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1 La présente invention concerne un procédé et un dispositif
pour la destruction de déchets chimiquement stables, et
notamment de déchets radioactifs et/ou présentant des
dangers importants pour l'environnement et les êtres
vivants.
On connalt déjà, par exemple par les brevets US-A-
3 8~1 23~, EP-h-105 866 et EP-A-112 325, des dispositifs
permettant la destruction de déchets par pyrolyse à l'aide
d'au moins une torche à plasma. Dans ces dispositifs
connus, les déchets sont amenés, généralement de haut en
bas par l'action de la gravité, vers une zone chauffée par
lesdites torches, disposées latéralement par rapport au
trajet suivi par les déchets.
De tels dispositifs ne permettent pas un transfert optimal
de l'énergie du plasma aux déchets, de sorte que certains
déchets particulièrement stables, comme les déchets
organiques cyanurés et organo-chlorés, ne peuvent être
traités par les dispositifs à plasma connus. Ainsi, ces
déchets, particulièrement dangereux, doivent être stockés
profondément dans le sol, par exemple dans des mines de
sel, ou bien dans des entrepôts, en attendant la découverte
d'un procédé permettant leur élimination.
La présente invention a pour objet un procédé et un
dispositif permettant la destruction totale par pyrolyse
des déchets les plus stables.
A cette fin, selon l'invention, le procédé pour la
destruction par pyrolyse de déchets chimiquement stables au
moyen d'au moins une torche à plasma, est remarquable en ce
que :
- ladite torche'~est du type à plasma d'arc non transféré ;
- on dirige la buse de ladite torche vers un orifice, de
façon que l'axe de ladite buse et l'axe dudit orifice
soient au moins approximativement confondus ; et
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1 - on fait passer un flux desdits déchets à travers ledit
orifice, de façon qu'ils s'avancent vers ladite torche.
Par "torche à plasma d'arc non transféré", on désigne ici,
ce qui est l'acception usuelle, une torche à plasma
comportant deux électrodes fixes, sur lesquelles sont
accrochés les pieds de l'arc.
Ainsi, selon l'invention, le dard plasma attaque en bout
(et non plus transversalement comme dans la technique
antérieure) le flux de déchets traversant ledit orifice.
1C Par suite, 'e transfert d'énergie thermique est optimal et
l'on peut obtenir la destruction de corps très stables,
comme les composés organiques cyanurés ou organo-chlorés.
L'expérience a montré qu'il était avantageux, en ce qui
concerne le transfert de chaleur, que le diamètre dudit
orifice soit peu supérieur, de l'ordre de 2 à 3 fois, au
diamètre de la buse de ladite torche.
En effet, toute la section du flux de déchets passant à
travers ledit orifice est ainsi soumise à l'action du dard
plasma. Aussi, en réglant l'énergie de la torche plasma, la
distance entre ladite torche et ledit orifice et/ou la
vitesse d'avance dudit flux de déchets à travers ledit
orifice, on peut régler la quantité d'énergie par unité de
temps reçue par lesdits déchets à travers ledit orifice,
c'est-à-dire la qualité de la destruction desdits déchets.
Dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention,
les axes au moins approximativement confondus de ladite
buse et dudit orifice sont au moins approximativement
verticaux et le flux des déchets se déplace, au moins au
voisinage dudit ~orifice, du bas vers le haut. Dans ce cas,
le dard de la torche plasma est donc dirigé vers le bas.
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l Lorsque, de plus, ledit oriflce est l'extrémité d'un
injecteur tubulaire de déchets, on voit alors que la partie
supérieure dudit injecteur peut servir de creuset à la
partie d'extrémité dudit flux de déchets, qui se trouve à
l'état liquide.
De préférence, ladite buse et ledit orifice sont disposés
dans une chambre d'expansion, dans laquelle sont brûlés les
gaz provenant de l'extrémité liquide du flux desdits
déchets. On peut prévoir des moyens pour introduire de
l'oxygène et/ou de l'énergie à l'intérieur de ladite
chambre d'expansion, afi.n de faciliter la combustion
desdits gaz.
Dans une variante de réalisation de l'invention, les axes
au moins approximativement confondus de ladite buse et
dudit orifice sont légèrement inclinés par rapport à la
verticale, en direction de ladite chambre d'expansion, de
sorte qu'une partie de l'extrémité liquide dudit flux de
déchets peut se déverser à l'intérieur de ladite chambre
d'expansion. Cette partie liquide est alors traitée et
brûlée dans ladite chambre d'expansion, éventuellement avec
un apport supplémentaire d'oxygène et/ou d'énergie.
Quel que soit l'état, liquide ou gazeux, des déchets lors
de l'introduction de ceux-ci dans la chambre d'expansion,
il ne reste qu'une phase gazeuse à la partie aval de ladite
chambre d'expansion. Eventuellement, pour éviter que des
particules liquides de déchets soient projetées trop loin à
l'intérieur de ladite chambre d'expansion par le dard
plasma, ce qui nuirait à la qualité de la combustion
desdites particules liquides et à leur transformation de
gaz, on peut prévoir des chicanes à l'intérieur de ladite
chambre d'eY.pansion, juste en regard de ladite buse et
dudit orifice. Une telle chambre d'expansion peut être un
four tournant.
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1 Grâce à la qualité du traitement de pyrolyse réalisé par la
présente invention, avant d'être rejetés à l'atmosphère
et/ou utilisés comme source de chaleur, les gaz résultant
de la combustion dans la chambre d'expansion peuvent ne
subir qu'un traitement simple. De préférence, ils sont
simplement lavés dans une tour de lavage, après avoir subi
une trempe thermique.
Les déchets à détruire par la mise en oeuvre de l'invention
peuvent, initialement, se présenter sous forme gazeuse ou
liquide. Toutefois, ils peuvent également se présenter sous
forme solide.
A cet effet, pour pouvoir alimenter ledit orifice par un
flux de déchets, on prévoit un traitement pour transformer
lesdits déchets solides en une pâte extrudable à travers
ledit orifice. Un tel traitement peut comprendre des
opérations de déchiquetage, de broyage, et/ou de mouillage.
La pâte peut alors être mue par des moyens de pompage.
De préférence, entre lesdits moyens de pompage et ledit
orifice, on prévoit, pour le flux des déchets à détruire,
un conduit de guidage, en forme de siphon. Ainsi, on évite
toute remontée de gaz en direction desdits moyens de
pompage.
Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment
l'invention peut être réalisée. Sur ces figures des
références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est un schéma synoptique d'un exemple de
réalisation du dispositif conforme à la présente invention.
La figure 2 illustre le processus de fonctionnement du
dispositif de la figure l.
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1 La figure 3 montre schématiquement une variante de
réalisation du dispositif de la figure 1.
La figure 4 illustre en coupe, plus en détail, une partie
du dispositif de la figure 3.
La figure 5 est une coupe partielle d'une autre variante de
réalisation.
Le dispositif, conforme à l'invention et montré sur la
figure 1, comporte une torche à plasma 1, susceptible
d'émettre un dard plasma 2 à la sortie de sa buse 3. Cette
torche est du type connu à arc non transféré. De façon
connue et non représentée, elle peut être composée de deux
électrodes tubulaires coaxiales, refroidies, qui sont
réunies par une chambre d'injection du gaz plasmagène et
par une pièce assurant l'isolation électrique des deux
électrodes. La rotation d-u pied d'arc peut être assurée par
une bobine de champ magnétique pour l'électrode amont, et
par l'action du vortex dans l'électrode aval. La caracté-
ris ique de fonctionnement nominal de la torche peut être
de 500 kW électrique et le réglage de la puissance de la
torche se fait, de préférence, de façon continue entre
250 kW et 500 kW.
La torche à plasma 1 est disposée de façon que son axe 4
soit au moins sensiblement vertical, la buse étant dirigée
vers le bas.
En regard de la buse 3, le dispositif de la figure 1
comporte un injecteur tubulaire 5, dont l'axe 6 est au
moins sensiblement vertical et confondu avec l'axe 4 de la
torche 1. L'injecteur tubulaire 5 est alimenté en déchets à
détruire par son~extrémité inférieure 7. Ces déchets
sortent dudit injecteur 5 par l'orifice supérieur 8 de
celui-ci, disposé en regard de la buse 3. De préférence, le
diamètre D de l'injecteur tubulaire 5 est égal à quelques
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.
1 fois (2 ou 3) le diamètre d de la buse 3. Dans un mode de
réalisation, le diamètre D de l'injecteur 5 était égal a
100 mm.
Au moins la partie inférieure de la buse 3 et la partie
supérieure de l'injecteur tubulaire 5 sont disposées dans
un système d'ouvreau 9, donnant accès à une chambre
d'expansion de gaz 10.
L'exemple de réalisation du dispositif selon l'invention,
montré par la figure 1, est plus particulièrement destiné à
la destruction de déchets solides. Les déchets à détruire
sont par exemple contenus dans des fûts et, pour diminuer
les coûts de traitement desdits déchets, le dispositif de
la figure 1 permet de détruire lesdits fûts en même temps
que les déchets qu'ils contiennent.
A cet effet, le dispositif comporte un dispositif 11 de
traitement préalable desdits déchets comportant un broyeur-
déchiqueteur 12 alimenté par une trémie 13, et auquel est
éventuellement associée une cisaille finisseuse (non
représentée), un malaxeur-gaveur 14 pourvu d'une entrée de
fluide 15, et une pompe 16.
La sortie de la pompe 16 est reliée à la partie inférieure
- 7 de l'injecteur 5 par un conduit de guidage 17 formant
siphon. De préférence, un organe de sécurité 18, par
exemple une vanne à guillotine, est prévue entre la pompe
16 et le conduit de guidage 17.
Les fûts 19 de déchets à détruire sont introduits dans la
trémie i3 et conduits au broyeur-déchiqueteur 12, dont les
couteaux agrippent, cisaillent, déchirent et compriment
lesdits fûts et ~leur contenant. L'éventuelle cisaille
finisseuse permet de réduire la granulométrie finale des
matières broyées à une dimension qui est, par exemple, de
10 x 20 mm au maximum.
7 131~4~39
1 L'ensemble du processus s'effectue en c~scade par gravité,
sans intervention manuelle de facon relativement lente pour
éviter toute production d'étincelles susceptibles
d'enflammer le produit. En outre, l'ensemble de l'équipe-
ment peut être mis sous dépression d'air, pour éviter touteémanation gazeuse toxique.
Les matières broyées, ainsi réduites en taille, s'écoulent
par gravité vers le malaxeur-gaveur 14 dont le rôle est de
compacter les matières (les parties pâteuses avec les corps
étrangers) en les poussant dans la pompe de transfert 16.
e.g. sous la marque de commerce
La pompe 16 est par exemple du type connu/ PUSTMASTER à
vérins hydrauliques et permet un débit d'alimentation
régulier du mélange hétérogène et sous une pression élevée
(80 à 100 bars), assurant ainsi un excellent compactage.
Il est possible d'ajouter dans le malaxeur gazeux 14, par
l'entrée 15, soit de l'eau, soit des produits huileux dont
il est souhaitable de se débarrasser, ceci afin d'améliorer
la pompabilité des matières broyées et leur tenue en forme.
Ainsi, à la sortie de la pompe 16, les déchets broyés (avec
leurs conteneurs) sont sous une forme pâteuse. La pompe 16
pousse cette matière pâteuse (à travers l'organe de
sécurité 18) dans le conduit de guidage 17, jusqu'à
l'injecteur 5. Dans le conduit de guidage 17 et l'injecteur
5, la matière pâteuse forme donc un boudin 20 qui avance en
direction de la buse 3.
La forme de siphon du conduit de guidage 17 évite toute
remontée de liquide ou de gaz vers la pompe 16.
Dans l'injecteur'~5, le boudin 20 progresse de bas en haut
et sa partie d'extrémité supérieure est soumise à l'action
du dard plasma 2, qui l'attaque en bout (voir la figure 2).
~insi, la partie supérieure du boudin 20, sans cesse
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1 renouvelée, est grignotée par le dard plasma 2 (dont la
température est de l'ordre de 4000 à 5000~C) et passe en
phase liquide fondue (voir la référence 21), qui elle-même
donne naissance à une phase gazeuse 22 dans le système
d'ouvreau 9. Une phase pâteuse intermédiaire semi-fondue 23
s'établit entre la zone supérieure 21 de la phase liquide
et le boudin pâteux 20.
On remarquera que la phase liquide de la zone 21 forme une
sorte de creuset constituant une protection thermique et
chimique de l'injecteur 5.
La phase gazeuse 22 apparaissant dans le système d'ouvreau
9 s'évacue vers la chambre d'expansion 10, dans laquelle
elle finit de se détruire complètement sous l'effet de la
température qui y règne (par exemple de l'ordre de 1800~C).
Il se produit une autocombustion, qui peut être favorisée
par l'introduction d'air ou d'oxygène (en 24). La chambre
d'expansion 10 peut être con~ue pour la combustion
substoéchiométrique des effluents liquides chlorés et elle
peut être pourvue d'un revêtement interne du type
"CHROMCOR" ~marque de commerce).
Grâce à la disposition coaxiale de la buse 3 et de
l'injecteur 5, l'extrémité supérieure libre du boudin 20,
- est en contact intime et prolongé avec le dard 2 et subit
au voisinage de l'orifice supérieure 8 dudit injecteur, une
très forte élévation de température ; les molécules de la
matière du boudin pâteux sont alors complètement dissociées
en particules élémentaires plus ou moins ionisées.
Les gaz de combustion engendrés dans la chambre d'expansion
sont traités par un système 25, qui, à cause des excellen-
tes performances;du dispositif selon l'invention, peut êtrepeu compliqué. Ainsi, le système 25 peut comprendre un
dispositif de trempe 26 permettant d'abaisser la tempéra-
ture des gaz et suivi par une tour de lavage 27. On
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1 neutralise ainsi les produits résiduels, tels que le chlore
par exemple, et les gaz peuvent alors être conduits à une
cheminée 28, pour leur évacuation à l'atmosphère.
Eventuellement, ces gaz peuvent être introduits dans une
chaudiere en vue d'une récupération d'énergie.
Dans la variante de réalisation du dispositif selon
l'invention, illustrée par la figure 3, on retrouve les
différents éléments 1 à 18 et 25 à 28, décrits ci-dessus.
Toutefois, dans ce cas, les axes confondus 4 et 6, de la
torche 1 et de l'injecteur 5 respectivement, sont inclinés
par rapport à la verticale, de sorte qu'au moins une partie
29 de la phase liquide 21 du boudin 20 (voir la figure 2)
peut s'écouler dans la chambre d'expansion 10. Il est alors
avantageux que celle-ci soit réalisée sous la forme d'un
four tournant incliné 30, susceptible de brasser les
éléments non gazeux provenant de l'injecteur 5 et qui
finiront par se détruire lors de leur cheminement vers la
partie aval basse dudit four tournant 30, grâce à la
température élevée régnant dans ledit four tournant 30.
Pour faciliter cette destruction on peut introduire (en 31)
de l'air sous pression dans ce dernier. On peut également
prévoir des brûleurs (non représentés) afin d'apporter de
l'énergie supplémentaire (symbolisée par la flèche 32),
audit four tournant.
La partie aval 33 du four tournant 30 forme alors une
chambre de post-combustion des produits gazeux. Dans cette
chambre de post-combustion, il n'existe plus de produits
non gazeux.
Sur la figure 4, on a représenté partiellement un mode de
réalisation industriel du dispositif de la figure 3. On
peut y voir le four tournant 30, dont l'axe longitudinal
X-X est incliné vers le bas depuis le système d'ouvreau 9
vers la chambre de post-combustion 33, afin de faciliter la
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l progression ~au cours de laquelle elles seront complètement
gazéifiées) des matières fondues 29, d'amont vers l'aval.
Ce four tournant est supporté par des galets 34 et entralné
en rotation par un moteur 35, par l'intermédiaire d'un
galet tournant 36. La liaison entre le système d'ouvreau g
et le four tournant 30 est réalisé par une pièce d'adapta-
tion fixe 45.
La figure 4 montre également que l'injecteur 5, par exemple
réalisé en tantale, présente une structure à double paroi,
à l'intérieur de laquelle peut circuler un fluide de
refroidissement. A cet effet, ledit injecteur 5 est relié à
un circuit 37 de circulation de fluide de refroidissement.
De facon connue et non représentée, on associe à la torche
à plasma l un groupe de refroidissement, un groupe de
production de gaz plasmagène (par exemple de l'air) et une
alimentation électrique de puissance.
Le fond 38 du système d'ouvreau 9 peut être incliné pour
favoriser l'écoulement de la matière fondue 29 vers le four
3o.
De ce qui précède, on con~coit aisément que l'on peut régler
la qualité de la destruction des déchets contenus dans le
boudin 20, en réglant la vitesse d'avance de celui-ci, la
puissance de la torche 1 et/ou la distance séparant le dard
2 de l'orifice 8 de l'injecteur 5.
La vitesse d'avance du boudin 20 est évidemment commandable
par contrôle de la pompe 16. De même, la puissance de la
torche l est réglable électriquement de facon connue.
En ce qui concerne la variation de la distance entre le
dard 2 et l'orifice 8, on a représenté sur la figure 5 un
dispositif approprié. La torche 1 est montée coulissante le
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1 long de son axe 4 ; dans son coulissement, elle est guidée
par une colonne 39 avec laquelle coopère un coulisseau 40.
Le coulisseau 40 est déplacable par un système à moteur 41
et vis 42. Un soufflet 43 assure l'étanchéité entre la
torche 1 et le système d'ouvreau 9.
Par ailleurs, dans le dispositif de la figure 5, on a prévu
des déflecteurs 44, formant chicanes, disposés dans la
pièce d'adaptation 45, pour empêcher la projection de
particules arrachées au boudin 20 par le plasma, à une trop
grande distance à 17intérieur dudit four. Les déflecteurs
44 permettent ainsi aux particules d'être traitées au plus
près du jet de plasma.
