LU85980A1

LU85980A1 - Procede et installation pour l'incineration de combustibiles

Info

Publication number: LU85980A1
Application number: LU85980A
Authority: LU
Inventors: Leif Sorensen
Original assignee: Alpha Foundation
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1985-06-28
Publication date: 1987-01-13
Also published as: EP0207924A2; DE3677647D1; FI88958C; FI862742A0; CA1273246A; KR870000546A; FI862742L; US4762074A; FI88958B; DK307886D0; ATE61098T1; DK307886A; EP0207924B1; EP0207924A3

Description

r . , i \ 1 . * Λ * L*invention concerne un procédé et une installation pour perfectionner 1*incinération de combustibles en vue de réduire la production de gaz nocifs, en particulier d’oxydes d’azote (NO^) et également en vue de 5 réduire l’émission de dioxines et de furannes lorsqu'on incinère des déchets solides ou liquides contenant des précurseurs de dioxines et de furannes.

Il est connu d'incinérer des combustibles solides tels que le charbon, le lignite et beaucoup d’au-10 très combustibles dérivés de détritus (RDF pour Refused Derived Fuels) tant sous forme de déchets désintégrés que sous la forme plus affinée de RDF qui consistent en la fraction solide des déchets désintégrés.

Cette incinération peut avoir lieu sur un type 15 quelconque de grille, dans un four rotatif ou dans un lit fluide, le tout en exécution simple ou multiple ou en combinaison de ces dispositifs.

Il est également connu que la température varie beaucoup d’un endroit à un autre de la chambre d’inci-20 nération et que des combustibles différents requièrent des quantités différentes d’air en surplus pour obtenir une incinération satisfaisante dans la chambre d’incinération.

Il est connu aussi que la plus grande partie 25 des gaz nocifs est développée à partir de l’azote contenu dans l'air fourni à la chambre d’incinération, et que des dioxines et des furannes sont développés de * * , 2 leurs précurseurs lorsque la température dans la chambre « d'incinération varie d’environ 180°C et jusqu’à environ 1000-1200°C suivant le type d'isomère de dioxine qui est présent.

5 II est connu aussi que plus la température dans la zone de combustion d'un incinérateur peut être réduite, moindre sera le développement de gaz nocifs (NO·^) ou, en d'autres termes, plus la température dans la chambre de combustion peut être basse, moindre sera 10 l'émission de gaz nocifs dans l'atmosphère.

D'autre part, il a été prouvé qu'il est nécessaire de maintenir dans la chambre de combustion une température assez élevée (de l'ordre de 1200°C) pour supprimer totalement les dioxines et les furannes produits 15 à partir de leurs précurseurs dans les gaz brûlés.

Cette suppression exige l'apport de grandes quantités d'air frais à la chambre de combustion de 1'incinérateur.

Des installations d'incinération utilisant des 20 grilles normales auront, dans beaucoup de cas, des problèmes pour obtenir la température requise dans la chambre de combustion et exigeront par conséquent une seconde chambre de combustion où la température puisse être maintenue à l'aide d'un brûleur secondaire.

25 Du fait de l’augmentation de température de la température normale (d’environ 600CC a 900°C) à la température de réduction des dioxines (environ 1200°C), la création de gaz nocifs augmentera considérablement et cette production de gaz nocifs doit être réduite à 30 la quantité produite aux températures normales.

Des incinérateurs utilisant une combinaison d’une grille suivie d’un four rotatif se heurteront à exactement les mêmes problèmes que ceux mentionnés ci-dessus.

35 Un but de la r>resente invention est de nrocurer ! » 3 un procédé pour incinérer des matières combustibles en assurant une réduction de la quantité de gaz nocifs (oxydes d'azote, Ν0χ) et, en même temps, une réduction des quantités d'air frais nécessaires pour cette inci-5 nération, tout en assurant encore qufil y ait suffisamment d'oxygène pour réduire tous les hydrocarbures ainsi que les dioxines et les furannes en leurs précurseurs plus inoffensifs.

Le procédé suivant 1*invention, pour incinérer 10 ces combustibles dans une installation d*incinération, se caractérise en ce que l'on enrichit l'air fourni à la chambre d'incinération de façon telle que son contenu spécifique en oxygène (c'est-à-dire son contenu en oxygène par unité de volume) soit augmenté, soit 15 en séparant du courant d'air d'alimentation une partie de son contenu en azote, soit en fournissant à la chambre d'incinération un mélange d'air normal et d'air fortement enrichi en oxygène.

La quantité d'oxygène contenue dans l'air en-20 richi fourni à la chambre de combustion ou d'incinération est de préférence d'environ 30 à 35 %, comparativement au contenu normal en oxygène (23,19 90 de l'air.

Pour la production d'air enrichi, il est possi-25 ble d'utiliser l'un des types de procédés bien connus, tels qu’une absorption par variation ce pression (PSA pour Pressure Sving Absorption), une absorption par variation autour du vide (VSA pour Vacuum Sving Absorption) , un -Droceae cryogénique ou tou w su v»re nrocecie 30 convenable.

Le fait que l'air enrichi en oxygène est sous forme d'air pendant tout le processus, en évitant ainsi la coûteuse liquéfaction de l'oxygène, représente des avantages économiques.

35 II est possible aussi naturellement, mais moins i] ¥ 4 économique, d’utiliser soit de l’oxygène technique provenant de conduits adducteurs, soit de l’oxygène liquide provenant de sources extérieures.

Dans le cas où, suivant une forme de réalisa-5 tion préférée de l’invention, l’incinération a lieu en deux étapes, comprenant une première étape de gazéification avec pyrolyse et une seconde étape d’incinération du gaz produit, on utilise l’air enrichi en oxygène dans la seconde étape pour maintenir à un niveau 10 bas la création de gaz nocifs et en même temps contribuer à la réduction des dioxines, due à la température élevée et à l’atmosphère riche en oxygène.

Ce procédé est très sûr lorsqu’il est exécuté dans une installation comprenant un pyrolyseur à lit, 15 utilisant un grand débit de gaz brûlés recyclés (atmosphère pauvre en oxygène) et possédant un lit à circulation d’où les gaz sont séparés dans un cyclone relié à une seconde chambre ou à une chambre de postcombustion dans laquelle les gaz produits dans le pyro-20 lyseur à lit fluide sont allumés et brûlent dans une atmosphère d’air enrichi en oxygène.

L’avantage de la combinaison d’un pyrolyseur et d’un brûleur à post-combustion est que la température de pyrolysation peut être maintenue assez basse (aux 25 environs de 600*C è 800eC) pour qu’il ne se présente pas de problèmes de fusion des cendres, et, lorsqu’on utilise un lit fluide dans le pyrolyseur, on obtient un degré de récupération très élevé, dû au fait que la matière combustible est totalement consumée avant 30 de quitter le lit fluide.

L’expérience a montré qu’un pyrolyseur à lit fluide peut être réglé d’une charge d'environ 40 % è une charge complète.

Dans la zone de combustion ou dans la seconde 35 chambre après le cyclone, en renie la auantité d'air f 5 enrichi en oxygène que l'on introduit dans la chambre de combustion pour avoir un fonctionnement continu à 1200°C, avec de l'oxygène en surplus, cette seconde chambre étant assez grande pour satisfaire aux spéci-5 fications.En conséquence des mesures précédentes, les gaz brûlés quittant l’incinérateur auront un contenu en gaz nocifs égal ou inférieur à celui que l’on obtient normalement lorsqu'on incinère des combustibles solides (par exemple des RDF) à 700°C-800°C, et en 10 même temps les dioxines et les furannes créés pendant l’incinération seront réduits à à peu près rien grâce à l'atmosphère riche en oxygène à température élevée et grâce au temps de séjour.

Le système de combustion est suivi d'un système 15 d’élimination de particules, comprenant par exemple des cyclones, des multi-cyclones, des précipitateurs électrostatiques (filtres) ou d'autres types d’élimination de particules pour supprimer les particules solides et les métaux lourds (à l’exception du mercure).

2D Le filtre à particules est suivi d’un échangeur de chaleur pour récupérer le surplus de chaleur des gaz brûlés, et enfin les gaz brûlés passent par un barboteur pour éliminer les oxydes de soufre (£>0χ) , les chlorures (Cl ), les composés fluorés (tels que 25 HF) et le mercure.

Après un désembueur, les gaz brûlés nettoyés sont envoyés à la cheminée par un ventilateur à induction.

Tout cet équipement d’élimination de particules, ' 30 d'échangeur de chaleur ex d’équipements ce lavage des gaz brûlés ne fait pas partie de la présente invention - mais est nécessaire pour obtenir un gaz brûlé accepta ble par la nature et comportant de très faibles quantités c’agents polluants.

35 Les dessins ci-annexés représentent quelques for mes de réalisation du trooédé et ce 1'installation *" lr 6 suivant l'invention.

Sur ces dessins, les figures 1 à 4 sont des schémas fonctionnels d'installations dans lesquelles le procédé suivant l'invention peut être mis en oeuvre.

5 Sur ces figures, les mêmes notations de réfé rence sont utilisées pour désigner des dispositifs identiques ou similaires.

A la figure 1, la notation de référence 1 désigne une chambre de combustion dans laquelle on introduit 10 de la matière combustible solide telle que des matières de déchet ou un type quelconque de combustible.

On extrait de la chambre de combustion 1 la scorie S qui y a été formée. On alimente la chambre de combustion 1 en air enrichi en oxygène, provenant d’un 15 ensemble 6 qui peut comprendre un séparateur d'air pour fournir la quantité nécessaire d’oxygène technique sous forme gazeuse, ainsi qu'un mélangeur dans lequel cet oxygène technique est mélangé à une certaine quantité d’air frais, le mélange obtenu d'air et d'oxygène 20 technique étant envoyé à l'incinérateur 1.

Dans les cas où la valeur calorifique de la matière combustible est si faible qu'il n'est pas possible d'obtenir la température spécifiée, on peut ajouter (par des moyens non représentés) un combustible 25 meilleur, tel que du charbon, à la matière fournie à la chambre de combustion, ou bien on peut installer un brûleur à huile ou un brûleur à gaz avec un démarreur automatique pour maintenir ladite température.

L'alimentation de la chambre ce combustion 1 par 50 de l'air enrichi en oxygène augmente la température jusqu'à une valeur qui provoque une réduction de la formation de gaz nocifs contenant de l'azote , et une transformation des dioxines et des furannes et d'autres produits constituant des poisons,en leurs précur-55 seurs inoffensifs. .

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7 L*incinérateur 1 peut être un four d*incinération d’un genre quelconque, tel qu‘un four à grille, un four rotatif ou un four contenant un lit fluidisé.

On sépare 'de l’effluent gazeux de 1’incinérais teur 1 les particules solides qu'il contient, dans un séparateur de particules 3 qui peut être un cyclone, un multi-cyclone, un précipitateur électrostatique, un filtre à air ou analogues.

On refroidit alors les gaz nettoyés dans un 10 refroidisseur 4 qui peut être un échangeur de chaleur d’un genre connu, qui fait passer la chaleur à un système consommateur d’énergie E tel qu’un équipement de chauffage central.

On traite alors facultativement le gaz sortant 15 au moyen de réactifs chimiques C dans l'équipement dit de "polissage" 5 dans lequel on en sépare les sous-produits polluants P , tels que l’anhydride sulfureux, le chlore, le fluor, des matières lourdes telles que le mercure, etc. Les gaz brûlés peuvent alors être 20 envoyés à une cheminée.

L’installation montrée à la figure 2 est identique à celle de la figure 1, sauf que l’incinération est exécutée dans deux ensembles, à savoir un ensemble de gazéification 1 dans lequel la matière combustible 25 est pyrolvsée pour donner un gaz contenant ces hydrocarbures, qu’on brûle ensuite dans une chambre de combustion 2 alimentée en air enrichi en oxygène.

La pyrolyse dans la chambre de gazéification 1 peut être perfectionnée en recyclant une partie ces gaz 30 de combustion obtenus dans la chambre de combustion 2 » dans la chambre de gazéification 1, comme indiqué par X.

L'installation montrée a la figure 3 est identique è celle de la figure 2, sauf que le séparateur 35 de particules 3 est intercalé entre la chambre de gazéi- § 8 fication 1 et la chambre de combustion 2 . Dans ce cas, une partie des gaz formés par la pyrolyse de la matière combustible dans la chambre de gazéification 1 peut être recyclée dans cette chambre 1· 5 Enfin, l’installation montrée à la figure 4 est semblable à celle que montre la figure 3» sauf qu'une fraction prédéterminée des gaz qui ont été produits dans l’ensemble de gazéification 1, nettoyés dans le séparateur de poussières 3 et brûlés avec de l'air en-10 richi en oxygène dans l’équipement de combustion 2 est recyclée dans l’ensemble de gazéification 1, comme montré par X.

Dans une installation suivant l'invention, il est possible maintenant de brûler des matières conte-15 nant les précurseurs de dioxines, des furannes et d’autres matières toxiques, et d'obtenir les températures élevées nécessaires pour la destruction des matières constituant des poisons, et en même temps d’obtenir des températures élevées, dues au fait que l'on 20 utilise, dans la chambre de combustion, un air enrichi en oxygène, aucun combustible additionnel n’étant normalement nécessaire pour assurer les hautes températures requises pour la destruction des matières constituant des poisons.

25 Ceci est obtenu en raison au fait que l'air en richi en oxygène contient davantage d’oxygène et ,par conséquent, moins d'azote, en sorte qu’il y aura moins de gaz inactif a chauffer pendant la combustion et que l’on oeut atteindre des températures plus élevées sans 30 ajouter du combustible supplémentaire.

Un autre avantage est obtenu par l’emploi d'air enrichi en oxygène, parce que la quantité ce gaz nocifs produits pendant une incinération augmentera normalement lorsque la température est augmentée, mais dans 35 ce cas où le contenu en azote de l’air fourni a énéré-

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9 duit par 3e contenu en oxygène plus élevé de l’air enrichi, la formation de gaz nocifs due à la présence de l’azote dans le gaz fourni est réduite en conséquence et ceci permet l'emploi des températures plus élevées 5 nécessaires, sans augmenter la formation de gaz nocifs.

Le procédé suivant l’invention vise surtout l'incinération de matières de déchet qui contiennent les précurseurs de matières constituant des poisons, 10 telles que des dioxines, des furannes et autres, où une température plus élevée de quelques centaines de degrés centigrades qu'il n'est normal, détruira les matières constituant des poisons sans augmenter la formation de gaz nocifs.

15 On peut naturellement utiliser le même procédé pour la combustion d'autres combustibles solides ou liquides où l’emploi d’air enrichi en oxygène réduit la quantité d'azote présente et où l’on évite l’augmentation de température en recyclant une partie des gaz 20 brûlés à basse température pour faire tomber la température .

On trouvera ci-après une comparaison de trois systèmes d'incinération, faite en vue de montrer, par des valeurs numériques, les avantages du procédé sui- 25 vant la présente invention .

Bans cette comparaison, on a désigné par II le mode d'incinération classique ; par I un procédé d'incinération à chambre de pcst-combustion pour atteindre une température finale de 1200*0 ; par III le procédé 30 suivant l'invention ,basé sur l’emploi d'air enrichi en oxygène.

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Commentaires et conclusions

De façon générale, la composition du combustible constitué de déchets solides est basée sur l'analyse faite dans de nombreuses usines de plusieurs pays.

5 En ce qui concerne la technologie IX, on obser vera que l'équipement d'incinération dont on dispose actuellement ne permet pas d'obtenir les 1200°C nécessaires pour décomposer les dioxines créées pendant l'incinération des précurseurs.

10 En ce qui concerne la technologie I, il s'agit de l'emploi d'une chambre de post-combustion dans laquelle la température est élevée du niveau présent de 750°C à 950°C à 1200°C en au moins deux secondes dans les conditions spécifiées.

15 II faudra un apport de chaleur supplémentaire pour que la température de 1200°C soit maintenue dans toutes les conditions. Des brûleurs à gaz ou à huile sont prévus à cette fin.

Les résultats sont basés sur le niveau de tempé-20 rature supérieur de 950°C et, du fait que le contenu des gaz brûlés en oxygène sera d'environ 6-8 %, la post-combustion nécessitera une quantité d'air additionnelle pour assurer le bon fonctionnement des brûleurs.

25 En ce qui concerne la technologie III (invention), cette solution qui utilise ce l'air enrichi ne nécessite aucun combustible supplémentaire pour atteindre la température de 1200°C. Le contenu en oxygène, plus élevé, dans l'air fourni à l’incinérateur augmentera a 30 lui seul la température parce que la chaleur produite pendant la combustion servira à échauffer une quantité beaucoup plus petite d'air (en raison de la teneur en oxygène plus élevée) et la température sera donc plus élevée que dans l’incinération normale è l'aide d'air 35 ordinaire. ^ 13

Four assurer la température de 1200eC, il faudra -un contenu de l'air en oxygène de 32 % au lieu du contenu normal de 23,19 % .

Cet oxygène supplémentaire de 8,81 % ou de 5 0,3594 kg d’oxygene par kg de combustible peut être fourni soit comme oxygène liquide, soit comme oxygène fourni localement par un des procédés déjà énumérés.

Les coûts ont été établis dans le cadre de la solution la plus coûteuse : apport d’oxygène liquide de-10 puis l'extérieur. En cas de production locale de l'oxygène, le prix tombera d'environ 30 à 45 % du prix mentionné ci-dessus.

Le prix de l'oxygène liquide à 99,9 % d'oxygène a été pris égal à une unité monétaire fictive, pour 15 permettre la comparaison de coûts divers.

Tous les calculs sont strictement stoechiométriques et ne tiennent pas compte des pertes observées normalement, mais il a été observé que les pertes sont plus grandes en cas d'emploi d'air en plus grandes 20 quantités.

On observera encore que l'équipement comprenant la chaudière, l'échangeur de chaleur, les barboteurs, les ventilateurs, la cheminée, etc., sera bien meilleur marché dans le cas du procédé utilisant l’air enrichi, 25 du fait que la quantité d’air n’est que de 4,10 kg/kg dans le procédé suivant III contre 6,43 kg/kg dans le nrocédé X .

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Claims

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'oxygène contenue dans 10 l’air enrichi fourni à la chambre de combustion ou d'incinération est de préférence d’environ 30 à 35 comparativement au contenu normal en oxygène (23»19 %) de l’air.
3. Procédé suivant l'une quelconque des re- 15 vendications 1 et 2, caractérisé en ce que la quantité d’oxygène contenue dans l’air utilisé pour incinérer la matière combustible est suffisante pour atteindre une température d'au moins 1200°C pendant l’incinération. 4, - Procédé suivant l'une quelconque des re- 20 vendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comprend les deux étapes consistant (1) à pyrolyser la matière combustible à une température relativement basse et à (2) incinérer les gaz produits dans l’étape (1) , à une température élevée, au moyen d'air enrichi en oxygène. 25 5.- Procédé suivant la revendication 4, dans lequel on pyrolyse d'abord la matière combustible à une température d'environ 600eC à 850°C et en ce qu’on incinère ensuite les gaz produits dans l'étape (1) à une température d’environ 1200PC au moyen d'air enrichi 30 en oxygène.
6,- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu’on recycle, dans l'étape (1) avant 1’incinération, une fraction ces gaz brûlés chauds. 35 7,- Procédé suivant l’une quelconque des reven- 15 dications 3 à 5, caractérisé en ce qu'on recycle une fraction des gaz brûlés dans l'étape (1) après incinération au moyen d'air enrichi en oxygène.
8. Procédé suivant l'une quelconque des reven-5 dications 6 et 7» caractérisé en ce qu'on recycle la fraction de gaz brûlés chauds dans l'étape (1) après séparation des particules solides contenues dans le gaz. 9, - Procédé suivant l'une quelconque des reven-10 dications précédentes, caractérisé en ce que la matière combustible est un combustible solide choisi parmi le charbon, le lignite et des combustibles dérivés de détritus. 10, - Installation pour incinérer des matières 15 combustibles, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une chambre de combustion et un équipement pour fournir à la chambre de combustion de l'air enrichi en oxygène.
11. Installation suivant la revendication 10, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend deux chambres de combustion , c'est-à-dire une première chambre de combustion pour pyrolyser la matière combustible et une seconde chambre de combustion pour incinérer le gaz produit dans la première chambre, à l'aide d'air en-25 richi en oxygène, fourni par ledit équipement. 12, - installation suivant la revendication 11, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour maintenir une température d'environ 600°C à 850eC dans la chambre de pyrolyse et en ce que des moyens sont 30 prévus pour maintenir une température d'au moins 1200°C dans la chambre d'incinération.
13. Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisée en ce que des moyens sont prévus pour recycler dans la chambre de pyro- 35 lyse une fraction du gaz produit dans la chambre d'incinération. r 16 Λ 14, - Installation suivant l’une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisée en ce que la matière combustible est brûlée dans un lit fluidisé, tel qu'un lit fluidisé à circulation, dans la chambre de - 5 combustion.
15. Installation suivant la revendication 10, caractérisée en ce qu’un séparateur de particules solides est prévu après la chambre dans laquelle est fourni de l’air enrichi en oxygène. 10 16,- Installation suivant l’une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisée en ce qu’un séparateur de particules solides est introduit entre la chambre de pyrolyse et la chambre de combustion dans laquelle est fourni de l'air enrichi en oxygène. 15 17·- Installation suivant l'une quelconque des revendications 10 à 16, caractérisée en ce qu’elle comprend un échangeur de chaleur pour récupérer la chaleur développée pendant la pyrolyse et/ou l’incinération. 20 18,- Installation suivant l’une quelconque des revendications 10 à 17» caractérisée en ce qu’elle comprend un barboteur pour traiter les gaz brûlés avant de les envoyer dans l'atmosphère.