FR2679320A1 - Procede d'incineration de materiaux, notamment de graphite irradie. - Google Patents
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Abstract
Le procédé d'incinération d'un matériau (1) combustible comporte avant la combustion (13) les étapes de: - division (2) du matériau en particules, - incorporation (3) du matériau divisé dans un milieu aqueux à raison d'une proportion de solide par rapport au liquide au plus égale à 35 % en poids, - moussage et pressurisation de la suspension réalisés par incorporation d'un gaz comburant (10) d'additifs tensio-actifs (9) dans un mélangeur (8) de la suspension.
Description
La présente invention concerne un procédé pour incinérer du graphite, notamment du graphite irradié et plus généralement un matériau combustible, tel qu'un déchet, avec une production de fumées limitée, afin d'éviter un traitement important et coûteux de celles-ci.
L'incinération des déchets est l'une des méthodes les plus employées pour les dégrader. La protection de l'environnement impose cependant des contraintes de plus en plus sévères en ce qui concerne les rejets dans l'atmosphère, ce qui conduit à des installations de traitement des fumées importantes pour retenir les éléments indésirables et/ou polluants.
Il est donc utile de produire un minimum de fumées de manière à diminuer les volumes à traiter en sortie d' incinérateur.
Il est également utile d'éviter la production de composants gazeux nocifs (par exemple des oxydes d'azote) au cours de l'incinération et l'un des moyens permettant de limiter cette production est de limiter la température de combustion.
Il est enfin avantageux de pouvoir procéder à une combustion complète et de disposer d'une cinétique de réaction rapide.
Dans le but d'atteindre ces objectifs, l'invention propose un procédé d'incinération d'un matériau avec une préparation préalable de ce dernier.
Ainsi, conformément à l'invention, le procédé comporte, avant la combustion, la réalisation en continu des étapes suivantes
- division du matériau en particules,
- incorporation du matériau divisé dans un milieu aqueux additionné de produits moussants (tensio-actifs) à raison d'un maximum de 35 % à 45% en poids de solide selon la nature du solide considéré,
- élévation en pression de la suspens ion ainsi obtenue,
- et moussage de la suspension sous pression réalisé par incorporation d'un gaz comburant sous pression.
- division du matériau en particules,
- incorporation du matériau divisé dans un milieu aqueux additionné de produits moussants (tensio-actifs) à raison d'un maximum de 35 % à 45% en poids de solide selon la nature du solide considéré,
- élévation en pression de la suspens ion ainsi obtenue,
- et moussage de la suspension sous pression réalisé par incorporation d'un gaz comburant sous pression.
Le gaz comburant peut être de l'oxygène ou de l'air enrichi et la pression de la mousse obtenue sera de l'ordre de 2 à 10 bars, en fonction, soit de l'ouverture d'une vanne de régulation située avant le foyer de combustion, soit de la pression dans le foyer et de la perte de charge entre la sortie de la pompe et le foyer de combustion.
Le maximum de la fraction solide ( de 35 à45% en poids de la suspension) dépendra de la masse volumique apparente du solide pulvérisé et de son pouvoir calorifique inférieur. Par exemple, le graphite ayant un pouvoir calorifique et une masse volumique apparente élevés, la fraction solide sera de l'ordre de 35%. Pour des critères plus faibles, la fraction pourra être plus élévée sans que celà nuise au caractère pompable du produit ni conduise à une combustion trop chaude.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description d'un mode de réalisation donné ci-après à titre d'exemple, appliqué à l'incinération du graphite et notamment du graphite irradié.
Il sera fait référence au dessin annexé qui représente par une figure unique le schéma du procédé mis en oeuvre par l'invention.
Il existe actuellement un besoin de traiter par incinération le graphite usagé et irradié provenant du démantèlement de réacteurs nucléaires. Ce graphite se présente sous deux formes géométriques, en briques et en tubes. La qualité nucléaire du matériau est telle qu'il ne contient pratiquement que du carbone pur ; les impuretés sont en concentration très faibles. Afin de réduire le volume de ce graphite à stocker sous forme de déchets, il a été proposé de le broyer et de l'incinérer. Il a été en effet montré que la combustion est d'autant plus complète que le diamètre des particules est faible, que le temps de séjour dans le foyer de ces particules est important et que la vitesse relative gaz-solide est également importante.
Pour satisfaire à ces conditions, il a été retenu un foyer de type cyclone bien que ce foyer ne soit pas une solution parfaite à tous les problèmes rencontrés lors de cette combustion, notamment par le transport du solide divisé en particules très fines, et d'autre part du fait de la génération d'oxydes d'azote toxiques.
Par ailleurs, compte tenu du fait que le matériau à incinérer comporte des particules radio-actives, et qu'une fraction de ces particules se retrouveront entraînées par les fumées de la combustion, il est tout-à-fait indispensable de traiter ces fumées à la sortie de l'incinérateur, et le procédé de traitement sera d'autant plus économique que le volume de fumées sera le plus réduit possible.
La réponse à ces contraintes réside, selon l'invention, dans la préparation du combustible.
Le schéma représenté au dessin illustre une chaine de traitement et d'incinération d'un produit brut 1, qui dans le cas d'espèce, est du graphite. La première étape du traitement de ce produit consiste en un broyage 2. Le broyage peut consister en plusieurs étapes mettant en oeuvre plusieurs types d'appareils de manière à obtenir en sortie un produit pulvérulent de granulométrie appropriée (par exemple 80 % des particules dont le diamètre est inférieur à 200 p).
Ce broyage peut être réalisé en milieu humide pour éviter les dégagements de poussières et diminuer les risques d'explosion qui en résultent, et également obtenir une fluide qui est transportable au moyen de pompes.
Le graphite pulvérulent obtenu à la sortie des broyeurs 2 est additionné d'eau dans un mélangeur 3. A l'aide d'une pompe 4, la circulation continue du produit issu du mélangeur 3 est assurée en direction par exemple d'un détecteur de concentration 5 (agissant par mesure de la viscosité par exemple) pour aboutir à un mélangeur 6 d'ajustement de cette concentration par addition d'eau. Le produit sortant de ce mélangeur 6 aura une teneur au plus égale à 35 % de particules solides. I1 s'agit là d'une suspension aqueuse relativement chargée qui est très facilement pompable. Cette suspension est à l'aide d'une pompe 7 introduite dans un mélangeur 8 destiné à fabriquer un mélange triphasique liquide-solide-gaz. Pour ce faire, on introduit dans le mélangeur, outre la suspens ion à transformer en mousse, des adjuvents tensio-actifs 9 et un gaz de foisonnement 10.Dans le cas présent le gaz sera de l'oxygène.
Grâce à une vanne de régulation de pression 11 en aval de la pompe ou à la perte de charge du circuit, on peut obtenir une mousse pressurisée, par exemple entre 2 et 10 bars. La pressurisation de la mousse présente un double intérêt : tout d'abord elle devient autopropulsive par détente partielle dans les conduites d'alimentation 12 d'un foyer de combustion 13, et d'autre part la détente de cette mousse dans le foyer en favorise son injection.
Le foyer 13 est un foyer cyclone connu en lui-même qui présente les avantages rappelés ci-dessus en ce qui concerne le temps de séjour des particules et la vitesse relative gaz-solide, pour accéder à une combustion complète du produit. De l'oxygène 14 est introduit dans le foyer 13 comme gaz de combustion. On notera que la combustion peut comporter un étage de post-combustion. Les cendres sont recueillies dans un cendrier 15 tandis que les fumées 16 sont conduites dans un refroidisseur à eau 17 qui permet de condenser la vapeur d'eau produite par la combustion. Ce refroidisseur incluera un dévésiculiseur retenant les gouttelettes d'eau. Les fumées ainsi débarrassées des effluents aqueux, passent dans un réchauffeur 18 qui les place à une température au-dessus du point de rosée pour éviter toute condensation qui pourrait être nuisible au fonctionnement des filtres à très haute efficacité 19 traversés par les fumées.
Ces filtres permettent de piéger les résidus solides 20 tandis que la phase gazeuse des fumées est transmise à l'atmosphère par un ventilateur d'extraction et une cheminée 22.
Afin d'illustrer l'intérêt de la préparation du graphite sous forme d'une mousse chargée à base aqueuse (mélange triphasique eau, oxygène, graphite), on donnera ciaprès des éléments comparatifs entre une incinération réalisée au moyen d'une technologie connue (par exemple en lit fluidisé) et une incinération par foyer cyclone avec le combustible introduit sous forme de mousse.
<tb>
<SEP> Foyer <SEP> cyclone <SEP> Lit <SEP> fluidisé
<tb> II
<tb> <SEP> Combustible
<tb> <SEP> Composition <SEP> massique <SEP> (%)
<tb> <SEP> H2O <SEP> 80 <SEP> ~ <SEP>
<tb> <SEP> débit <SEP> massique <SEP> (kg/h) <SEP> 750 <SEP> 150
<tb> <SEP> Comburant <SEP> 02 <SEP> air
<tb> <SEP> débit <SEP> massique <SEP> (kg/H) <SEP> 480 <SEP> 2900
<tb> <SEP> Fumées
<tb> <SEP> Température <SEP> (OC) <SEP> 1200 <SEP> 1200
<tb> <SEP> débit <SEP> massique <SEP> (kg/h) <SEP> 1230 <SEP> 3050
<tb> <SEP> comp.<SEP> massique <SEP> (%)
<tb> <SEP> CO2 <SEP> 44,7 <SEP> 18
<tb> <SEP> H20 <SEP> 48,8
<tb> <SEP> N2 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 73,1
<tb> <SEP> 02 <SEP> 6,5 <SEP> 8,9
<tb>
On remarque de ce tableau une réduction de 60 % du débit massique des fumées produites par la combustion du graphite en foyer cyclone par rapport à celles en lit fluidisé. En outre, les fumées en sortie du foyer cyclone contiennent pratiquement 50 % d'eau. Ainsi les fumées à traiter avant rejet dans l'atmosphère sont 78 % moins importantes en masse lors d'une incinération dans un foyer cyclone que lors d'une incinération en lit fluidisé. On comprend donc que les installations de filtration et d'épuration sont beaucoup moins importantes dans une technique que dans l'autre.
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On remarque de ce tableau une réduction de 60 % du débit massique des fumées produites par la combustion du graphite en foyer cyclone par rapport à celles en lit fluidisé. En outre, les fumées en sortie du foyer cyclone contiennent pratiquement 50 % d'eau. Ainsi les fumées à traiter avant rejet dans l'atmosphère sont 78 % moins importantes en masse lors d'une incinération dans un foyer cyclone que lors d'une incinération en lit fluidisé. On comprend donc que les installations de filtration et d'épuration sont beaucoup moins importantes dans une technique que dans l'autre.
De ce tableau on comprend également l'intérêt de procéder, d'une part à la formation d'une mousse à partir d'oxygène (bien que cet oxygène ne représente que moins de 4% de l'oxygène nécessaire à la combustion du produit) et d'autre part et surtout, à utiliser comme comburant de l'oxygène pur : on évite ainsi la production d'oxydes d'azote.
L'utilisation d'une mousse aqueuse facilite grandement la conduite du foyer d'incinération puisque la production de vapeurs d'eau tend à abaisser la température et la régulation de la charge en solide de la mousse permet de réaliser une régulation simple du fonctionnement du four, voire son extinction en cas d'urgence si on supprime totalement le solide combustible de la mousse.
Enfin, on ajoutera qu'il est possible d'inclure une fraction relativement faible de liquide combustible pollué (par exemple une huile usagée ou contaminée) dans la suspension avant foisonnement.
Claims (2)
1. Procédé d'incinération d'un matériau (1) combustible caractérisé en ce qu'il compprte avant la combustion (13) la réalisation en continu des étapes suivantes
- division (2) du matériau en particules,
- incorporation (3) du matériau divisé dans un milieu aqueux à raison d'une proportion maximale de solide par rapport au liquide de 35 % à 45% en poids
- élévation de la pression de la suspension ainsi réalisée,
- et moussage de la suspens ion pressurisée réalisé par incorporation d'un gaz comburant (10) et d'additifs tensio-actifs (9) dans un mélangeur (8) de la suspension.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz comburant est de l'oxygène.
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