EP3058278B1 - Procédé et unité de valorisation énergetique de déchets - Google Patents

Procédé et unité de valorisation énergetique de déchets Download PDF

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EP3058278B1
EP3058278B1 EP14799004.8A EP14799004A EP3058278B1 EP 3058278 B1 EP3058278 B1 EP 3058278B1 EP 14799004 A EP14799004 A EP 14799004A EP 3058278 B1 EP3058278 B1 EP 3058278B1
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EP
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waste
furnace
syngas
gasifier
combustion
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Carlos PEREGRINA
Sylvain AUJARD
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Suez International SAS
Original Assignee
Suez International SAS
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Publication date
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    • F23G5/008—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor adapted for burning two or more kinds, e.g. liquid and solid, of waste being fed through separate inlets
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    • F23N2241/00—Applications
    • F23N2241/18—Incinerating apparatus

Definitions

  • the invention relates to a process for the energy recovery of waste, of the type which comprises a step of incineration of waste in an oven for the production of thermal energy, process according to which a gasification of waste with a high PCI is carried out. to produce gas, and this gas is injected into the combustion chamber of the oven.
  • the ovens for implementing these processes are designed according to the average lower calorific value (average PCI) of the waste to be incinerated and according to the average flow, generally expressed in tonnes per hour (t/h) of waste to be treated.
  • average PCI average lower calorific value
  • t/h average flow
  • a maximum flow is determined, as well as a maximum oven power. When operating, these maximum values must be avoided, which could degrade the performance of the furnace.
  • the different combustible properties of the waste are managed upstream of the production furnace in an unloading pit.
  • the pit manager performs an empirical mixing of the incoming waste to provide an “adequate mix” to the combustion furnace.
  • This “adequate mix” depends on the know-how of the manager, and can be a source of errors in certain cases leading to an inadequate “mix” placing the flow/power couple of the furnace outside the operating zone considered normal.
  • the evolution of waste, in particular urban waste, over time, both in quantity (tonnage) and in lower calorific value (LCV) has the consequence that current waste differs significantly from those which were considered as a basis calculation during the design, a few years ago, of an energy recovery unit and its oven.
  • the operator will seek to operate the oven while avoiding exceeding the maximum power planned for construction. For this, if the waste has a relatively high PCI compared to what was taken into account during the design of the oven, the regulation will limit the mass flow of waste introduced into the oven so as not to risk exceeding the maximum power. ; this way of operating reduces the capacity of the recovery unit which will not operate at its maximum flow so that the processing time for a given quantity of waste will be longer.
  • waste collections are developing and some of these collections are reserved for waste with a high PCI, in particular for that qualified as B wood, that is to say coming from wooden furniture which has been discarded and which may have been shredded.
  • This waste must also be treated, without however being able to be introduced into the oven in question due to its high PCI.
  • EP 1 310 733 A1 describes an incineration process in which gas, produced in a gasification furnace, is injected into a burner section of a combustion furnace.
  • US 5,477,790 A describes an incineration process in which gas, produced in a combustion chamber, is injected into a mixing chamber connected to a burner.
  • the invention aims, above all, to optimize the operation of an existing waste energy recovery unit by making it operate, in a controlled manner, near the intersection of the maximum waste flow and the maximum power of the waste. oven.
  • the invention also aims to efficiently treat separately collected high PCI waste.
  • the gasifier is of the co-current type with introduction of high PCI waste into the upper part of the gasifier, introduction of oxidizing gasification agents, in particular air and/or oxygen (O 2 ) substantially at mid -height, the outlet of the gas produced being located in the lower part of the gasifier and being connected by at least one pipe to the combustion chamber of the oven.
  • oxidizing gasification agents in particular air and/or oxygen (O 2 ) substantially at mid -height
  • gasification of waste is carried out at a PCI greater than 12 MJ/kg.
  • the oven is operated at maximum flow and the power of the oven is controlled by the syngas flow so as to keep it equal to or close to the maximum power.
  • the syngas is advantageously used as fuel in a burner installed on a furnace combustion gas pipe, upstream of a reactor for catalytic denitrification of combustion gases.
  • the or each connecting pipe for the syngas is connected to a secondary air inlet of the combustion chamber of the oven.
  • a unit in which the combustion furnace is intended to operate between maximum power and minimum power, with a waste flow between a maximum flow and a minimum flow, the waste PCI being between a higher value and a lower value is characterized in that regulation is provided to adjust the flow rate of syngas injected into the furnace and to operate the furnace at its maximum power.
  • a solenoid valve can be installed on the connecting pipe and be controlled by the regulation for adjusting the flow of syngas injected into the furnace.
  • the gasifier is co-current, with downward flow, with supply in the upper part for high PCI waste, side supply for an oxidizing gasification agent, the outlet of the syngas produced being located in the lower part of the gasifier.
  • the combustion furnace can be a grate or roller furnace.
  • a unit comprising an installation for catalytic denitrification of the combustion gases of the furnace, with a burner installed on a combustion gas evacuation pipe, upstream of a denitrification unit, is characterized in that A syngas supply line to the burner is provided between the outlet of the gasifier and the burner, to supply the latter with syngas when the solids treated in the gasifier make it possible to generate a clean syngas.
  • Fig. 1 we can see a combustion diagram which defines the operating range of a furnace for the combustion of urban and/or industrial waste.
  • the power of the furnace expressed in MW (megawatts) is plotted on the ordinate, while the mass flow of waste introduced into the furnace is plotted on the abscissa and is expressed in tons/hour (t/h).
  • the power increases proportionally to the flow.
  • the iso-PCI curves are therefore straight lines starting from the origin O and whose slope is proportional to the PCI.
  • the line D1 corresponds to the iso-PCI mini curve while the line D2 corresponds to the iso-PCI max curve, these two PCIs having been taken into consideration when designing the oven.
  • the maximum admissible flow corresponds to a vertical line E2.
  • the maximum admissible power corresponds to a horizontal line P2.
  • a mass overload zone Zm corresponds to a vertical band between the line E2 of the maximum admissible continuous flow and a vertical line E3 corresponding to 110% of the maximum flow. Operation in this Zm zone remains acceptable but temporarily.
  • a thermal overheating zone Zt corresponds to a horizontal band between the line P2 of maximum power and a line P3 corresponding to 110% of the maximum power. Operation in this Zt zone remains acceptable, but it is preferable to avoid it.
  • Optimal operation corresponds to point B located at the intersection of the line P2 of maximum power and the vertical E2 of maximum flow.
  • the PCI of the waste must not exceed that defined by the line D4 iso-PCI coming from the origin O and which passes through the point B.
  • the operator will therefore endeavor to prepare waste mixtures corresponding to an iso-PCI line such as D5 located below D4 so as to be able to treat the maximum mass flow of waste, without exceeding the maximum power eligible.
  • This straight line D5 intersects the vertical E2 at the operating point B1 which corresponds to a power lower than the maximum power.
  • the unit of energy recovery includes a gasifier 1 ( Fig. 2 ) in which waste with a high PCI is gasified, in particular greater than 12 MJ/kg and which can reach 15 MJ/kg or more, constituting a solid with a high calorific value.
  • a gasifier 1 Fig. 2
  • High PCI waste is collected separately from usual urban or industrial waste.
  • High PCI waste consists in particular of biomass, wood waste, particularly wood B, which may result from the shredding of discarded furniture.
  • the gasifier 1 can be of any type.
  • the gasifier is of the co-current type with the introduction of high PCI waste into the upper part of the gasifier as symbolized by the arrow 2
  • the introduction of oxidizing gasification agents, in particular air and/or oxygen ( O 2 ) is carried out laterally, as symbolized by arrow 3, approximately halfway up.
  • the introduction of agents such as carbon dioxide (CO 2 ) and/or water (H 2 O) is also possible.
  • the outlet 4 of the gas produced by the gasifier, called syngas is located in the lower part of the gasifier and is connected by at least one pipe 5 to the combustion chamber 6 of an oven H for incinerating urban and/or industrial waste W .
  • the gasifier 1 is generally constituted by a cylindrical metal tower comprising, in the lower part, trigger means 7 to start combustion in the gasifier.
  • the means 7 can be electrical triggering means.
  • Line 5 is equipped with a solenoid valve 8 controlled by a regulation R which makes it possible to adjust the flow of syngas to ensure optimal combustion conditions in the oven H, which can be of any type.
  • the oven H is an oven with an inclined rack 9; the waste W to be burned is introduced into the upper part of this grid, and burns going down this grid.
  • the ashes 10 are evacuated in the lower part.
  • the primary combustion air is supplied by a blower 11 below the grille 9.
  • the combustion chamber 6 extends upwards above the grille 9 and has inlets 12 for secondary air.
  • line 5 is connected to at least one secondary air inlet so that the syngas is injected at the level of this secondary air in chamber 6, above the bed of burning waste.
  • Natural gas or fuel oil burners are provided in the furnace H to start combustion up to a given temperature of the gases in the chamber 6, this temperature generally being set at 850°C for the combustion gases, also called smoke.
  • the desired temperature in particular 850°C
  • the gas burners were put into action to maintain this temperature.
  • the injection of syngas into the combustion chamber 6, in particular at the level of the secondary air injection makes it possible to obtain and maintain the desired combustion temperature, without it being necessary to operate burners, in the event that the PCI of the waste is insufficient.
  • the operating point of the oven for a waste PCI corresponding to the iso-PCI line D5 would be located at point B2 at the intersection of E3 and D5.
  • the injection of syngas would then make it possible to move the operating point from B2 to B3 located on the vertical E3 and on the maximum power line P2 of the furnace.
  • the invention ensures the transformation of a solid with high calorific value into combustible gas by gasification, that is to say thermochemical oxidation in conditions below the stoichiometric relationship, which is coupled to an energy recovery unit.
  • the gasification of solid waste with high PCI makes it possible to supply the combustion furnace with syngas within the combustion hearth, advantageously at the level of the secondary air line using inlets already installed on the furnaces. In this way, it is possible to add any type of solid, including other waste, to the gasifier 1, in order to comply with the imposed standards, in particular the fumes in the combustion furnace brought to a temperature of 850°C for at least two seconds.
  • Fig. 3 is a diagram of a selective catalytic denitrification unit which can be provided in an energy recovery unit.
  • the combustion gases coming from the oven circulate in a pipe 13 to be introduced into a catalytic reactor 14 operating at a temperature of approximately 230°C.
  • Ammonia from a tank 15 is injected into line 13 upstream of reactor 14 for catalytic elimination of nitrogen oxides.
  • the gases leave the reactor 14 via a pipe 16 connected to the suction of a fan 17 which flows into an evacuation chimney 17a.
  • the nitrogen oxide content of the gases leaving the reactor 14 is measured by a probe 18.
  • Regulation is provided to control a valve 19 regulating the ammonia injection rate as a function of the nitrogen oxide content NOx supplied by the probe 18.
  • a burner 20 is installed on line 13, upstream of the ammonia injection.
  • the burner 20 is designed to allow the combustion gases to be heated up to 320°C before entering the reactor 14. According to the state of the art, the burner 20 is supplied with natural gas .
  • this syngas when the gasifier 1 is supplied with a solid fuel capable of providing clean syngas, that is to say not creating a risk for compliance with the thresholds imposed on gaseous discharges from energy recovery units, this syngas can be used as fuel by the burner 20, in order to reduce natural gas consumption during catalytic denitrification.
  • a pipe 21 provided with a valve 22 provides a connection between the syngas outlet of the gasifier and the fuel inlet of the burner 20. This connection is put into service, by opening the valve 22, when the solid fuel supplied to the gasifier allows you to obtain clean syngas.
  • Tests were carried out with class B wood as a high PCI solid feeding the gasifier.
  • the density of class B wood was 195 kg/m 3 .
  • the gasifier feed mass flow rate was 44 kg/h on average over several hours.

Description

  • L'invention est relative à un procédé de valorisation énergétique de déchets, du genre de ceux qui comprennent une étape d'incinération des déchets dans un four pour la production d'énergie thermique, procédé selon lequel on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé pour produire du gaz, et on injecte ce gaz dans la chambre de combustion du four.
  • Les fours pour la mise en oeuvre de ces procédés sont conçus en fonction du pouvoir calorifique inférieur moyen (PCI moyen) des déchets à incinérer et en fonction du flux moyen, généralement exprimé en tonnes par heure (t/h) de déchets à traiter. Un flux maximum est déterminé, ainsi qu'une puissance maximale du four. Lors de la conduite de l'exploitation, il faut éviter que ces valeurs maximales soient dépassées, ce qui risquerait de dégrader les performances du four.
  • Pour un rendement optimal du four, il est souhaitable de traiter un flux de déchets égal au, ou voisin du, flux maximum, en produisant la puissance maximale admissible. Toutefois, la puissance développée par le four, pour un flux massique donné de déchets, dépend du PCI (Pouvoir Calorifique Inférieur) des déchets traités.
  • Or le PCI d'un mélange de déchets, d'origines diverses, est variable. En outre les caractéristiques des déchets évoluent avec le temps, les produits consommés et leurs déchets se modifiant sur plusieurs années, selon les techniques de fabrication, et les habitudes de consommation.
  • Actuellement, les différentes propriétés combustibles des déchets sont gérées en amont du four de production dans une fosse de déchargement. Le gestionnaire de la fosse effectue un mélange empirique des déchets entrant pour apporter un « mix adéquat » au four de combustion. Ce « mix adéquat » dépend du savoir-faire du gestionnaire, et peut être une source d'erreurs dans certains cas conduisant à un « mix » inadéquat situant le couple flux/puissance du four en dehors de la zone de fonctionnement considérée comme normale. L'évolution des déchets, en particulier des déchets urbains, dans le temps, aussi bien en quantité (tonnage) qu'en pouvoir calorifique inférieur (PCI), a pour conséquence que les déchets actuels diffèrent sensiblement de ceux qui ont été considérés comme base de calcul lors de la conception, il y a quelques années, d'une unité de valorisation énergétique et de son four. On peut se retrouver avec des déchets à très haut PCI et à très bas PCI pour lesquels une simple opération de mélange empirique dans la fosse de déchargement ne suffit pas à conférer les caractéristiques souhaitées pour le mélange de déchets à introduire dans le four.
  • Il en résulte plusieurs inconvénients, en particulier les suivants.
  • En raison de l'incertitude sur le PCI des mélanges introduits dans le four, l'exploitant va chercher à exploiter le four en évitant de dépasser la puissance maximale prévue à la construction. Pour cela, si les déchets ont un PCI relativement élevé par rapport à ce qui a été pris en compte lors de la conception du four, la régulation va limiter le flux massique de déchets introduits dans le four pour ne pas risquer de dépasser la puissance maximale ; cette façon d'opérer réduit la capacité de l'unité de valorisation qui ne fonctionnera pas à son flux maximum de sorte que le temps de traitement d'une quantité donnée de déchets sera plus important.
  • Inversement, si la régulation sous-estime le PCI des déchets et fait travailler le four à son flux massique maximum, il peut y avoir dépassement de la puissance maximale du four.
  • Par ailleurs, les collectes sélectives de déchets se développent et certaines de ces collectes sont réservées aux déchets à PCI élevé, notamment à ceux qualifiés de bois B, c'est-à-dire provenant de meubles en bois qui ont été mis au rebut et qui peuvent avoir été déchiquetés. Ces déchets doivent également être traités, sans pour autant pouvoir être introduits dans le four considéré en raison de leur PCI élevé.
  • EP 1 310 733 A1 décrit un procédé d'incinération dans lequel du gaz, produit dans un four de gazéification, est injecté dans une section de brûleur d'un four de combustion. US 5 477 790 A décrit un procédé d'incinération dans lequel du gaz, produit dans une chambre de combustion, est injecté dans une chambre de mélange reliée à un brûleur.
  • L'invention a pour but, surtout, d'optimiser le fonctionnement d'une unité de valorisation énergétique de déchets existante en la faisant fonctionner, de manière contrôlée, au voisinage de l'intersection du flux maximal de déchets et de la puissance maximale du four. L'invention vise également à traiter efficacement les déchets à PCI élevé collectés séparément.
  • L'invention est relative à une unité de valorisation énergétique de déchets, pour la production d'énergie thermique, comprenant un four (H) pour la combustion de déchets, et une gazéification de déchets à PCI élevé, caractérisée en ce que :
    • le four (H) est un four pour la combustion de déchets à PCI relativement faible, inférieur à 8 MJ/kg,
    • elle comporte un gazogène dans lequel sont gazéifiés les déchets à PCI élevé, supérieur à 12 MJ/kg, constitués par de la biomasse et/ou des déchets de bois, notamment bois B, pour produire du syngas,
    • au moins une conduite de liaison est prévue entre la sortie du syngas produit par le gazogène, et la chambre de combustion du four, pour l'injection du syngas dans ladite chambre de combustion,
    • le four de combustion (H) est prévu pour fonctionner entre une puissance maximale (P2) et une puissance minimale, avec un flux de déchets compris entre un flux maximum (E2) et un flux minimum (E1), le PCI des déchets étant compris entre une valeur supérieure et une valeur inférieure, à déterminer de sorte à avoir un PCI relativement faible, inférieur à 8 MJ/kg,
    et en ce qu'une électrovanne est installée sur la conduite de liaison et est commandée par une régulation pour le réglage du débit de syngas injecté dans le four et pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale.
  • Avantageusement, le gazogène est du type à co-courant avec introduction des déchets à PCI élevé en partie haute du gazogène, introduction d'agents oxydants de gazéification, en particulier d'air et/ou d'oxygène (O2) sensiblement à mi-hauteur, la sortie du gaz produit étant située en partie inférieure du gazogène et étant reliée par au moins une conduite à la chambre de combustion du four.
  • De préférence, on effectue une gazéification de déchets à PCI supérieur à 12 MJ/kg.
  • Selon une solution avantageuse, on fait fonctionner le four au flux maximal et on contrôle, par le débit de syngas, la puissance du four de manière à la maintenir égale ou voisine de la puissance maximale.
  • Lorsque les déchets gazéifiés sont aptes à fournir un syngas propre, c'est-à-dire ne créant pas un risque sur le respect des seuils imposés pour les rejets gazeux des unités de valorisation énergétique, le syngas est avantageusement utilisé comme combustible dans un brûleur installé sur une conduite des gaz de combustion du four, en amont d'un réacteur pour une dénitrification catalytique des gaz de combustion.
  • De préférence, la ou chaque conduite de liaison pour le syngas est raccordée à une entrée d'air secondaire de la chambre de combustion du four.
  • Une unité dans laquelle le four de combustion est prévu pour fonctionner entre une puissance maximale et une puissance minimale, avec un flux de déchets compris entre un flux maximum et un flux minimum, le PCI des déchets étant compris entre une valeur supérieure et une valeur inférieure, est caractérisée en ce qu'une régulation est prévue pour régler le débit de syngas injecté dans le four et pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale. Une électrovanne peut être installée sur la conduite de liaison et être commandée par la régulation pour le réglage du débit de syngas injecté dans le four.
  • L'invention concerne également un procédé de valorisation énergétique de déchets mis en oeuvre dans une installation selon l'invention, comprenant une étape d'incinération de déchets dans un four (H) pour la production d'énergie thermique, procédé selon lequel on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé pour produire du gaz, et on injecte ce gaz dans la chambre de combustion du four, caractérisé en ce que :
    • les déchets incinérés dans le four (H) sont des déchets (W) urbains et/ou industriels,
    • les déchets à PCI élevé sont constitués par de la biomasse et/ou des déchets de bois, notamment bois B, à PCI supérieur à 12 MJ/kg et la gazéification de ces déchets est effectuée dans un gazogène pour produire du syngas, dont l'injection dans la chambre de combustion permet d'atteindre une puissance plus élevée du four sans augmenter le flux massique de déchets introduits,
    • le four (H) est prévu pour fonctionner entre une puissance maximale (P2) et une puissance minimale,
    • et en ce que l'on contrôle, par le débit de syngas, la puissance du four de manière à la maintenir égale ou voisine de la puissance maximale.
  • Avantageusement, le gazogène est à co-courant, à flux descendant, avec alimentation en partie haute pour les déchets à PCI élevé, alimentation latérale pour un agent oxydant de gazéification, la sortie du syngas produit étant située en partie inférieure du gazogène.
  • Le four de combustion peut être un four à grille ou à rouleaux.
  • Une unité, telle que définie précédemment, comportant une installation de dénitrification catalytique des gaz de combustion du four, avec un brûleur installé sur une conduite d'évacuation des gaz de combustion, en amont d'une unité de dénitrification, est caractérisée en ce qu'une conduite d'alimentation en syngas du brûleur est prévue entre la sortie du gazogène et le brûleur, pour alimenter ce dernier en syngas lorsque les solides traités dans le gazogène permettent de générer un syngas propre.
  • L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées cidessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins :
    • Fig. 1 est un diagramme de combustion illustrant le fonctionnement d'un four pour la combustion de déchets.
    • Fig. 2 est un schéma d'une unité de valorisation énergétique de déchets selon l'invention, et
    • Fig. 3 est un schéma d'une installation de dénitrification catalytique sélective avec brûleur.
  • En se reportant à Fig. 1 des dessins, on peut voir un diagramme de combustion qui définit le domaine de fonctionnement d'un four pour la combustion de déchets urbains et/ou industriels. La puissance du four exprimée en MW (mégawatts) est portée en ordonnée, tandis que le flux massique de déchets introduits dans le four est porté en abscisse et est exprimé en tonnes/heure (t/h).
  • Pour un PCI donné, la puissance augmente proportionnellement au flux. Les courbes iso-PCI sont donc des droites partant de l'origine O et dont la pente est proportionnelle au PCI. Sur le diagramme de Fig. 1, la droite D1 correspond à la courbe iso-PCI mini tandis que la droite D2 correspond à la courbe iso-PCI max, ces deux PCI ayant été pris en considération au moment de la conception du four.
  • Le flux maximum admissible correspond à une ligne verticale E2. La puissance maximale admissible correspond à une ligne horizontale P2.
  • La construction du diagramme de combustion est réalisée à partir des données sur le gisement de déchets à brûler, avec prise en compte de la capacité annuelle et du pouvoir calorifique inférieur PCI, du nombre de fours ou de lignes de fours, et de la puissance de la (ou des) chaudière(s). La procédure est la suivante :
    1. 1/ le flux maximum E2 de déchets entrants est une moyenne calculée sur l'année. On en déduit un flux minimum E1 comme étant un pourcentage du flux maximum, notamment 50 à 60 % du flux maximum. Le diagramme de Fig. 1 représente toutefois un flux E1 inférieur à cette valeur.
    2. 2/ La puissance minimale, selon la droite P1 est déduite de la puissance maximale suivant un pourcentage, notamment Pmin = 50 à 60 % de Pmax.
    3. 3/ On trace les droites iso-PCI limites D1 et D2, ainsi que la droite D3 correspondant à un PCI estimé pour les déchets à traiter, compris entre les limites.
    4. 4/ Les verticales E2 et E1 correspondant au flux max et au flux min sont tracées pour définir respectivement les limites droites et gauches du domaine de fonctionnement A du four.
    5. 5/ Les caractéristiques des déchets traités permettent de connaître le PCI max et le PCI min qui déterminent de nouvelles frontières.
  • En partie basse du domaine A, on peut identifier une zone A1 hachurée qui nécessite un apport d'énergie par des brûleurs depuis une source externe, pour un bon fonctionnement du four dans cette zone. L'exploitant de l'unité de valorisation cherchera à éviter la zone A1.
  • Les explications qui précèdent font apparaître que les unités de valorisation énergétique sont des outils relativement limités à une gamme de fonctionnements définie par les propriétés combustibles des déchets à incinérer. Une forte variation de ces propriétés combustibles n'est pas envisageable.
  • Sur le diagramme de Fig.1 une zone de surcharge massique Zm correspond à une bande verticale comprise entre la droite E2 du flux maximum admissible en continu et une droite verticale E3 correspondant à 110 % du flux maximum. Un fonctionnement dans cette zone Zm reste acceptable mais de manière temporaire.
  • Une zone de surchauffe thermique Zt correspond à une bande horizontale entre la droite P2 de puissance maxi et une droite P3 correspondant à 110 % de la puissance maxi. Un fonctionnement dans cette zone Zt reste acceptable, mais il est préférable de l'éviter.
  • Le fonctionnement optimal correspond au point B situé à l'intersection de la droite P2 de puissance maxi et de la verticale E2 de flux maxi.
  • D'après le diagramme de Fig. 1, pour être assuré de traiter le flux maxi de déchets, sans dépasser la puissance maximale du four, il faut que le PCI des déchets ne dépasse pas celui défini par la droite D4 iso-PCI issue de l'origine O et qui passe par le point B. L'exploitant va donc s'efforcer de préparer des mélanges de déchets correspondant à une droite iso-PCI telle que D5 située au-dessous de D4 de manière à pouvoir traiter le flux massique maximum de déchets, sans dépasser la puissance maxi admissible. Cette droite D5 coupe la verticale E2 au point B1 de fonctionnement qui correspond à une puissance inférieure à la puissance maximale.
  • Ainsi, avec des déchets peu calorifiques, on pourra traiter la charge massique correspondant au flux maximum pour lequel le four a été conçu mais il restera un "vide de four thermique" correspondant au segment vertical B1-B . La puissance sera inférieure à la puissance maxi, ce qui entraînera un rendement global de l'installation plus faible que celui pour lequel elle a été conçue.
  • Pour remédier à cet inconvénient, selon l'invention, l'unité de valorisation énergétique comporte un gazogène 1 (Fig. 2) dans lequel sont gazéifiés des déchets à PCI élevé, en particulier supérieur à 12 MJ/kg et pouvant atteindre 15 MJ/kg ou plus, constituant un solide à haut pouvoir calorifique. De tels déchets à PCI élevé sont collectés séparément des déchets urbains ou industriels usuels. Les déchets à PCI élevé sont constitués notamment par de la biomasse, des déchets de bois, notamment bois B, pouvant résulter du déchiquetage de meubles mis au rebut.
  • Le gazogène 1 peut être de tout type. Dans l'exemple représenté sur Fig. 2, le gazogène est du type à co-courant avec introduction des déchets à PCI élevé en partie haute du gazogène comme symbolisée par la flèche 2 L'introduction d'agents oxydants de gazéification, en particulier d'air et/ou d'oxygène (O2) est effectuée latéralement, comme symbolisée par la flèche 3, sensiblement à mi-hauteur. L'introduction d'agents tels que le dioxyde de carbone (CO2) et/ou l'eau (H2O) est également possible. La sortie 4 du gaz produit par le gazogène, appelé syngas, est située en partie inférieure du gazogène et est reliée par au moins une conduite 5 à la chambre de combustion 6 d'un four H pour incinérer des déchets W urbains et/ou industriels.
  • Le gazogène 1 est généralement constitué par une tour métallique cylindrique comportant, en partie basse, des moyens de déclenchement 7 pour faire démarrer la combustion dans le gazogène. Les moyens 7 peuvent être des moyens de déclenchement électriques.
  • La conduite 5 est équipée d'une électrovanne 8 commandée par une régulation R qui permet d'ajuster le débit de syngas pour assurer les conditions optimales de combustion dans le four H, qui peut être de tout type. Dans l'exemple illustré sur Fig. 2, le four H est un four à grille 9 inclinée ; les déchets W à brûler sont introduits en partie haute de cette grille, et brûlent en descendant sur cette grille. Les cendres 10 sont évacuées en partie basse. L'air primaire de combustion est fourni par une soufflante 11 au-dessous de la grille 9.
  • La chambre de combustion 6 s'étend vers le haut au-dessus de la grille 9 et comporte des entrées 12 pour l'air secondaire. Avantageusement, la conduite 5 est raccordée à au moins une entrée d'air secondaire de sorte que le syngas est injecté au niveau de cet air secondaire dans la chambre 6, au-dessus du lit de déchets en combustion. Des brûleurs à gaz naturel ou au fioul, non représentés, sont prévus dans le four H pour démarrer la combustion jusqu'à une température donnée des gaz dans la chambre 6, cette température étant généralement fixée à 850°C pour les gaz de combustion, également appelés fumées.
  • Lorsque le PCI des déchets est faible, il est possible que la température souhaitée, notamment 850°C, ne soit pas obtenue en régime permanent, auquel cas, selon l'état de la technique, les brûleurs à gaz étaient mis en action pour maintenir cette température.
  • Selon l'invention, l'injection de syngas dans la chambre de combustion 6, en particulier au niveau de l'injection d'air secondaire, permet d'obtenir et de maintenir la température souhaitée de combustion, sans qu'il soit nécessaire de faire fonctionner des brûleurs, dans le cas où le PCI des déchets est insuffisant.
  • Grâce à cette injection de syngas, il apparaît d'après le diagramme de Fig. 1 qu'avec un flux maximum de déchets traités qui, à lui seul, ne pourrait fournir que la puissance correspondant au point B1, l'injection contrôlée de syngas permet de passer au point de fonctionnement optimal B, à la verticale du point B1, sans avoir dépassé le flux maximum admissible de déchets.
  • Pour le cas où le flux de déchets traités serait inférieur au flux maxi et correspondrait à la verticale E3 de Fig. 1, le point de fonctionnement du four pour un PCI des déchets correspondant à la droite D5 iso-PCI se situerait au point B2 à l'intersection de E3 et D5. L'injection de syngas permettrait alors de faire passer le point de fonctionnement de B2 à B3 situé sur la verticale E3 et sur la ligne P2 de puissance maximale du four.
  • L'invention assure la transformation d'un solide à haut pouvoir calorifique en gaz combustible par gazéification, c'est-à-dire oxydation thermochimique dans des conditions en-dessous de la relation stoechiométrique, qui est couplée à une unité de valorisation énergétique.
  • De cette façon, on évite de mélanger deux solides ayant des PCI très différents dans le foyer de combustion d'un four, au sein de la grille. Ceci permet d'utiliser deux ou plusieurs combustibles solides ayant un pouvoir calorifique très différent, ainsi que d'autres caractéristiques de combustion différentes, dans une même unité de valorisation énergétique sans modifier le diagramme de combustion du four illustré sur Fig. 1.
  • Le mélange des combustibles ne devant pas se faire au sein de la grille de combustion ni dans la fosse de déchargement, afin de ne pas dégrader le diagramme de combustion du four prévu lors de sa construction, la gazéification des déchets solides à haut PCI, selon l'invention, permet d'alimenter le four de combustion en syngas au sein du foyer de combustion, avantageusement au niveau de la ligne d'air secondaire en se servant d'arrivées déjà installées sur les fours. De cette manière, il est possible d'ajouter tout type de solide, y compris d'autres déchets, dans le gazogène 1, afin de respecter les normes imposées, notamment des fumées dans le four de combustion portées à une température de 850°C pendant deux secondes au moins.
  • Fig. 3 est un schéma d'une unité de dénitrification catalytique sélective qui peut être prévue dans une unité de valorisation énergétique. Les gaz de combustion provenant du four circulent dans une conduite 13 pour être introduits dans un réacteur catalytique 14 fonctionnant à une température d'environ 230°C. De l'ammoniaque provenant d'un ré servoir 15 est injecté dans la conduite 13 en amont du réacteur 14 pour une élimination catalytique des oxydes d'azote. Les gaz sortent du réacteur 14 par une conduite 16 reliée à l'aspiration d'une soufflante 17 qui débite dans une cheminée d'évacuation 17a. La teneur en oxyde d'azote des gaz sortant du réacteur 14 est mesurée par une sonde 18. Une régulation est prévue pour commander une vanne 19 réglant le débit d'injection de l'ammoniaque en fonction de la teneur en oxyde d'azote NOx fournie par la sonde 18. Un brûleur 20 est installé sur la conduite 13, en amont de l'injection d'ammoniaque.
  • Dans le procédé de dénitrification catalytique, le brûleur 20 est prévu pour permettre le chauffage des gaz de combustion jusqu'à 320°C avant leur entrée dans le réacteur 14. Selon l'état de la technique, le brûleur 20 est alimenté en gaz naturel.
  • Selon l'invention, lorsque le gazogène 1 est alimenté en un combustible solide capable de fournir un syngas propre, c'est-à-dire ne créant pas un risque pour le respect des seuils imposés aux rejets gazeux des unités de valorisation énergétique, ce syngas peut être utilisé comme combustible par le brûleur 20, afin de réduire la consommation en gaz naturel lors de la dénitrification catalytique. Une conduite 21 munie d'une vanne 22 assure une liaison entre la sortie de syngas du gazogène et l'entrée de combustible du brûleur 20. Cette liaison est mise en service, par ouverture de la vanne 22, lorsque le combustible solide fourni au gazogène permet d'obtenir du syngas propre.
    • Essais
  • Des essais ont été effectués avec du bois de classe B comme solide à PCI élevé alimentant le gazogène. La densité du bois de classe B était de 195 kg/m3. Le débit massique d'alimentation du gazogène était de 44 kg/h en moyenne sur plusieurs heures.
  • La composition du syngas obtenu ainsi que son PCI exprimé en kWh/Nm3 sont donnés ci-après.
    • Syngas
  • Constituants % mol % masse PCI (kWh/Nm3)
    H2O 10 7,19
    H2 14 1,15 2,985
    CO 15 17,12 3,513
    CO2 12 20,58
    N2 46 51,37
    O2 1,4 1,73
    CH4 1,4 0,86 9,96
    Total 100 100 1,10
  • L'invention permet le couplage de la gazéification de biomasse/bois (déchets de bois, bois propre, bois biomasse) sur des unités de valorisation énergétique de déchets :
    • dans le foyer de combustion, pour un fonctionnement optimal du four thermique,
    • le cas échéant, au niveau de la dénitrification par voie catalytique, en substitution du gaz naturel.

Claims (7)

  1. Unité de valorisation énergétique de déchets, pour la production d'énergie thermique, comprenant un four (H) pour la combustion de déchets, et une gazéification de déchets à PCI élevé, caractérisée en ce que :
    - le four (H) est un four pour la combustion de déchets à PCI relativement faible, inférieur à 8 MJ/kg,
    - elle comporte un gazogène (1) dans lequel sont gazéifiés les déchets à PCI élevé, supérieur à 12 MJ/kg, constitués par de la biomasse et/ou des déchets de bois, notamment bois B, pour produire du syngas,
    - au moins une conduite de liaison (5) est prévue entre la sortie (4) du syngas produit par le gazogène, et la chambre de combustion (6) du four, pour l'injection du syngas dans ladite chambre de combustion,
    et en ce qu'une électrovanne (8) est installée sur la conduite de liaison (5) et est commandée par une régulation (R) pour le réglage du débit de syngas injecté dans le four et pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale.
  2. Unité selon la revendication 1, caractérisée en ce que la, ou chaque conduite de liaison (5) pour le syngas est raccordée à une entrée (12) d'air secondaire de la chambre de combustion du four.
  3. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le gazogène (1) est à co-courant, à flux descendant, avec alimentation (2) en partie haute pour les déchets à PCI élevé, alimentation latérale (3) pour un agent oxydant de gazéification, la sortie (4) du syngas produit étant située en partie inférieure du gazogène.
  4. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le four de combustion est un four à grille ou à rouleaux.
  5. Unité selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comportant une installation de dénitrification catalytique des gaz de combustion du four, avec un brûleur (20) installé sur une conduite d'évacuation (13) des gaz de combustion, en amont d'une unité de dénitrification (14), caractérisée en ce qu'une conduite (21) d'alimentation en syngas du brûleur (20) est prévue entre la sortie du gazogène et le brûleur, pour alimenter ce dernier en syngas lorsque les solides traités dans le gazogène permettent de générer un syngas propre.
  6. Procédé de valorisation énergétique de déchets mis en oeuvre dans une installation selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant une étape d'incinération de déchets dans un four (H) pour la production d'énergie thermique, procédé selon lequel on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé pour produire du gaz, et on injecte ce gaz dans la chambre de combustion (6) du four, caractérisé en ce que :
    les déchets incinérés dans le four (H) sont des déchets (W) urbains et/ou industriels,
    les déchets à PCI élevé sont constitués par de la biomasse et/ou des déchets de bois, notamment bois B, à PCI supérieur à 12 MJ/kg et la gazéification de ces déchets est effectuée dans un gazogène pour produire du syngas, dont l'injection dans la chambre de combustion (6) permet d'atteindre une puissance plus élevée du four sans augmenter le flux massique de déchets introduits,
    le four (H) est prévu pour fonctionner entre une puissance maximale (P2) et une puissance minimale,
    et en ce que l'on contrôle, par le débit de syngas, la puissance du four de manière à la maintenir égale ou voisine de la puissance maximale.
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le gazogène est du type à co-courant avec introduction des déchets à PCI élevé en partie haute du gazogène, introduction d'agents oxydants de gazéification, en particulier d'air et/ou d'oxygène (O2) sensiblement à mi-hauteur, la sortie (4) du gaz produit étant située en partie inférieure du gazogène et étant reliée par au moins une conduite (5) à la chambre de combustion (6) du four (H).
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