WO2022117634A1 - Système de chauffe de sols et matériaux contaminés - Google Patents

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WO2022117634A1
WO2022117634A1 PCT/EP2021/083741 EP2021083741W WO2022117634A1 WO 2022117634 A1 WO2022117634 A1 WO 2022117634A1 EP 2021083741 W EP2021083741 W EP 2021083741W WO 2022117634 A1 WO2022117634 A1 WO 2022117634A1
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WO
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tube
heating
combustion
heat
combustion chamber
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PCT/EP2021/083741
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English (en)
Inventor
Jan Haemers
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Haemers Technologies Societe Anonyme
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C—RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09C1/00—Reclamation of contaminated soil
    • B09C1/06—Reclamation of contaminated soil thermally
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09—DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09B—DISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B2101/00—Type of solid waste

Definitions

  • the invention consists of a heating system consisting of a new generation of heating units that can be used in the field of soil remediation by thermal desorption.
  • the invention makes it possible to significantly increase the thermal efficiency of the traditional thermal units currently used.
  • Soil contamination is a problem of great importance in a world where the environment and sustainable development are becoming increasingly important. This problem, often invisible, can be caused by a wide variety of chemical, biological or even radioactive contaminants and an equally wide range of pollution sources. Left as it is, the contamination can spread and end up in other resources essential to the surrounding flora and fauna. It is therefore important, in order to protect the environment and public health, to eliminate these contaminants before they have too great an impact.
  • Soil remediation technologies are multiple and can be separated into three main categories: thermal, biological and physicochemical.
  • the choice of technique depends on several parameters such as the nature of the contamination, the properties of the soil, the physical constraints of the site and the total cost of the project.
  • thermal desorption is based on heating the ground to volatilize the contaminants and allow their extraction and destruction/reuse after condensation.
  • Thermal desorption is effective against organic contaminants, cyanides, mercury and any other component that can be volatilized at temperatures below 550oC.
  • Heating via thermal conduction is one of the techniques used in the field of thermal desorption (W02001078914A8). With this technique, the energy coming from the heating tubes propagates radially in the ground by conduction.
  • thermal conduction allows the soil to be heated to temperatures in excess of 350oC (which is not possible, for example, with resistive electric heating (US5656239A ) and to easily and quickly treat soils contaminated by a wide variety of contaminants, regardless of the heterogeneity of the soil.
  • the thermal conductivity has the particularity of not fluctuating by large orders of magnitude with the materials present in the ground. Because of this, thermal conduction is much more efficient than other methods of heat transfer in the case of heterogeneous soils.
  • This technique is applicable ex situ and in situ.
  • ex-situ thermal desorption excavated soil is used to form piles or placed in containers which are heat treated. With in-situ thermal desorption, the heating tubes are directly inserted into the polluted soil, thus avoiding the excavation and transport of soil. This also makes it possible to treat soils in restricted places and/or with limited access such as remote sites, sites in urban areas, basements of houses, etc. In general, this technique is faster and has a reduced environmental impact.
  • Figure 1 is an illustration of the complete heating system including the burner, the energy recovery system and the heating tube.
  • Figure 2 is an illustration of the combustion head and the air and vapor compartments.
  • Figure 3 is an illustration of the components present in the combustion head.
  • Figure 4 is an illustration of a section of the heating system with the combustion head and the heating tubes.
  • Figure 5 is an illustration of the heating system with the condensate trap.
  • Figure 6 is an illustration of a section of the heating system with the refractory cement and the combustion head positioned inside the inner tube at the desired depth.
  • the present invention relates to a new generation of sealed heating unit (or heating system) making it possible to decontaminate the ground via thermal desorption while maintaining high thermal efficiency.
  • This invention comprises three major modifications compared to the old heating system making it possible to reduce heat losses and therefore to increase the efficiency of the installation.
  • the first modification consists of placing a heat exchanger between the combustion gas outlet and the primary air inlet to extract the heat contained in the combustion gases. This heat will be used to preheat the air entering the combustion chamber.
  • the second modification focuses on the burner body of the current technology which is replaced by a stainless steel tube containing a refractory ceramic tube. This combustion chamber is directly inserted into the heating tube and has no visible element.
  • the third modification concerns the elimination of the current secondary air inlet and the use of a single inlet for the primary air and secondary air assembly. The primary air and secondary air separation of the new system is done at the level of the internal tube.
  • the invention is a new generation of soil remediation technology via thermal desorption. Said system was designed with the primary objective of significantly reducing the heat losses of the current system and therefore increasing the thermal efficiency of the process.
  • a heat exchanger (3) is placed at the outlet of the heating tube (1) to recover a significant part (up to 80%) of the energy usually lost in the combustion gases. This passage through the heat exchanger makes it possible to use the energy of the combustion gases to preheat the air necessary for combustion (air entering the combustion chamber).
  • the second modification focuses on the current burner body which, being out of the ground, results in heat losses of around 5-10% of the total energy supplied by the burner.
  • the invention consists in replacing the current burner body with a flame protection tube (11) containing a refractory ceramic tube (12). These are then placed inside the current heating tube (1). This positioning of the combustion chamber makes it possible to contain the flame entirely in the ground and therefore to concentrate its heat.
  • the third modification concerns the elimination of the current secondary air inlet and the use of a single inlet for the primary air and secondary air assembly. The primary air and secondary air separation of the new system takes place at the level of the internal tube (13).
  • This new system makes it possible to obtain a wide range of power ranging from 2.2 to 80 kW, preheating of the combustion air up to 400°C and a total thermal efficiency exceeding 80%.
  • the total consumption of a project would be reduced by 70%, compared to the consumption of current technology, thus reducing the cost and the ecological impact of the process.
  • This new device therefore does not require a burner body or a secondary air inlet, which is the case with current technology.
  • the new system is composed of 5 independent parts:
  • the combustion head (2) in a preferred embodiment, is composed of a main flange (21), an air compartment (18), a steam compartment (19) (if the "reburn” mode is used) and a combustion chamber.
  • the fuel used by the burner is conveyed via a supply tube (24) to the burner head (2). If the fuel is liquid, a solenoid valve will be placed between the supply tube (24) and the main flange (21) to prevent the arrival of fuel in the heating tube when the burner is stopped.
  • the burner head is composed of a main flange on which several important elements are fixed.
  • the main flange includes an ignition and flame sensing electrode (16), a flame sight glass (17), a pressure switch outlet (22) and a gas injector (15).
  • the main flange is fixed on the air intake compartment (18) by means of 4 to 10 fixings of 6 to 10 mm in diameter.
  • the air intake compartment (18) makes it possible to supply the burner with air. It is composed of a metal tube, preferably cylindrical and made of stainless steel, and with a diameter between 2" and 6", preferably 4". In a preferred embodiment, the tube has two openings. A side opening allowing the use of the gas injector adjustment handle (15) and an opening via a threaded tapping, preferably in stainless steel, with a diameter between 1" and 3", preferably 2". This last opening serves as an air inlet into the combustion chamber (25).
  • the air compartment (18) has two metal flanges, preferably made of stainless steel, welded to the ends of the tube, making it possible to fix the air compartment (18) to the burner head (2) and to the combustion chamber (25).
  • the fuel is mixed with part of the preheated air by means of a mixer (20) located at the outlet of the gas injector (15) and the air compartment (18).
  • the gas injector (15) is formed by two concentric metal tubes. Each tube is fitted with a disc drilled with 2 to 8 holes of 2 to 6 mm in diameter. The outer tube pivots freely around the inner tube to allow modification of the passage section by moving the two drilled discs.
  • the gas injector (15) is provided with an adjustment handle allowing modification of the passage section and therefore of the flow of fuel in the burner. Combustion is triggered when the ignition electrode (16), fixed to the main flange (21), produces a spark. This electrode can also be used to detect the presence of a flame in the burner just like the flame sight glass (17) fixed on the main flange (21).
  • an operating mode called "reburn” can be implemented. This mode consists of reinjecting the contaminant vapors coming out of the ground into the combustion chamber to use it as fuel in the burner. To do this, the vapors are conveyed via a vapor tube (26), placed next to the heating tube (1), and connected via a vapor hose (10) to the vapor compartment (19). This reduces the total consumption of the operation and offers a direct method of treating pollutants to produce only combustion products at the outlet. For this mode of operation, it is necessary to add a steam compartment (19) between the air compartment (18) and the combustion chamber (25).
  • the steam compartment (19) is a tube, preferably cylindrical and made of stainless steel.
  • this compartment is fixed to the air compartment (18) and to the combustion chamber (25) via two metal flanges, preferably of stainless steel, and provided with 4 to 10 holes for the fixings. It is in this compartment that the contaminant vapors coming from the ground are injected as fuel into the combustion chamber (25).
  • a condensate trap (32) may be attached between the vapor tube (26) and the vapor inlet (19). This device (figure 5) makes it possible to collect part of the water and contaminants in liquid form, thus reducing the load of steam reinjected into the combustion chamber.
  • the condensate trap (32) is positioned outside the installation and can be used for several burners at the same time
  • the heating tube is composed of four parts: a flame protection tube (11), a refractory ceramic tube (12), an internal heating tube (13) and an external heating tube (14).
  • the flame protection tube (11) and the ceramic tube (12) constitute the combustion chamber (25) of the heating device and replace the burner body present on current technology.
  • the flame protection tube (11) is a metal cylinder, preferably stainless steel, placed at the outlet of the mixer (20). This cylinder comprises a perforated collar, also preferably made of stainless steel, welded at its highest point to allow a supply of secondary air into the heating tube (1).
  • the ceramic tube (12) is placed in the flame protection tube (11) and fixed with metal wedges welded to the base of the flame protection tube.
  • the flame protection tube (11) is attached to the combustion head (2) and inserted into the internal heating tube (13). Additional perforations can be placed on the two tubes forming the combustion chamber (25) to promote mixing between the secondary air and the combustion gases.
  • the two heating tubes are concentric and preferably cylindrical. They are inserted into the polluted area with the outer tube (14) in direct contact with the ground.
  • the inner tube (13), preferably of stainless steel, has the smaller diameter of the two tubes and is open at its lower end. It is contained in the outer cylinder (14), made of steel, thus allowing the hot gas to circulate in the inner cylinder (13) to its lowest point. The hot gas leaving the internal cylinder (13) rises towards the surface by circulating in the zone located between the two heating tubes to heat, by thermal conduction, the surrounding ground.
  • the inner tube (13) has a diameter between 2" and 6", preferably 4"
  • the outer tube (14) has a diameter between 4" and 8", preferably 6".
  • the hot gases have a temperature between 200 and 600° C., preferably between 300 and 500° C., and finally leave the heating tube via the combustion gas outlet located at the top of the heating tube (1).
  • a solid catalyst for example in the form of a honeycomb or in the form of a fixed bed of grains
  • CO, VOC, unburned gases, etc. can be added at the outlet of the heating tube (1) or at the inlet of the heat exchanger (3), on the hot gas side, to complete the combustion and thus reduce harmful and dangerous gas emissions (CO, VOC, unburned gases, etc.).
  • the combustion gas outlet of the heating tube (1) is connected to a heat exchanger (3) via, preferably, a fixing hose, preferably made of stainless steel (6), serving as a compensator expansion for installation.
  • the heat exchanger (3) is mounted between the air inlet and the combustion gas outlet.
  • a compact, light exchanger with an exchange surface of at least 4 m2 is preferred. It is also important that it be resistant to temperatures of more than 500°C, generating a reasonable total pressure drop (for example ⁇ 35mbar) and able to operate under these conditions in transient regime as well as in steady state.
  • the installation of the heat exchanger (3) is done by means of threaded connections or flanges making it possible to connect the inputs/outputs to the rest of the heating system.
  • the exchanger is a spiral plate exchanger allowing optimum flow distribution.
  • the position of the heat recovery system (3) relative to the heating tube (1) can be adapted to reduce the size and maintain the integrity of the structure.
  • a uniaxial positioning of the exchanger will be favored due to the structural balance that this positioning provides. This positioning also makes it possible to reduce the number of visible elements and therefore to reduce the associated heat losses.
  • the entire heating system must be well sealed to prevent any air intake from the outside.
  • the combustion gases By circulating in the heat exchanger, the combustion gases will transmit up to 80% of their energy to the air entering the heat exchanger via the air intake valve (7).
  • This heat exchange makes it possible to preheat the air before it is injected into the combustion chamber and therefore to considerably reduce the heat losses associated with this part of the device.
  • the combustion gases leave the heat exchanger (3) with a lower lower temperature, preferably lower than 110°C.
  • a dilution tube is added between the outlet of the exchanger (3) and the fan (4).
  • This dilution tube is composed, in a preferred embodiment, of a first metal tube perforated with 1 to 6 holes of 2 to 8 mm in diameter and covered with a second metal tube also perforated with 1 to 6 holes of 2 8mm in diameter.
  • a thermal insulation adapted to the device is put in place.
  • a layer of concrete is poured on the floor to secure the heater tubes and burners in place.
  • a layer of insulation (23) is then applied to this layer of concrete to limit heat loss from the ground.
  • the visible parts of the heating system are also covered with a layer of insulation to further reduce heat loss to the outside. In this way, the total heat losses of the system are greatly reduced and most of the energy will be used only for heating the floor.
  • the use of custom-made reusable insulating blankets can be considered for the exposed parts of the heating system.
  • Each heating unit (or heating system) is accompanied by a control box (5) comprising all the components and sensors necessary for ignition, flame monitoring and treatment monitoring.
  • a control box (5) comprising all the components and sensors necessary for ignition, flame monitoring and treatment monitoring.
  • several devices for measuring temperature, flow, pressure and gas concentration are placed at different strategic points on the burner.
  • 5 measurement points are defined: A point at the air inlet of the combustion head (2), a point at the hot gas outlet of the heating tube (1), a point at the hot gas from the recuperator (3), a point at the outlet of the chimney (9) and a point at the steam inlet of the combustion head (2) (if the reburn mode is used).
  • Each point is equipped with the sensors needed to monitor the desired variables.
  • the measurement points are integrated into the device via threaded connections to guarantee the tightness of the assembly.
  • control boxes can also be adapted according to the project. Indeed, it is possible to have one control box per heating system or, in a preferred embodiment, a single central control box making it possible to control the entire site from a single place.
  • This second type of device makes it possible to reduce the size that several control boxes provide and therefore to allow the use of such technology on closed, restricted and difficult-to-access sites. It also reduces the costs associated with the purchase of several boxes.
  • In-situ operation (ISTD) In-situ operation
  • the remediation technology is directly integrated into the volume of polluted earth.
  • a drilling of the required depth is performed to be able to insert the heating tubes into the ground.
  • the distribution of the heating tubes as well as the distance between them is variable and chosen to optimize the heating of the floor.
  • the heating tubes are surmounted by a combustion head and connected to the fuel network and the electrical network.
  • the fuel and electricity supply circuits are fixed on high supports, thus freeing up floor space and facilitating movement on site.
  • Each heating system is equipped with a chimney and the system therefore does not require a combustion gas evacuation circuit. In the situation where this system is used in a confined space, an additional central circuit for the collection of flue gases and ventilation is necessary.
  • the refractory ceramic tube (12) and the combustion head (15, 16 and 20) can be positioned inside the inner tube (13) at the desired depth.
  • a porous material sand, gravel, etc.
  • an insulating material 28) can be used.
  • a non-porous material 29) can be used as a plug.
  • the polluted soil is excavated and then treated on site or moved to a site designated as a depollution site.
  • the earth is then used to form mounds, piles or placed in containers allowing treatment of the pollution by “batch”.
  • the heating tubes are inserted in a horizontal position by rows through the stack with, again, a distribution making it possible to heat the entire volume of earth as well as possible.
  • the piles of earth will be covered with a layer of concrete and a layer of insulation to consolidate the pile and limit heat loss.
  • Current technology uses exchanger tubes placed in the stack between two rows of burners. These tubes make it possible to use the heat of the combustion gases to reinforce the heat exchange by thermal conduction with the ground.
  • the heat exchanger (3) consists of plates in a spiral format and is located in the annular zone between the internal tube (13) and the external tube (1), in order to avoid a loss surface energy;
  • control box (5) is divided into two parts, a first part of which is kept in the immediate vicinity of the combustion head (2) and the other part is centralized and integrated into the management of several burners, in order to optimize the heating of a larger area containing heterogeneous soils;
  • the steam hose (10) comprises a catalytic oxidation unit in which the oxidizable organic compounds can be oxidized and generate an immediately recoverable temperature rise;
  • the inlet of the vapors (19) takes place radially; LEGEND OF FIGURES
  • Porous heat-conducting material sand, gravel, etc.

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Abstract

La présente invention décrit un système de chauffe utilisé dans la dépollution du sol par désorption thermique comprenant : - un échangeur de chaleur permettant de récupérer la chaleur contenue dans les gaz de combustion et de l'utiliser pour préchauffer l'air entrant utilisé dans la chambre combustion; - une unité de production de chaleur (brûleur) possédant une chambre de combustion placée à l'intérieur du tube de chauffe, lui-même positionné à l'intérieur du matériau à traiter.

Description

SYSTÈME DE CHAUFFE DE SOLS ET MATÉRIAUX CONTAMINÉS
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention consiste en un système de chauffe constitué d'une nouvelle génération d'unités de chauffage pouvant être utilisé dans le domaine de la remédiation des sols par désorption thermique. L'invention permet d'augmenter significativement le rendement thermique des unités thermiques traditionnelles utilisées actuellement.
CONTEXTE DE L'INVENTION
La contamination des sols est un problème de grande importance dans un monde où l'environnement et le développement durable prennent de plus en plus d'importance. Ce problème, souvent invisible, peut être causé par une grande variété de contaminants chimiques, biologiques ou même radioactifs et une toute aussi grande gamme de sources de pollutions. Laissée telle quelle, la contamination peut se propager et se retrouver dans d'autres ressources indispensables à la faune et la flore environnante. Il est donc important, dans un but de protection de l'environnement et de santé publique, d'éliminer ces contaminants avant qu'ils n'aient de trop grandes répercussions.
Les technologies de remédiation du sol sont multiples et peuvent être séparées en trois catégories principales : thermique, biologique et physicochimique. Le choix de la technique dépend de plusieurs paramètres tel que la nature de la contamination, les propriétés du sol, les contraintes physiques du site et le cout total du projet.
Une de ces techniques, la désorption thermique, est basée sur le chauffage du sol pour volatiliser les contaminants et en permettre l'extraction et la destruction/réutilisation après condensation. La désorption thermique est efficace face aux contaminants organiques, aux cyanures, au mercure et tout autre composant pouvant être volatilisé à des températures situées en dessous de 550oC. Chauffer via conduction thermique est une des techniques utilisées dans le domaine de la désorption thermique (W02001078914A8). Avec cette technique, l'énergie provenant de tubes de chauffes se propage radialement dans le sol par conduction. Ceci comporte plusieurs avantages vis-à-vis des autres possibilités de remédiation du sol car la conduction thermique permet de chauffer le sol à des températures dépassant les 350oC (ce qui n'est pas possible, par exemple, avec le chauffage électrique résistif (US5656239A) et de traiter facilement et rapidement les sols contaminés par une grande variété de contaminants, peu importe l'hétérogénéité du sol. En effet, la conductivité thermique a la particularité de ne pas fluctuer par des grands ordres de grandeur avec les matériaux présents dans le sol. De ce fait, la conduction thermique est beaucoup plus efficace que d'autres méthodes de transfert de chaleur dans le cas de sols hétérogènes.
Cette technique est applicable ex situ et in situ. Pour ce qui est de la désorption thermique ex-situ, le sol excavé est utilisé pour former des piles ou placé dans des conteneurs qui sont traités thermiquement. Avec la désorption thermique in-situ, les tubes de chauffes sont directement insérés dans le sol pollué permettant ainsi d'éviter l'excavation et le transport des terres. Ceci permet aussi de traiter des sols dans des endroits restreints et/ou avec un accès limité tel que des sites éloignés, des sites en zones urbaines, des sous-sols de maisons, etc. De manière générale, cette technique est plus rapide et a un impact environnemental réduit.
Les techniques actuelles augmentent la température du tube de chauffe en faisant circuler des gaz chauds (gaz de combustion), provenant d'un bruleur, dans deux tubes concentriques (BE1024596B1). Le processus total permet de fournir, pendant la période complète de traitement, une puissance moyenne de 1.5 kW par mètre de tube. Malheureusement, l'efficacité thermique de ces dernières est estimée à environ 35% ce qui augmente considérablement le cout du traitement vis-à-vis d'une situation de traitement idéale (mais irréaliste). Une grande partie de l'énergie thermique (40-50%) est perdue dans les gaz de combustions quittant le dispositif à la sortie du tube de chauffe, il est donc intéressant de se concentrer sur récupérer cette énergie pour améliorer le rendement du système.
DESCRIPTION
DESCRIPTION BRÈVE DES FIGURES
Figure 1 est une illustration du système de chauffe complet comprenant le bruleur, le système de récupération d'énergie et le tube de chauffe.
Figure 2 est une illustration de la tête de combustion et des compartiments d'air et de vapeur.
Figure 3 est une illustration des composants présents dans la tête de combustion. Figure 4 est une illustration d'une coupe du système de chauffe avec la tête de combustion et les tubes de chauffes.
Figure 5 est une illustration du système de chauffe avec le piège à condensât.
Figure 6 est une illustration d'une coupe du système de chauffe avec le ciment réfractaire et la tête de combustion positionnés à l’intérieur du tube interne à la profondeur souhaitée. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
La présente invention porte sur une nouvelle génération d'unité de chauffage (ou système de chauffe) étanche permettant de dépolluer le sol via désorption thermique tout en conservant un haut rendement thermique. Cette invention comporte trois modifications majeures par rapport à l'ancien système de chauffe permettant de réduire les pertes thermiques et donc d'augmenter le rendement de l'installation. La première modification consiste à placer un échangeur de chaleur entre la sortie des gaz de combustion et l'entrée d'air primaire pour extraire la chaleur contenue dans les gaz de combustion. Cette chaleur sera utilisée pour préchauffer l'air entrant dans la chambre de combustion. La deuxième modification se concentre sur le corps de bruleur de la technologie actuelle qui est remplacé par un tube en acier inoxydable contenant un tube en céramique réfractaire. Cette chambre de combustion est directement insérée dans le tube de chauffe et ne comporte aucun élément apparent. La troisième modification concerne l'élimination de l'actuelle entrée d'air secondaire et l'utilisation d'une seule entrée pour l'ensemble air primaire et air secondaire. La séparation air primaire et air secondaire du nouveau système se fait au niveau du tube interne.
Ces modifications permettent de réduire les pertes thermiques qui s'élèvent à 45- 60% dans l'état de l'art dans le domaine de la désorption thermique et de faciliter le réglage de la chauffe.
L'invention est une nouvelle génération de technologie de dépollution du sol via désorption thermique. Ledit système a été conçu avec comme objectif primaire de réduire significativement les pertes de chaleurs du système actuel et donc d'augmenter le rendement thermique du procédé.
Pour ce faire, trois améliorations sont apportées à l'art antérieur. Un échangeur de chaleur (3) est placé à la sortie du tube de chauffe (1) pour récupérer une partie importante (jusqu'à 80%) de l'énergie habituellement perdue dans les gaz de combustion. Ce passage par l'échangeur de chaleur permet d'utiliser l'énergie des gaz de combustion pour préchauffer l'air nécessaire à la combustion (air entrant dans la chambre de combustion). La deuxième modification se concentre sur l'actuel corps de bruleur qui, se trouvant en dehors du sol, résulte en des pertes thermiques moyennant 5-10% de l'énergie totale fournie par le bruleur. L'invention consiste à remplacer l'actuel corps de bruleur par un tube de protection de flamme (11) contenant un tube en céramique réfractaire (12). Ces derniers sont alors placés à l'intérieur du tube de chauffe actuel (1). Ce positionnement de la chambre de combustion permet de contenir la flamme entièrement dans le sol et donc d'y concentrer sa chaleur. La troisième modification concerne l'élimination de l'actuelle entrée d'air secondaire et l'utilisation d'une seule entrée pour l'ensemble air primaire et air secondaire. La séparation air primaire et air secondaire du nouveau système se fait au niveau du tube interne (13).
Ce nouveau système permet d'obtenir une large gamme de puissance allant de 2.2 à 80 kW, un préchauffage de l'air de combustion jusqu'à 400°C et un rendement thermique total dépassant les 80%. Avec cette invention, la consommation totale d'un projet serait réduite de 70%, par rapport à la consommation de la technologie actuelle, diminuant ainsi le cout et l'impact écologique du processus. Ce nouveau dispositif ne requiert donc pas de corps de bruleur ni d'entrée d'air secondaire ce qui est le cas avec la technologie actuelle.
Le nouveau système est composé de 5 parties indépendantes :
1. La tête de combustion (2)
2. Le tube de chauffe (1)
3. Le réseau d'évacuation des gaz de combustion
4. Le récupérateur de chaleur (3)
5. Le tableau de commande et contrôle (5)
La tête de combustion (2), dans un mode de réalisation préféré, est composée d'une bride principale (21), d'un compartiment air (18), d'un compartiment vapeur (19) (si le mode « reburn » est utilisé) et d'une chambre de combustion. Le combustible utilisé par le bruleur est acheminé via un tube d'alimentation (24) jusqu'à la tête de bruleur (2). Si le combustible est liquide, une électrovanne sera placée entre le tube d'alimentation (24) et la bride principale (21) pour empêcher l'arrivée de fuel dans le tube de chauffe lorsque le bruleur est à l'arrêt. La tête de bruleur est composée d'une bride principale sur laquelle sont fixés plusieurs éléments importants. Dans un mode de réalisation préféré, la bride principale comporte une électrode d'allumage et de détection de flamme (16), un regard de flamme (17), une sortie de pressostat (22) et un injecteur de gaz (15). La bride principale est fixée sur le compartiment d'admission d'air (18) au moyen de 4 à 10 fixations de 6 à 10 mm de diamètre.
Le compartiment d'admission d'air (18) permet d'alimenter le brûleur en air. Il est composé d'un tube métallique, de préférence cylindrique et en acier inoxydable, et de diamètre entre 2" et 6", de préférence 4". Dans un mode de réalisation préféré, le tube comporte deux ouvertures. Une ouverture latérale permettant l'utilisation de la poignée de réglage de l'injecteur de gaz (15) et une ouverture via un piquage fileté, de préférence en acier inoxydable, de diamètre entre 1" et 3", de préférence 2". Cette dernière ouverture sert d'arrivée d'air dans la chambre de combustion (25). Le compartiment d'air (18) comporte deux brides métalliques, de préférence en acier inoxydable, soudées aux extrémités du tube, permettant de fixer le compartiment d'air (18) à la tête de bruleur (2) et à la chambre de combustion (25).
Le combustible est mélangé avec une partie de l'air préchauffé au moyen d'un mélangeur (20) situé à la sortie de l'injecteur de gaz (15) et du compartiment air (18). Dans un mode de réalisation préféré, l'injecteur de gaz (15) est formé de deux tubes concentriques métalliques. Chaque tube est muni d'un disque percé de 2 à 8 trous de 2 à 6 mm de diamètre. Le tube externe pivote librement autour du tube interne pour permettre une modification de la section de passage via un déplacement des deux disques percés. Dans un mode de réalisation préféré, l'injecteur de gaz (15) est muni d'une poignée de réglage permettant la modification de la section de passage et donc du flux de combustible dans le bruleur. La combustion est déclenchée lorsque l'électrode d'allumage (16), fixée sur la bride principale (21), produit une étincelle. Cette électrode peut aussi être utilisée pour détecter la présence d'une flamme dans le bruleur tout comme le regard de flamme (17) fixé sur la bride principale (21).
Lorsque le contaminant contenu dans le sol pollué peut être utilisé comme combustible, un mode d'opération nommé « reburn » peut être mis en place. Ce mode consiste à réinjecter les vapeurs de contaminant sortant du sol dans la chambre de combustion pour l'utiliser comme combustible dans le bruleur. Pour ce faire, les vapeurs sont acheminées via un tube vapeur (26), placé à côté du tube de chauffe (1), et relié via un flexible vapeur (10) au compartiment vapeur (19). Ceci permet de réduire la consommation totale de l'opération et offre une méthode directe de traitement des polluants pour ne produire que des produits de combustion à la sortie. Pour ce mode d'opération, il est nécessaire d'ajouter un compartiment vapeur (19) entre le compartiment d'air (18) et la chambre de combustion (25). Le compartiment vapeur (19) est un tube, de préférence cylindrique et en acier inoxydable. Il est pourvu de 1 à 6 piquages filetés, en acier inoxydable préférentiellement et de diamètre entre 1" et 3", de préférence de diamètre 1". Ces piquages filetés permettent de relier le compartiment vapeur (19) au tube vapeur (10). Dans un mode de réalisation préféré, ce compartiment est fixé au compartiment d'air (18) et à la chambre de combustion (25) via deux brides métalliques, de préférence en acier inoxydable, et munies de 4 à 10 perçages pour les fixations. C'est dans ce compartiment que les vapeurs de contaminant venant du sol sont injectées comme combustible dans la chambre de combustion (25).
Dans un mode de réalisation préféré, lorsque le sol a une forte teneur en eau (par exemple lorsque la teneur en eau est supérieure à 20% en masse) et/ou que le sol est fortement contaminé (par exemple lorsque la concentration moyenne en contaminants combustibles est supérieure àl5000 mg/kg), un piège à condensât (32) peut être fixé entre le tube de vapeur (26) et l'entrée des vapeurs (19). Ce dispositif (figure 5) permet de collecter une partie de l’eau et des contaminants sous forme liquide, réduisant ainsi la charge de vapeur réinjectée dans la chambre de combustion.
Dans un mode de réalisation préféré le piège à condensât (32) est positionné en dehors de l'installation et peut servir pour plusieurs brûleurs à la fois
Le tube de chauffe est composé de quatre pièces : un tube de protection de flamme (11), un tube en céramique réfractaire (12), un tube de chauffe interne (13) et un tube de chauffe externe (14). Le tube de protection de flamme (11) et le tube en céramique (12) constituent la chambre de combustion (25) du dispositif de chauffe et remplacent le corps de bruleur présent sur la technologie actuelle. Dans un mode de réalisation préféré, le tube de protection de flamme (11) est un cylindre métallique, de préférence en acier inoxydable, placé à la sortie du mélangeur (20). Ce cylindre comporte une collerette perforée, elle aussi de préférence en acier inoxydable, soudée en son point le plus haut pour permettre un apport en air secondaire dans le tube de chauffe (1). Le tube en céramique (12) est placé dans le tube de protection de flamme (11) et fixé grâce à des calles métalliques soudées à la base du tube de protection de flamme. Ce tube permet de protéger les autres composants environnants des hautes températures rencontrées proche de la flamme. Le tube de protection de flamme (11) est fixé à la tête de combustion (2) et insérés dans le tube de chauffe interne (13). Des perforations supplémentaires peuvent être placées sur les deux tubes formant la chambre de combustion (25) pour favoriser le mélange entre l'air secondaire et les gaz de combustion.
Dans un mode de réalisation préféré ,les deux tubes de chauffes sont concentriques et de préférence cylindriques. Ils sont insérés dans la zone polluée avec le tube externe (14) en contact direct avec le sol. Dans un mode de réalisation préféré, le tube interne (13), de préférence en acier inoxydable, possède le plus petit diamètre des deux tubes et est ouvert à son extrémité la plus basse. Il est contenu dans le cylindre externe (14), en acier, permettant ainsi au gaz chaud de circuler dans le cylindre interne (13) jusqu'à son point le plus bas. Le gaz chaud sortant du cylindre interne (13) remonte vers la surface en circulant dans la zone située entre les deux tubes de chauffe pour chauffer, par conduction thermique, le sol environnant. Dans un mode de réalisation préféré, le tube interne (13) comporte un diamètre entre 2" et 6", de préférence 4", et le tube externe (14) un diamètre entre 4" et 8", de préférence 6". Les gaz chauds ont une température située entre 200 et 600°C, préférentiellement entre 300 et 500°C, et sortent finalement du tube de chauffe via la sortie de gaz de combustion situé sur en haut du tube de chauffe (1). Dans un mode de réalisation préféré et lorsque jugé nécessaire, un catalyseur solide (par exemple en nid d'abeille ou sous forme d'un lit fixe de grains) peut être ajouté en sortie du tube de chauffe (1) ou à l'entrée de l'échangeur (3) de chaleur, coté gaz chaud, pour compléter la combustion et réduire ainsi les émissions de gaz nocifs et dangereux (CO, COV, gaz imbrulés...).
Dans un mode de réalisation préféré, la sortie des gaz de combustion du tube de chauffe (1) est reliée à un échangeur de chaleur (3) via, préférablement, un flexible de fixation, préférentiellement en acier inoxydable (6), servant de compensateur de dilatation pour l'installation. L'échangeur de chaleur (3) est monté entre l'admission d'air et la sortie des gaz de combustion. Dans un mode de réalisation préféré, un échangeur compact, léger et avec une surface d'échange d'au moins 4 m2 est privilégié. Il est aussi important qu'il soit résistant à des températures de plus de 500°C, générant une perte de charge totale raisonnable (par exemple <35mbar) et pouvant fonctionner dans ces conditions en régime transitoire ainsi qu'en régime établi. Dans un mode de réalisation préféré, l'installation de l'échangeur de chaleur (3) se fait au moyen de piquages filetés ou brides permettant de connecter les entrées/sorties au reste du système de chauffe. Dans un mode de réalisation préféré, l'échangeur est un échangeur à plaques en spirale permettant une répartition optimale des flux. La position du système de récupération de chaleur (3) par rapport au tube de chauffe (1) peut être adaptée pour réduire l'encombrement et conserver l'intégrité de la structure. Dans un mode de réalisation préféré, un positionnement uniaxial de l'échangeur sera favorisé due à l'équilibre structurel que ce positionnement procure. Ce positionnement permet aussi de réduire le nombre d'éléments apparents et donc de réduire les pertes thermiques associées. Tout le système de chauffe doit être bien étanche pour éviter toute aspiration d'air venant de l'extérieur. En circulant dans l'échangeur de chaleur, les gaz de combustion vont transmettre jusqu'à 80% de leur énergie à l'air entrant dans l'échangeur de chaleur via la vanne d'aspiration d'air (7). Cet échange de chaleur permet de préchauffer l'air avant qu'il ne soit injecté dans la chambre de combustion et donc de réduire considérablement les pertes thermiques liées à cette partie du dispositif.
Les gaz de combustion sortent de l'échangeur de chaleur (3) avec une température inférieure plus faible, préférablement inférieure à 110°C. Pour réduire la température à un point encore plus froid, par exemple en dessous de 80°C, un tube de dilution est ajouté entre la sortie de l'échangeur (3) et le ventilateur (4). Ce tube de dilution est composé, dans un mode de réalisation préféré, d'un premier tube métallique perforé de 1 à 6 trous de 2 à 8 mm de diamètre et recouvert d'un deuxième tube métallique aussi perforé de 1 à 6 trous de 2 à 8 mm de diamètre. En déplaçant les perforations du tube externe par rapport à celles du tube interne, le débit d'air frais admis pour la dilution des gaz de combustion peut être ajusté. Une fois dilué avec de l'air, les gaz de combustion sont évacués via un extracteur de fumée ou ventilateur (4) et une cheminée (9).
Pour augmenter le rendement thermique du système, dans un mode de réalisation préféré, une isolation thermique adaptée au dispositif est mise en place. Dans un mode de réalisation préféré, une couche de béton est coulée sur le sol pour fixer les tubes de chauffes et brûleurs en place. Une couche d'isolant (23) est ensuite appliquée sur cette couche de béton pour limiter les pertes thermiques provenant du sol. Les parties visibles du système de chauffe sont aussi couvertes d'une couche d'isolant pour réduire d'avantage les pertes thermiques vers l'extérieur. De cette façon, les pertes thermiques totales du système sont fortement réduites et la majeure partie de l'énergie servira uniquement au chauffage du sol. Dans un mode de réalisation préféré, l'utilisation de couvertures isolantes réutilisables sur mesure peut être envisagée pour les parties exposées du système de chauffe.
Chaque unité de chauffage (ou système de chauffe) est accompagnée d'un coffret de commande (5) comprenant tous les composants et capteurs nécessaires à l'allumage, la surveillance de la flamme et au suivi du traitement. Pour ce faire, plusieurs appareils de mesure de température, débit, pression et concentration du gaz sont placés à différents points stratégiques sur le bruleur. Dans un mode de réalisation préféré, 5 points de mesures sont définis : Un point à l'entrée air de la tête de combustion (2), un point à la sortie gaz chaud du tube de chauffe (1), un point à la sortie gaz chaud du récupérateur (3), un point à la sortie de la cheminée (9) et un point à l'entrée vapeur de la tête de combustion (2) (si le mode reburn est utilisé). Chaque point est muni des capteurs nécessaires au suivi des variables souhaités. Dans un mode de réalisation préféré, les points de mesures sont intégrés au dispositif via des piquages filetés pour garantir l'étanchéité de l'ensemble. Toutes ces mesures permettent d'avoir un meilleur suivi du rendement du système et de la combustion dans le bruleur. Le nombre de coffrets de commande peut lui aussi être adapté en fonction du projet. En effet, il est possible d'avoir un coffret de commande par système de chauffe ou, dans un mode de réalisation préféré, un seul coffret de commande central permettant de contrôler l'entièreté du site à partir d'un seul lieu. Ce deuxième type de dispositif permet de réduire l'encombrement que plusieurs coffrets de commande apportent et donc de permettre l'utilisation d'une telle technologie sur des sites fermés, restreints et difficiles d'accès. Il permet aussi de diminuer les coûts associés à l'achat de plusieurs coffrets. Fonctionnement in-situ (ISTD)
Dans un mode de réalisation préféré, en mode de fonctionnement ISTD, aucune excavation des terres n'est requise et la technologie de dépollution est directement intégrée dans le volume de terre pollué. Un forage de la profondeur requise est performé pour pouvoir insérer les tubes de chauffe dans le sol. La répartition des tubes de chauffe ainsi que l'interdistance entre ceux-ci est variable et choisie pour optimiser la chauffe du sol. Une fois en terre, les tubes de chauffe sont surmontés d'une tête de combustion et connectés au réseau de fuel et au réseau électrique. Dans un mode de réalisation préféré et pour des raisons de sécurité, les circuits d'alimentation en fuel et électricité sont fixés sur des supports en hauteur permettant ainsi de libérer l'espace au sol et faciliter le déplacement sur site. Chaque système de chauffe est muni d'une cheminé et le système ne requiert donc pas de circuit d'évacuation des gaz de combustion. Dans la situation où ce système est utilisé dans un espace confiné, un circuit central supplémentaire de collecte des gaz de combustion et de ventilation est nécessaire.
Dans un mode de réalisation préféré (figure 6), lorsque la zone visée par le traitement est située à une profondeur par exemple supérieure à 2m ou qu’un chauffage de la couche supérieure du sol n’est pas recommandé, le tube en céramique réfractaire (12) et la tête de combustion (15, 16 et 20) peuvent être positionnés à l’intérieur du tube interne (13) à la profondeur souhaitée. Ceci constitue un avantage par rapport à un positionnement au début du tube en ce que la plus grande partie de l'énergie est transmise là où le matériau doit être chauffé le plus, et ainsi permet une économie d'énergie et/ou évite de chauffer des zones qui ne doivent pas l'être. Dans un mode de réalisation préféré, pour garantir le contact entre le tube externe (14) et le sol, un matériau poreux (sable, gravier...) (27) peut être ajouté le long de la zone contaminée (30). Dans la zone non concernée par le traitement (31), un matériau isolant (28) peut être utilisé. À la surface un matériau non poreux (29) peut être utilisé comme bouchon.
Fonctionnement ex-situ (ESTD)
En mode de fonctionnement ESTD, les terres polluées sont excavées puis traitées sur place ou bien déplacées jusqu'à un site désigné comme site de dépollution. Les terres sont alors utilisées pour former des monts, des piles ou placées dans des conteneurs permettant un traitement de la pollution par « batch ». Les tubes de chauffes sont insérés en position horizontal par rangés au travers de la pile avec, de nouveau, une répartition permettant de chauffer au mieux l'entièreté du volume de terre. Dans un mode de réalisation préféré, les piles de terres seront recouvertes d'une couche de béton et d'une couche d'isolant pour consolider la pile et limiter les pertes de chaleur. La technologie actuelle utilise des tubes échangeurs placés dans la pile entre deux rangés de bruleur. Ces tubes permettent d'utiliser la chaleur des gaz de combustion pour renforcer l'échange de chaleur par conduction thermique avec le sol. La présence d'échangeur de chaleur sur cette nouvelle technologie permet d'éliminer les tubes échangeurs utilisés par la technologie actuelle dans des traitement ESTD. Ce mode de fonctionnement est en grande majorité utilisé dans des lieux ouverts et donc un système où chaque bruleur possède son propre extracteur et sa propre cheminée peut être utilisé. Dans un mode de réalisation préféré, les circuits d'alimentation en fuel et électricité sont fixés sur un support métallique en hauteur. Si le dispositif comporte plusieurs coffrets de commandes, ils seront attachés au même support métallique et alignés pour faciliter le travail de l'opérateur. Il est possible que des supports métalliques supplémentaires soient requis pour soutenir les tubes de chauffe et consolider l'installation en général.
Dans un mode de réalisation préféré, l'échangeur de chaleur (3) est constitué de plaques en format spiralé et est localisé dans la zone annulaire entre le tube interne (13) et le tube externe (1), afin d'éviter une perte d'énergie en surface ;
Dans un mode de réalisation préféré le boitier de contrôle (5) est divisé en deux parties, dont une première partie est gardée à proximité immédiate de la tête de combustion (2) et l'autre partie est centralisée et intégrée dans la gestion de plusieurs brûleurs, et ce afin d'optimiser la chauffe d'une zone plus large contenant des sols hétérogènes ;
Dans un mode de réalisation préféré le flexible vapeur (10) comprend une unité d'oxydation catalytique dans laquelle les composés organiques oxydables peuvent être oxydés et générer une hausse de température récupérable immédiatement ;
Dans un mode de réalisation préféré l'entrée des vapeurs (19) se fait de manière radiale ; LÉGENDE DES FIGURES
1. Tube de chauffe
2. Tête de combustion
3. Échangeur de chaleur
4. Ventilateur
5. Boitier de commande
6. Flexible en acier inoxydable
7. Vanne d'aspiration d'air
8. Vanne d'aspiration des gaz de combustion
9. Conduite d'évacuation
10. Flexible vapeur
11. Tube de protection de flamme
12. Tube en céramique réfractaire
13. Tube interne
14. Tube externe
15. Injecteur de combustible
16. Électrode d'allumage et de contrôle de flamme
17. Regard de flamme
18. Compartiment air
19. Compartiment vapeur
20. Mélangeur
21. Bride principale
22. Sortie pressostat
23. Isolant sol
24. Entrée combustible
25. Chambre de combustion
26. Tube vapeur
27. Matériau poreux conducteur de la chaleur (sable, gravier...)
28. Matériau isolant
29. Matériau non poreux
30. Zone contaminée du sol
31. Zone non contaminée du sol
32. Piège à condensât

Claims

REVENDICATIONS
1. Un système de chauffe utilisé dans la dépollution du sol par désorption thermique comprenant : un échangeur de chaleur permettant de récupérer la chaleur contenue dans les gaz de combustion et de l'utiliser pour préchauffer l'air entrant utilisé dans la chambre combustion ; une unité de production de chaleur (brûleur) possédant une chambre de combustion placée à l'intérieur du tube de chauffe, lui-même positionné à l'intérieur du matériau à traiter.
2. Un système comme dans la revendication 1, où le corps de bruleur est remplacé par un tube en acier inoxydable et un tube en céramique réfractaire inséré dans le tube de chauffe.
3. Un système comme dans la revendication 1 à 2, dans lesquels un échangeur de chaleur est placé entre la sortie des gaz de combustion et l'entrée d'air primaire permettant de préchauffer ce dernier jusqu'à 400°C.
4. Un système comme dans la revendication 1 à 3, dans lesquels chaque système de chauffe est muni d'un extracteur de fumé et d'une cheminé individuelle permettant d'éviter l'utilisation d'un circuit d'évacuation des gaz de combustion avec extracteur central.
5. Un système comme dans la revendication 1 à 4, dans lesquels le suivi et le contrôle de la chauffe se fait à partir d'un coffret de commande comprenant capteurs et composants nécessaire au bon fonctionnement et suivi de la combustion, ce coffret de commande est physiquement séparé du système de chauffe.
6. Un système comme dans la revendication 1 à 5, dans lesquels l'actuelle entrée d'air secondaire est éliminée au profit d'une seule entrée pour l'ensemble air primaire et air secondaire, la séparation entre les deux se produit au niveau du tube interne.
7. Un système comme dans la revendication 1 à 6, dans lesquels une couche d'isolant adaptée sera appliquée sur les parties visibles du dispositif pour limiter les pertes thermiques.
8. Un système comme dans les revendications 1 à 7, dans lesquels un piège à condensât est ajouté entre le tube de vapeur et l'entrée des vapeurs, ce dispositif permet de collecter une partie de l’eau et du contaminant sous forme liquide, réduisant ainsi la charge de vapeur réinjectée en mode « reburn » dans la chambre de combustion. Un système comme dans les revendications 1 à 8, dans lesquels en mode d'application « in-situ » et lorsque la zone visée par le traitement est située à une profondeur supérieure à 2m ou qu’un chauffage de la couche supérieure du sol n’est pas recommandé, le tube en céramique réfractaire et la tête de combustion sont positionnés à l’intérieur du tube interne à la profondeur souhaitée.
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