilisation d'une source d'énergie conventionnelle (électricité, gaz etc.) devient particulièrement problématique dans le bilan environnemental de la valorisation des mâchefers par la technique de vitrification.
  • Bien que ces problématiques concernent notamment les mâchefers issus de l'incinération de déchets non dangereux, elles peuvent être étendues à toute autre catégorie de déchets à vitrifier.
    • Objet de l'invention
  • Le but de la présente invention est de proposer une solution de valorisation de déchets résiduels solides issus d'incinération de déchets qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.
  • En particulier, un objet de l'invention est de fournir une solution qui améliore le bilan d'un point de vue environnemental.
  • Un objet de l'invention est de fournir une solution particulièrement adaptée, mais non exclusivement, à la vitrification de mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux (déchets du premier type).
  • Ces objets peuvent être atteints par l'intermédiaire des revendications annexées, en particulier par un procédé de traitement de déchets, selon la revendication 1.
  • Les déchets du deuxième type peuvent être choisis parmi les biomasses des combustibles solides de récupération, du bois contenant des substances chimiques telles que des substances de collage, de finition et de préservation.
  • Selon un mode de mise en œuvre, l'étape de fourniture d'une quantité de déchets du premier type comprend
    • une étape d'incinération d'une quantité de déchets de base, de type dangereux et/ou de type non dangereux, produisant une quantité de résidus solides d'incinération,
    • puis une étape de refroidissement desdits résidus solides d'incinération au-delà d'une première valeur seuil réalisée de sorte que la température des résidus solides d'incinération reste supérieure à 600°C et/ou une étape de maintien d'un taux de carbone dans les résidus solides d'incinération supérieur à une deuxième valeur seuil, préférentiellement égale à 2% en masse.
  • L'étape de vitrification peut comprendre une étape de postcombustion, réalisée dans le four de fusion, par oxydation dans une atmosphère oxydante du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification de sorte à produire une quantité d'énergie calorifique et une étape de fusion de la quantité de déchets du premier type dans un four de fusion et utilisant ladite quantité d'énergie calorifique produite par oxydation.
  • Le procédé de traitement peut comprendre une étape d'échange thermique entre les fumées générées durant l'étape de postcombustion et la quantité de déchets du premier type présents dans le four de fusion. La postcombustion du gaz de synthèse combustible peut être pilotée de sorte que la température dans le four de fusion soit telle que la viscosité dynamique de la quantité de déchets du premier type en fusion soit inférieure ou égale à 25 Pa.s.
  • Selon une variante d'exécution, la température dans le four de fusion est contrôlée de sorte que la quantité de déchets du premier type atteigne une température supérieure ou égale à 1400 degrés.
  • L'étape de fusion peut comprendre une étape d'introduction d'au moins un agent fondant dans le four de fusion, notamment du calcin et/ou de l'oxyde de sodium, choisi de sorte à abaisser la température de fusion de la quantité de déchets du premier type et/ou à abaisser la viscosité dynamique de la quantité de déchets du premier type en fusion.
  • L'étape de fusion peut comprendre une étape d'introduction d'au moins un agent carboné dans le four de fusion, configuré de sorte à réduire les oxydes métalliques initialement contenus dans la charge, en métaux.
  • Selon l'invention, l'étape de vitrification comprend une étape de coulée hors du four de fusion des déchets du premier type en fusion puis une étape de refroidissement des déchets du premier type dans un bac de refroidissement d'une manière générant ledit vitrifiat, le bac de refroidissement étant un bain d'eau.
  • Suite à l'étape de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement, le procédé selon l'invention comprend une étape de séparation des matériaux granulaires basaltiques du vitrifiat, des métaux ferreux et non-ferreux et des oxydes métalliques préalablement contenus dans la quantité de déchets du premier type et réduits dans le four de fusion.
  • L'étape de vitrification peut comprendre une étape d'admission d'air, éventuellement enrichi en oxygène, dans le four de fusion et le procédé peut comprendre une étape d'échange thermique entre l'air admis dans le four de fusion et les fumées générées par l'étape de vitrification.
  • Le procédé peut comprendre une étape de traitement des fumées générées par l'étape de vitrification, notamment par voie sèche, puis une étape de rejet dans l'atmosphère des fumées traitées.
  • La température du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification est de préférence comprise entre 600 et 800°C, notamment entre 650 et 750°C.
  • Un deuxième aspect de l'invention concerne une installation de traitement de déchets selon la revendication 14.
  • L'installation de traitement de déchets peut comprendre un dispositif d'échange thermique entre l'air admis dans le four de fusion au niveau d'une troisième entrée du four de fusion et les fumées générées dans le four de fusion et/ou dans le bac de refroidissement, le dispositif d'échange thermique étant notamment séparé du four du fusion.
    • Description sommaire des dessins
  • D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels :
    • la figure 1 est un organigramme de principe d'un exemple de traitement de déchets selon l'invention,
    • la figure 2 illustre un exemple de réacteur de gazéification utilisé dans le traitement de déchets selon l'invention,
    • et la figure 3 illustre un exemple de l'enceinte de vitrification utilisée dans le traitement de déchets selon l'invention.
    Description de modes préférentiels de l'invention
  • Le procédé de traitement de déchets selon la revendication 1, en continu, qui va être décrit en détails ci-après, en référence aux figures 1 à 3, comprend :
    • une étape de fourniture d'une quantité 10 de déchets d'un premier type,
    • une étape de fourniture d'une quantité 11 de déchets d'un deuxième type différent du premier type de déchets et comportant essentiellement une matière carbonée,
    • une étape de gazéification durant laquelle la quantité 11 de déchets du deuxième type est transformée d'une manière produisant un gaz de synthèse combustible 12,
    • une étape de vitrification durant laquelle la quantité de déchets du premier type, alimentée en continu, est transformée en continu en vitrifiat 14 en utilisant la chaleur libérée par l'oxydation complète du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification.
  • L'étape de gazéification utilise un réacteur de gazéification de type à lit fluidisé dense, dans lequel la quantité 11 de déchets du deuxième type à gazéifier est introduite en continu.
  • La quantité de déchets du premier type, destinée à être vitrifiée via l'utilisation du gaz de synthèse, est formée par des résidus issus d'incinération de déchets, notamment des ordures ménagères. Les déchets du premier type sont notamment formés par des résidus solides d'incinération issus d'incinération d'une quantité de déchets de base. Il s'agit notamment de mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux.
  • Il est également décrit une installation de traitement de déchets, selon la revendication 14, comprenant les éléments logiciels et/ou matériels mettant en œuvre le procédé de traitement de déchets décrit plus loin.
  • Préférentiellement, les déchets du deuxième type constitutifs de la quantité 11 sont choisis parmi les biomasses (par exemple, des plaquettes forestières), des combustibles solides de récupération, du bois dit de classe B, c'est-à-dire contenant des substances chimiques telles que des substances de collage, de finition et de préservation.
  • Les combustibles solides de récupération aussi connus sous l'acronyme « CSR » sont préférentiellement des combustibles de substitution dérivés des déchets utilisés pour leur haut pouvoir calorifique à des fins de valorisation énergétique en substitution des combustibles fossiles classiques (coke, fuel, ...). A titre d'exemple, les déchets utilisés pour fabriquer des combustibles solides de récupération peuvent être des déchets industriels banals et des encombrants de déchèteries de qualité hétérogène ou trop volumineux pour être valorisés dans les unités de valorisation énergétique d'incinération et co-incinération. Ils sont notamment composés de bois, de plastiques, de papiers, et cartons, de mousse polyuréthane, etc...
  • Il reste toutefois envisageable que la quantité de déchets du deuxième type puisse inclure des déchets dangereux, comme par exemple du bois dit de classe C, c'est-à-dire traité à cœur, souillé ou ignifugé.
  • Dans ce document, le terme « déchets dangereux » sera préférentiellement considéré comme signifiant les déchets qui présentent une ou plusieurs des propriétés énumérées à l'annexe I du Décret n°2002-540 du 18 avril 2002 relatif à la classification des déchets. Ils sont signalés par un astérisque dans la liste des déchets de l'annexe II du même décret.
  • Dans ce document, le terme « déchets non dangereux » sera préférentiellement considéré comme signifiant tout déchet qui n'est pas défini comme dangereux par le décret n°2002-540 du 18 avril 2002.
  • L'étape de gazéification comprend une étape d'introduction en continu de la quantité 11 de déchets du deuxième type dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, puis une étape de pyrolyse dans laquelle les déchets du deuxième type constitutifs de la quantité 11 sont décomposés dans le réacteur de gazéification 13 d'une manière produisant des composés volatiles sous forme d'hydrocarbures gazeux et de vapeurs organiques et du coke de pyrolyse, puis une étape de conversion des hydrocarbures et du coke d'une manière produisant le gaz de synthèse combustible 12.
  • Les conversions thermochimiques sont conduites en atmosphère réductrice et sont globalement endothermiques.
  • L'énergie calorifique nécessaire à l'étape de pyrolyse et à l'étape de conversion est fournie par exo-thermicité de l'oxydation partielle d'une fraction du carbone contenu dans la quantité 11 de déchets du deuxième type, de sorte que le réacteur de gazéification 13 peut présenter avantageusement un mode de fonctionnement auto-thermique.
  • L'étape de pyrolyse et l'étape de conversion peuvent être réalisées dans une même enceinte thermique, ou dans deux enceintes séparées, par action d'un agent de fluidisation 16, tel que l'eau ou le dioxyde de carbone, en atmosphère réductrice admis dans le réacteur de gazéification 13.
  • Le gaz de synthèse combustible 12 comprend du monoxyde de carbone et du dihydrogène. Il peut également contenir du dioxyde de carbone, du méthane, des goudrons et de la vapeur d'eau. Il est également connu sous le nom « syngaz ».
  • Ainsi, les réactions principales impliquées dans le réacteur de gazéification 13 sont, une réaction de dévolatilisation, suivie d'une réaction dans laquelle la vapeur d'eau réagit avec le carbone fixe de la quantité 11, pour donner du dihydrogène et du monoxyde de carbone, une deuxième réaction dans laquelle le carbone de la quantité 11 réagit avec le dioxyde de carbone pour donner du monoxyde de carbone et une troisième réaction dans laquelle le carbone de la quantité 11 réagit avec du dioxygène pour donner du monoxyde de carbone.
  • La température du gaz de synthèse combustible 12, produit à l'étape de gazéification, est préférentiellement comprise entre 600 et 800°C, notamment entre 650 et 750°C. Il s'agit donc de températures avantageusement modérées de façon d'une part à assurer la sélectivité des réactions thermochimiques de conversion et d'autre part afin d'éviter les problèmes d'agglomération de la charge, par ramollissement et/ou fusion de sa fraction inerte, du fait de la présence fréquente de fortes teneurs en alcalins des biomasses (Na, K).
  • De manière générale, il est entendu par le terme « gazéification » toute méthode permettant de transformer à haute température la matière carbonée de la quantité de déchets du deuxième type en gaz combustible dont les principaux constituants sont du monoxyde de carbone et de l'hydrogène.
  • L'étape de vitrification est réalisée en continu. Elle est mise en œuvre dans une enceinte de vitrification 15 qui comprend un four de fusion 151 et un bac de refroidissement 152. La réunion du four de fusion 151 et du bac de refroidissement 152, illustrée à la figure 3, constitue l'enceinte de vitrification 15 prenant en entrée notamment le gaz de synthèse combustible 12 issu du réacteur de gazéification 13 et la quantité 10 de déchets du premier type, alimentée en continu, et délivrant en sortie principalement le vitrifiat 14 ainsi que des fumées 19 générées par l'oxydation du syngaz, au niveau du four de fusion 151 et/ou du bac de refroidissement 152.
  • L'installation de traitement de déchets, en continu, comprend de manière plus générale les éléments suivants :
    • le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, ayant une sortie évacuant le gaz de synthèse combustible 12 produit dans le réacteur de gazéification 13,
    • un premier dispositif d'alimentation 28 (figure 2) alimentant, notamment en continu, une première entrée du réacteur de gazéification 13, par exemple via une trémie et un convoyeur alimentant un sas d'introduction, avec la quantité 11 de déchets du deuxième type, ou par une vis doseuse permettant une alimentation en continu du réacteur de gazéification 13, sans introduction d'air parasite dans le réacteur de gazéification,
    • le four de fusion 151 ayant une première entrée alimentée en continu par le gaz de synthèse combustible 12 sortant du réacteur de gazéification 13 au niveau de sa sortie,
    • un dispositif de liaison, notamment calorifugé, conduisant le gaz de synthèse combustible 12 de la sortie du réacteur de gazéification 13 à la première entrée du four de fusion 151,
    • un deuxième dispositif d'alimentation 27 (figure 3) alimentant, notamment en continu, une deuxième entrée du four de fusion 151 avec la quantité 10 de déchets du premier type,
    • le bac de refroidissement 152 alimenté en entrée par la quantité 10 de déchets du premier type en fusion, coulant hors du four de fusion 151 au niveau d'une première sortie du four de fusion 151.
  • Le bac de refroidissement 152 est préférentiellement un bain d'eau, notamment un bain d'eau froide pour réaliser un refroidissement très rapide par une immersion dans ce bain d'eau froide et permettant un choc thermique, entrainant, en particulier, la division de la matrice vitreuse.
  • Le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, dit « LFD », est particulièrement adapté. II s'agit d'un réacteur dans lequel la quantité 11 à gazéifier est introduite en continu dans un lit de particules inertes (par exemple du sable) mises en suspension dans le réacteur, par un courant ascendant d'air, ce qui favorise les échanges thermiques et massique entre le solide et le gaz. Le réacteur 13 à lit fluidisé dense prévoit une vitesse de fluidisation relativement faible (1 à 2 m/s) sans entraînement du lit. L'agent de fluidisation 16 est soufflé sous une grille de fluidisation.
  • Il est particulièrement bien adapté au cas d'espèce pour les raisons suivantes :
    • permet au réacteur de gazéification 13 de pouvoir fonctionner à température uniforme et modérée (entre 650 et 750 degrés notamment),
    • permet de pouvoir contrôler le réacteur 13 en température par des parois refroidies,
    • permet que le réacteur 13 présente un encombrement modéré,
    • permet de s'accommoder aisément à des situations d'exploitation nécessitant l'arrêt et le démarrage du réacteur de gazéification 13.
  • En effet, dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, l'introduction d'agent de fluidisation 16 destiné à réaliser l'oxydation partielle de la quantité 11, de façon à fournir l'énergie calorifique nécessaire aux réactions de gazéification en conduite auto-thermique, est réalisée à un débit correspondant en pratique au débit d'air de fluidisation en régime dense. Il est réparti uniformément dans la quantité 11, mélangée au média inerte de fluidisation, par l'intermédiaire de la grille de fluidisation. La présence d'un média de fluidisation (sable) permet en outre d'obtenir une température de lit uniforme, limitant les processus d'agglomération par ramollissement de la charge. Le lit joue, par ailleurs, un rôle de tampon thermique, vis-à-vis d'une variation du pouvoir calorifique inférieur de la quantité 11 entrante, contribuant à l'uniformité de sa température.
  • Dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, les enceintes sont statiques et sont facilement réalisables en parois refroidies (parois membranes à tube d'eau ou d'huile, intégrées à un circuit de récupération de chaleur, balayage de double-enveloppe à l'air) et étanches vis-à-vis des entrées d'air parasites. De plus, l'agent 16 y est réparti uniformément dans la quantité 11, par l'intermédiaire de la grille de fluidisation, permettant d'éviter les points chauds susceptibles d'entraîner le ramollissement des composés minéraux de la quantité 11 entrante et des processus de colmatage des parois et des dépôts dans les conduits aval.
  • Dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, les coefficients de transfert interne entre l'agent de fluidisation 16 et la quantité 11 divisée à traiter, ainsi qu'entre le lit et les parois refroidies, peuvent atteindre des valeurs allant de 500 à 800 W/m2°C, permettant à même débit, de réduire les volumes d'enceintes mis en jeu. Des valeurs supérieures de coefficients de transfert thermique peuvent être atteintes avec d'autres technologies de réacteur de gazéification 13 mais au détriment de l'encombrement.
  • Dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, l'arrêt de l'alimentation entraîne pratiquement instantanément l'arrêt de la production de gaz de synthèse 12, compte tenu de la faible rétention effective de la quantité 11 à gazéifier dans le lit.
  • L'introduction d'une faible quantité d'air dans le réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, correspondant également à l'agent de fluidisation 16, permet d'atteindre un fonctionnement auto-thermique du réacteur par oxydation partielle de la quantité 11 entrante.
  • Dans le réacteur de gazéification 13, le refroidissement du réacteur est assuré par balayage à l'air ambiant ou à l'eau.
  • La mise en place d'un dispositif d'extraction des indésirables de la quantité 11 entrante peut être réalisée par installation d'une vis en fond de lit. La partie inerte de ces indésirables peut être avantageusement introduite dans le four de fusion 151.
  • Un exemple d'aménagement du réacteur de gazéification 13 est illustré sur la figure 2. L'agent de fluidisation (air) 16 est par exemple admis en partie basse du réacteur 13 via une soufflante, au niveau d'une deuxième entrée du réacteur de gazéification 13.
  • Le deuxième dispositif d'alimentation 27 comprend par exemple une trémie de réception et de stockage de la quantité 10 de déchets du premier type dont la sortie alimente un convoyeur qui lui-même alimente la deuxième entrée du four de fusion 151. L'introduction en continu de la charge gazéifiable, est réalisée via un dispositif de double sas ou via une vise doseuse, permettant, dans les deux cas, de limiter les entrées d'air parasite dans le réacteur.
  • La séquence de démarrage du réacteur de gazéification commence par le préchauffage du média inerte de type sable, par le préchauffage de l'air de fluidisation via un brûleur externe. La charge à gazéifier est introduite quand le média a atteint une température voisine de 450 à 500°C. Dès lors, la gazéification de la charge entrante a lieu de façon homogène dans le média inerte chaud, son entretien étant assuré par l'oxydation partielle d'une fraction de la charge entrante, par l'air de fluidisation lui-même. Dès lors, le brûleur de préchauffage de l'air de fluidisation peut être progressivement arrêté.
  • Les vitrifiats 14 sortent en continu hors de l'enceinte de vitrification 15 au niveau d'une première sortie de l'enceinte de vitrification 15 tandis que les fumées 19 sortent hors de l'enceinte de vitrification 15 au niveau d'une deuxième sortie.
  • L'étape de vitrification comprend préférentiellement une étape de postcombustion par oxydation dans une atmosphère oxydante du gaz de synthèse combustible 12 produit à l'étape de gazéification de sorte à produire une quantité d'énergie calorifique permettant une étape de fusion de la quantité 10 de déchets du premier type dans le four de fusion 151 et utilisant cette quantité d'énergie calorifique produite par oxydation.
  • Préférentiellement, l'étape de postcombustion est réalisée dans le four de fusion 151 mais elle pourrait être déportée en prévoyant un transfert de la quantité d'énergie calorifique produite durant la postcombustion vers le four de fusion. Au sein du four de fusion 151, il peut avantageusement être mis en œuvre une étape d'échange thermique entre les fumées générées durant l'étape de postcombustion et la quantité 10 de déchets du premier type présents dans le four de fusion 151.
  • II ressort de ce qui précède que la solution décrite ici permet de faire en sorte que l'apport calorifique nécessaire à la mise en fusion des déchets du premier type, par exemple les mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux, suite à leur introduction dans le four de fusion 151 est obtenu par une postcombustion oxydante (de l'air 20 éventuellement enrichi en oxygène étant introduit également dans le four de fusion 151) du gaz de synthèse combustible 12 préalablement produit dans le réacteur de gazéification 13 auto-thermique de déchets à partir d'une gazéification de déchets à base de matière carbonée. La postcombustion libère la chaleur nécessaire à la fusion des déchets du premier type introduits dans le four de fusion 151.
  • Ainsi, la forte quantité spécifique d'énergie conventionnelle (électricité, gaz, etc.) utilisée dans l'art antérieur pour réaliser la mise en fusion de mâchefers est avantageusement remplacée par l'énergie obtenue par postcombustion du gaz de synthèse obtenu lui-même par une opération de gazéification de déchets d'une autre nature, c'est-à-dire à base de matière carbonée. La solution est donc particulièrement intéressante d'un point de vue économique et environnemental global. Grâce au procédé de traitement décrit, les déchets du premier type et les déchets du deuxième type sont conjointement traités. L'énergie extérieure, à base de combustibles fossiles et/ou d'électricité du réseau, à apporter pour la vitrification est considérablement diminuée. Ces avantages s'appliquent quelle que soit la nature des déchets du premier type à vitrifier et sont intéressants dans l'exemple particulier de mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux.
  • Les goudrons éventuellement présents dans le gaz de synthèse 12 produit par le réacteur de gazéification 13 sont avantageusement directement craqués thermiquement dans le four de fusion 151, récupérant ainsi leur contenu thermochimique par combustion. Dans le cas d'un réacteur de gazéification 13 de type à lit fluidisé dense, le gaz de synthèse 12 comprend aussi des quantités significatives d'envols particulaires de la fraction inerte de la quantité 11 entrante. Comme le gaz de synthèse 12 est oxydé dans le four de fusion 151 disposé en aval du réacteur de gazéification 13, les polluants particulaires sont récupérés par le bain en fusion de la quantité 10 de déchets du premier type en fusion et les goudrons sont détruits thermiquement.
  • En référence à la figure 3, l'étape de vitrification peut comprendre une étape de coulée hors du four de fusion 151 des déchets du premier type en fusion puis une étape de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement 152 d'une manière générant ledit vitrifiat 14. Le bac 152 est par exemple un bain d'eau. Les vitrifiats 14 sont évacués hors du bac de refroidissement 152 via un convoyeur repéré 26, par exemple constitué par une vis d'extraction en continu. Par ailleurs, le four de fusion 151 peut également être alimenté au niveau de sa deuxième entrée par du calcin 24 et au niveau de sa première entrée par du gaz naturel 25. L'ajout de carbone fixe dans le bain est également possible, de manière à réaliser dans le bain fondu, la réduction des oxydes métalliques présents, permettant d'augmenter la récupération ultérieure de métaux. Cet ajout de carbone fixe peut provenir de la partie inerte des indésirables issus du réacteur de gazéification 13. Le gaz naturel 25 et le calcin 24 ne sont utilisés qu'au démarrage du four de fusion 151. II s'agit notamment d'un four à cuve à bain bouillonnant. II peut être prévu un silo de stockage du calcin 24, ainsi qu'une ligne alimentée par le gaz naturel 25. Le démarrage de l'installation est réalisé en utilisant du calcin, fondu par la combustion du gaz naturel. Une fois le bain formé, l'alimentation en calcin est diminuée en la substituant par la quantité 10 de déchets du premier type. Le gaz naturel 25 est alors progressivement substitué par le gaz de synthèse 12 fourni par le réacteur de gazéification 13. Un silo de stockage des vitrifiats peut être prévu, ainsi qu'un conduit d'évacuation des fumées 19 sortant du four 151 et dirigées, à l'aide d'un extracteur, en entrée de la chaudière principale relative à l'étape d'incinération.
  • Suite à l'étape de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement 152, le procédé selon l'invention comprend une étape de séparation des matériaux granulaires basaltiques du vitrifiat, des métaux ferreux et non-ferreux et des oxydes métalliques préalablement contenus dans la quantité de déchets du premier type et réduits dans le four de fusion. L'ajout de carbone fixe dans le bain fondu est de nature à augmenter le taux de récupération des métaux, par réduction des oxydes métalliques préalablement contenus dans la quantité 10. Les métaux ferreux/ on-ferreux et la quantité restante pourront faire l'objet d'une valorisation séparée.
  • L'étape de fusion peut comprendre une étape d'introduction d'au moins un agent fondant 17 dans le four de fusion 151, notamment du calcin et/ou de l'oxyde de sodium, choisi de sorte à abaisser la température de fusion de la quantité 10 de déchets du premier type et/ou à abaisser la viscosité dynamique de la quantité 10 de déchets du premier type en fusion. Le four de fusion 151 comprend donc une troisième entrée à cet effet. L'ajout de Na2O, apporté sous forme de Na2CO3 permet d'obtenir des verres à des températures comprises entre 1100 et 1200°C. Une composition massique typique, en composés majoritaires, est alors : SiO2 = 40%, Al2O3 = 8%, CaO = 18%, Na2O =26%.
  • L'étape de fusion comprend une étape d'introduction d'au moins un agent carboné 17 dans le four de fusion, dans le but de réduire les oxydes métalliques initialement contenus dans la charge, en métaux.
  • La postcombustion du gaz de synthèse combustible 12 est préférentiellement pilotée de sorte que la température dans le four de fusion 151 soit telle que la viscosité dynamique de la quantité 10 de déchets du premier type en fusion soit inférieure ou égale à 25 Pa.s. Il est considéré en effet qu'au dessus de cette limite, la viscosité atteinte ne permet pas la coulée du vitrifiat 14 hors du four 151. Notamment, la température dans le four de fusion 151 est contrôlée de sorte que la quantité 10 de déchets du premier type atteigne une température supérieure ou égale à 1400 degrés, préférentiellement de l'ordre de 1450°C.
  • L'étape de vitrification comprend de préférence une étape d'admission d'air 20, éventuellement enrichi en oxygène, dans le four de fusion 151. Le four de fusion 151 comprend donc une quatrième entrée à cet effet.
  • La postcombustion du gaz de synthèse 12 étant réalisée en phase homogène (combustion gaz-gaz), les excès d'air 20 à pratiquer pour en obtenir la combustion complète sont faibles (compris dans une plage allant de 5 à 8%) de sorte que la température adiabatique de flamme obtenue est élevée (de l'ordre de 1500°C) et le volume des fumées 19 est réduit. Il faut noter que l'utilisation d'air 20 enrichi en oxygène pour la postcombustion du gaz 12 permet, si nécessaire, à la fois d'augmenter la température de flamme et de réduire le volume de fumées 19, par diminution du ballast azote. Avec une telle température de flamme, le niveau de température nécessaire à la fusion des déchets du premier type, soit au-delà de 1400°C dans l'exemple des mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux, est facile à atteindre.
  • L'installation comprend donc facultativement une unité d'enrichissement de l'air admis 20 fournissant un air enrichi entre 40 et 50% de dioxygène, en substitution de l'air standard qui comprend 21% de dioxygène, pour augmenter significativement la température de la quantité 10 en fusion et donc faciliter sa coulée hors du four 151.
  • Il peut avantageusement être mis en œuvre une étape d'échange thermique entre l'air admis 20 dans le four de fusion 151 et les fumées 19 générées par l'étape de vitrification.
  • A cet effet, l'installation comprend un dispositif d'échange thermique 21 entre l'air admis 20 dans le four de fusion 151 au niveau d'une troisième entrée du four de fusion 151 et les fumées 19 générées dans le four de fusion 151 et/ou dans le bac de refroidissement 152. Ce dispositif d'échange thermique 21 est très préférentiellement séparé du four du fusion, c'est-à-dire disposé à l'extérieur,
  • Il est en effet envisageable de préchauffer l'air admis 20 à une température comprise entre 700 et 800°C, avant son entrée dans le four de fluidisation 151 de façon d'une part à éviter l'injection d'air froid dans le bain de fusion et d'autre part d'augmenter la température adiabatique de la postcombustion dans le four 151, abaissant la viscosité dynamique de la quantité 10 de déchets du premier type à l'état de fusion et facilitant ainsi sa coulée hors du four de fusion 151. Cela permet également d'abaisser la température des fumées 19 à une température compatible avec un traitement ultérieur des fumées effectué dans un dispositif de traitement 18 des fumées évoqué plus loin.
  • Il peut être mis en œuvre un refroidissement des fumées issues du four du fusion par injection d'eau, suivie de l'étape d'échange thermique susmentionnée dans le dispositif 21.
  • De manière non représentée, l'étape de fourniture d'une quantité 10 de déchets d'un premier type peut préférentiellement comprendre, bien que cela ne soit pas exclusif :
    • une étape d'incinération d'une quantité de déchets de base, de type dangereux et/ou de type non dangereux, produisant une quantité de résidus solides d'incinération,
    • puis une étape de refroidissement des résidus solides d'incinération au-delà d'une première valeur seuil et/ou une étape de maintien d'un taux de carbone dans les résidus solides d'incinération supérieur à une deuxième valeur seuil. La deuxième valeur seuil est préférentiellement égale à 2% en masse. L'étape de refroidissement pourra avantageusement être réalisée de sorte que la température des résidus solides d'incinération reste supérieure à 600°C, notamment par contrôle de la vitesse de défilement des déchets dans l'incinérateur de déchets. Toutefois, il peut tout à fait être envisagé que la première valeur seuil soit inférieure à 600°C.
  • Le maintien d'un taux de carbone volontairement plus élevé que la pratique courante dans les techniques d'incinération, soit par exemple au-delà de 2% en masse, a pour objectif de tenir compte du fait que ce carbone fixe participe, par son pouvoir calorifique inférieur, à réduire la demande spécifique en énergie du four de fusion 151. En effet, l'introduction d'air 20 dans le four de fusion 151 provoque l'oxydation exothermique de cette fraction carbone. L'ajout de biomasse, directement dans le bain fondu formé par la quantité 10 en fusion est également possible. Ainsi, par exemple pour une quantité 10 contenant 5% de carbone fixe, l'énergie spécifique allo-thermique à apporter pour la vitrification est 0,34 kWh/kg alors qu'elle est de 0,8 kWh/kg pour un pourcentage en masse de carbone de 2%.
  • Le maintien d'une température des mâchefers relativement élevée, par exemple supérieure à 600°C, permet de diminuer l'énergie calorifique spécifique nécessaire à l'entrée en fusion de la quantité 10 dans le four 151 et donc à la vitrification. Par exemple, cela permet de passer d'environ 0,8 kWhth/kg (pour une température initiale à l'entrée du four 151 de 20°C) à environ 0,62 kWhth/kg (pour une température initiale à l'entrée du four 151 de 600°C).
  • Il peut également être mis en œuvre une étape de récupération par le four de fusion 151 de tout ou partie des cendres recueillies sous la chaudière de l'incinérateur des déchets de base qui produit une quantité de résidus solides d'incinération. Le dimensionnement du four de fusion 151 doit alors tenir compte des volumes de telles cendres à vitrifier dans l'enceinte de vitrification 15.
  • Les fumées 19 chaudes (de l'ordre de 1400°C) générées par l'étape de vitrification sont ensuite traitées, après refroidissement par injection d'eau et passage dans l'échangeur 21, dans le dispositif de traitement 18, notamment par voie sèche. Puis les fumées 22 traitées par le dispositif de traitement 18 sont rejetées dans l'atmosphère. Les fumées 19 contiennent, en particulier, des chlorures, des composés soufrés, du mercure et certains métaux lourds, non solubilisés dans le bain fondu dans le four 151. Le dispositif de traitement 18 peut être constitué par le dispositif de traitement des fumées issues de l'étape d'incinération des déchets de base ou par un dispositif de traitement 18 autonome.
  • Enfin, les résidus issus du traitement des fumées 19 réalisé dans le dispositif de traitement 18 sont repérés 23 et récupérés.
  • Bien que la solution précédente vise particulièrement à résoudre les problématiques liées au traitement des mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux, elle reste totalement applicable à des déchets à vitrifier de toute autre nature.
  • Un exemple de pré-dimensionnement d'une solution telle qu'exposée ci-dessus est présenté ci-après. Il s'agit d'un exemple particulier d'application, non limitatif du domaine d'application de l'invention, mettant en œuvre une vitrification d'une quantité de déchets du premier type constituée par des mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux. Il est donc rappelé que les déchets du premier type peuvent être d'une autre nature, telle que des déchets dangereux, comme par exemple des cendres sous chaudière.
  • Il s'agit d'une installation autorisée à traiter 115 000 t/an de déchets non recyclables. Une quantité voisine de 20000 tonnes de mâchefers est produite annuellement, soit de l'ordre de 17% des déchets prétraités, entrant dans l'incinérateur. Une opération de séparation des métaux ferreux et non-ferreux est mise en œuvre. En admettant que les métaux ferreux et non-ferreux valorisables représentent de l'ordre de 6% de la quantité de mâchefers bruts, la quantité 10 annuelle est de 18800 t/an qu'il convient de traiter.
  • Il faut rappeler que les mâchefers produits ont des pouvoirs calorifiques inférieurs naturellement non négligeables, du fait de leurs teneurs souvent élevées (comprises entre 2 et 5%) en carbone résiduel imbrûlé. Dans la solution proposée dans ce document, ce carbone fixe étant oxydé dans l'étape de fusion de la quantité 10 dans le four 151 en atmosphère oxydante, l'énergie calorifique libérée par l'exo-thermicité des réactions d'oxydation peut être directement récupérée dans le bain fondu formé par la quantité 10 en fusion. Ceci permet de diminuer l'apport d'énergie calorifique externe nécessaire à la fusion.
  • Dans cet exemple, il est admis que le taux de carbone résiduel dans la quantité 10 de déchets du premier type est de 4% et que leur humidité, après refroidissement, est de 10%. Dans ces conditions, le pouvoir calorifique de cette quantité 10 est 262 kcal par kilogramme.
  • La demande spécifique en énergie calorifique externe à apporter pour obtenir la fusion de la quantité 10 est donc 0,5 kWh/kg, soit 0,5 MWh/t. Rappelons que cette demande en énergie pourrait être réduite en augmentant la teneur en carbone fixe résiduelle de la quantité 10 en sortie de l'incinérateur, par exemple par simple augmentation de la vitesse d'avancement des déchets sur la grille de l'incinérateur.
  • Il est pris comme exemple une quantité 11 de déchets du deuxième type constitués par des bois de classe B. Ils sont en effet intéressants car :
    • la teneur en humidité est faible (comprise entre environ 4 et 6%) et le pouvoir calorifique inférieur est élevé (compris entre environ 4 et 4,5 kMh/kg),
    • ils sont actuellement disponibles facilement.
  • Il est admis ici que le pouvoir calorifique inférieur est de 4 kMh/kg.
  • En admettant un taux de pertes thermiques voisin de 7%, la demande annuelle effective en énergie calorifique de l'étape de vitrification est 10 GWh/an. En supposant un rendement de gazéification de 96%, la quantité 11 de bois de classe B nécessaire est donc 2604 t/an.
  • Pour un fonctionnement à raison de 8000 h/an, la quantité 11 horaire de bois de classe B alimentant le réacteur 13 est 0,326 t/h, correspondant à une puissance entrant dans le réacteur 13 de 1,3 MWth.
  • Il est rappelé que d'autres types de déchets peuvent être utilisés dans l'étape de gazéification.

Claims (15)

  1. Procédé de traitement de déchets en continu comprenant :
    - une étape de fourniture d'une quantité (10) de déchets d'un premier type formés par des résidus issus d'incinération de déchets, notamment formés par des mâchefers issus d'incinération de déchets non dangereux,
    - une étape de fourniture d'une quantité (11) de déchets d'un deuxième type différent du premier type de déchets et comportant essentiellement une matière carbonée,
    - une étape de gazéification durant laquelle la quantité de déchets du deuxième type est transformée d'une manière produisant un gaz de synthèse combustible (12), utilisant un réacteur de gazéification (13) de type à lit fluidisé dense,
    - une étape de vitrification durant laquelle la quantité de déchets du premier type est transformée en vitrifiat (14) en utilisant la chaleur libérée par l'oxydation complète du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification,
    le procédé étant caractérisé en ce que la quantité (11) de déchets du deuxième type à gazéifier est introduite en continu dans le réacteur de gazéification (13), en ce que l'étape de vitrification comprend une étape de coulée hors d'un four de fusion des déchets du premier type en fusion puis une étape de refroidissement des déchets du premier type dans un bac de refroidissement (152) d'une manière générant ledit vitrifiat, le bac de refroidissement étant un bain d'eau froide pour réaliser un refroidissement très rapide par une immersion dans ce bain d'eau froide et permettant un choc thermique et en ce qu'à la suite de l'étape de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement, le procédé comprend une étape de séparation des métaux ferreux préalablement contenus dans la quantité de déchets du premier type.
  2. Procédé de traitement de déchets selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déchets du deuxième type sont choisis parmi les biomasses, des combustibles solides de récupération, du bois contenant des substances chimiques telles que des substances de collage, de finition et de préservation.
  3. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de fourniture d'une quantité (10) de déchets du premier type comprend
    - une étape d'incinération d'une quantité de déchets de base, de type dangereux et/ou de type non dangereux, produisant une quantité de résidus solides d'incinération,
    - puis une étape de refroidissement desdits résidus solides d'incinération au-delà d'une première valeur seuil réalisée de sorte que la température des résidus solides d'incinération reste supérieure à 600°C et/ou une étape de maintien d'un taux de carbone dans les résidus solides d'incinération supérieur à une deuxième valeur seuil, préférentiellement égale à 2% en masse.
  4. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape de vitrification comprend une étape de postcombustion, réalisée dans le four de fusion, par oxydation dans une atmosphère oxydante du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification de sorte à produire une quantité d'énergie calorifique et une étape de fusion de la quantité de déchets du premier type dans un four de fusion (151) et utilisant ladite quantité d'énergie calorifique produite par oxydation.
  5. Procédé de traitement de déchets selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend une étape d'échange thermique entre les fumées (19) générées durant l'étape de postcombustion et la quantité de déchets du premier type présents dans le four de fusion.
  6. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que la postcombustion du gaz de synthèse combustible est pilotée de sorte que la température dans le four de fusion soit telle que la viscosité dynamique de la quantité de déchets du premier type en fusion soit inférieure ou égale à 25 Pa.s.
  7. Procédé de traitement de déchets selon la revendication 6, caractérisé en ce que la température dans le four de fusion est contrôlée de sorte que la quantité de déchets du premier type atteigne une température supérieure ou égale à 1400 degrés.
  8. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'étape de fusion comprend une étape d'introduction d'au moins un agent fondant (17) dans le four de fusion, notamment du calcin et/ou de l'oxyde de sodium, choisi de sorte à abaisser la température de fusion de la quantité de déchets du premier type et/ou à abaisser la viscosité dynamique de la quantité de déchets du premier type en fusion.
  9. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que l'étape de fusion comprend une étape d'introduction d'au moins un agent carboné dans le four de fusion, configuré de sorte à réduire les oxydes métalliques initialement contenus dans la charge, en métaux.
  10. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que suite à l'étape de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement, le procédé comprend une étape de séparation des matériaux granulaires basaltiques du vitrifiat, des métaux non-ferreux et des oxydes métalliques préalablement contenus dans la quantité de déchets du premier type et réduits dans le four de fusion.
  11. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'étape de vitrification comprend une étape d'admission d'air (20), éventuellement enrichi en oxygène, dans le four de fusion et en ce qu'il comprend une étape d'échange thermique entre l'air admis dans le four de fusion et les fumées générées par l'étape de vitrification.
  12. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des fumées générées par l'étape de vitrification, notamment par voie sèche, puis une étape de rejet dans l'atmosphère des fumées traitées (22).
  13. Procédé de traitement de déchets selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la température du gaz de synthèse combustible produit à l'étape de gazéification est comprise entre 600 et 800°C, notamment entre 650 et 750°C.
  14. Installation de traitement de déchets en continu comprenant des éléments logiciels et/ou matériels mettant en œuvre un procédé de traitement de déchets selon l'une quelconque des revendications précédentes et qui comprend :
    - un réacteur de gazéification (13) de type à lit fluidisé dense, ayant une sortie évacuant le gaz de synthèse combustible produit dans le réacteur de gazéification,
    - un premier dispositif d'alimentation (28) alimentant en continu une première entrée du réacteur de gazéification avec la quantité de déchets du deuxième type, de type vis doseuse permettant une alimentation en continu du réacteur de gazéification, sans introduction d'air parasite,
    - un four de fusion (151) ayant une première entrée alimentée par le gaz de synthèse (12) sortant du réacteur de gazéification au niveau de sa sortie,
    - un dispositif de liaison, notamment calorifugé, conduisant le gaz de synthèse combustible de la sortie du réacteur de gazéification à la première entrée du four de fusion,
    - un deuxième dispositif d'alimentation (27) alimentant en continu une deuxième entrée du four de fusion avec la quantité de déchets du premier type,
    - un bac de refroidissement (152), étant un bain d'eau, alimenté en entrée par la quantité de déchets du premier type en fusion coulant hors du four de fusion au niveau d'une première sortie du four de fusion,
    - un élément de vitrification pour transformer en vitrifiat (14) la quantité de déchets du premier type en utilisant le gaz de synthèse combustible produit par le réacteur de gazéification,
    - un moyen de coulée des déchets du premier type en fusion hors du four de fusion,
    - un moyen de refroidissement des déchets du premier type dans le bac de refroidissement d'une manière générant ledit vitrifiat, le bac de refroidissement étant un bain d'eau froide pour réaliser un refroidissement très rapide par une immersion dans ce bain d'eau froide et permettant un choc thermique,
    - un moyen de séparation des métaux ferreux préalablement contenus dans la quantité de déchets du premier type.
  15. Installation de traitement de déchets selon la revendication 14, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif d'échange thermique (21) entre l'air (20) admis dans le four de fusion au niveau d'une troisième entrée du four de fusion et les fumées (19) générées dans le four de fusion et/ou dans le bac de refroidissement, le dispositif d'échange thermique (21) étant notamment séparé du four de fusion.
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