Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
La présente invention a pour objet un procédé
pour immobiliser des cendres en les vitrifiant dans un
réacteur à plasma.
Dans la description qui va suivre, on entend par
05 "cendres" aussi bien les cendres volantes provenant
d'incinérateurs que celles provenant de mâchefers.
Il est connu que les cendres volantes provenant
d'incinérateurs, en particulier ceux des hôpitaux ou des
usines d'épuration, peuvent souvent être class~es comme
déchets dangereux~ à cause de leur teneur en composés
toxiques, notamment en métaux lourds.
Il est également connu que l'incinération des
boues urbaines ou d'usines de traitements des eaux usées est
une méthode qui est de plus en plus utilisée, au fur et à
mesure que les autres méthodes traditionnelles deviennent
moins accessibles ou acceptables, comme l'enfouissement qui
diminue faute de sites, ou l'épandage, le remplissage ou le
rejet à l'océan qui deviennent de moins en moins acceptables
à cause de la pollution engendrée.
L'incinération est déjà utilisée de façon
extensive dans certains pays d'Europe car elle permet de
réduire considérablement le volume des boues. Même pour les
déchets dan~ereux, l'incinération devient actuellement une
technolo~ie de traitement préférentielle. Le problème
toutefois, avec cette méthode de disposition, est la
~ormation de quantités substantielles de cendres dont il
faut se débarasser. Ceci implique le développement de
traitements de solidification et de stabilisation, et ce
dans un domaine qui devient de plus en plus strictement
ré~lementé.
Les traitements de stabilisation actuellement
en utilisation consistent à stabiliser les déchets avec des
liants ~ base de ciment, de chaux, d'absorbants, de
matériaux thermoplastiques ou thermodurcissables.
-- 1 --
Si ces méthodes sont efficaces dans certains
cas, elles n'offrent toutefois pas une protection complète
et de nouvelles technologies ont donc dû être développées
pour obtenir une encapsulation plus efficace des déchets.
05 Parmi ces nouvelles technologies, il y a été
suggéré de procéder à une vitrification des déchets, i.e.
à une encapsulation de ces déchets dans du verre, en vue de
les isoler de l'environnement avant de s'en débarasser.
Cette méthode a été développée en premier lieu pour les
déchets nucléaires. Elle a toutefois été étendue aux
cendres et est actuellement utilisée à l'échelle
industrielle ou semi-pilote par au moins deux sociétés, à
savoir DAIDO STEEL et SKF.
Dans son usine au Japon, DAIDO STEEL procède à la
vitrification des cendres dans un four à arc pouvant traiter
jusqu'à 25 tonnes par jour. Chez SKF où le projet est encore
à l'étape pilote, 250 kg de cendres à l'heure sont vitrifiés
dans un haut fourneau chauffé à l'aide d'une torche à
plasma. A ce sujet, il convient de mentionner que les
torches à plasma trouvent, de façon générale, de plus en
plus d'applications dans le domaine de la destruction des
déchets, à cause des hautes températures générées, et de la
grande densité d'~nergie combinée à la faible inertie
thermique des torches utilisées.
La présente invention a pour objet un nouveau
procédé pour immobiliser des cendres en les vitrifiant,
lequel procédé utilise et tire avantage d'un type très
particulier mais connu de réacteur à plasma à film
ruisselant, pourvu d'un manchon (ou collimateur) disposé
verticalement et dans lequel un arc soufflé ou transferré
axialement, fond et traite une charge injectée
tangentiellement ou autrement entraînée de facon cyclonique
dans le manchon, au fur et à mesure que cette charge
ruisselle par gravité le long de la paroi dudit manchon.
-- 2
Des exemples de réacteurs à plasma du type ci-
dessus, dont le procédé selon l'invention fait usage, sont
décrits dans le brevet U.S. No. 4.466.824 cédé à la
Demanderesse, la demande de brevet U.S. No. 399.997 déposé
05 le 29 août 1989 au nom de la Demanderesse, et la demande
brevet U.S. No. 512.166 déposée le 20 avril 1990 au nom de
la Demanderesse. Un autre exemple de réacteur du même type
est décrit également dans le brevet des Etats-Unis No.
4.002.466 au nom de BETLEHEM STEEL.
Plus précisément, l'invention a pour objet un
procédé pour immobiliser des cendres en les vitrifiant dans
un réacteur à plasma du type ci-dessus décrit.
Le procédé selon l'invention a été développé
suite à la constatation faite par les inventeurs que, du
fait de leur configuration et leur mode d'alimentation, les
réacteurs à plasma du type ci-dessus mentionné sont très
efficaces pour le traitement des particules fines et donc
particulièrement bien adaptés pour la vitrification des
cendres, dans la mesure où ils ne nécessitent pas une
agglomération préalable des cendres en question qui peuvent
donc être traitées telles quelles, i.e., sous forme
pulvérulente, avec un minimum de perte lors de
l'entraînement.
Lorsqu'un réacteur à plasma tel que décrit dans
le brevet U.S. No. 4.466.~24 est utilisé (procédé
PLASMACAN), les cendres avec le cas échéant des agents
vitrifiants sont injectées tangentiellement en haut du
collimateur. L'arc passant dans le manchon est généré par
une torche et tranféré depuis la cathode chaude de cette
torche à une anode au pied du reacteur.
Losqu'un réacteur à plasma tel que décrit dans
la demande brevet U.S. ~o. 399.997 est utilisé (procédé
PLASMABEC), les cendres et les éventuels agents vitrifiants
sont introduits en haut du collimateur et projetés sur la
paroi du collimateur par le gaz tourbillonnant s'échappant
d'une torche à vortex, dont les électrodes peuvent être de
cuivre refroidies à l'eau.
Lorsqu'un réacteur à plasma tel que decrit dans
05 la demande de brevet U.S. No. 512.166 est utilisé ~procédé
PLASMAGRAPHITE), les cendres et les eventuels agents
vitrifiants sont introduits de la même façon que dans les
procédés PLASMACAN et/ou PLASMABEC. La seule différence
réside dans l'utilisation d'une électrode de graphite dont
l'avance est contrôlée en fonction de l'usure, l'arc se
trouvant généré entre cette électrode de graphite et une
autre électrode disposée dans le fond du réacteur. Dans le
cas où le soutirage du verre se fait par le fond, les
électrodes sont localisées latéralement dans les parois du
four.
Tel que précédemment indiqué, les divers
réacteurs à plasma du type ci-dessus sont connnus en soi.
En conséquence, ils ne seront pas décrits plus en d~tail,
sauf si besoin est dans la suite de la description.
Selon l'invention, les cendres doivent être
mélangées dans des proportions données avec des agents
vitrifiants connus en soi tels que de la silice ou d'autres
composés silicieux, utilisés seuls ou additionnés de chaux,
graphite et/ou carbonate de sodium, à moins bien sûr que les
cendres ne contiennent déjà suffisamment de silice dans
leur composition pour les rendre "autovitrifiantes". Une
fois mélangées, les cendres sont injectées tangentiellement
ou autrement introduites dans le manchon ou collimateur.
Là, les agents vitrifiants fondent et forment avec les
cendres un film ruisselant qui degoutte dans le fond du
réacteur pour y former un bain de verre fondu qui s'avère
électriquement conducteur du fait de sa temperature et des
déchets qu'il contient, et donc permet le transfert d'arc
parfois exlge.
Le verre obtenu dans lequel les cendres se
trouvent absorbées et dissoutes, peut être coulé
périodiquement hors du four, puis refroidi et récupéré sous
forme solide. Une alternative possible à la coulée est le
05 soutirage en continu du verre par le fond, de façon à former
des cylindres de verre que l'on peut découper a des
longueurs déterminées. Ce verre complètement stabilisé
peut être utilisé ~ diverses fins, comme, par exemple, à
titre de matériau d'isolation ou de remplissage.
Les gaz d'échappement récupérés à la sortie du
réacteur peuvent être épurés et les poussières recueillies,
retournées à l'alimentation. Dans le cas où des quantités
importantes de gaz sont utilisées, dans les configurations
PLASMACAN ou PLASMABEC par exemple, ces gaz peuvent
également être recyclés.
Ce procédé peut être utilisé pour vitrifier tous
les types de cendres d'incinérateurs, de centrales
thermiques ou autres unités de combustion. Il s'applique
également à tout résidu pulvérulent dont la teneur en
composés toxiques lixiviables constitue une menace pour
l'environnement. En effet, ce procédé assure une
encapsulation complète et efficace des impuretés dans le
verre, la vitrification permettant d'incorporer les cendres
et leurs oxydes dans le réseau tridimensionnel des
polyèdres formés par les atomes qui constituent la
structure de base du verre. Malgré le fait que certains
cations dissous puissent affaiblir cette structure, le
verre char~é de cendres d'oxydes est, dans la plupart des
cas, plus résistant que la matériel de base.
Le procédé selon l'invention a l'avantage d'être
d'une grande flexibilité. Étant donné qu'il y a une très
grande variation dans la composition des cendres vu
qu'elles résultent de déchets de diverses provenances, la
composition du verre peut être modifiée pour s'aiuster à une
large gamme de cendres.
Ce procédé peut servir également au traitement
des déchets dangereux.
L'invention et ses avantages seront mieux
05 compris à la lecture de la description non limitative qui va
suivre, faite en se réf~rant au dessin annexé où les figures
1 et 2 sont des représentations schématiques d'un réacteur
à plasma du type pourvu d'un manchon à film ruisselant,
utilisé pour la vitrification de cendres, sans et avec
recyclage des gaz.
Le réacteur à plasma 1 illustré sur le dessin
comprend un creuset 3 dont les parois peuvent être composées
de plusieurs matériaux réfractaires 5, 7, 9 afin d'obtenir
une bonne isolation thermique en même temps qu'une
resistance mécanique convenable. Le creuset 3 est pourvu
d'un trou de coulée latéral 11 et d'une porte de dessus 13
dans lequel des déchets autres que les cendres, à
encapsuler dans le verre, peuvent être introduits.
Le creuset 3 est conçu pour recevoir et
maintenir chaud un bain de verre fondu 14. Il est pourvu
dans son fond d'une ou plusieurs électrodes 15 et, dans sa
partie supérieure, d'un manchon vertical 17 refroidi à
l'eau ou non et dispose coaxialement au-dessus de 1'
électrode 15.
Une électrode de graphite, une torche à cathode
chaude ou une torche à électrode de cuivre 19 est disposée
en haut du manchon 17, verticalement au centre de celui-ci.
Cette électrode ou torche 17 peut être reliée
électriquement a l'électrode 15 pour créer un arc
transferré passant dans le manchon. Un gaz plasmagène peut
être injecté à cet effet.
Dans le cas où le verre est soutiré par le fond,
le retour du courant se fait par des électrodes de graphite
ou autre matériau conducteur 31 situées dans les parois
-- 6
latérales du four et reliées à un collecteur de courant 32
tel que montré sur la figure 2. Le fond 33, constitué de
graphite est mobile et un système mécanique permet de
descendre à une vitesse contrôlée. Un système de
05 refroidissement 35 permet de contrôler le profil de
température de la colonne de verre afin de faciliter le
soutirage. Lorsque le cylindre de verre atteint une
longueur déterminée, une paire de pinces ~non illustrée)
permet de saisir la colonne par son sommet afin de pouvoir
continuer le soutirage et un système de couteaux (non
illustré) permet de couper l'extrémité inférieure du
cylindre de verre formé.
Les cendres à vitrifier sont introduites avec
des agents vitrifiants connus en soi dans un système
d'alimentation 21 où ils sont mélangés avant d'être
introduits ou injectés en 23 en haut du manchon 17 pour
former un film ruisselant sur la paroi du manchon 17 sous
l'effet de la chaleur générée par l'arc.
Les gaz s'échappant du réacteur sont amenés par
une cheminée 25 jusqu'à un dépoussiéreur 27 où des
poussières extraites des gaz sont recyclées au système
d'alimentation 21. On peut également, lorsque la quantité
de gaz le justifie, recycler les bas en 37 tel qu'illustré
sur la figure 2.
EXEMPLE 1
Des essais ont été effectués dans un reacteur
tel que précédemment décrit, totalement refroidi à l'eau et
fonctionnant en mode arc-transferré avec une cathode à bout
05 de tungstène thorie également refroidie à l'eau. Des
cendres à vitrifier ont été injectées tangentiellement dans
le manchon porteur avec les agents vitrifiants, au moyen
d'un gaz porteur.
Afin de faciliter la fusion et constituer une
bonne matrice de verre, de la silice a été ajoutée aux
cendres avant de les alimenter au four. Les cendres ont été
injectées tangentiellement en un seul point. Le débit de
gaz tangentiel constitué d'azote était de lS lpm pour le
premier essai et de 25 lpm pour les essais subséquents. Le
débit de gaz plasmagène, constitué d'azote, était également
de 15 lpm.
La puissance d'opération a été de l9 à 35 kW,
avec des durées de chargement de 4 à lO minutes. Les
additions de silice ont varié de 30 à 50%.
-- 8
Tableau 1. Conditions expérimentales pour les essais avec
addition de silice.
Essai no . 5
05 . . _ _
Co~ran~ ~AI 2 0 0 2 s O 3 0 o 3 0 C 2 5 o
~IY 1 1 5 t O O 1 1 6 1 1 2 7 6
Puissance (kW) 2~.00 25.00 34.80 33.60 19.00
~g~ n! 1~9~11L 2.63 3.66 5. 763.4D 3.95
~Y!~LI~ 10 10 7 4 8
% de silice aioutbe S 0 . . _ . 5 0 3 0 4 0
~L~ v~rte vert~ v~rlenoire verte
Exemple 2
D'autres essais ont été effectués dans un
réacteur du type précédemment décrit, garni d'un
réfractaire pour en améliorer le rendement thermique. Ce
réacteur était pourvu d'une électrode de graphite et
fonctionnait en mode arc-transferré.
L'analyse des cendres injectées ayant montré que
ces dernières contenaient déjà une forte concentration de
silice (de 18% à 23% selon les échantillons), des essais
d'auto-vitrification ont été effectués avec des additions
de chaux uniquement afin de fluidiser le bain liquide (
l'indice de basicité visé était de 1.0).
Comme les cendres contenaient également des
oxydes de fer en forte proportion ~40 à 48%), des essais ont
été effectués pour tenter de récupérer le fer en ajoutant de
10 à 20% de poudre de ~raphite à l'alimentation.
Le réacteur a été préchauffé jusqu'à ce que la
température des murs atteigne 400 C. L'arc a alors été
allongé à longueur totale de 22 cm. Lorsque la température
de l'eau de sortie du manchon refroidi s'est stabilisée
~environ 3 a 4 minutes), l'injection des cendres a commence.
Les cendres ont été au pr~alable melan~es avec 8% de chaux
et selon les essais, avec de la poudre de graphite. Elles
ont ét~ inject~es par deux points et le d~bit de gaz porteur
a ét~ de 25 lpm.
05 L'azote a ét~ utilisé pour les essais 6,7 et 8 et
l'argon à l'essai 9.
Ces essais ont été effectués pour des puissances
de 24 à 32 kW, avec des taux de chargement de 3.2 à 6.2 kg/h.
Le plus long essai a présenté une durée de chargement de 55
minutes.
Tableau 2. Conditions expérimentales pour les essais sans
addition de silice.
~ w - - 6 _ 7 8 9
Couran! ~,, ,A, ~ , _, . 200 270 200 240
Tension ~ V_~_ 1 2 0 1 2 0 1 6 0 _1 0 0
Puissance ~ kW ~ _ 24,00 _32,40 32.00 24,00
Taux de g :~b)_ G.22 4 .40 3.66 3 ~20
~!~LL~ 13.5 30 25 55
Addilions
~G~ 8 ~ 8
% Poudrede ~phile O 10 20 0
Les verres obtenus par auto-vitrification étaient tous
noirs.
RESULTATS ET INTERPRETATION DES ESSAIS EFFECTUES DANS LES
EXEMPLES 1 ET 2.
Composition du verre obtenu.
Le tableau 3 ci-dessous montre la teneur en métaux des
cendres injectées lors des essais ci-dessus, et des verres
qui furent obtenus.
-- 10 --
Tableau 3: Métaux présents dans les cendres et verres
obtenus
Elbmen~ Cendres Essal 2 Essal 3 Essal 4 Essal 5 Essal 6 Essal 7 Essa~ 8 Essal 9
05 Arsenlc 4.5, 0.5 0.~ 1.4 0.52.87 10.08 0 79 -! 5
Cadmium 2.0 i 1.3 _ 0.44 1.37 0.381.48 0.58 0.47 0.037
Chrome 2 9 ~ 3 0 E~ 1 3 E4 1 C 4 42 8 6 t 4 6 5 3 2 0 . 0 6
Culvre 8Z~ 347 17~ 45~ 206 825 226 121 0.355
Mercure 3 ~0.01 cO.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 ~0.003
Nickei 7~ 25 2' 6t 2~71 57 20 0.29
Piomb 3s~ 32 2 6: 8 c313 38 34 0.044
Sbl~nium 0.4~ 0.20 c0.2 0.~<0.2 0.2 2.6 2.4 0.004Zinc 51 t 37 1~ 6~ 2.t438 8.07 5.2 0.71
Sullures 6 ~ 5 21 3 0 ! 1 ~ 6 1 6 7 0 4 8 0
~yanures 4.Z 6.' 0.9: 0.5: 0.~ _O 0~ 0 23 0.13
* La concentration des métaux est exprimée en ppm, celle des
sulfures en ug/g-S et celle des cyanures en ppm-CN.
Les résultats montrent que la composition des
verres varie énormément, et ce, en fonction des conditions
d'opération.
Le meilleur résultat obtenu est à l'essai no. 6
où la quasi totalité des métaux délétères s'est retrouvée
dans le verre, sous forme encapsulée. Cette variation
s'explique par le fait que, en absence de contrôle adéquat
lors de la fusion, les éléments volatils ~notamment le
plomb, le sélénium et le zinc) peuvent s'éliminer du bain
liquide et se retrouver dans les fumées. Cependant, si l'on
contrôle adéquatement la température du bain, on arrive à
les conserver dans le verre comme le démontre l'essai no. 6
qui a à peu pres la même composition que les cendres telles
que reçues.
Il est donc utile et important, selon
l'invention, de recycler les fumées au cas où le contrôle de
la température du bain ne serait pas suffisant pour assurer
une bonne vitrification des substances délétères.
Il est donc également utile, important et
nécessaire de tester le réacteur choisi pour déterminer les
conditions optimales d'operation (tel qu'obtenu à l'essai
no. 6 ci-dessus), i.e. les conditions où sont minimisées les
05 pertes et où l'énergie est bien dosée et la température du
bain liquide uniformisée de faSon à réduire au minimum les
risques d'évaporation.
Des essais de fusion en arc non transf~ré ont éte
effectués avec une torche de PEC opérant à 80 kW. Le taux
d'alimentation était de 300gtminute. Le verre fondu était
soutir~ par le fond à une vitesse de 1 cm/minute. Aucune
difficulté n'a été rencontrée en opération et des cylindres
de verre de 30 cm de long et 12 cm de diamètre ont été
obtenus. En fait, le paramètre critique est le taux de
refroidissement du verre de facon à garder une viscosité
suffisante pour un mouvement descendant et une rigidité
telle ~ue le verre ne se déforme pas.
Resultats d'essais de lixiviation.
Des analyses de lixiviat ont été effectuées afin
de déterminer le degré de fixation des métaux dangereux dans
une matrice de verre et, de là, l'efficacité potentielle du
procédé selon l'invention, L'analyse des lixiviats obtenus
d'un verre avec addition de silice et sans addition comparé
avec le lixiviat des cendres lors d'autres essais effectu~s
apparaît au tableau lV.
Tableau lV: Comparaison des analyses des lixiviats de
cendres et des vitres obtenues à partir de ces cendres avec
; et sans addition de silice.
- 12 -
El~ment ~l~e~ Verre sans silice
0.01 5 0.002 <.002
9~ 0.0037 O.OOOS <.0005
C!lrome(ppm-cr) 0.06 <0.001 <0.001
05 ~e~:8~ 0.355 ~ 0.06
3 <o.S 0.7
Nickel(ppm-Ni~0.29 0.024 <0.01
Plomb(D~m-Pb)0.044 _ 0.01 0.003
S~l~n ~ n ~L0.004 <0.002 <0.002
3~ Z~ 0.71 0.04 0.01
On peut constater que la vitrification des
cendres a permis de réduire considérablement la
concentration des métaux dans les lixiviats.
Il est important de noter que les essais de
lixiviation ont été effectués sur du verre broyé à moins de
9mm. Donc, la surface d'échange entre le verre et la
solution lixiviante est beaucoup plus importante que dans
une situation réelle où les verres seraient entreprosés
sous une forme beaucoup plus massive.
Conclusion
-
Les essais ci-dessus démontrent clairement que
la vitrification des cendres d'incinérateurs de boues
urbaines se faire efficacement dans un four à plasma à arc
transferré du type ci-dessus décrit. Cette vitrification
est possible avec ou sans addition de silice.
La demande énergétique a été de 0.86 à 1.17
kWh/kg lors des essais effectués. Aucun effort
d'optimisation n'a été fait lors de ce programme. En
pratique, la demande énergétique peut être minimisée par un
meilleur contrôle de la température du bain, ceci
permettant de contraler également les pertes pa{
volatilisation et par voie de conséquence la composition
finale du verre.
Les deux essais de récupération de fer par la
- 13 -
reduction de ses oxydes contenus dans les cendres avec du
charbon démontrent que le taux de récupération est faible et
n'est peut-être pas économiquement justifiable étant donné
l'augmentation d'energie necessaire pour effectuer la
05 réduction et l'addition d'agents réducteurs.
Les essais de lixiviation effectués sur des
échantillons des verres obtenus ont montre que la fixation
a été très efficace. En général, le taux de métaux lixiviés
est de 10 fois inférieur à celui des cendres.
La vitrification dans un four à plasma
constitue donc un moyen efficace et sécuritaire de fixation
de déchets dangereux pulvérulents.
