FR2763341A1 - Procede et installation de traitement thermique de dechets urbains, ou de produits similaires, par gazeification et fusion des residus - Google Patents

Procede et installation de traitement thermique de dechets urbains, ou de produits similaires, par gazeification et fusion des residus Download PDF

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Abstract

Procédé selon lequel, lors d'une première étape, les déchets subissent dans un réacteur de gazéification (G) une transformation en gaz combustibles et en résidus solides et, lors d'une deuxième étape, la combustion des gaz produits a lieu dans une chambre de combustion (8). Lors de la première étape : - la gazéification des déchets est réalisée dans un réacteur (G) à lit fluidisé dense (2), - la chaleur nécessaire à la réaction de gazéification est obtenue, en régime permanent, par la combustion au sein du lit (2) de la fraction combustible non volatile des déchets, à l'aide de l'air de fluidisation; - et l'injection d'air dans le lit fluidisé (2) est assurée de manière que l'effet de jet soit générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit et provoque une réduction rapide de la taille des particules minérales solides qu'il contient, de telle sorte que ces dernières soient entraînées vers la chambre de combustion (8) en suspension dans, et avec, les gaz produits.

Description

PROCEDE ET INSTALLATION DE TRAITEMENT THERMIQUE DE
DECHETS URBAINS, OU DE PRODUITS SIMILAIRES, PAR
GAZEIFICATION ET FUSION DES RESIDUS.
L'invention est relative à un procédé de traitement thermique de déchets urbains, ou de produits similaires, selon lequel, lors d'une première étape, les déchets subissent dans un réacteur de gazéification une transformation en gaz combustibles et en résidus solides et, lors d'une deuxième étape, la combustion des gaz produits a lieu dans une chambre de combustion à haute température, alimentée en air, au moins une fraction des résidus solides provenant du réacteur de gazéification étant introduite dans cette chambre de combustion en vue de la fusion de ces résidus.
Des procédés de ce genre sont connus, notamment d'après EP-A-0 360 052 ou d'après WO 95/05432.
Le procédé selon ces deux documents antérieurs permet d'obtenir dans la chambre de combustion des températures élevées, de l'ordre de 1200"C, permettant de fondre une fraction importante des résidus solides et de les récupérer, après refroidissement, sous forme vitrifiée, non polluante. Le réacteur de gazéification comporte des moyens de chauffage indirect et des moyens de chauffage direct des déchets. La réaction dans le réacteur est une réaction de pyrolyse classique avec production de résidus solides carbonés conservant un potentiel thermique . Le réacteur est constitué par un cylindre rotatif, d'axe sensiblement horizontal, nécessitant la présence de moyens d'étanchéité entre une partie tournante et une partie fixe pour éviter qu'une fraction des gaz de pyrolyse ne s'échappe à l'atmosphère.
Les procédés de traitement thermique de l'art antérieur sont relativement compliqués, et nécessitent une installation relativement encombrante. En outre, les résidus solides issus du traitement de gazéification doivent être extraits du réacteur pour subir des traitements supplémentaires, notamment un broyage et un traitement de séparation, avant d'être introduits dans la chambre de combustion, pour la poursuite du traitement.
Pour la bonne compréhension de l'invention relative au procédé, il est utile de mentionner que les objectifs principaux du traitement thermique des déchets sont
- la valorisation maximale des matières et de l'énergie ;
- la réduction des rejets gazeux polluants
- la stabilisation des résidus solides de la combustion pour permettre leur réutilisation sans risque de transfert de pollution.
Aucune technique connue à ce jour n'est en mesure de répondre à l'ensemble de ces objectifs, dans des conditions économiques et acceptables pour la majeure partie des collectivités publiques.
L'invention présente a pour but de concilier ces objectifs.
L'invention a ainsi pour but de fournir un procédé de traitement thermique qui puisse être mis en oeuvre à l'aide d'une installation d'encombrement réduit et dont le coût d'investissement soit également réduit.
On souhaite de plus que ce procédé soit d'une exploitation aussi simple que possible tout en assurant un traitement efficace, avec un minimum de résidus à caractère polluant.
Selon l'invention, un procédé de traitement thermique des déchets urbains, ou de produits similaires, du genre défini précédemment est caractérisé par le fait que , lors de la première étape: - la gazéification des déchets est réalisée dans un réacteur à lit fluidisé dense, avec injection d'air de bas en haut à travers le lit - la chaleur nécessaire à la réaction de gazéification est obtenue, en régime permanent, par la combustion au sein du lit de la fraction combustible non volatile des déchets, à l'aide de l'air de fluidisation
- et l'injection d'air dans le lit fluidisé est assurée de manière que l'effet de jet soit générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit et provoque une réduction rapide de la taille des particules minérales solides qu'il contient, de telle sorte que ces dernières soient entraînées vers la chambre de combustion en suspension dans, et avec, les gaz produits.
Avantageusement, pour le maintien de la température du lit fluidisé dans le réacteur de gazéification, dans une plage de valeurs déterminées de préférence comprise entre 650"C et 750"C, on prévoit le transfert d'une partie de la chaleur produite à un circuit de récupération thermique, en particulier incorporé aux parois du réacteur de gazéification.
En fonction des caractéristiques des déchets, l'air de fluidisation peut, selon les besoins, être réchauffé.
De préférence, le débit d'air de fluidisation correspond à environ un tiers (1/3) de la quantité stoechiométrique requise pour la combustion complète des déchets, et répond aux besoins de la combustion de la fraction solide qui fournit l'énergie thermique nécessaire à la gazéification.
En général, la vitesse de fluidisation du lit fluidisé est comprise entre 0,5 et 3 m/s. Par " vitesse de fluidisation " on désigne la vitesse moyenne des gaz au sein du lit.
La combustion des gaz provenant du réacteur, contenant en suspension les particules minérales solides, se fait dans la chambre de combustion à l'aide d'air comburant préchauffé à une valeur permettant que la température de combustion résultante atteigne environ 12500C pour assurer la fusion des particules solides introduites avec les gaz ou captées en aval dans un systeme de filtration et réinjectées. Les conditions de circulation dans la chambre de combustion sont prévues pour que le temps de séjour dans cette chambre soit suffisant pour assurer la fusion de la majeure partie des particules solides.
L'invention est également relative à une installation pour le traitement thermique de déchets urbains, ou de produits similaires, pour la mise en oeuvre du procédé défini précédemment, cette installation comportant un réacteur de gazéification dans lequel les déchets subissent une transformation en gaz combustibles et en résidus solides et, en aval du réacteur, une chambre de combustion des gaz produits par le réacteur, et dans laquelle est introduite au moins une fraction des résidus solides du réacteur de gazéification en vue de leur fusion, cette installation étant caractérisée par le fait que - le réacteur de gazéification a un axe sensiblement vertical et comporte, en partie basse, un lit dense fluidisé sur lequel sont amenés les déchets à traiter, une injection d'air étant effectuée de bas en haut à travers le lit - le dispositif d'injection d'air dans le lit fluidisé est conçu de manière à créer un effet de jet générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit provoquant une réduction rapide de la taille des particules minérales qu'il contient, de telle sorte que ces dernières soient entraînées vers la chambre de combustion en suspension dans, et avec, les gaz produits.
Des moyens de commande du débit et de préchauffage de l'air de fluidisation sont prévus pour que la température de réaction, dans le réacteur de gazéification, se maintienne à une valeur située dans une plage déterminée, en particulier comprise entre 650"C et 750 C. Avantageusement, le réacteur est muni d'un circuit de récupération thermique, incorporé à ses parois notamment pour permettre de contrôler la température du lit fluidisé par transfert d'une partie de la chaleur produite.
Avantageusement un échangeur de chaleur fumées/air est disposé à la sortie de la chambre de combustion pour assurer un préchauffage de l'air comburant introduit dans la chambre de combustion.
De préférence, l'installation comporte en aval de l'échangeur fumées/air, une chaudière de récupération de l'énergie thermique des fumées, suivie d'une installation d'épuration des gaz sortant de la chaudière ; un dispositif de filtration est disposé, selon l'invention, en aval de la chaudière et en amont de l'installation d'épuration afin de récupérer la quasi totalité des résidus solides pouvant encore se trouver dans les fumées, et un circuit est prévu pour renvoyer ces résidus solides dans la chambre de combustion en vue de leur fusion.
L'installation selon l'invention permet d'aboutir à une quantité de résidus ultimes de traitement inférieure à environ 2 % de la masse des déchets entrants.
L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, 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 au dessin ci-annexé, mais qui n'est nullement limitatif.
La figure unique de ce dessin est un schéma d'une installation de traitement thermique de déchets urbains ou produits similaires, mettant en oeuvre le procédé de l'invention.
En se reportant au dessin on peut voir une installation de traitement thermique de déchets urbains, ou produits ayant un comportement similaire.
Les déchets préalablement broyés et déferraillés sont introduits dans un dispositif d'alimentation 1 par exemple à vis sans fin, dont la sortie est reliée à un réacteur de gazéification G propre à convertir les déchets D en gaz combustibles et en résidus minéraux.
Le réacteur G est constitué par une enceinte fermée, d'axe vertical ou sensiblement vertical, dans laquelle est installé, en partie basse, un lit fluidisé dense 2. Par "lit fluidisé dense", on désigne un lit dans lequel les solides en suspension sont maintenus dans un espace séparé d'une phase gazeuse suivant un niveau maîtrisé. Ce lit 2 est constitué, au départ, d'une couche suffisamment épaisse, par exemple de l'ordre de 30 cm, constituée de sable, de granulométrie appropriée, en particulier d'environ à 0,5mm à 2mm. Cette couche repose sur une sole 3 équipée d'orifices à travers lesquels est insufflé, par en-dessous, de l'air de fluidisation amené par une canalisation 4 dans le fond du réacteur G, et soufflé de bas en haut.
Des moyens 5 d'alimentation et de réglage du débit d'air insufflé dans le réacteur G sont prévus sur la canalisation 4. Ces moyens 5 peuvent être avantageusement constitués par un surpresseur d'air de fluidisation. Le débit d'air de fluidisation correspond à environ un tiers (1/3) de la quantité stoechiométrique requise pour la combustion complète des déchets. Ce débit d'air est déterminé en fonction de la teneur moyenne en carbone fixe des déchets à traiter. Pour les déchets urbains des pays développés, la combustion du carbone fixe est, en moyenne, obtenue avec un tel débit d'air.
La chaleur nécessaire à la réaction de gazéification est obtenue, dans le réacteur G, par la combustion des résidus organiques solides, c'est-à-dire essentiellement par la combustion du carbone fixe.
Normalement, en régime permanent, aucun apport de chaleur extérieure n'est nécessaire pour que cette réaction se poursuive. Toute la fraction combustible non volatile des déchets brûle à l'aide de l'air insufflé, et il n'y a pas de résidus solides carbonés . Seuls les résidus minéraux subsistent.
Dans un traitement de pyrolyse classique effectué à l'abri de l'air, à la différence de l'invention des résidus solides carbonés sont également produits , qui ont un potentiel thermique. Ces résidus solides carbonés nécessitent , pour être réutilisés dans une autre partie de l'installation, des traitements supplémentaires tels que séparation , broyage, et un stockage délicat.
Pour amorcer la réaction de gazéification, on prévoit des moyens de chauffage auxiliaires (non représentés) qui permettent d'obtenir une température de lit 2 suffisamment élevée avant l'introduction des déchets dans le réacteur G. Lorsque la réaction est amorcée, les moyens de chauffage auxiliaires sont arrêtés.
De préférence un circuit de récupération thermique 6 schématiquement représenté est incorporé aux parois du réacteur G , par exemple au niveau du lit 2.
La température de réaction dans le réacteur G est maintenue à une valeur comprise entre des limites déterminées pour assurer la conversion des déchets en gaz ; de préférence la température dans le réacteur G est comprise entre 650"C et 750"C environ. Le maintien de cette température est assuré par des dispositifs de régulation (non représentés) par exemple avec capteurs de température, propres à agir sur le dosage d'air, notamment au niveau des moyens de commande, et sur la circulation de fluide de refroidissement dans le circuit 6.
Les caractéristiques du dispositif d'injection d'air de fluidisation, en particulier la vitesse de l'air, et la taille et l'orientation des canaux (non visibles) dans la sole 3, sont prévues de manière à créer un effet de jet dans le lit fluidisé 2 générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit. I1 en résulte, par un phénomène d'usure et d'attrition, une réduction rapide de la taille des particules minérales solides constituant les résidus. Lorsque la taille de ces particules minérales a suf f isamment diminué, elles peuvent être entraînées par les gaz dans la canalisation de sortie 7 du réacteur reliée en tête de ce réacteur. A titre d'exemple non limitatif, pour une vitesse verticale des gaz d'environ 1 m/s, des particules minerales solides sont entraînées lorsque leur diamètre moyen atteint environ 0,5 mm.
La canalisation de sortie 7, du réacteur de gazéification G, est reliée a la partie inférieure d'une chambre de combustion 8. De l'air comburant de combustion est amené par une conduite 9 sur laquelle est monté, en amont, un moyen de commande 10, avantageusement constitué par un ventilateur.
Un échangeur de chaleur 11 entre les fumées chaudes sortant de la chambre de combustion 8 et l'air comburant est prévu, en aval du ventilateur 10. L'air est préchauffé à une température d'environ 350"C.
La chambre de combustion 8 est prévue pour que le temps de séjour des particules solides, introduites dans la chambre avec les gaz par la canalisation 7, soit suffisant pour que la quasi totalité de ces particules subisse une fusion en arrivant au contact des parois de la chambre 8. L'écoulement des gaz dans la chambre 8 est prévu pour favoriser, en particulier par un effet centrifuge, la venue des poussières à fondre contre les parois verticales de la chambre 8.
Les matières minérales fondues coulent le long des parois de la chambre 8 et se rassemblent en partie basse d'où elles tombent dans un bac de refroidissement 12, notamment rempli d'eau. Cette trempe assure la vitrification des résidus en fusion qui sont extraits du bac sous forme de granulés, parfaitement inertes et insolubles. Leur composition chimique et leurs caractéristiques géomécaniques rendent ces granulés valorisables, par exemple pour des revêtements de chaussée.
La combustion des gaz dans la chambre 8 permet d'atteindre des températures élevées dépassant 12500C.
Les fumées sortent de la chambre 8 par une conduite 14 qui, après traversée de l'échangeur 11, conduit les fumées à une chaudière 15 de récupération permettant de valoriser l'énergie thermique des fumees par production de vapeur d'eau évacuée par une tuyauterie 16. Les fumées, après traversee du circuit prévu dans la chaudière de récupération 15, sont dirigées par une conduite 17 dans un réchauffeur 18 pour l'eau alimentaire de la chaudière 15, qui arrive par la conduite 19.
A la sortie du réchauffeur 18 les fumées sont dirigées, par une conduite 20 sur un filtre primaire 21 qui permet de récupérer, en partie basse, la majeure partie des produits solides encore présents dans les fumées à la sortie de la chambre de combustion 8. Ces produits solides sont constitués par de fines particules qui sont renvoyées, par des moyens d'entraînement 22 et une canalisation 23, en partie basse de la chambre de combustion 8 où ils sont réinjectés en vue de leur fusion. Cette fusion est rendue possible grâce à la température élevée produite dans la chambre 8 par la combustion des gaz du réacteur.
Les fumées sortant du filtre primaire par une canalisation 24 sont ensuite traitees dans une installation d'épuration classique comprenant un réacteur de neutralisation 25 dont la sortie est reliée à un filtre secondaire 26 qui permet de récupérer en partie basse les résidus ultimes évacués par un dispositif d'extraction 27.
Les fumées sortent du filtre 26 par une conduite 28 sur laquelle est monté un ventilateur 29 envoyant ces fumées à la base d'une cheminée 30 pour l'évacuation des gaz épurés.
Ceci étant, le fonctionnement de l'installation de traitement, qui résulte des explications qui précèdent, assure la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce fonctionnement ne sera que brièvement commenté ci-après.
Les déchets broyés D , introduits en continu dans le réacteur de gazéification G, subissent une réaction provoquée par la chaleur produite par la combustion, au sein de ce réacteur, de la fraction non volatile des déchets
La température dans le réacteur G, détectée par des capteurs (non représentés) est ajustée en réglant le débit d'air par action sur le surpresseur 5 de fluidisation, et en agissant le cas échéant sur les moyens 6 d'extraction de chaleur.
La température de réaction est maintenue à une valeur comprise entre 650"C et 7500C environ.
Du fait que le réacteur G est séparé de la chambre de combustion 8, l'air comburant insufflé dans la chambre 8 par la canalisation 9 ne peut venir perturber la réaction de gazéification dans le réacteur G.
Le mouvement intense de recirculation des particules solides au sein du lit 2 fluidisé permet d'obtenir une réduction rapide de la taille des particules minérales constituant les résidus solides, par frottement ou attrition.
Les gaz avec les fines particules minérales solides arrivent en partie basse de la chambre de combustion 8 et sont injectés de préférence avec une vitesse tangentielle de manière à créer un effet de tourbillon (foyer cyclone) favorable à la combustion des gaz et à la projection des fines particules solides contre les parois chaudes de la chambre 8 dont la température dépasse 1200"C. Les produits solides récupérés sur le filtre primaire 21 et réinjectés par la canalisation 23 subissent également cette fusion.
On récupère ainsi environ 98 % des inertes.
Le procédé et l'installation de l'invention présentent de nombreux avantages.
Tout d'abord, le procédé permet un traitement continu où toutes les opérations se font sans interruption.
Le taux de récupération des inertes et la réduction du caractère polluant des résidus solides et des fumées rejetées par la cheminée 30 sont particulièrement favorables.
L'installation fonctionne, en régime permanent, sans apport de chaleur extérieur. Le réacteur de gazéification G est d'un ' encombrement relativement réduit. En outre, le réacteur G ne comporte aucune partie mobile de sorte que les étanchéités peuvent être réalisées de manière efficace et économique.
Aucune installation de broyage des particules solides minérales n'est nécessaire à l'extérieur du réacteur G puisque le phénomène d'attrition favorisé dans le lit 2 permet de réduire automatiquement la taille des particules. La seule canalisation 7 assure le transfert des gaz produits et des particules solides minérales vers la chambre de combustion 8.
Les dimensions réduites des particules solides injectées dans la chambre de combustion 8 permettent leur fusion rapide et le taux de récupération élevé des inertes. Ce taux de récupération est amélioré par le filtre primaire 21 et la réinjection des particules solides récupérées par la conduite 23.

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement thermique de déchets urbains , ou de produits similaires, selon lequel, lors d' une première étape, les déchets subissent dans un réacteur de gazéification une transformation en gaz combustibles et en résidus solides et, lors d une deuxième étape, la combustion des gaz produits a lieu dans une chambre de combustion à haute température, alimentée en air, au moins une fraction des résidus solides provenant du réacteur de gazéification étant introduite dans cette chambre de combustion en vue de la fusion de ces résidus, caractérisé par le fait que, lors de la première étape:
- la gazéification des déchets est réalisée dans un réacteur (G) à lit fluidisé dense (2), avec injection d'air (4) de bas en haut à travers le lit,
- la chaleur nécessaire à la réaction de gazéification est obtenue, en régime permanent, par la combustion au sein du lit de la fraction combustible non volatile des déchets, à l'aide de l'air de fluidisation
- et l'injection d'air dans le lit fluidisé (2) est assurée de manière que l'effet de jet soit générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit et provoque une réduction rapide de la taille des particules minérales solides qu'il contient, de telle sorte que ces dernières soient entraînées vers la chambre de combustion (8) en suspension dans, et avec, les gaz produits.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que , pour le maintien de la température dans le réacteur de gazéification (G), est prévu un transfert d'une partie de la chaleur produite à un circuit de récupération thermique (6) , en particulier incorporé aux parois du réacteur de gazéification (G).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la température du lit fluidisé (2) est maintenue dans une plage comprise entre 650"C et 7500C.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le débit d'air de fluidisation correspond à environ un tiers (1/3) de la quantité stoechiométrique requise pour la combustion complète des déchets, et répond aux besoins de la combustion de la fraction solide qui fournit l'énergie thermique nécessaire à la gazéification.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la vitesse de fluidisation du lit fluidisé (2) est comprise entre 0,5 et 3 m/s.
6. Installation pour le traitement thermique de déchets urbains, ou de produits similaires, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant un réacteur de gazéification dans lequel les déchets subissent une transformation en gaz combustibles et en résidus solides et, en aval du réacteur, une chambre de combustion des gaz produits par le réacteur, et dans laquelle est introduite au moins une fraction des résidus solides du réacteur de gazéification en vue de leur fusion, caractérisée par le fait que - le réacteur de gazéification (G) a un axe sensiblement vertical et comporte, en partie basse, un lit dense fluidisé (2) sur lequel sont amenés les déchets (D) à traiter, une injection d'air étant effectuée de bas en haut à travers le lit - le dispositif d'injection d'air dans le lit fluidisé est conçu de manière à créer un effet de jet générateur d'un mouvement intense de recirculation au sein du lit provoquant une réduction rapide de la taille des particules minérales solides qu'il contient , de telle sorte que ces dernières soient entraînées vers la chambre de combustion (8) en suspension dans, et avec, les gaz produits.
7. Installation selon la revendication 6, caractérisée par le fait que des moyens de commande du débit (5) et de préchauffage de l'air de fluidisation sont prévus pour que la température de réaction, dans le réacteur de gazéification (G), se maintienne à une valeur située dans une plage déterminée, en particulier comprise entre 6500C et 750"C.
8. Installation selon la revendication 6 ou 7, caractérisée par le fait que le réacteur (G) est muni d'un circuit de récupération thermique (6), incorporé à ses parois , pour permettre de contrôler la température du lit fluidisé (2) par transfert d'une partie de la chaleur produite.
9. Installation selon l'une des revendication 6 à 8, comportant une chaudière (15) de récupération de l'énergie thermique des fumées, suivie d'une installation d'épuration des gaz sortant de la chaudière, caractérisée par le fait qu'elle comporte un dispositif de filtration (21) disposé en aval de la chaudière et en amont de l'installation d'épuration, afin de récupérer la quasi totalité des résidus solides pouvant encore se trouver dans les fumées, et un circuit (22,23) est prévu pour renvoyer ces résidus solides dans la chambre de combustion en vue de leur fusion.
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