FR2937329A1

FR2937329A1 - Procede et dispositif de regulation de la temperature des fumees de combustion d'un procede de thermolyse

Info

Publication number: FR2937329A1
Application number: FR0805794A
Authority: FR
Inventors: Willi Nastoll; Fabrice Giroudiere; Tidjani Niass; Patrick Jamet
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-23
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: FR2937329B1; WO2010046545A1

Abstract

La présente invention concerne un procédé de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers comprenant au moins une étape de séchage des déchets suivie d'une étape de thermolyse, et une étape de combustion des gaz issus de la thermolyse, produisant des fumées de combustion utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la température des fumées de combustion. L'invention concerne également les moyens mis en oeuvre par ce procédé.

Description

La présente invention concerne le domaine de la thermolyse, et plus particulièrement un procédé et le dispositif associé de thermolyse permettant de réguler la température des fumées de combustion utilisées pour réaliser la réaction de thermolyse.

Le traitement thermique est une voie de valorisation des charges hydrocarbonées solides telles que les ordures ménagères, les déchets de résidus de broyage automobile, les pneus usagés, les déchets industriels banals, les déchets verts ou toute autre biomasse. Un exemple de traitement thermique connu est la pyrolyse ou thermolyse des ordures ménagères. Ce procédé permet la décomposition du déchet sous l'effet de la température, sans apport d'oxygène, en une phase gazeuse combustible et une phase solide également combustible. Les deux combustibles obtenus sont alors valorisables notamment sous forme d'énergie et de matière recyclable. Pour chauffer les charges hydrocarbonées à décomposer, il est nécessaire de transférer de l'énergie au travers d'une surface d'échange. Un équipement connu pour chauffer par échange thermique des solides plus ou moins hétérogènes est le four tournant avec une double enveloppe dans laquelle circulent des fumées chaudes qui apportent les calories nécessaires au traitement thermique. Ces fumées chaudes servent également à réchauffer de l'air qui est utilisé pour sécher les déchets avant leur entrée dans le four.

Pour produire les fumées chaudes une méthode consiste à brûler une partie ou la totalité des combustibles produits par la thermolyse dans la double enveloppe ou dans une chambre de combustion en amont de la double enveloppe. Il y a dans un premier temps une phase de démarrage dans laquelle un combustible externe doit être apporté pour chauffer les équipements avant la production des combustibles par la thermolyse.

Après cette phase de démarrage, la combustion des combustibles produits par la thermolyse suffit à assurer la production des fumées chaudes nécessaires au traitement thermique. Une des difficultés de cette technique, consistant à brûler les combustibles produits par la thermolyse pour assurer la production des fumées chaudes nécessaires au traitement thermique, vient du fait que le pouvoir calorifique des combustibles n'est pas constant, mais varie en fonction des déchets traités. Ces variations de pouvoir calorifique entraînent ainsi une variation de la température des fumées qui peut être néfaste au procédé et à ses équipements. Dans le cas où les combustibles sont peu énergétiques la température des fumées baisse et l'apport des calories nécessaires au traitement thermique peut être insuffisant pour maintenir la thermolyse et le procédé s'arrête. Dans le cas contraire, la température des fumées peut dépasser la température limite des équipements, au risque de les endommager. Une solution classique permettant de compenser les variations de pouvoir calorifique des combustibles est de faire varier les débits de combustible et comburant pour réguler la température des fumées. Cependant, du fait que les combustibles sont issus de procédé de thermolyse, leurs débits sont difficilement réglables et on peut agir seulement sur le débit du comburant. Dans le cas d'une augmentation de température des fumées, un fort excès de comburant serait alors nécessaire, entraînant une forte augmentation du débit des fumées. Pour ce faire, un ventilateur d'extraction final plus grand - donc plus cher - est à prévoir. Dans le cas d'une baisse de température des fumées, l'excès de comburant ne peut pas être inférieur à la valeur réglementaire et il serait donc nécessaire de réduire le débit des déchets ce qui est, comme dit précédemment, difficilement gérable. La présente invention a donc pour objet de palier un ou plusieurs des inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé et le dispositif associé permettant de réduire ou d'augmenter la température des fumées chaudes afin de la réguler et de la maintenir constante. Pour cela la présente invention propose un procédé de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers comprenant au moins une étape de séchage des déchets suivie d'une étape de thermolyse, et une étape de combustion, des gaz issus de la thermolyse, produisant des fumées de combustion utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la température des fumées de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention l'étape de régulation consiste à 30 diminuer la température des fumées issues de l'étape de combustion.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention l'étape de régulation consiste à augmenter la température des fumées issues de l'étape de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention l'étape de régulation de la température des fumées de combustion est réalisée par injection d'un fluide dans la 5 chambre de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est un combustible. Selon un mode de réalisation de l'invention le combustible utilisé est du gaz naturel, du propane, du butane ou tout autre hydrocarbure gazeux ou liquide. Selon un mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est de l'eau. 10 Selon un mode de réalisation de l'invention l'injection de l'eau se fait par nébulisation ou pulvérisation. Selon un autre mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est formé par des fumées ayant servi à réaliser la réaction de thermolyse et recyclées. Dans un mode de réalisation de l'invention la température des fumées recyclées 15 est ajustée par passage dans une chaudière permettant un échange de chaleur eau/fumée et produisant de l'eau chaude, de la vapeur d'eau ou de l'électricité. L'invention concerne également un dispositif de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers comprenant au moins un moyen de séchage des déchets, des moyens de thermolyse des déchets, un moyen de génération de fumées de combustion 20 destinées au moins en partie au moyen de séchage, des moyens d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de la température des fumées de combustion chaudes. Selon un mode de réalisation de l'invention les moyens de régulation de la température des fumées de combustion sont formés par des moyens d'injection d'un 25 fluide directement dans le moyen de génération des fumées de combustion. Selon un mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est un combustible. Selon un mode de réalisation de l'invention le combustible utilisé est du gaz naturel, du propane, du butane ou tout autres hydrocarbures gazeux ou liquide.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est de l'eau. Dans un mode de réalisation de l'invention l'eau est injectée sous forme nébulisée ou pulvérisée. Selon un autre mode de réalisation de l'invention le fluide injecté est formé par des fumées ayant servit à réaliser la réaction de thermolyse et recyclées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris et apparaîtront plus clairement à la lecture de la description faite, ci-après, en se référant à la figure annexée et donnée à titre d'exemple, représentant un mode de réalisation du procédé selon l'invention. Comme illustré sur la figure 1, la charge à traiter (10) est d'abord broyée à une granulométrie de l'ordre de 100 millimètres. La charge broyée (10) est ensuite introduite dans un moyen de séchage (1), formé par exemple par un sécheur rotatif (1) à contact direct avec de l'air chaud, pour réduire son humidité en dessous de 10 % poids. La réduction du taux d'humidité de la charge à traitée (10) facilite par la suite sa thermolyse. Au niveau d'une cellule de sortie (11) du sécheur (1), les produits séchés obtenus sont séparés en deux parties. Une partie constituée de l'air humide et de grosses poussières résiduelles, et une partie constituée des déchets secs. L'air humide est envoyé par une conduite (112) vers un cyclone (13) qui va permettre de le débarrasser des grosses poussières. L'air humide ainsi débarrassé des grosses poussières passe par l'intermédiaire d'une conduite (131) dans un ventilateur (14) puis est dirigé dans la chambre de combustion (3) grâce à une conduite (141) reliant le ventilateur (14) à la chambre de combustion (3). Les déchets secs obtenus à la sortie du sécheur (111) sont ensuite amenés par des moyens de transport (12) à l'intérieur d'un tube tournant (2) formant les moyens de thermolyse ou se déroule la réaction de thermolyse et disposé à la suite du sécheur rotatif (1). Les moyens de thermolyse sont donc formés par un premier tube (2) dans lequel est introduite la charge à traiter et un second tube (5), entourant le premier tube (2) et formant ainsi une double enveloppe dans laquelle circulent des fumées chaudes qui vont permettre la réaction de thermolyse dans le premier tube (2). Le premier tube (2) peut tourner autour d'un axe longitudinal permettant une meilleure réaction de thermolyse. Cet ensemble de tubes (2, 5) forme le four de thermolyse. Ce four comporte à sa sortie des moyens de séparation (21) du résidu solide et du gaz issu de la réaction de thermolyse. Le résidu solide issu de la thermolyse est extrait à la sortie (211) des moyens de séparation (21) du four et traité indépendamment pour en extraire une fraction combustible (le Carbor), des métaux (ferreux et non-ferreux) et des inertes. Le gaz issu de la thermolyse est quant à lui amené par une conduite (212) vers la chambre de combustion (3), ou il va être brûlé en présence de l'air issu du sécheur rotatif (1). Une partie des fumées issues de cette combustion passent dans un échangeur de chaleur (4) où elles cèdent une partie de leur énergie à de l'air circulant dans la conduite (43) prélevé dans l'atmosphère. Cet air réchauffé est envoyé ensuite par la conduite (42) vers le sécheur rotatif (1) pour réduire l'humidité des déchets en dessous de 10% poids. Les fumées refroidies issues de l'échangeur de chaleur (4) repartent par la conduite (41) et sont mélangées au niveau de la conduite (32) à l'autre partie des fumées issues de la chambre de combustion (3) et non échangées thermiquement. L'échangeur de chaleur (4) sert également de refroidisseur des fumées en aval de la chambre de combustion (3) tout comme le four de thermolyse (2) ou encore la chaudière (7). A ce titre, il contribue donc en combinaison avec les autres moyens de régulations selon l'invention à la génération de fumées refroidies. Avantageusement, l'ensemble des fumées issues de la chambre de combustion subit un traitement sommaire de dénitrification. Cette dénitrification peut avoir lieu avant l'échange de chaleur, et dans ce cas (non illustré) les moyens de dénitrifications sont disposés avant l'échangeur de chaleur. Dans un autre mode de réalisation la dénitrification a lieu après l'échange de chaleur. Dans ce cas, les moyens de dénitrification (91) sont disposés après l'échangeur de chaleur. Quelque soit la solution retenue, avant ou après l'échangeur de chaleur, la dénitrification doit s'effectuer dans une fenêtre de température comprise entre 950°C et 1050°C. Les fumées circulent ensuite par la conduite (32') jusqu'à l'enveloppe du four de 30 thermolyse pour chauffer les déchets contenus à l'intérieur du tube tournant (2) via la paroi métallique du tube de thermolyse (6). La température de paroi du tube de thermolyse (2) varie généralement de 800°C à l'entrée du four à 700°C ou 450°C à la sortie du four selon l'opération du procédé. A l'opposée, la température des déchets varie de 95°C à l'entrée du four à 450°C ou 700°C. La production de gaz de thermolyse sera d'autant importante que la température du tube sera élevée. Les fumées issues de l'enveloppe (5) du four de thermolyse sont mélangées avec une partie des fumées issues de la dénitrification ou de l'échangeur de chaleur et transportée par la conduite (33). Elles sont ensuite envoyées par la conduite (52) vers une chaudière (7), où une partie de leur chaleur sensible est transformée en chaleur (vapeur ou eau chaude) (95). Les fumées sont évacuée par la conduite (72) vers un système de traitement de fumées (8, 9) avant d'être évacuées vers l'atmosphère. Selon l'invention la température des fumées issues de la chambre de combustion est régulée de façon à être maintenue constante. Les fumées utilisées pour le chauffage de l'air du sécheur (1) et du four c'est-à-dire entrant dans le 21ème tube (5), sont donc préalablement refroidies ou réchauffées par des moyens de régulation de la température. Ces moyens de régulation de température permettent d'abaisser ou d'augmenter la température des fumées, qui sont dans un premier temps utilisées pour le préchauffage de l'air de séchage dans l'échangeur de chaleur (4) et ensuite dirigées par la conduite (32') dans l'enveloppe (5) du four de thermolyse. La régulation se fait donc en tenant compte du fait que les fumées subissent également un refroidissement dans l'échangeur de chaleur (4). En effet, les fumées vont perdre plusieurs degrés après leur passage dans l'échangeur de chaleur (4), mais cette perte est constante. Ainsi en régulant la température directement au niveau de la chambre de combustion on s'assure une température constante tout le long du procédé et du dispositif.

Une solution proposée par l'invention consiste donc à ajouter différents fluides en quantités régulées dans la chambre de combustion pour maintenir la température des fumées constante. Le fluide utilisé ne sera pas le même pour diminuer ou augmenter la température. Dans le cas où les combustibles produits par la thermolyse sont peu 30 énergétiques, le fluide ajouté est en général un combustible externe. Ce combustible peut ainsi compenser le manque en calories nécessaires au traitement thermique. Cette injection de combustible est réalisée directement dans la chambre de combustion (3). Pour réaliser l'injection on utilise un injecteur (91) classique bien connu de l'homme du métier. Le combustible utilisé peut être gazeux (gaz naturel par exemple) ou liquide pulvérisé (fuel lourd par exemple). Dans le cas où il est nécessaire de refroidir les fumées, le fluide ajouté peut être soit les fumées fortement refroidies recyclées après leur passage dans tous les équipements du procédé soit de l'eau sous forme liquide ou vapeur. Les injections des deux fluides peuvent être complémentaires.

L'injection de l'eau est réalisée dans la chambre de combustion (3) sous forme pulvérisée ou nébulisée. La technique d'injection utilisée, pulvérisation ou nébulisation, et l'injecteur (92) utilisé sont bien connus de l'homme du métier dans d'autres applications. Lorsque le refroidissement se fait avec les fumées recyclées, le procédé consiste à utiliser une partie des fumées refroidies issues de la chaudière (7) et à les réinjecter dans la chambre de combustion (3) par l'intermédiaire d'une conduite (71). Il est ainsi possible de contrôler la température des fumées en choisissant la température de l'eau utilisée dans la chaudière. Quelque soit la technique utilisée pour réguler la température, le but est d'obtenir des fumées dont la température reste constante au cours du temps. Cela permet de réchauffer de façon régulière l'air nécessaire pour le sécheur (1) et d'avoir des fumées dont la température se situe en général entre 800°C et 1000°C à l'entrée de la double enveloppe (5) du four et après passage dans l'échangeur de chaleur (4). II doit être évident pour l'homme du métier que la présente invention n'est pas limitée aux détails de structure donnés ci-dessus et permet des modes de réalisation sous de nombreuses autres formes équivalentes sans s'éloigner du domaine d'application de l'invention. Par conséquent, les présents modes de réalisation doivent être considérés à titre d'illustration, et peuvent être modifiés sans toutefois sortir de la portée définie par les revendications jointes.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers comprenant au moins une étape de séchage des déchets suivie d'une étape de thermolyse, et une étape de combustion, des gaz issus de la thermolyse, produisant des fumées de combustion utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de régulation de la température des fumées de combustion.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de régulation consiste à diminuer la température des fumées issues de l'étape de combustion.
3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de régulation consiste à augmenter la température des fumées issues de l'étape de combustion.
4. Procédé selon une des revendications 1 à 3 dans lequel l'étape de régulation de la température des fumées de combustion est réalisée par injection d'un fluide dans la chambre de combustion.
5. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide injecté est un combustible.
6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel le combustible utilisé est du gaz naturel, du propane, du butane ou tout autre hydrocarbure gazeux ou liquide.
7. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide injecté est de l'eau.
8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'injection de l'eau se fait par nébulisation ou pulvérisation.
9. Procédé selon la revendication 4 dans lequel le fluide injecté est formé par des fumées ayant servi à réaliser la réaction de thermolyse et recyclées.
10. Procédé selon la revendication 9 dans lequel la température des fumées recyclées est ajustée par passage dans une chaudière permettant unéchange de chaleur eau/fumée et produisant de l'eau chaude, de la vapeur d'eau ou de l'électricité.
11. Dispositif de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers comprenant au moins un moyen de séchage des déchets (1), des moyens de thermolyse des déchets (2), un moyen (3) de génération de fumées de combustion destinées au moins en partie au moyen de séchage (1), des moyens d'échange de chaleur (4), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de la température des fumées de combustion chaudes.
12. Dispositif selon la revendication 11 dans lequel les moyens de régulation de la température des fumées de combustion sont formés par des moyens d'injection d'un fluide directement dans le moyen de génération des fumées de combustion.
13. Dispositif selon la revendication 12 dans lequel le fluide injecté est un combustible.
14. Dispositif selon la revendication 13 dans lequel le combustible utilisé est du gaz naturel, du propane, du butane ou tout autres hydrocarbures gazeux ou liquide.
15. Dispositif selon la revendication 12 dans lequel le fluide injecté est de l'eau.
16. Dispositif selon la revendication 15 dans lequel l'eau est injectée sous forme nébulisée ou pulvérisée.
17. Dispositif selon la revendication 12 dans lequel le fluide injecté est formé par des fumées ayant servit à réaliser la réaction de thermolyse et recyclées.