Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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W096/40837 l r~l~r~,~~ 11
REACTEUR A LITS ELUIDISES POUR LE TRAITE~ENT ~ U~ DES
DEC~ETS
La présente invention est relative au traitement
thermique des déchets. Par traitement thermique, on entend
5 non seulement la destruction des déchets, mais également
leur valorisation par récupération de la plus grande partie
de leur énergie calorifique.
Vn moyen de traiter les déchets consiste à leur faire
subir un traitement thermique à la suite duquel ils se
transforment en une matière inerte de faible volume par
rapport à leur volume initial et au cours duquel ils cèdent
une grande partie de l'énergie calorifi~ue qu~ils
contiennent sous forme d'énergie thermique échangée par
exemple avec une unité de récupération d'énergie.
Un problème souvent rencontré dans le traitement des
déchets est la nécessité de les trier préalablement et
d~effectuer une séparation entre les matériaux combustibles
et les autres, et de fragmenter ces déchets en tout petits
morceaux pour faciliter leur traitement. Par ailleurs, les
dispositifs connus à yrille ne permettent pas toujours de
traiter n~importe quel type de déchets, en particulier ils
ne peuvent traiter les boues de décantation des
installations d~épuration des eaux usées que de façon
limitée
Un but de la p-esente invention est de définir un
réacteur pouvant recevoir tous types de déchets, y compris
les boues de decantation, sans necéssiter de tri préalable
et en se contentant d~une frayl~ntstion sommaire.
Un problème important rencontré dans le traitement des
30 déchets est la présence dans ces déchets de -res dont la
-sition thermique produit un ~g~_ t de chlore qui
détériore très rapidement par corrosion les tubes d'échange
des surchauffeurs de l'unité de récupération d'énergie.
Un autre but de la présente invention est de définir
35 un réacteur dans lequel la zone d'échange thermique, par
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exemple avec les tubes des surrh~nffpnrs d'une unité de
récupération d'énergie, est exempte de chlore.
Tous ces buts sont atteints au moyen d'un réacteur a
lit fluidisé de~rivé de celui décrit dans les brevets
français n~ 90 05 060 et 92 05 165 déposé au nom de STEIN
INDUSTRIE qui sont incorporés par référence à la présente
demande.
_ L'invention a pour objet un réacteur à lits fluidisés
pour le traitement ~hPrm; r,lnP de déchets et l'échange
0 thermique entre =les solides en circulation et un organe
d~échange thermique, tel qu'un évaporateur et/ou un
surchauffeur, le réacteur étant du type comprenant un lit
fluidisé circulan~ axial et au moins un premier et un second
lits fluidisés denses latéraux établis respectivement le
long d'une première et d~une seconde parois de l'enveloppe
du réacteur, caractérisé en ce que l'nl; ~t;nn en déchets
est effectuée en au moins un point de ladite première paroi,
au-dessus dudit -premier lit fluidisé dense lat~éral, ledit
réacteur comprenant en outre au moins un conduit
d~extraction des~éléments lourds non fluidisables, situé a
la base dudit premier lit de fluidîsation.
~ 'échange thermi~ue est de préférence effectué dans
ledit second lit fluidisé dense latéral.
Le conduit d'extraction des éléments lourds comprend
25 une partie inclinée disposée dans le prolul,y n~ d'une sole
inclinée dudit premier lit fluidisé dense latéral, des buses
de soufflage d'air, dirigeant un flux orientable, affleurant
a la surface de ladite sole.
Ledit conduit d'extraction est muni de moyens
réglables d'injection d'air pour régler le débit des solides
passant dans ledit conduit.
La base du secûnd lit fluidisé dense est relié par au
moins un conduit d'extraction a la base dudit lit fluidisé
circulant.
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W096/40837 3 r~l/r~
Ledit conduit d'extraction est muni de moyens
réglables d'injection d~air pour régler le débit des solides
apassant dans ledit conduit.
Le lit fluidisé circulant et le premier lit fluidisé
5 latéral dense sont fluidisés par un mélange d'air primaire
et de fumées recyclées.
Le second lit f~ icé latéral dense est fluidisé par
un mélange d'air et de fumées recyclées déchlorees.
De l'air, dit air tertiaire, est envoyé au moyen
10 d'injecteurs à débit ajustable, à une altitude supérieure à
celle des points d'introduction des déchets, à travers
chacune des parois du réacteur.
L'air tertiaire est mélangé de fumées recyclées et
déchlorées au moins pour l'air tertiaire injecté dans la
15 paroi où est situé le lit ~ i cé dense d'échange
thermigue.
La base du réacteur comporte des moyens d'extraction
des matériaux inertes.
Ledit conduit d'extraction des éléments lourds non
20 fluidisables est associé a un dispositif de tri et
d'extraction desdits éléments inertes.
Le réacteur comporte un troisième lit fluidisé
latéral, l'échange thermique étant réalisé avec au moins
l'un desdits deuxième et troisième lits fluidisés latéraux.
Le réacteur comprend un troisième et un quatrième lits
fluidisés latéraux, l'échange thermique étant réalisé avec
au moins l'un desdits deuxième, troisième et quatrième lits
fluidisés latéraux.
Le réacteur comprend des moyens pour alimenter le lit
fluidisé d'alimentation en déchets avec une partie des
matériaux d'au moins un lit d'échange thermique.
Le réacteur est relié à un cyclone chaud, la paroi où
est effectuée la liaison du réacteur au cyclone étant
opposée à la paroi où se fait l'~ tion en déchets.
Les parois du réacteur comportent des tubes d'échange
thermique.
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W0 96140837 4 P~,l/rh.~
Le reacteur comporte un lit luidise annexe, ~nt~n~nt
un organe d'echange thermique, ?li t~ par une partie des
solides du second lit fluidise dense, muni de moyens de
fln;~lA~tion, d'au moins une conduite de retour des solides
vers le bas du lit flni~;A~ circulant, et d~un event
dirigeant les gaz vers le haut du lit fluidise circulant.
Le reacteur est alimente parselon des dechets
constitues d'un m~lange de residus urbains et/ou de dechets
choisis notamment parmi les boues de decantation, les
résidus de la biomasse, les dechets industriels et le refus
de broyage, et/ou de combustibles fossiles choisis notamment
parmi le charbon et les residus petroliers.
L'invention est expliquee par la description ci-après
d~un exemple de réalisation, en reference au dessin annexe
15 dans lequel:
- la figure 1 est une vue 5~ ~' t;gue d'une partie
des installations thermiques d'une unite de traitement de
déchets,
- la figure 2 est une vue schématigue en élévation
d~un reacteur faisant partie de ladite installation,
- la figure~3 est une vue en coupe selon la ligne III-
de la figure 2
- la figure 4 e8t une vue 8chematigue partielle du
réacteur selon une variante.
La Fig. l:représente schématiquement et de manière
simplifiée une partie ~es installations thermi~ues d'une
unité de traitement de déchets selon l'invention. La turbine
à vapeur et le générateur electrique ne sont pas
représentés.
On distingue, dans la Fig. 1, un reacteur 1 à lits
fluidisés, ob~et de la presente demande de brevet, ~ r~é
en produits a traiter. Ce reacteur est relie par sa partie
supérieure à la partie superieure d'un cyclone chaud 2 dans
lequel s~effectue la separation entre les gaz et l'essentiel
35 des matières solides dont ils sont charges, ces dernieres
retonrn~nt au reacteur.
2 t ~68~8
W096/40837 5 r~l/r~5.~ ~S
Les gaz chauds issus du cyclone chaud 2 sont envoyés
dans une unité d'échange thermique 3, comprenant, par
exemple:
- un échangeur de surchauffe à basse température SBT
recevant de la vapeur d'un ballon B de chaudière et el.v~y~llt
de la vapeur surchauffée à l~é.l,~,.J~". de 5urchauffe haute
température SHT placé dans le réacteur,
- un vaporisateur V ellvuy~ll8 la vapeur produite au
ballon de chaudière B,
- un ~ iReur recevant de l~eau ~ ;re et
l'envoyant au ballon de chaudière B.
Les gaz sortant de l~unité d~échange thermique 3 sont
envoyés à un séparateur gaz-solides 4 où les gaz sont
séparés de la fraction grossière C des cendres volantes qui
sont rPc~ c à la base du cyclone 4.
Les gaz, ainsi Séparés de ladite fraction, sont
envoyés à un dispositif de traitement de fumées TF d'où ils
sont extraits par un ventilateur de tirage V et envoyés à la
base d'une cheminée CH.
Le réacteur 1, qui fait l~objet de la présente
invention, est représenté plus en détail dans les Fig.2 et
3.
L'exemple décrit, à titre nullement limitatif, est
celui d~un réacteur à deux lits fluidisés denses latéraux.
Le réac~eur comprend une enveloppe 10, qui peut avoir
une section rectangulaire et présenter ainsi quatre parois
11, 12, 13 et 1~.
La partie inférieure 16 du réacteur est en forme de
tronc de pyramide inversé, ou en forme de pseudo-pyramide
inversée à deux faces parallèles, ou en forme de tronc de
cône; c'est dans cette partie qu~est installé un lit de
fluidisation czrculant axial comprenant une partie
inférieure la surmontée d~une partie supérieure 18', comme
~ il a éte explique dans le second des documents précités et
auquel on renvoie le lecteur. La partie inférieure 18 du lit
fluidisé circulant est ~ ée en combustible pyrolysé
~ ~ 9~ 808
W096/40837 6 PCT~R96/00844
provenant notamment par le-debordement du lit dense lateral
28, comme on le verra plus loin. Une grille 19, a la base de
la partie 18 du lit, est equipee de buses 20 permettant
d~injecter de l'air, dit air primaire, reperé dans le dessin
5 par la flèche AP, pouvant éventuellement être mélangé avec
des fumées prelevees en entree E1 du traitement de fumée TF.
Au-dessus de la grille 19 sont ~iqp~q~q des arrivées
d'air secondaire AS qui peut egalement être éventuellement
mélangé avec des iumées prelevees en entree E1 du traitement
10 de fumee TF
Des moyens de préchauffage du réacteur, non
représentés, situés au-dessus de la grille l9, permettent de
rechauffer l'ensemble du réacteur à partir d'un état froid
ou tiède, et de llamener à la température n~c~qRi~re pour
assurer la combustion des dechets.
Sou9 la grille l9 est dispose un appareil d'extraction
22 des residus, tel qu~un extracteur à vis refroidie ou un
extracteur sec.
Dans l~exemple représenté dans les Eig 2 et 3, le
réacteur comprend deux lits fluidisés denses latéraux 28 et
48.
~ e lit fluidisé latéral 28, installé contre la paroi
11, comporte une sole 29, de préférence inclinee et dans
laquelle 50nt placées des buses de soufflage 30
directionnelles,-c'est-a-dire dont la~ direction du flux de
soufflage peut être orientée entre une direction
perpendiculaire ~au plan de la sole et une direction
parallele a ce plan. Les buses sont alimentees en air
(réference AF), éventuellement ~melangé a des fumées
recyclées en provenance du point El. Le lit fluidis~ dense
28 est partiellement contenu par une paroi de débold~ 31
élevée a l'extremité de la sole 29 parallelement à la paroi
11 .
Le lit fluidisé dense 28 est ~li t~ par les déchets
à traiter qui, selon une caractéristique f~ ' -nt~le de
l~invention, sont injectés dans le lit fluidisé dense en
~ 1 ~68~B
096/40837 7 I~l/r~
plusieurs points de la paroi 11, de préference à une hauteur
superieure à celle de la partie superieure de la paroi de
débordement 31.
L'alimentation est effectuée à partir de cisailles 33
5 ou 34 qui effectuent une fr~; tat;on sommaire des dechets
à une taille maximale comprise entre 200 et 400 mm.
Les déchets fr~3 ~c sont introduits 80it par des
. conduits 35 munis de vis d'injection telles que la vis 36,
soit par simple gravité dans les conduits 37. Des moyens
conventionnels non représentés permettent de regler le débit
des déchets introduits.
Dans le prolongement de la sole 29 est dispose un
conduit 39 ~ou plusieurs conduits si n~c~psnire) rec~ nt
les elements lourds non fludisables tels que ferrailles,
15 hnut~;lles~ morceaux de verre, etc.. ou les éléments qui
n'ont pas été pyrolysés. Ces ~1' Q sont envoyés à la base
de la partie 18 du lit de fl~ ;Qé circulant, avec,
event~ell~ - t, passage prealable dans un dispositif de tri
d'où sont extraits les eléments qui ne viennent pas
20 perturber la fluidisation à la base du lit fluidise
circulant 18.
On note que des fumees recyclées, par exemple
prelevees en E1 en amont du traitement de fumees TF, peuvent
être injectes dans les conduits 39.
Les conduits 39 sont munis, au voisinage de la grille
29, de moyens pour regler le debit des solides transitant
dans ces conduits. Ces moyens peuvent être des arrivees
d~air 39~ reglables.
La paroi 11 où sont introduits les dechets est
30 protegee par un revêtement de carbure de silicium ou de tout
autre materiau resistant au milieu réducteur; l'utilité de
ce revêtement sera montrée plus loin.
Conformément à l~invention, un second lit fluidisé
dense lateral 48 est installe le long de la paroi 12 qui,
35 dans l'exemple décrit, est la paroi opposee à la paroi 11.
Il comprend une paroi de débordement 51, une grille 52 et
2 1 96 808
W096l40~7 B ~ rKgC.~l SS
des buses de soufflage 53 alimentées par de l'air (référencé
AF), éventuellement additionné de fumées recyclées
déchlor~es, par exemple en provenance d~une prise E2 en aval
du traitement de fumées TF.
La base du lit dense 48 est reliée par des conduits 59
à la partie inférieure 18 du lit fluidiaé r; rclll Ant .
Il est prévu des moyens de réglage du débit de solides
circulants dans ces conduits 59; ces moyens peuvent être
constitués par des arrivées d'air 59' à débit réglables.
Dans ce lit 48 est disposé l'organe d~échange
thermique SHT qui peut comprendre des évaporateurs et/ou
des surchauffeurs de vapeur à haute température.
Le réacteur est complété par des injecteurs 54 d'air,
dit air tertiaire, qui sont disposés sur les quatre faces du
réacteur à une hauteur supérieure à celle des lits f~ ;c~c
denses latéraux.-La encore l'air tertiaire peut être mélangé
à des fumées recyclées en ~L~vaL.~..ce de la pri8e E1 pour ce
qui est des injecteurs placés sur le lit dense
d~alimentation 28 et déchlorees en provenance de la prise E2
20 pour le lit dense~d'échange 48 -~
comme il a ete expliqué dans les ~A~l tq précités,
la température regnant au centre du réacteur est supérieure
B50~C et généralement comprise entre 850 et 950~C pour
respecter la réglementation concernant la combustion des
déchets.
Le rapport de la section S2 mesurée au-dessus des
parois de débordement 31 et 51 à la section Sl mesurée entre
ces parois de débordement est compris entre 1,05 et 2.
La vitesse des gaz de fluidisation dans la partie
axiale inférieure 18 ~flèches i tAnte F1) est, en fût vide,
comprise entre 3 et 12m/s.
La vitesse.superficielle des gaz de fluidisation, en
fût vide, dans les lits denses latéraux est comprise entre
0,3 et 2,5 m/s.
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W096/40837 9 r~~ ,O/~
Une fois le rapport S2/Sl fixe, les valeurs ci-dessus
des vitesses et des temperatures sont ajustables au moyen
des paramètres constitues par:
- le debit des dechets introduits,
- les debits d'air primaire, secnn~;re et tertiaire,
- la granulometrie du materiau du lit en circulation,
- le taux de remplissage en solides du reacteur.
Le ~onctinrn t du reacteur est le suivant.
~es déchets sommairement L, _ tes sont introduits
dans le reacteur. Au contact brusque de la couche
descendante de solides en paroi qui est a une temperature
superieure à 850~C (généralement comprise entre 870 et
900~C), le chlore contenu dans les dechets est ; '~i~t~m~nt
degagé, par un effet de pyrolyse-flash ( ou pyrolyse
instantanee), et la quasi totalite de ce gaz est entra~nee
vers le haut du reacteur (flèches F2) et pa8se dans le
cyclone chaud 2. le rev~tement de carbure de silicium de la
paroi 11 où se fait l'Al;m~ntation en dechets protège celle-
ci contre l'effet corrosif du chlore chaud combine à des gaz
20 reducteurs (Co principalement).
Cet e_fet de pyrolyse est obtenu par melange des
dechets introduits et des solides tombant en paroi sous
forme d~une couche dense conséquence du fonctinnn de la
partie.supérieure 18' en lit fluidise circulant.
On observe que le lit fluidise dense 48 est alimente
par la couche dense de solides circulants résultant du
fonctionnement du lit fluidise circulant 18-18'. Par
ailleurs, le lit dense 48 est fln;~;R~ par un melange d'air
et de fumées dechlorees, comme il a te mentionné plus haut.
Ce lit 48 est donc exempt de produits chlores. Il est donc
possible d'y loger l'organe d'echange thermique S~T; cet
organe sera place dans un milieu dont la temperature est de
8700C environ de sorte qu~on obtiendra de la vapeur
surchauffee a 450 ou 500~C (au lieu de 360~C dans les
35 reacteurs de l'art anterieur puisqu'on ne peut pas placer
l~echangeur dans un milieu à temperature superieure à 600~C
~ , _ . .. . . .. . . _ . _ _ . _ _ . .. _ . _ . _ . . .
W096~40~7 10 21 968o8 r~lir~
sans corrosion tres rapide). Cette augmentation sensible de
la température de la vapeur surchauffée, qui est utilisée
dans une turbine non représentee, permet d'augmenter le
,. ' t du cycle de l~inst~ t;nn (loi de Carnot), et
donc de la valorisation énergétique des dechets, et de
conférer aux ~nhRng~l1rs SHT une durée de vie accrue, ce qui
accroît d'autant la ~;~pnn; hil; té de l'installation.
Par ailleurs, il est possible d'ntili~n des organes
d~échange thermique ayant des co~ffi~i~ntc d~échange
externes de 450 W/m20K (au lieu de 35 W/m'~R dans l'art
antérieur) et une DTLM (difference de temperature
logarithmique moyenne) beaucoup plus importante (450 ~C au
lieu de 250 ~C. ::
Enfin, il n~y a pas de risque d'encrassement de
l~organe d'echange thermique, ce ris~ue amenant, en
technique conv~ntinnn~ , a quasiment doubler la surface
d~echange thermique et à installer de coûteux ~_ el~s.
L'utilisation de ce type d~organe d~échange thermique
permet une reduc~ion significative de taille et donc de
2~ coût.
Le réacteur ~luidises peut fnn~t;~nn~n avec un excès
d~air global, par rapport aux conditions stoecchiometriques,
limite à 1,4, ce qui présente le double avantage d'être
conforme à 'a reglementation et plus economique que
certaines ins-alla.1ons qui nécessit~ent pour leur
fonctionnemen. un excès d'alr de 1,8 ou 1,9.
Les lits fluidisés circulants engendrent par nature
des faibles taux d'oxydes d'azotede par la faible
températurer l~etagement d'air et le faible debit d'air; si
30 besoin est, une injection d~ ;~r en amont du cyclone
chaud 2 peut être envisagée. De la sorte, la limitation à
200 mg/m3 peut être aisément respectée.
L'injection réglable d~air, dit air tertiaire, prévue
sur les quatres faces 11 à I4, et materialisee dans le
dessin par les- fleches 54, sert d'air auxiliaire de
combustion aux matières combustibles volatiles ~s~ge~ par
~ 1 ~680~
W09~40837 11 l~llr~./~ 11
la pyrolyse- flash; cet air permet un melange rapide des gaz
de la partie superieure du reacteur qui favorise
l~evacuation du chlore. Une injection terminale d'air peut
être prevue eventuellement en amont du cyclone 2.
On notera que, de préférence, la paroi dans laquelle
est pratiquee la liaison entre le réacteur 1 et le cyclone
2, ici la paroi 12, est choisie ~ l'opposé de la paroi 11 où
est effectuée 1' A 1; ' ,A t i ~ du réacteur.
L'invention s'applique ~g~l ~m~nt au traitement
0 simultane des dechets A~ R d~une certaine proportion de
boues des stations d'epuration, de residus de la biomasse,
ainsi que de déchets industriels banals et au refus de
broyage automobile.
L'invention s'applique également au traitement
simultané des dechets avec des combustibles fossiles du type
charbon ou résidu pétrolier. Ces derniers sont introduits en
bas de la zone inférieure 18 du lit fluidisé circulant 18-
8', par exemple par le conduit de retour du cyclone 2.
~e reacteur peut comporter des moyens d'injection
dlagents de fixation du soufre contenu dans les fumees, tel
que le calcaire.
Si pour une raison quelconque, la temperature du lit
dense d'introduction des dechets est souhaitee plus faible
que 870 à 900~C, il est possible d~alimenter le lit dense 28
d'introduction des dechets avec une partie des produits du
lit 48 d~echange thermi~ue.
Les parois du reacteur peuvent être tubees en totalite
ou en partie. Les tubes dont certains sont representes et
references 60 sont parcourus par un melange d'eau et de
30 vapeur provenant du ballon de ~h~n~;~re et y retonrnAnt.
L'invention n~est pas limitee au mode r~Al;cAt;~n
decrit et représenté.
On peut en particulier, prevoir que le reacteur
comportera un troisième lit fluidise dense lateral,
l'echange thermique étant réalise avec au moins l'un des
~n~;~ et troisième lits fluidises denses lateraux.
2 1 ~6~
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Dans une autre variante, le reacteur selon l'invention
comprendra un troisieme et un quatrième lits fluidisés
latéraux, l'échange thermique etant réalisé avec au moins
l'un des deuxième, troisieme et quatrieme lits fluidises
latéraux.
Dans ces deux variantes, il est p~cs;hlP d'alimenter
le lit dense d'~ tion en déchets par un ou plusieurs
des autres lits denses.
La ~ig.4 illustre une variante dans laquelle des
lo solides r~ru~;ll;c par le lit dense 48 sont transférés dans
un échangeur a lit fluidise annexe 70 avant d'être
reinjectes dans la zone 18 par le biais de conduits 71 munis
de moyens à air 71' de régulation de débit.C'est dans ce lit
70 qu'est place l'organe d'echange thermique SHT.
Les gaz de fluidisations du lit 70 sont reinjectes par
un conduit 72 a la partie supérieure 18' du lit 18-18'.
Cette variante permet de découpler les contraintes de
dimensi~nn~m~ntc dues d~une part aux exigences de
l(hydrodynamique de l'ecoulement gaz-solides et d'autre part
20 aux exigences du respect de bilan thermique de
l~installation pouvant necessiter des dimensions
d'échangeurs importantes.
