FR2739793A1 - Treatment of ash or waste gases to render them inert - Google Patents
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Abstract
Description
Les exigences récentes du public en matière de protection de l'environnement conduisent de plus en plus de municipalités à opter pour un système d'incinération des ordures ménagères dans le but d'éviter d'engorger les décharges classiques. Cependant, l'incinération produit des résidus qui eux aussi posent des problèmes.Recent public demands for environmental protection are leading more and more municipalities to opt for a household waste incineration system in order to avoid clogging up conventional landfills. However, incineration produces residues which are also problematic.
Les mâchefers, récupérés relativement facilement et recyclables, malgré la présence sur leur surface d'une quantité variable de poussières, sont utilisés dans divers matériaux et ne sont pas considérés comme des déchets ultimes. Par contre, les cendres volantes ou les particules piégées par les filtres et le lavage des fumées produisent des refiom : résidus de fumées d'incinération d'ordures ménagères. La législation pousse à traiter ces déchets ultimes dans le but de les inerter ou éventuellement de les revaloriser. En effet, leur transport et stockage dans les décharges de classe I présentent des risques. Les normes précisent aussi les conditions de résistance à la lixivitation et la friabilité des produits inertés destinés à être enfouis.Clinkers, recovered relatively easily and recyclable, despite the presence on their surface of a variable amount of dust, are used in various materials and are not considered as ultimate waste. On the other hand, fly ash or particles trapped by filters and the washing of smoke produce refiom: smoke residues from the incineration of household waste. The legislation pushes to treat this ultimate waste in order to inert it or possibly to recycle it. Indeed, their transport and storage in class I landfills present risks. The standards also specify the conditions of resistance to leaching and the friability of inert products intended to be buried.
Les Réfiom ont fait l'objet de nombreuses études visant à les transformer ou les inclure dans divers produits. Ainsi, il a été proposé dans certains pays de les diluer avec des déchets ordinaires, de les compacter en briquettes par simple adjonction d'eau, de les inclure dans du gypse, du ciment, du verre, du bitume.Refioms have been the subject of numerous studies aimed at transforming them or including them in various products. Thus, it has been proposed in certain countries to dilute them with ordinary waste, to compact them into briquettes by simple addition of water, to include them in gypsum, cement, glass, bitumen.
De nombreux procédés font l'objet de brevets, mais il n'existe pas de solution idéale qui permette de réellement rendre les refiom traités totalement inertes.Many processes are the subject of patents, but there is no ideal solution which makes it possible to actually make the treated refiom completely inert.
Un brevet allemand décrit une méthode de lavage à l'eau qui permet d'introduire les refiom lavés dans un ciment qui résiste bien à la lixivitation, mais les sels métalliques récupérés par évaporation de la solution aqueuse doivent être considérés. Il en va de même pour le procédé de Corning ou les refiom traités sont analysés et certains ajouts dosés dans le but d'obtenir un verre par fusion de l'ensemble. Les procédés de vitrification par torche à plasma génèrent aussi beaucoup de fumées et causent l'évaporation du mercure et des dégagements de chlore. Quant à l'incorporation dans les ciments, la présence d'éléments hétérogènes ioniques ne favorise pas la stabilisation du solide obtenu qui devient poreux avec le temps et l'humidité.A German patent describes a method of washing with water which makes it possible to introduce the refiom washed in a cement which resists leaching well, but the metal salts recovered by evaporation of the aqueous solution must be considered. The same goes for the Corning process where the treated refiom are analyzed and certain additions dosed in order to obtain a glass by melting the whole. The plasma torch vitrification processes also generate a lot of smoke and cause the evaporation of mercury and the release of chlorine. As for incorporation into cements, the presence of heterogeneous ionic elements does not promote the stabilization of the solid obtained which becomes porous with time and humidity.
Nous décrivons maintenant notre invention qui permet de résoudre de façon économique le problème de l'inertage des refiom. Ce procédé peut aussi traiter des résidus de calcination de produits industriels.We now describe our invention which makes it possible to economically solve the problem of inerting refiom. This process can also treat calcination residues from industrial products.
La méthode, dénommée procédé apatitique, consiste globalement à extraire une majorité des chlorures solubles des refiom sous forme de sels d'alcali et à pièger les espèces minérales restantes dans une matrice d'apatite. Cette méthode s'adapte bien aux refiom secs, humides, neutralisés à la chaux ou au carbonate de sodium ou encore contenant même des impuretés inhabituelles. Il existe donc plusieurs manières de traiter les refiom par le procédé apatitique qui se différencient par l'apport en acide phosphorique et en calcium mais qui ont en commun l'obtention d'une phase apatitique. Nous expliquons maintenant l'importance et la portée du procédé apatitique.The method, known as the apatite process, generally consists in extracting a majority of the soluble chlorides from the refiom in the form of alkali salts and in trapping the remaining mineral species in an apatite matrix. This method adapts well to dry, wet refiom, neutralized with lime or sodium carbonate or even containing unusual impurities. There are therefore several ways of treating refiom by the apatitic process which are differentiated by the supply of phosphoric acid and calcium but which have in common the obtaining of an apatitic phase. We now explain the importance and scope of the apatitic process.
Lorsqu'on mélange des ions phosphates avec des ions calcium, on obtient une solution, à pH acide, qui donne un gel à pH neutre ou basique. Ce gel a généralement une composition chimique déterminée par la cinétique de précipitation du phosphate tricalcique, Ca3 (PO4)2.Ce gel se transforme plus ou moins rapidement, selon la température, le pH et l'excès de calcium, en hydroxylapatite, Cas (PO4)3 (OH) dont le rapport atomique Ca/P est de 1,667, soit voisin de celui du phosphate tricalcique qui est de 1,5. Même en l'absence d'excès de calcium, une phase apatitique peut être obtenue par disproportionation à cause du produit de solubilité inférieur de l'apatite.When phosphate ions are mixed with calcium ions, a solution is obtained, at acidic pH, which gives a gel at neutral or basic pH. This gel generally has a chemical composition determined by the precipitation kinetics of the tricalcium phosphate, Ca3 (PO4) 2. This gel transforms more or less rapidly, depending on the temperature, the pH and the excess of calcium, into hydroxylapatite, Cas ( PO4) 3 (OH) with an atomic ratio Ca / P of 1.667, or close to that of tricalcium phosphate which is 1.5. Even in the absence of excess calcium, an apatitic phase can be obtained by disproportionation due to the lower solubility product of apatite.
La fabrication d'un réseau apatitique est intéressante pour plusieurs raisons. En premier lieu, le procédé apatitique s'apparente à un procédé sol-gel, comparable à ceux issus de l'hydrolyse du tétraéthoxysilane ou des titanates ou zirconates.The construction of an apatite network is interesting for several reasons. First, the apatitic process is similar to a sol-gel process, comparable to those resulting from the hydrolysis of tetraethoxysilane or titanates or zirconates.
L'avantage est que le procédé apatitique forme le gel sans catalyse ni acide ni basique et sans perte de produits volatils. De plus, le gel est stable et formé à pH neutre. Ce gel de phosphate calcique conduit à une dispersion fine et stable et une bonne coagulation des refiom avec une concentration pouvant descendre jusqu'à 5 % en poids de phosphate alcalino-terreux par rapport au poids des autres espèces minérales. Le gel amorphe permet une filtration aisée et une solidification des refiom avec séparation de la phase aqueuse, avec formation simultanée ou ultérieure, lors du séchage, de la matrice apatitique.Ce procédé apatitique suffit donc à lui seul à rassembler les particules microscopiques de fumées sans nécessiter le recours à des tensioactifs ou coagulants organiques ou minéraux genre floculent, aluns hydroydes de fer ou silicates mais sans exclure la possibilité d'utiliser ces additifs. Les réfiom traités par procédé apatitique peuvent être incorporés dans des ciments classiques ou spéciaux.The advantage is that the apatitic process forms the gel without catalysis neither acid nor basic and without loss of volatile products. In addition, the gel is stable and formed at neutral pH. This calcium phosphate gel leads to a fine and stable dispersion and good coagulation of the refiom with a concentration which can go down to 5% by weight of alkaline-earth phosphate relative to the weight of the other mineral species. The amorphous gel allows easy filtration and solidification of the refiom with separation of the aqueous phase, with simultaneous or subsequent formation, during drying, of the apatitic matrix. This apatitic process is therefore sufficient in itself to collect the microscopic particles of smoke without require the use of organic or mineral flocculent surfactants or coagulants, iron hydrous alum or silicates but without excluding the possibility of using these additives. Refioms treated by the apatite process can be incorporated into conventional or special cements.
Le deuxième avantage décisif du procédé apatitique est la formation progressive de l'hydroxylapatite, minéral insoluble à pH neutre et stable dans l'environnement géologique naturel. Cette phase apatitique est utile pour la suite des opérations grâce à la capacité de substitution dans la maille cristalline hexagonale. En effet, les ions calciques et phosphates et hydroxydes de l'hydroxylapatite peuvent être remplacés, individuellement ou simultanément par d'autres ions comme par exemple magnésium, plomb, vanadates, sulphates, chlorures, fluorures, etc. Ces apatites substituées permettent de piéger des ions indésirables dans la maille cristalline ou par enrobage des particules. Ainsi, le procédé apatitique fonctionne à l'échelle atomique et microscopique simultanément.Il est connu que l'apatite arrive à diminuer la concentration aqueuse des ions plomb même en présence de nitrates et autres anions.The second decisive advantage of the apatitic process is the progressive formation of hydroxylapatite, an insoluble mineral at neutral pH and stable in the natural geological environment. This apatitic phase is useful for the continuation of the operations thanks to the capacity of substitution in the hexagonal crystalline mesh. Indeed, the calcium ions and phosphates and hydroxides of the hydroxylapatite can be replaced, individually or simultaneously by other ions such as for example magnesium, lead, vanadates, sulphates, chlorides, fluorides, etc. These substituted apatites make it possible to trap unwanted ions in the crystal lattice or by coating the particles. Thus, the apatite process works on the atomic and microscopic scale simultaneously. It is known that apatite can decrease the aqueous concentration of lead ions even in the presence of nitrates and other anions.
Nous poursuivons maintenant avec une description des conséquences du procédé apatitique. Le gel renfermant les refiom est hydraté, mais se présente sous forme de gâteau ressemblant à ceux obtenus par les procédés de décantation filtre presse. Le séchage conduit à un solide macroscopique dans lequel les particules de refiom sont agglomérées et purifiées de la majorité des chlorures solubles. Les chlorures résiduels sont piégés dans la matrice apatitique et n'interfèrent pas avec la suite du processus. Il existe plusieurs débouchés pour les réfiom traités par le procédé apatitique. Si une grande quantité de phosphate de calcium est fabriquée par rapport au reste des minéraux, on peut envisager, par deshydratation suivie d'une lente cristallisation, inerter ce produit.We now continue with a description of the consequences of the apatitic process. The gel containing the refiom is hydrated, but is in the form of a cake resembling those obtained by the filter press decantation processes. The drying results in a macroscopic solid in which the refiom particles are agglomerated and purified from the majority of soluble chlorides. The residual chlorides are trapped in the apatitic matrix and do not interfere with the rest of the process. There are several outlets for refioms treated by the apatitic process. If a large quantity of calcium phosphate is produced compared to the rest of the minerals, one can consider, by dehydration followed by a slow crystallization, to inert this product.
Une calcination peut être effectuée pour s'assurer de l'insolubilisation du solide.Calcination can be carried out to ensure the insolubilization of the solid.
En revanche, si un minimum de phosphate de calcium est présent en fin de traitement, le solide résultant se prête bien au transport ou à la manutention dans le but de procéder à une vitrification par four à arc. En effet, l'élimination des chlorures permet d'éviter la corrosion des électrodes de graphite et de vitrifier les réfiom traités de façon plus efficace et economique que par une calcination ou par une torche à plasma. Le four à arc permet de transformer la masse fondue en vitrifiats divers sous forme de fibres, billes poreuses, blocs, etc, ce qui n'est pas faisable par les autres procédés. On peut donc dire que le procédé apatitique est la première étape dans un processus de revalorisation ou de recyclage des réfiom.On the other hand, if a minimum of calcium phosphate is present at the end of treatment, the resulting solid lends itself well to transport or handling with the aim of carrying out vitrification by arc furnace. Indeed, the elimination of chlorides makes it possible to avoid corrosion of the graphite electrodes and to vitrify the refiom treated more efficiently and economically than by calcination or by a plasma torch. The arc furnace makes it possible to transform the melt into various vitrifiates in the form of fibers, porous beads, blocks, etc., which is not feasible by the other processes. We can therefore say that the apatite process is the first step in a process of upgrading or recycling refiom.
Dans le cas du procédé minimum, outre la vitrification, le procédé d'incorporation dans un ciment est facilité. En effet, on sait que l'apatite présente dans le ciment protège celui-ci de la dégradation par les carbonates ou chlorures aqueux grâce à ses propriétés amphotères. Le ciment dérivé a donc de bonnes propriétés mécaniques dans le temps et une bonne résistance à la lixiviation.In the case of the minimum process, in addition to vitrification, the process of incorporation into a cement is facilitated. In fact, it is known that the apatite present in the cement protects it from degradation by aqueous carbonates or chlorides thanks to its amphoteric properties. Derived cement therefore has good mechanical properties over time and good resistance to leaching.
Un autre avantage du procédé apatitique provient de la réutilisation, s'il y a lieu, de la chaux utilisée pour piéger l'acide chlorhydrique gazeux dans la production de la matrice d'inertage. L'efficacité du procédé permet en plus d'envisager l'incorporation, dans le procédé apatitique des résidus d'épuration des eaux de lavage, genre boues d'hydroxydes de métaux toxiques, même ceux contenant de faibles quantités de sulfures qui libéreront des sulfates lors de traitements thermiques aériens. Pour éviter cela, seront de préférence incorporés dans des ciments les résidus contenant trop de sulfures metalliques. Les boues d'hydroxydes contenant des sulfures pourront être ajoutées au gel phosphocalcique après sa formation, c'est-à-dire à pH neutre ou basique, et dans des lots particuliers qui concentreront les ions metalliques.Dans les autres cas, pour minimiser les coûts, l'acidification peut être faite avec de l'acide sulfurique contenant le minimum d'acide phosphorique pour pouvoir réagir avec le calcium présent ou ajouté dans le but de former le gel phosphocalcique.Another advantage of the apatitic process comes from the reuse, if necessary, of the lime used to trap gaseous hydrochloric acid in the production of the inerting matrix. The efficiency of the process also makes it possible to envisage incorporating, in the apatitic process, residues from the purification of washing water, such as toxic metal hydroxide sludges, even those containing small quantities of sulfides which will release sulfates. during aerial heat treatments. To avoid this, residues containing too much metal sulphides will preferably be incorporated into cements. Hydroxide sludges containing sulphides may be added to the phosphocalcic gel after its formation, i.e. at neutral or basic pH, and in special batches which will concentrate the metal ions. In other cases, to minimize the costs, the acidification can be done with sulfuric acid containing the minimum of phosphoric acid to be able to react with the calcium present or added in order to form the phosphocalcic gel.
Ainsi, le procédé apatitique résoud globalement tous les problèmes: ceux posés par la présence de métaux toxiques solides comme ceux posés par la présence d'ions toxiques dans la phase aqueuse de lavage qui sont traités par les procédés classiques d'épuration des ions et recyclés avec les refiom solides. C'est un procédé complet qui ne génère pas de nouveaux résidus toxiques. En plus de la possibilité de générer une quantité variable d'apatite par le procédé sol-gel, il est possible d'augmenter la résistance à l'érosion acide ou basique des refiom traités en les mélangeant avec des poudres d'apatite de granulométrie comprise entre 1 et 20 micromètres.Thus, the apatitic process globally solves all the problems: those posed by the presence of solid toxic metals such as those posed by the presence of toxic ions in the aqueous washing phase which are treated by the conventional methods of purifying the ions and recycled. with solid refiom. It is a complete process which does not generate new toxic residues. In addition to the possibility of generating a variable amount of apatite by the sol-gel process, it is possible to increase the acid or basic resistance to erosion of the treated refiom by mixing them with apatite powders of grain size included. between 1 and 20 micrometers.
Les refiom obtenus par traitement des fumées par le carbonate de sodium posent un cas particulier: ils dégagent du gaz carbonique au contact de l'eau acidulée.The refiom obtained by treatment of the fumes with sodium carbonate pose a special case: they give off carbon dioxide in contact with acidulated water.
Cependant, leur basicité est utile et permet d'économiser la soude utilisée pour neutraliser l'acide phosphorique et obtenir le gel phosphocalcique. Ainsi, en combinant deux tiers de refiom traités à la chaux avec un tiers de refiom traités au carbonate de sodium, on obtient un résidu final compact insoluble et élimination d'une part de gaz carbonique et d'autre part dans la phase aqueuse de NaCl provenant de la décomposition de CaCl2. Dans ce cas il est préférable d'ajouter, dans l'ordre, les refiom traités à la chaux, l'acide phosphorique, et enfin les refiom traités au carbonate de calcium.However, their basicity is useful and saves the soda used to neutralize the phosphoric acid and obtain the phosphocalcic gel. Thus, by combining two thirds of refiom treated with lime with a third of refiom treated with sodium carbonate, one obtains a final insoluble compact residue and elimination on the one hand of carbon dioxide and on the other hand in the aqueous phase of NaCl from the decomposition of CaCl2. In this case it is preferable to add, in order, the refioms treated with lime, phosphoric acid, and finally the refioms treated with calcium carbonate.
Enfin, dans le cas de cendres volantes non traitées, il peut être utile d'ajouter de la chaux, de l'acide phosphorique puis de la soude ou alors d'introduire la chaux et l'acide phosphorique en rapport atomique Ca/P environ 1,5, puis un excès de chaux pour obtenir un pH neutre ou légèrement basique avec élimination des chlorures éventuels sous forme de sels solubles de calcium. Cette procédure permet de minimiser le nombre de produits stockés et utilisés pour le traitement.Finally, in the case of untreated fly ash, it may be useful to add lime, phosphoric acid and then soda or else to introduce lime and phosphoric acid in atomic ratio Ca / P 1.5, then an excess of lime to obtain a neutral or slightly basic pH with elimination of any chlorides in the form of soluble calcium salts. This procedure minimizes the number of products stored and used for processing.
Nous présentons un exemple typique, mais non limitatif, qui illustre les étapes de l'invention.We present a typical, but non-limiting example, which illustrates the steps of the invention.
Pour 1 kg de refiom sec on ajoute deux litres d'eau et sous agitation on introduit un phosphate acide jusqu'à l'obtention d'un pH < 6 et de préférence situé entre 4 et 5.Dans le cas d'un réfiom préalablement traité à sec par de la chaux pour pièger le chlore, le phosphate acide peut-être simplement de l'acide phosphorique industriel à un dosage compris entre 30 et 50 ml pour le traitement dit minimum. Pour un réfiom préalablement non traité ou traité à sec par le carbonate de soude, le phosphate acide peut être de l'hydrogénophosphate de calcium ou une solution d'acide phosphorique partiellement neutralisée à la chaux.Après mélange et homogénéisation de la suspension acide, une dose de calcium est rajoutée dans le but d'ajuster le rapport atomique Ca/P pour que la concentration de calcium ne soit pas inférieure à la concentration en phosphore, en tenant compte de l'analyse des espèces mobilisables présentes avant le traitement par le procédé apatitique. Cet apport en calcium peut se faire avec un sel soluble genre chlorure ou nitrate, mais de préférence avec du lait de chaux. Le pH est ensuite ajusté dans la fourchette 6,5 à 10 et de préférence à 7 pour produire le gel phosphocalcique. Cette neutralisation peut être faite avec une base alcaline ou alcalino-terreuse (NaOH ou CaOH2).For 1 kg of dry refiom, two liters of water are added and, with stirring, an acid phosphate is introduced until a pH <6 and preferably between 4 and 5 is obtained. In the case of a refiom beforehand dry treated with lime to trap chlorine, acid phosphate may simply be industrial phosphoric acid at a dosage of between 30 and 50 ml for the so-called minimum treatment. For a refiom previously untreated or dry treated with sodium carbonate, the acid phosphate can be calcium hydrogen phosphate or a phosphoric acid solution partially neutralized with lime. After mixing and homogenization of the acid suspension, a calcium dose is added in order to adjust the Ca / P atomic ratio so that the calcium concentration is not less than the phosphorus concentration, taking into account the analysis of the mobilizable species present before treatment by the process apatitic. This calcium intake can be made with a soluble salt such as chloride or nitrate, but preferably with whitewash. The pH is then adjusted in the range 6.5 to 10 and preferably 7 to produce the phosphocalcic gel. This neutralization can be done with an alkaline or alkaline earth base (NaOH or CaOH2).
Après homogéneisation du mélange par agitation, une filtration sépare aisément la phase solide de la phase aqueuse. La filtration peut se faire dans les minutes qui suivent la formation du gel. Comme la formation du gel est rapide, l'ensemble du procédé est contrôlé simplement par la cinétique des mélanges. Le produit solide obtenu peut contenir 30 % d'humidité résiduelle avant séchage.After homogenization of the mixture by stirring, filtration easily separates the solid phase from the aqueous phase. Filtration can be done within minutes of gel formation. As the gel formation is fast, the whole process is controlled simply by the kinetics of the mixtures. The solid product obtained may contain 30% residual moisture before drying.
Dès ce stade il peut être incorporé dans un ciment hydraulique ou un liant polymèrique hydrophile, mais le procédé le plus économique consiste à le laisser durcir par séchage à l'air.From this stage it can be incorporated into a hydraulic cement or a hydrophilic polymeric binder, but the most economical method consists in letting it harden by air drying.
Par la suite1 le produit sec s'effrite facilement surtout dans le procédé minimum, si bien qu'on peut facilement le mélanger avec du calcin de verre recyclé ou des borates dans le but d'obtenir une masse vitrifiable à basse température. lkg de réfiom sec produit de lkg à lkg200 de réfiom traité, selon la quantité de phosphate ajoutée et de lkg à 1,5kg de vitrifiat selon la quatité d'ajouts utilisée. Subsequently1 the dry product easily crumbles, especially in the minimum process, so that it can easily be mixed with recycled glass cullet or borates in order to obtain a vitrifiable mass at low temperature. lkg of dry refiom produced from lkg to lkg200 of treated refiom, depending on the amount of phosphate added and lkg to 1.5kg of vitrifiate depending on the number of additions used.
Le schéma 1 résume le procédé dans son ensemble. Figure 1 summarizes the process as a whole.
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