FR3012053A1 - Procede et unite de valorisation energetique de dechets - Google Patents

Abstract

Procédé de valorisation énergétique de déchets, comprenant une étape d'incinération des déchets dans un four (H) pour la production d'énergie thermique ; on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé pour produire un syngas, et on injecte ce syngas dans la chambre de combustion (6) du four, de sorte que pour un même flux massique de déchets introduits dans le four, l'injection de syngas permet d'atteindre une puissance plus élevée du four sans augmenter le flux massique de déchets introduits.

Description

PROCEDE ET UNITE DE VALORISATION ENERGETIQUE DE DECHETS. 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. 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 25 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 30 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 35 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. 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. Selon l'invention, un procédé de valorisation énergétique de déchets, du genre défini précédemment, est caractérisé en ce que l'on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé, en particulier supérieur à 12 MJ/kg pour produire un syngas, et on injecte ce syngas dans la chambre de combustion du four, de sorte que pour un même flux massique de déchets introduits dans le four, l'injection de syngas permet d'atteindre une puissance plus élevée du four sans augmenter le flux massique de déchets introduits. Avantageusement, 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. De préférence, le débit de syngas injecté dans le four est réglé pour faire fonctionner le four à sa 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. L'invention est également relative à une unité de valorisation énergétique de déchets, pour la production d'énergie thermique, comprenant un four pour la combustion de déchets à PCI relativement faible, en particulier inférieure à 8 MJ/kg, caractérisée en ce qu'elle comporte un gazogène dans lequel sont gazéifiés des déchets à PCI élevé, en particulier supérieur à 12 MJ/kg, et en ce qu'au moins une conduite de liaison est prévue entre la sortie du gazogène pour le syngas produit par le gazogène, et la chambre de combustion du four, pour l'injection du syngas dans ladite chambre de combustion. Avantageusement, la ou chaque conduite de liaison pour le syngas est raccordée à une entrée d'air secondaire de la chambre de combustion du 15 four. Le four de combustion est généralement 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 ; une 20 régulation est prévue pour régler le débit de syngas injecté dans le four et pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale. De préférence, le four de combustion est un four à grille ou à rouleaux. Le gazogène est avantageusement à co-courant, à flux descendant, 25 avec alimentation en partie haute pour les déchets à PCI élevé, et alimentation latérale pour un agent oxydant de gazéification. L'unité de valorisation énergétique peut comporter une installation de dénitrification catalytique des gaz de combustion du four, avec un brûleur de régénération installé sur une conduite d'évacuation des gaz de combustion, en 30 amont d'une unité de dénitrification ; 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, au sens défini précédemment. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci- 35 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 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/ le flux maximum E2 de déchets entrants est une moyenne calculée sur l'année. On en déduit un flux minimum El comme étant un pourcentage du flux maximum, notamment 50 à 60 % du flux maximum. Le diagramme de Fig. 1 représente toutefois un flux El inférieur à cette valeur. 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/ 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/ Les verticales E2 et El 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/ 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 Al 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 Al. 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 (02) 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 thermo- chimique 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 réservoir 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 02 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 (12)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de valorisation énergétique de déchets, comprenant une étape d'incinération des déchets dans un four (H) pour la production d'énergie thermique, caractérisé en ce que l'on effectue une gazéification de déchets à PCI élevé pour produire un syngas, et on injecte ce syngas dans la chambre de combustion (6) du four, de sorte que pour un même flux massique de déchets introduits dans le four, l'injection de syngas permet d'atteindre une puissance plus élevée du four sans augmenter le flux massique de déchets introduits.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue une gazéification de déchets à PCI supérieur à 12 MJ/kg.
3. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'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.
4. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le débit de syngas injecté dans le four est réglé pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lorsque les déchets gazéifiés sont aptes à fournir un syngas propre, le syngas est 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.
6. 6. Unité de valorisation énergétique de déchets, pour la production d'énergie thermique, comprenant un four (H) pour la combustion de déchets à PCI relativement faible, en particulier inférieure à 8 MJ/kg, caractérisée en ce qu'elle comporte un gazogène (1) dans lequel sont gazéifiés des déchets à PCI élevé, en particulier supérieur à 12 MJ/kg, et en ce qu'au moins une conduite de liaison (5) est prévue entre la sortie du gazogène pour le syngas produit par le gazogène, et la chambre de combustion (6) du four, pour l'injection du syngas dans ladite chambre de combustion.
7. 7. Unité selon la revendication 6, caractérisée en ce que la, ou chaque conduitede liaison (5) pour le syngas est raccordée à une entrée (12) d'air secondaire de la chambre de combustion du four.
8. 8. Unité selon la revendication 6 ou 7, dans laquelle 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 (El), le PCI des déchets étant compris entre une valeur supérieure et une valeur inférieure, caractérisée en ce qu'une régulation (R) est prévue pour régler le débit de syngas injecté dans le four et pour faire fonctionner le four à sa puissance maximale.
9. 9. Unité selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'une électrovanne (8) est installée sur la conduite de liaison (5) et est commandée par la régulation (R) pour le réglage du débit de syngas injecté dans le four.
10. 10. Unité selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, 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, et alimentation latérale (3) pour un agent oxydant de gazéification.
11. 11. Unité selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisée en ce que le four de combustion est un four à grille ou à rouleaux.
12. 12. Unité selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, comportant une 25 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 30 traités dans le gazogène permettent de générer un syngas propre. 20