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CA 02578991 2007-03-13
Titre de l'invention
Procédé et appareil pour le traitement thermique de matières organiques
Domaine de l'invention
La présente invention concerne principalement un procédé et un appareil pour
le
traitement thermique de matières organiques et plus particulièrement pour la
cuisson, la
déshydratation et/ou la stérilisation de matières organiques de toutes sortes,
comme par
exemple les déchets organiques tels que les fientes, les fumiers, les déchets
d'abattoirs, de
couvoirs, d'équarrissage, de stations d'épurations, de fabrications de
vaccins,
biologiquement contaminés et autres, en vue de les transformer en un produit
stérilisé
valable pour l'enrichissement des sols et possiblement pour l'alimentation des
animaux.
Ce procédé et cet appareil sont aussi applicables à la déshydratation des
végétaux.
Historigue de l'invention
De nombreux systèmes et procédés ont été proposés pour le traitement thermique
des
substances organiques et spécialement pour la conversion thermique de déchets
organiques en produits utiles par un procédé impliquant la déshydratation, la
cuisson
et/ou la stérilisation.
Par exemple, les boues provenant des usines municipales de traitement et
filtration d'eau
sont généralement déshumidifiées et soumises à un traitement de stérilisation.
Ce
traitement implique une forme de chauffage lorsque la matière organique doit
être utilisée
subséquemment, par exemple, pour l'enrichissement des sols. Les matières
organiques
peuvent donc être cuites et de nombreux appareils ont été proposés à cet
effet.
Des systèmes similaires sont utilisés pour le traitement thermique d'autres
matières et/ou
déchets organiques.
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Toutefois, l'un des principaux désavantages des systèmes conventionnels est
que les gaz
et autres vapeurs qui sont produits par les matières et/ou déchets organiques
contiennent
généralement des composantes odorantes, voire toxiques et ceux-ci sont
généralement
relâchés directement dans l'atmosphère, ce qui devrait être évité. De plus,
les systèmes
conventionnels sont complexes, requièrent une main d'oeuvre importante et ne
sont pas
économiques au point de vue thermique.
Qui plus est, ces systèmes ne sont généralement pas adaptés pour la
neutralisation et/ou la
stérilisation de matières organiques contaminées par des bactéries, virus et
autres
pathogènes (par exemple, des résidus d'oeufs provenant de la production de
vaccins).
Il y a donc un besoin pour un appareil qui pallie aux désavantages mentionnés
ci-haut.
Objectifs de l'invention
Le principal objectif de la présente invention est de fournir un système
amélioré pour le
traitement thermique des déchets organiques dans lequel les désavantages des
systèmes
antérieurs sont évités.
Un autre objectif de l'invention est de fournir un appareil amélioré pour le
traitement
thermique des matières organiques.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un appareil pour
traiter de façon
thermique des matières organiques contaminées biologiquement.
Encore, un autre objectif de la présente invention est de fournir un appareil
pour le
traitement thermique des substances organiques, spécialement les déchets
organiques, qui
détruit tous les gaz odorants, réduit la main d'oeuvre nécessaire et est
énergétiquement
plus efficace que les systèmes précédents.
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A cet effet, le procédé qu'elle concerne, qui est du type selon lequel les
matières sont
chauffées indirectement par de l'air chaud à la température exigée par le
traitement en
cours, consiste à recycler les vapeurs dégagées par les matières dans le
circuit de l'air
chaud en les forçant à lécher la flamme du brûleur de telle sorte que les gaz
organiques
qu'elles contiennent soient brûlés.
Ainsi, non seulement les odeurs sont détruites, mais en outre, par suite du
recyclage des
vapeurs dégagées par les déchets, une importante quantité de calories est
économisée par
récupération.
Résumé de l'invention
Ces objectifs et autres, qui deviendront apparent par la suite, sont atteints,
selon la
présente invention, par un procédé pour le traitement thermique des matières
organiques
et spécialement des déchets organiques. Ce procédé implique la déshydratation,
la
stérilisation et/ou la cuisson des matières organiques dans le but d'obtenir
des matières
solides utiles. Le procédé comprend principalement l'agitation de la masse de
matières
organiques contenue dans une cuve étanche en contact avec une paroi
conductrice de
chaleur. La paroi conductrice de chaleur étant chauffée par les gaz de
combustion
générés par un brûleur qui est aussi alimenté par les vapeurs et autres gaz
provenant des
matières organiques en traitement.
En recyclant continuellement les gaz et vapeurs provenant des matières
organiques et en
les dirigeant vers le brûleur pour y être brûlés avec le combustible, il se
produit une
destruction totale de ces vapeurs et de ces gaz. De plus, les vapeurs et gaz
contribuent
un apport calorique à la combustion, ce qui réduit la consommation de
combustible.
Finalement, puisqu'ils sont brûlés, les gaz et vapeurs, pouvant contenir des
odeurs, des
substances toxiques et/ou des pathogènes, génèrent des gaz de combustion qui
sont
inodores, non toxiques et non contaminés.
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L'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé est préférablement constitué
d'une cuve
étanche à fond cylindrique d'axe horizontal et à double paroi. La cuve est
équipée de
moyens d'agitation ou de mélangeage pour déplacer les matériaux organiques
contenus
dans la cuve contre les parois internes qui la délimitent.
Selon un aspect de l'invention, l'espace existant entre la paroi externe et la
paroi interne
de l'appareil est alimenté par les gaz de combustion provenant du brûleur,
celui-ci
s'ouvrant dans l'espace se situant préférablement sous le fond de la cuve. La
paroi
interne de la cuve est faite de matériau conducteur de chaleur tandis que la
paroi externe
est faite de matériau isolant.
Selon une caractéristique de l'invention, la cuve possède au moins un orifice
et
préférablement plusieurs orifices pouvant être fermés hermétiquement. Ce ou
ces orifices
sont préférablement situés dans la partie supérieure (dans le toit) de la cuve
et permettent
le chargement de la cuve avec des matériaux organiques. De plus, la cuve
possède aussi
un orifice de vidange pouvant être fermé hermétiquement. Cet orifice est
préférablement
situé dans le fond de la cuve et préférablement à l'une de ses extrémités
axiales.
L'appareil est aussi muni d'un conduit communicant entre la cuve et la chambre
de
combustion. Le conduit communique préférablement avec la cuve par le toit de
celle-ci.
Les moyens d'agitation ou de mixage situés dans la cuve peuvent préférablement
comprendre un mélangeur ou mixeur ayant un arbre généralement horizontal
coïncident
ou à tout le moins parallèle avec l'axe de la cuve. Lorsque l'arbre tourne
dans une
direction, il déplace simplement la matière organique sans générer de poussée
axiale
tandis que lorsqu'il tourne dans l'autre direction, ses pales, qui ont une
forme appropriée,
agissent comme un convoyeur et déplacent les matières organiques traitées en
direction
de l'orifice de vidange. Toutefois, advenant un forme de cuve différente, la
configuration
du mélangeur pourrait changer.
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Des moyens sont prévus, tels des sondes thermiques, pour assurer la régulation
de la
température de l'appareil à la valeur désirée. Ces moyens sont généralement
installés au
endroits appropriés tels l'intérieur de la cuve et/ou de la cheminée.
Tandis que le brûleur peut être opéré de façon à ce qu'il génère une certaine
succion qui
aspire les gaz et vapeurs provenant de la matière organique, un ventilateur
peut être
avantageusement installé dans le conduit reliant la cuve au brûleur pour
forcer le
déplacement des gaz et vapeurs vers le brûleur.
Avantageusement, l'orifice de communication entre la chambre du brûleur et
celle de
circulation de l'air chaud est entouré d'une paroi tronconique disposée de
manière à que
son diamètre soit décroissant dans le sens d'écoulement des gaz. Dans le
centre de
l'orifice de sortie est disposé un élément réfractaire constamment porté au
rouge par la
flamme du brûleur. Cet élément assure la combustion ou pyrolyse totale des gaz
et des
vapeurs dégagés par les matières traitées.
Enfin, suivant une forme d'exécution préférée de l'invention, la chambre de
circulation
de l'air chaud est équipé d'un réseau de chicanes assurant une bonne
distribution des
calories à la paroi intérieure de la cuve.
Finalement, une caractéristique importante de l'invention est la présence d'un
échangeur
de chaleur situé dans la cuve et préférablement près du toit de celle-ci. Les
gaz de
combustion qui ont circulé dans l'espace entre les parois sont envoyés dans
l'échangeur.
L'air frais provenant de l'extérieur, qui est à la fois utilisé pour la
déshydratation et la
combustion du combustible et des vapeurs et gaz provenant de la matière
organique, est
aussi envoyé dans l'échangeur. La chaleur résiduelle des gaz de combustion est
ensuite
partiellement transférée à l'air fra.is. L'air ainsi chauffé est ensuite
introduit dans la cuve,
ce qui augmente l'efficacité du processus de déshydratation.
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Descrintion des figures
= La figure 1 est une vue en coupe longitudinale et verticale d'un appareil
pour le
traitement thermique de matières organiques selon la présente invention, la
vue
étant prise le long de la ligne I-I de la figure 2;
= La figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne 2-2 de
l'appareil
de la figure 1;
= La figure 3 est une vue en coupe agrandie de la chambre du brûleur de
l'appareil
de la figure 1.
Descrintion de l'incarnation nréférée
Comme il est possible de le voir dans les figures, l'appareil 1 de la présente
invention
comprend une structure 2 horizontalement allongée. La structure 2 comprend un
fond
semi-cylindrique une paire de murs qui montent de façon verticale du fond semi-
cylindrique. La structure 2 est fermée à ses deux extrémités axiales. Cette
structure 2 en
forme de creux est fermée sur le dessus par un mur horizontal 6 servant aussi
de toit.
Donc, la structure ou cuve 2 possède généralement une section transversale en
forme de
fer à cheval.
La cuve 2 est une structure à double parois, c'est-à-dire qu'elle possède une
paroi interne
3 faite d'un matériau ayant une bonne conductivité thermique (métal ou alliage
de métaux
comprenant par exemple du cuivre, de l'acier et/ou de l'aluminium) et une
paroi externe 4
faite de matériau isolant (réfractaire, céramique et autres matériaux
semblables).
Les parois 3 et 4 sont montées de façon à créer un espace 5 le long du fond et
des murs
longitudinaux de la cuve 2. Cet espace 5 constitue un conduit 5 qui permet la
circulation
des gaz de combustion qui sont utilisés pour déshydrater, chauffer, voire
cuire, les
matières organiques présentes dans la cuve 2.
Le toit 6 scelle de façon hermétique cette cuve 2 et est aussi fait de
matériaux isolant.
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La cuve 2 est aussi munie d'un mixeur ou mélangeur 7. Le mélangeur 7 possède
un arbre
7a monté de façon généralement parallèle ou côincidente avec l'axe du fond de
la cuve 2.
De plus, l'arbre 7a est généralement porté par les murs situés aux extrémités
de la cuve 2.
A l'une des extrémités de l'arbre 7a, celui-ci est entraîné par un
entraînement à
engrenages ou à bande via un moteur électrique couplé à un moto réducteur 10.
Un
limiteur de couple hydraulique (non montré) peut aussi être monté sur l'arbre
7a dans le
but de prévenir toute charge excessive sur l'arbre 7a. L'extrémité opposée de
l'arbre est
munie d'un roulement à billes monté sur le mur opposé. L'arbre 7a supporte une
pluralité de bras radiaux 7b qui sont axialement espacés le long de l'arbre
7a. Les bras 7b
servent à retourner la masse de matières organiques le long de la paroi 3 et à
mélanger
cette même masse pendant le chauffage.
Le toit 6 est muni d'un premier orifice de remplissage 8 qui se ferme
hermétiquement
avec un couvercle 9. Ce premier orifice 8 sert généralement pour le
remplissage de la
cuve 2 lorsque les matières organiques sont solides ou semi-solides. Lorsque
les matières
sont liquides ou à tout le moins pompables, le remplissage de la cuve 2 se
fait
préférablement à l'aide d'un deuxième orifice 38 qui est sous forme d'une
valve 38. La
valve 38 se situe aussi préférablement dans le toit 6. La valve 38 permet le
remplissage
de la cuve 2 sans que les matières organiques n'entrent en contact avec
l'extérieur de la
cuve 2. Cette caractéristique est très importante lorsque les matières
organiques sont
contaminées par des bactéries et/ou des virus. S'il fallait que ces matières
contaminées
soit en contact avec l'extérieur de la cuve 2, des poussières et/ou de la
bruine
contaminées pourraient être dispersées dans la zone entourant l'appareil 1,
contaminant
de ce fait cette même zone.
Ce second orifice 38 peut aussi être utilisé pour remplir la cuve 2 d'eau ou
d'un autre
liquide préférablement neutre lorsque l'appareil est en mode de préchauffage.
Le mode
préchauffage sera décrit plus loin.
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Le fond de la cuve 2 est aussi muni d'un orifice de vidange 11. L'orifice de
vidange 11
communique avec une chute ou auget 23. L'orifice 11 peut être hermétiquement
fermé
avec un tampon amovible 12.
L'appareil 1 est aussi muni d'un brûleur 14 qui comprend une chambre de
combustion 13
qui s'ouvre, via sa bouche convergente, dans l'espace 5 situé sous la cuve 2
entre les
parois 3 et 4. Le brûleur 14 est alimenté en combustible, qui peut être du gaz
naturel ou
synthétique, de l'huile ou toutes autres formes de combustibles, par une buse,
vaporisateur ou injecteur approprié. La combustion dans la chambre 13 est
montrée par
des lignes en tirets. Le résultat de la combustion est une masse de gaz de
combustion
chauds et ces gaz circulent dans l'espace 5 entre les deux parois 3 et 4,
réchauffant par le
fait même les matières organiques via la paroi 3 conductrice de chaleur. Ces
gaz de
combustion chauds réchauffent, déshydratent et cuisent les matières
organiques,
introduites dans la cuve 2 via les orifices 8 et/ou 38, pour générer des gaz
et des vapeurs
tandis que ces matières sont mélangées à l'aide du mélangeur 7.
L'intérieur de la cuve 2 est relié à la chambre de combustion 13 du brûleur 14
par un
conduit 15. Ce conduit 15 apporte les vapeurs et les gaz dégagés par les
matières
organiques au brûleur 14.
La combustion du combustible et des gaz et des vapeurs provenant des matières
organiques peut générer une pression subatmosphérique ou dépression en aval de
la
région d'expansion des gaz de combustion. Cette dépression peut, par effet de
venturi
par exemple, être suffisante pour aspirer les gaz et les vapeurs relâchés par
les matières
organiques en traitement dans le conduit 15 et les diriger vers le brûleur 14
dans la
direction des flèches 16. Ces vapeurs et des gaz sont donc dirigés vers la
flamme pour y
être brûlés, fournissant par le fait même une partie de l'apport calorique
nécessaire à
l'appareil 1. Toutefois, un ventilateur 19 peut être préférablement installé
dans le conduit
15, préférablement près du toit 6, pour aider à la circulation des vapeurs
provenant de la
cuve 2 vers le brûleur 14.
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Il en résulte donc un double avantage puisque d'une part, du fait qu'elles
sont brûlées, les
odeurs de ces vapeurs sont détruites et, d'autre part, puisqu'elles sont
amenées au brûleur
14 à leur température de vaporisation, elles permettent une récupération de
calories non
négligeable.
Une meilleure distribution des calories à la paroi intérieure 3 de la cuve 2
peut être
assurée au moyen de chicanes 18. Ces chicanes 18 sont montrées sous forme de
diagramme à la figure 2. Ces chicanes 18 permettent de ralentir le flot des
gaz de
combustion dans l'espace 5, ce qui permet un meilleur transfert de chaleur
entre les gaz et
les matières organiques.
Dans le but d'augmenter l'efficacité du processus de déshydratation, de l'air
frais, prélevé
à l'extérieur de la cuve 2, préférablement à l'aide d'une pompe 40, est
introduit dans la
cuve 2. Toutefois, dans le but d'avoir une processus plus efficace et plus
rapide, l'air
frais est préalablement envoyé dans un échangeur de chaleur 42, situé
préférablement
dans la partie supérieure de la cuve 2, près du toit 6, avant d'être introduit
dans la cuve 2.
L'air chaud a un plus grand pouvoir absorbant et peut donc absorber plus de
vapeurs et de
gaz. De plus, l'air chaud permet de réchauffer les matières organiques, ce qui
accélère
leur déshydratation.
La chaleur de l'échangeur de chaleur 42 provient des gaz de combustion. En
effet,
l'échangeur de chaleur 42 transfert une partie de la chaleur résiduelle des
gaz de
combustion, qui ont circulé dans l'espace 5, à l'air frais.
Ainsi, à mesure que l'air frais est pompé de l'extérieur, il est envoyé vers
un conduit en
forme de serpentin 45 adjacent à un second conduit en forme de serpentin 47 au
travers
duquel circulent les gaz de combustion. Ces serpentins 45 et 47 sont
préférablement faits
de matériaux conducteurs de chaleur tels le cuivre. A mesure que l'air frais
circule dans
le serpentin 45 et que les gaz de combustion circulent dans le serpentin 47,
une partie de
la chaleur des gaz de combustion est transférée à l'air frais. A la fin du
serpentin 45,
l'air, maintenant réchauffé, est envoyé dans la cuve 2 dans le but de se
mélanger avec les
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gaz et les vapeurs et d'accélérer le processus de déshydratation. Cet air est
aussi utilisé
dans la combustion du combustible et des vapeurs dans la chambre de combustion
13.
De plus, comme le serpentin 47 est situé à l'intérieur de la cuve 2, une
partie de la chaleur
des gaz de combustion est aussi transmise l'air ambiant situé à l'intérieur de
la cuve 2, ce
qui accélère le processus de déshydratation.
Donc, l'appareil 1 a l'avantage d'être très efficace au point de vue
énergétique. En
recyclant le plus possible la chaleur générée par la combustion, il est
possible d'accélérer
le processus de déshydratation ou de réduire la consommation de combustible.
Finalement, le serpentin 47 se termine sur une cheminée 17 à travers laquelle
les gaz de
combustion sont envoyés vers l'atmosphère.
Un ventilateur 49 peut être installé dans la cheminée 17 dans le but de
contrôler et/ou
réguler le flot de gaz dans l'espace 5 situé entre les parois 3 et 4 et ceci
dans le but de
prévenir des surpressions potentielles qui pourraient endommager l'appareil 1
ou ralentir
le procédé.
Pour éliminer tout risque de non combustion des vapeurs recyclées par la
canalisation 15
dans la chambre 13 du brûleur 14, un élément 21 en matière réfractaire est
placé au centre
de l'orifice de sortie de la chambre 13, c'est-à-dire juste en aval de la
flamme du brûleur
14 (voir figure 3). Cet élément est donc maintenu constamment au rouge par la
flamme.
En outre, l'extrémité aval de la chambre 13 est conformée en tronc de cône
avec sa petite
base entourant l'orifice de sortie de telle sorte que tous les gaz traversant
la chambre 13
sont forcés de lécher l'organe réfractaire 21. Le contact de ces gaz avec cet
organe
réfractaire assure la combustion quasi totale des imbrûlés éventuels.
En outre, la présence de ce tronc de cône provoque dans la chambre 13 une
contre
pression qui assure un meilleur mélange des vapeurs avec la flamme du brûleur
14.
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Comme le montre notamment la figure 3, la chambre 13 du brûleur 14 est
avantageusement équipée de déflecteurs 22 évitant tout retour de gaz brûlés,
notamment
dans la canalisation 15.
Nonobstant la présence de l'élément réfractaire 21, il reste une possibilité
que certaines
matières organiques, particulièrement des virus et/ou des bactéries, échappe à
la
destruction complète dans la chambre de combustion 13. Dans le but de prévenir
l'envoi
de pathogènes dans l'atmosphère, l'appareil 1 comprend un mode de
préchauffage.
Durant le mode de préchauffage, de l'eau propre ou un autre liquide
généralement neutre
et non-toxique est introduit dans la cuve 2 et l'appareil 1 est mis en marche.
Lorsque
l'appareil et plus particulièrement l'intérieur de la cuve 2 et de la cheminée
17, atteint
une température prédéterminée (par exemple, une température ayant des
propriétés
biocides), les matières organiques sont introduites dans la cuve 2. La chaleur
de la cuve 2
et de la cheminée assure qu'aucun virus ou autre pathogène pourra sortir de
l'appareil 1
sans être détruit. La température est préférablement détectée via des senseurs
de
température 25 et 51 situés respectivement dans la cuve 2 et dans la cheminée
17.
Si des matières organiques contaminées biologiquement devaient être
introduites dans
l'appareil 1 alors qu'il est froid, une partie des virus et/ou des autres
pathogènes pourrait
échapper à une destruction complète puisque la température de l'appareil 1
serait
insuffisante pour être biocide. Ces virus et autres pathogènes non détruits
seraient alors
envoyés dans l'atmosphère, contaminant de ce fait la zone autour de l'appareil
1.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, chaque pale 7b du malaxeur 7
présente
une rampe latérale, non visible sur le dessin, orientée en direction de
l'orifice de vidange
11 de telle sorte que dans un sens de rotation du malaxeur 7 les matières
traitées sont
poussées en direction de cet orifice tandis que dans l'autre sens de rotation
ces matières
ne reçoivent aucune poussée axiale. A leur sortie à travers l'orifice 12, les
matières sont
récupérées par un auget ou chute 23.
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Comme le montre la figure 1, des éléments souples tels que des chaînes 24
relient les
extrémités libres des aubes 7b du malaxeur 7 empêchant, par raclage, les
matières traitées
d'adhérer à la paroi intérieure 3 de la cuve 2.
Finalement, l'appareil 1 de la figure 1 est préférablement muni d'au moins
deux senseurs
de température 25 et 51, lesquels sont connectés à un contrôleur 26. Ce
contrôleur 26,
par l'intermédiaire de la valve de combustible 28 de la buse 30, permet de
maintenir la
température à l'intérieur de la cuve 2 et/ou de la cheminée 17 à une valeur
désirée. Si
nécessaire, d'autres senseurs (température, pression, humidité) et détecteurs
(de produits
chimiques et de pathogènes notamment) pourraient être installés sur l'appareil
1.
Évidemment, les caractéristiques de l'incarnation précédemment décrite ne
doivent pas
être considérées comme limitatives. En effet, la forme de la cuve, la
configuration du
malaxeur et la placement de certaines composantes, pour ne nommer que ceux-là,
peuvent varier. Les limites de l'invention seront au contraire stipulées dans
les
revendications qui suivent.
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