FR2937331A1

FR2937331A1 - Procede et dispositif de thermolyse de dechets industriels et/ou menagers

Info

Publication number: FR2937331A1
Application number: FR0805798A
Authority: FR
Inventors: Tidjani Niass; Fabrice Giroudiere; Willi Nastoll; 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: WO2010046546A1; FR2937331B1

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 chaudes utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, comprenant une étape de réduction de la température des fumées de combustion chaudes. 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 limiter l'encrassement d'un four tournant lors de la thermolyse de déchets. La thermolyse des déchets est un procédé thermique de transformation d'une charge hétérogène contenant une fraction organique, des métaux et des inertes en combustibles et en matériaux recyclables. La charge hétérogène peut être : des ordures ménagères, des déchets industriels banals, des résidus de broyage automobile, des pneumatiques usagés, de la biomasse au sens large du terme ou un mélange de ces différents substrats.

Dans le procédé de thermolyse, la charge se décompose en absence d'air et sous l'effet de la température en un gaz combustible (appelé gaz de thermolyse) et en un résidu solide contenant une fraction combustible (appelé Carbor), des métaux et des inertes. Les combustibles ainsi produits peuvent être valorisés sous forme de chaleur ou d'énergie électrique.

Le brevet FR 2 678 850 mentionne une mise en oeuvre de ce procédé à travers un four tournant chauffé extérieurement. Dans ce brevet, des fumées chaudes circulent dans une enveloppe entourant le four tournant contenant la charge à traiter de façon à la chauffer. Le transfert thermique entre les fumées et la charge se fait via une paroi métallique de sorte qu'il n'y ait pas de contact direct entre les fumées et la charge.

L'intérieur du tube est généralement maintenue en légère dépression de manière à ce que les fuites résiduelles soient de l'extérieur vers l'intérieur du tube afin d'éviter toute fuite des gaz combustibles contenu dans le tube vers l'extérieur du tube. Avec ce type de dispositif le gaz issu de la thermolyse est brûlé dans une chambre de combustion en présence de l'air issu d'un sécheur rotatif. Une partie des fumées issues de cette combustion passent dans un échangeur de chaleur où elles cèdent une partie de leur énergie à de l'air prélevé à l'atmosphère et envoyé ensuite vers le sécheur rotatif pour réduire l'humidité de la charge. Les fumées subissent ensuite un traitement sommaire de dénitrification avant de rentrer dans l'enveloppe entourant le four pour chauffer la charge à traiter contenue à l'intérieur du tube tournant via la paroi métallique du tube de thermolyse.

L'efficacité de l'opération de thermolyse, dépend beaucoup de l'efficacité des transferts thermiques entre les fumées chaudes circulant dans l'enveloppe entourant le four et la charge contenue dans le four. Or, les fumées circulant dans l'enveloppe entourant le four sont chargées en poussières en concentration élevée. Ces poussières sont issues en partie de l'air de combustion (lors du séchage en tambour rotatif) et du gaz de thermolyse par entraînement de Carbor. Elles ont des températures de fusibilités généralement supérieures à 700 °C, de sorte que lorsqu'elles se déposent sur la paroi métallique du four, elles constituent une couche plus ou moins épaisses et particulièrement adhérente à la paroi du four. Cette couche altère notablement les transferts thermiques des fumées chaudes vers la paroi métallique du four et donc vers la charge contenue à l'intérieur du four de thermolyse. La conséquence immédiate est une réduction de la production de gaz de thermolyse et donc un mauvais fonctionnement du procédé. Pour palier au problème décrit ci-dessus, une première solution consiste à arrêter régulièrement l'installation de thermolyse de façon à nettoyer la surface externe du tube de thermolyse. Compte tenu de l'inertie thermique de ce type d'installation, cette opération occasionnerait plusieurs jours d'arrêts de l'installation et donc une perte notable de productivité. Par ailleurs, l'encrassement du tube externe est relativement rapide sur un tube propre et conduirait à des arrêts très fréquents.

Une deuxième solution consiste à réduire les poussières à leurs sources. Pour les poussières venant de l'air de combustion via le sécheur, les systèmes classiques de séparation (cyclone, filtres, ...) ont des efficacités limitées compte tenu de la nature des poussières composées en partie de particules volantes. Pour les poussières venant du gaz de thermolyse, elles sont à une température de l'ordre de 450°C à 600°C en présence de gaz détonants chargés en goudron (hydrogène, monoxyde de carbone, ...). La séparation efficace de poussières dans ces conditions n'est pas aisée. En effet, le refroidissement du gaz de thermolyse entraînerait la condensation des goudrons et par conséquent entraînerait des problèmes d'encrassement. La filtration haute température pose des problèmes de matériaux et d'étanchéité du dispositif.

Une autre solution consiste à utiliser des systèmes mécaniques qui viennent gratter régulièrement la surface externe du tube de thermolyse. Cette solution, même si elle peut avoir une certaine efficacité, présente le risque non négligeable d'endommager le tube de thermolyse qui est à haute température. Par ailleurs, le système de grattage devra répondre à des contraintes mécaniques et thermiques sévères (corrosion notamment). 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 la température des fumées de la chambre de combustion en dessous du seuil de fusibilité des poussières de façon à ce que les poussières n'adhérent pas à la paroi métallique du four de thermolyse. 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 chaudes utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réduction de la température des fumées de combustion chaudes. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de réduction de la température des fumées de combustion est réalisée après l'étape de combustion et 20 avant l'étape de thermolyse. Le procédé selon l'invention comprend une étape d'échange de chaleur air/fumée. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de réduction de la température des fumées de combustion est précédée de l'étape d'échange de chaleur 25 air/fumée. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait par injection directement dans les fumées de combustion d'eau nébulisée ou pulvérisée.

Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait par une deuxième étape d'échange de chaleur entre les fumées et de l'air à plus basse température. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait en remplaçant l'étape d'échange de chaleur air/fumée par une étape utilisant une chaudière 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 mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention comprenant au moins un moyen de séchage des déchets, des moyens de thermolyse des déchets, un moyen de génération de fumées de combustion chaudes destinées au moins en partie au moyen de séchage, des moyens d'échange de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes. Selon un mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction de la 15 température des fumées de combustion chaudes sont disposés entre un échangeur de chaleur air/fumées et l'entrée des moyens de thermolyse. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par des moyens d'injection directement dans les fumées de combustion d'eau nébulisée ou pulvérisée. 20 Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par un deuxième échangeur de chaleur. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par une chaudière 25 disposée à la place des moyens d'échange de chaleur. 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 aux figures annexées et données à titre d'exemple, à partir desquelles le procédé sera décrit: la figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 2 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif selon l'invention, la figure 3 représente un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Comme illustré sur les figures 1, 2 et 3, 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) de sortie 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 débarrasser des grosses poussières passe par l'intermédiaire d'une conduite (131) dans un ventilateur (14) puis est dirigée 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 circule des fumées chaudes qui vont permettre la réaction de thermolyse dans le premier tube (2). Le premier (2) tube 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 en circulant dans la conduite (31) 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 n'ayant pas échangé thermiquement. Avantageusement, l'ensemble les 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 (non illustré) la dénitrification a lieu après l'échange de chaleur. Dans ce cas, les moyens de dénitrification 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 ainsi refroidies circulent par la conduite (32') jusqu'à l'enveloppe du four de 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 plus 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). Une partie des fumées est évacuée par la conduite (72) vers un système de traitement de fumées (8, 9) avant d'être évacuées vers l'atmosphère. L'autre partie des fumées refroidies est amenée par la conduite (71) vers la 5 chambre de combustion (3). Le profil de pression de l'installation est tel que l'intérieur du four est en dépression par rapport à la chambre de combustion, un ventilateur de tirage permet d'assurer l'extraction du gaz de thermolyse via la chambre de combustion et la circulation des fumées.

10 Selon l'invention la température des fumées issues de la chambre de combustion est réduite de façon à être en dessous du seuil de fusibilité des poussières pour éviter leur adhérence à la paroi métallique du tube de thermolyse. Les fumées utilisées pour le chauffage du four c'est-à-dire entrant dans le 21ème tube (5), sont donc préalablement refroidies par des moyens (91, 92, 93) de réduction de la température des fumées 15 issues de la chambre de combustion. Ces moyens (91, 92, 93) de réduction de température permettent d'abaisser la température des fumées, qui sont ensuite dirigées par la conduite (32') dans l'enveloppe (5) du four de thermolyse, en dessous du seuil de fusibilité des poussières contenues dans les fumées. Dans un premier mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 1, le 20 refroidissement des fumées se fait par une injection d'eau (91) avant l'entrée dans l'enveloppe du four de thermolyse. L'injection d'eau est réalisée par un injecteur ou tout autre moyen connus de l'homme du métier disposé sur la conduite (32). L'injection d'eau se fait directement dans les fumées sous forme nébulisée ou pulvérisée. Les fumées ainsi refroidies sont alors transportées par la conduite (32') vers l'enveloppe (5) du four.

25 Dans un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 2 le refroidissement des fumées se fait en ajoutant un deuxième échangeur de chaleur (92) entre l'échangeur air/fumée (4) et l'entrée de l'enveloppe du four de thermolyse. Cet échangeur (92) de la même façon que le premier échangeur de chaleur (4) fonctionne avec un apport d'air ambiant de température inférieure à celle des fumées. Les fumées sont ainsi refroidies par échange de chaleur avec l'air qui repart réchauffé. Les fumées ainsi refroidies sont alors transportées par la conduite (32') vers l'enveloppe (5) du four. Dans un autre mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 3 le refroidissement des fumées se fait en remplaçant l'échangeur air/fumée par une chaudière pour la production de chaleur (vapeur ou eau chaude) ou d'électricité. Dans cette solution, l'échangeur air/fumées (4) du schéma de base (figure 1) est remplacé par une chaudière (7'), et la chaudière (7) du schéma de base (figure 1) est remplacée par un échangeur de chaleur air/fumée (4'). Cette solution présente l'avantage de pouvoir générer de la vapeur à plus haute température et également de recourir à des matériaux moins coûteux pour réaliser la surface d'échange. En effet, dans ce cas l'eau en phase de vaporisation modère la température de la surface d'échange et donc permet l'usage de matériaux moins sophistiqués et donc moins coûteux. Il 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 chaudes utilisées en partie lors de l'étape de thermolyse, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réduction de la température des fumées de combustion chaudes.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape de réduction de la 10 température des fumées de combustion est réalisée après l'étape de combustion et avant l'étape de thermolyse.
3. Procédé selon une des revendications 1 à 2 comprenant une étape d'échange de chaleur air/fumée.
4. Procédé selon une des revendications 1 à 3 dans lequel l'étape de réduction 15 de la température des fumées de combustion est précédée de l'étape d'échange de chaleur air/fumée.
5. Procédé selon une des revendications 1 à 4 dans lequel l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait par injection directement dans les fumées de combustion d'eau nébulisée ou pulvérisée. 20
6. Procédé selon une des revendications 1 à 4 dans lequel l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait par une deuxième étape d'échange de chaleur entre les fumées et de l'air à plus basse température.
7. Procédé selon une des revendications 1 à 3 dans lequel l'étape de réduction de la température des fumées de combustion se fait en remplaçant l'étape 25 d'échange de chaleur air/fumée par une étape utilisant une chaudière et produisant de l'eau chaude, de la vapeur d'eau ou de l'électricité.
8. Dispositif de thermolyse de déchets industriels et/ou ménagers mis en oeuvre dans le procédé selon les revendications 1 à 7 comprenant au moins unmoyen de séchage des déchets (1), des moyens de thermolyse des déchets (2), un moyen (3) de génération de fumées de combustion chaudes 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 (91, 92, 93) de réduction de la température des fumées de combustion chaudes.
9. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont disposés entre un échangeur de chaleur air/fumées (4) et l'entrée des moyens de thermolyse.
10. Dispositif selon une des revendications 8 à 9 dans lequel les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par des moyens d'injection (91) directement dans les fumées de combustion d'eau nébulisée ou pulvérisée.
11. Dispositif selon une des revendications 8 à 10 dans lequel les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par un deuxième échangeur de chaleur (4').
12. Dispositif selon la revendication 8 dans lequel les moyens de réduction de la température des fumées de combustion chaudes sont formés par une chaudière (7') disposée à la place des moyens d'échange de chaleur (4).