FR2863920A1 - Procede de traitement et de valorisation de dechets - Google Patents

Abstract

Dans un procédé de traitement et valorisation de déchets, une phase de gazéification à la vapeur surchauffée d'un flux de déchets FxE comprend une étape préalable de pyrolyse fournissant en sortie des gaz de pyrolyse (103) et des matières solides carbonées (101, 102), suivie d'une étape de cracking des gaz de pyrolyse et d'une étape de gazéification des matières solides carbonées pour fournir en sortie un gaz épuré (GE) apte à être stocké en vue d'une valorisation. L'étape de gazéification comprend l'acheminement et l'injection des matières solides carbonées et des gaz pyrolyse crackés dans un four vertical à lit fluidisé dense (301), lesdits gaz étant utilisés comme média de fluidisation dans ledit four, les matières solides carbonées venant se mélanger au lit de sable du four. Les gaz de pyrolyse sont avantageusement utilisés comme fluide de transport pneumatique des matières solides carbonées.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT ET DE VALORISATION DE DECHETS

La présente invention concerne le traitement et la valorisation des déchets ménagers et/ou industriels et/ou de biomasse seuls ou en mélange. La présente invention concerne un procédé de traitement et de valorisation économique, écologique et performant de ces déchets. Dans la présente invention, la principale valorisation consiste à produire un gaz combustible à forte teneur en hydrogène utilisable notamment pour la génération d'électricité.

Différents procédés de traitement et de valorisation de déchets sont connus, à savoir: - Le traitement mécano-biologique qui associe un tri mécanique par criblage, contrôle visuel sur bande, table densimétrique, à un traitement biologique réalisé en une ou plusieurs étapes. Ce traitement n'est généralement pas considéré comme une valorisation des déchets optimale. En effet seul un compost de qualité médiocre est valorisé. Les autres résidus de traitement sont évacués en décharge. Cela représente un volume important, qui subit en fait une élimination (la mise en décharge) interdisant toute valorisation.

- Le traitement par pyrolyse ou thermolyse qui consiste en une décomposition des matières organiques par la chaleur en absence d'oxygène. Les termes thermolyse et pyrolyse désignent le même phénomène de décomposition, mais obtenu à des températures différentes: à basse température pour la thermolyse (450 à 650 C généralement), à plus haute température pour la pyrolyse (800 à 900 C généralement). Dans la suite, on utilise le terme pyrolyse, comme désignant de manière générale le procédé de décomposition à température élevée, en absence d'oxygène, aussi bien à basse qu'à haute température. Un four de pyrolyse comprend généralement une cavité étanche à l'air entourée d'une enveloppe dans laquelle circulent des fumées à haute température. Les déchets à traiter sont amenés dans la cavité qui est maintenue en légère dépression. Le flux de fumées de combustion circulant dans l'enveloppe entraîne une élévation de température dans la cavité, ce qui permet la décomposition des matières organiques contenues dans les déchets résidant dans la cavité en matières solides carbonées (ou cokes de pyrolyse) et en un mélange de gaz combustibles appelé gaz de pyrolyse.

Les matières solides carbonées issues d'un tel four sont un mélange hétérogène de solides constitué de métaux, de minéraux, de semi- coke et de polluants divers adsorbés. Pour ces raisons, ces matières sont difficilement valorisables.

Le gaz lui est valorisable, soit en interne par incinération dans le procédé pour produire de la chaleur, soit en externe après une épuration poussée destiné à le débarrasser de ses goudrons, poussières et gaz acides, pour la production d'énergie thermique (brûleurs, chaudières...).

- La gazéification à la vapeur surchauffée, qui est un procédé de valorisation de combustibles issus de déchets, de la biomasse et plus particulièrement la biomasse forestière, déchets combustibles de la sylviculture ou de l'industrie de première transformation du bois, écorces ou sciures de bois, rémanents forestiers, coupes de bois d'éclaircie ou biomasse provenant d'exploitations forestières dédiées de type taillis à courte ou très courte rotation (peuplier, eucalyptus, saule), ...

Ce procédé de gazéification utilise des réacteurs de gazéification et de combustion à lits fluidisés. La réaction de gazéification étant endothermique et la réaction de combustion étant exothermique, la chaleur nécessaire à la gazéification est amenée par la combustion de gaz recyclé et des cokes de gazéification résiduels via un flux de sable chaud circulant. La gazéification à la vapeur surchauffée produit essentiellement du gaz de process, des cendres, mises en décharge, et des fumées, évacuées dans l'atmosphère après traitement.

La qualité du gaz de process ainsi produit est variable selon le type de déchets traité, la composition des déchets et la teneur en humidité de ces déchets. Les installations de gazéification sont relativement volumineuses eu égard à la puissance énergie gaz produite.

Un objet de l'invention est un procédé de traitement et de valorisation de déchets, qui intègre des techniques de valorisation des déchets tout en permettant de diminuer de façon significative la quantité résiduelle à mettre en décharge.

Un objet de l'invention est de substituer aux déchets traités dans 35 le procédé de gazéification, des cokes de pyrolyse et du gaz de pyrolyse (de préférence préalablement cracké), de façon à permettre, pour des installations de même dimension, une augmentation conséquente de la puissance énergie gaz produite.

Un objet de l'invention, est d'assurer une qualité constante de l'approvisionnement en entrée du processus de gazéification à la vapeur surchauffée, pour fournir un gaz de process de qualité sensiblement constante.

L'invention concerne donc un procédé de traitement et de valorisation d'un flux de déchets, comprenant une phase de gazéification à la o vapeur surchauffée, caractérisé en ce que la dite phase comprend une étape préalable de pyrolyse fournissant en sortie des gaz de pyrolyse et des matières solides carbonées suivie d'une étape de gazéification desdites matières solides carbonées et desdits gaz de pyrolyse, pour fournir en sortie un gaz épuré apte à être stocké en vue d'une valorisation.

Selon un' aspect de l'invention, le procédé de traitement et valorisation comprend une étape préalable de traitement mécano-biologique et de compostage de déchets ménagers et/ou industriels et/ou de la biomasse apte à fournir des matériaux combustibles dérivés de déchets, comprenant des étapes de séparation des matières fermentescibles, affinage de compost obtenu à partir desdites matières fermentescibles, criblage et tri des métaux valorisables, des inertes et des imbroyables, de manière à constituer un stock de matériaux combustibles dérivés de déchets, de qualité sensiblement constante, ledit stock formant le flux de déchets entrant de l'étape de pyrolyse.

L'invention concerne aussi une usine de traitement et valorisation de déchets mettant en oeuvre un procédé selon l'invention.

D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe d'un procédé de traitement et valorisation de déchets selon l'invention; - la figure 2 est un organigramme de la première phase d'un procédé de traitement et valorisation selon l'invention, correspondant à la phase de traitement mécano-biologique et de compostage, avec fourniture en sortie d'un combustible dérivé de déchets destiné à l'alimentation de la deuxième phase; - la figure 3 est un schéma bloc d'un dispositif de traitement et de valorisation du combustible dérivé de déchets fourni en sortie de la première 5 phase, mettant en oeuvre la deuxième phase d'un procédé de traitement et valorisation selon l'invention, et - la figure 4 est un organigramme de la deuxième phase d'un procédé de traitement et valorisation selon l'invention, correspondant à la phase de gazéification à la vapeur surchauffée.

Une installation selon l'invention permet de traiter les différentes catégories de déchets et de les valoriser de manière optimale. Le schéma de principe d'une telle installation est représenté sur la figure 1.

Les catégories de déchets traités comprennent notamment: - Les ordures ménagères résiduelles (c'est à dire hors celles collectées par le biais des filières de tri sélectif), notées OMR, Les déchets industriels banals combustibles, notés DIB, qui comprennent par exemple les bois de démolition, les papiers cartons, les palettes, ...etc, hors matières organiques ou fermentescibles, - Les déchets verts et déchets de l'industrie agroalimentaire, notés DVA, La biomasse d'origine forestière et les déchets de l'industrie de première transformation du bois, Les boues de stations d'épuration, non polluées, notées STEPnp.

L'installation met en oeuvre les phases de traitement suivantes: O Traitement mécano-biologique et compostage, avec valorisation 30 intégrée, qui traite toutes les classes de déchets précités, et fournit en sortie: du compost, des métaux ferreux valorisables, des matériaux inertes (verres, graviers, minéraux...) mis en décharge ou valorisés, des imbroyables mis en décharge, et un combustible dérivé des déchets, noté CDD qui alimente la phase de traitement O suivante. Ce combustible CDD se présente sous la forme de blocs solides (cubes), et peut-être stocké dans des silos sur le site, si nécessaire, selon le flux.

Traitement par gazéification à la vapeur surchauffée, intégrant une étape préalable de pyrolyse. Cette phase de traitement est alimentée par le stock de combustible CDD, et aussi éventuellement par les déchets industriels banals combustibles directement. II est également possible de traiter des boues polluées de station d'épuration.

On obtient en sortie des fumées, des cendres, et un gaz combustible épuré à fort pouvoir calorifique à haute teneur en hydrogène.

OO Production d'électricité à partir du gaz épuré. Cette production d'électricité peut être obtenue de différentes façons, en mettant en oeuvre un ou plusieurs moteurs à gaz, ou une ou plusieurs turbines à gaz. On peut aussi avoir un cycle combiné moteur à gaz - turbine à vapeur, ou turbine à gaz-turbine à vapeur. Dans ces cycles combinés, on peut encore avoir un cycle organique de Rankine, à la place de la turbine à vapeur. Ces différents procédés de production d'électricité à partir d'un gaz de process épuré et de fumées de combustion à haute température sont bien connus de l'homme de l'art. Il est également possible après ajustement de la teneur en hydrogène du gaz épuré, notamment par perméation gazeuse, d'alimenter une pile à combustible.

Un exemple de mise en oeuvre de la phase de traitement mécano-biologique et de compostage selon l'invention est représenté sur la figure 2.

La phase de traitement mécano-biologique et de compostage comprend principalement les étapes suivantes: a). Criblage grossier des ordures ménagères résiduelles OMR, pour écarter les déchets grossiers. Cette opération utilise typiquement un trommel ouvre-sac 1, à maille de 200 millimètres par exemple, duquel ressortent en partie basse les déchets fins OMRf destinés à être traités en bio-réacteur avec les déchets verts (démarrage de la fermentation) et en partie haute des déchets grossiers OMRg, en majorité non fermentescibles.

Les déchets grossiers OMRg sont acheminés sur bande, vers un poste de contrôle visuel 2 sur bande (tapis) permettant d'extraire du flux les imbroyables. Les imbroyables comprennent typiquement les métaux et inertes massifs, par exemple les briques, les grosses pièces métalliques, etc. Ils alimentent un stock d'imbroyables I, destiné à être mis en décharge en centre d'enfouissement technique de classe Il.

b). Criblage grossier des déchets industriels banals et/ou de la biomasse, désignés sur les figures par la référence DIB. Ce criblage est typiquement réalisé au moyen d'un trommel 3, avec une maille de 50 millimètres par exemple, duquel ressortent d'un côté des déchets fins DIBf et de l'autre des déchets grossiers DIBg. Les déchets grossiers DIBg sont acheminés sur bande, vers le poste de contrôle visuel 2 pour extraire du flux les imbroyables. Du poste de contrôle visuel 2 ressortent les refus Rf des stations de criblage 1 et 3, destinés à être broyés.

c). Stabilisation en bio-réacteur 4 des déchets fins OMRf et des déchets verts et/ou agroalimentaires fermentescibles DVA. Ces déchets DVA sont de préférence préalablement broyés, au moyen d'un déchiqueteur dédié 5. En sortie du bioréacteur, qui consiste principalement en un tambour rotatif avec tuyauteries d'injection d'air et d'eau et dans lequel la matière est maintenue pendant une période de stabilisation déterminée, typiquement de 72 heures, permettant d'amorcer la fermentation. En sortie, on obtient des déchets stabilisés DS, dont la dégradation de la matière organique est typiquement de l'ordre de 30% environ.

Les vapeurs et buées qui se dégagent de ce processus sont typiquement 25 traitées par un bio-filtre 6 (condensation et lavage) avant rejet à l'atmosphère.

Les déchets stabilisés DS qui sortent de ce bioréacteur sont acheminés vers une station de criblage 7, utilisant typiquement un trommel, à maille de 70 millimètres par exemple, qui permet en écartant les grossiers DSg (Refus du crible, d'extraire du flux les déchets grossiers principalement constitués de plastique, de verre, de bois et de déchets non fermentescibles. En sortie, on obtient les déchets stabilisés fins DSf (passants du crible).

d). Broyage des déchets non fermentescibles débarrassés des imbroyables, c'est à dire les refus Rf et DSg issus des différentes stations de criblage 1, 3 et 7, après extraction des imbroyables (poste de contrôle visuel 2) le cas échéant. Le dispositif de broyage 8 utilisé sera typiquement une cisaille rotative. Il en ressort des déchets (en majorité non fermentescibles) broyés notés DB.

On notera que l'étape de broyage intervient seulement après que les déchets issus des ordures ménagères résiduelles aient été criblées avant (crible 1) et après (crible 7) stabilisation dans le bio-réacteur 4, ce qui permet de limiter de façon importante la présence de plastique ou de verre dans le compost.

e). Déferraillage des déchets stabilisés fins DSf avant leur 10 acheminement vers une plate-forme de traitement biologique 9.

L'étape de déferraillage est typiquement réalisée au moyen d'une poulie magnétique 10. Les métaux ferreux ainsi extraits alimentent un stock 11 de métaux ferreux pour valorisation externe.

f). Compostage dans la plate-forme de traitement biologique 9.

Dans l'exemple, cette plate-forme se présente comme un bâtiment fermé et met en oeuvre un processus de compostage par aération contrôlée en andains, typiquement durant 90 jours, avec aération forcée, humidification et retournement périodique mécanisé. Un biofiltre 12 est prévu pour le traitement de l'air du bâtiment et des buées générées par les manutentions du compost.

Des appoints en air et en eau sont nécessaires pour alimenter le processus de compostage. Cette plate-forme peut également traiter des boues non polluées STEPnp de stations d'épuration. Les boues polluées ne peuvent être traitées dans ce processus car elles empêcheraient la production d'un compost de qualité agronomique, et donc gêneraient la valorisation externe du compost produit.

g).Affinage du compost, typiquement au moyen d'un crible et d'une table densimétrique.

Le crible d'affinage 13 du compost, typiquement un trommel à maille de 30 millimètres par exemple, permet d'écarter les parties grossières du compost parmi lesquelles on trouvera typiquement des métaux non ferreux (les métaux ferreux ont déjà été éliminés, avant passage en phase de compostage), mais aussi des matières grossières non compostables: bois, plastiques, minéraux grossiers.

2863920 8 Les passants du crible d'affinage 13 du compost sont ensuite triés au moyen d'une table densimétrique 17, qui permet d'écarter la fraction lourde, typiquement les verres et les cailloux de faible granulométrie. Il en ressort un compost affiné 18 de grande qualité, prêt pour une valorisation 5 externe.

La fraction lourde écartée par la table densimétrique 17 vient alimenter un stock 15 de matériaux inertes.

h). Extraction des ferreux restant dans les déchets acheminés vers la table de tri 13, c'est à dire: les refus (les grossiers) du crible de l'étape g) d'affinage du compost, les broyés DB de l'étape d) de broyage, et les passants DIBf de l'étape b) de criblage des déchets DIB (déchets industriels banals et/ou biomasse non fermentescible). A cette étape 13 du procédé, les ferreux sont extraits, qui vont alimenter le stock 11 des matériaux ferreux valorisables. Le reste du flux constitue "le combustible déferraillé".

i). Extraction des constituants lourds du flux de combustible déferraillé, typiquement au moyen d'un séparateur balistique 14. Un séparateur balistique est un convoyeur à grande vitesse qui permet d'éjecter les différents constituants du flux selon leur densité. Ce séparateur balistique est plus particulièrement utilisé pour sortir du flux les constituants massifs, tels que les métaux non ferreux et les minéraux massifs. Ces constituants qui sont éjectés constituent un stock 15 de matériaux inertes, destiné à être mis en décharge, typiquement en centre d'enfouissement technique de classe III. Le flux sortant du séparateur balistique 14 se présente sous forme d'un broyât de combustible CDD.

j). Densification du broyât de combustible, typiquement au moyen d'un dispositif 16 de presse à briquettes: ces briquettes de combustible CDD issu de déchets peuvent être aisément stockées, sans problèmes particuliers de stockage, car ce sont des matières solides, relativement sèches, et leur forme de cubes ou briquettes permet une manutention et un stockage automatisable aisément. Ainsi, cette densification permet d'optimiser la manutention et le stockage en vue de la gazéification. Par exemple, les briquettes sont des cubes de 30 à 35 millimètres de côté. La densité du combustible CDD ainsi obtenu avec un procédé selon l'invention est de l'ordre de 700 Kg/m3. Un stockage de combustible CDD de 2800 m3 permet par exemple un mois d'arrêt d'une unité de traitement de 80 000 t/an de déchets ménagers (étape O du procédé de traitement et valorisation selon l'invention), sans nécessiter le recours à une mise en décharge. C'est un des aspects avantageux du procédé de traitement et de valorisation selon l'invention, car il permet d'économiser les frais de mise en décharge lors de l'arrêt annuel de la gazéification. Il permet une souplesse de fonctionnement de l'usine de traitement, car le stockage aisé du combustible permet une valorisation indépendante des approvisionnements en déchets ou biomasse.

A l'issue de ce traitement mécano-biologique à valorisation intégrée, selon l'invention, on obtient les différents stocks suivants: - stock I des imbroyables, mis en décharge; - stock 11 des ferreux, pour valorisation externe; - stock 15 des inertes, pour mise en décharge; compost affiné 18, de qualité agronomique, pour valorisation externe; et stock CDD de combustible dérivé de déchets, en briquettes (cubes).

Ce stock CDD de combustible en briquettes représente de 30 à 35% du flux entrant en phase O. Quelle que soit la qualité des déchets en entrée de la phase O de traitement mécano-biologique selon l'invention, la chaîne de criblage en différents points du processus permet d'assurer une qualité constante de ce combustible CDD en sortie en particulier, pour la teneur en humidité et la teneur en cendres.

Ce stock de combustible CDD alimente le processus de gazéification à la vapeur surchauffée selon l'invention.

La figure 3 représente un organigramme illustrant la phase O de gazéification à la vapeur surchauffée, mise en oeuvre dans un procédé de traitement et valorisation de déchets selon l'invention.

Le flux entrant de déchets FxE à traiter et valoriser en gaz épuré dans cette phase O comprend principalement le stock CDD issu de la phase O de traitement mécano-biologique des déchets. II peut aussi comprendre des déchets industriels banals: papiers d'emballage, plastiques mélangés, pneus broyés... (hors matières organiques, fermentescibles) collectés par les industriels et préalablement broyés DIBb. On peut encore prévoir de traiter à ce stade les boues polluées de stations d'épuration STEPp.

Le dispositif de mise en oeuvre de cette phase O pour traiter et valoriser en gaz épuré le flux de déchets entrant FxE, comprend schématiquement, et comme représenté sur la figure 3, un dispositif de pyrolyse 100, un calcinateur 200 pour réduire en cendre la partie grossière des matières solides issues de la pyrolyse, un dispositif de gazéification 300, et un dispositif 400 de récupération d'énergie et traitement des fumées issues des dispositifs de pyrolyse et de gazéification.

Le flux entrant FxE alimente le dispositif de pyrolyse 100, pour obtenir par décomposition à température élevée (craquage thermique de la matière organique), en absence d'oxygène, des matières solides carbonées et des gaz de pyrolyse. De préférence, les matières solides carbonées sont criblées, les refus de criblage étant acheminés vers le calcinateur 200, qui les réduit en cendres, destinées à la décharge (centre d'enfouissement technique de classe II).

Selon l'invention, les matières solides carbonées fines de pyrolyse qui ont passé le crible et les gaz de pyrolyse sont transportées dans un flux Fv de vapeur en entrée du dispositif de gazéification en les maintenant à une température déterminée Ti pour empêcher la condensation des goudrons contenus dans les gaz de pyrolyse.

En sortie du dispositif de gazéification, on obtient des cendres, destinées à la mise en décharge (centre d'enfouissement technique de classe II) et le gaz de process, valorisable en interne, pour les processus de pyrolyse et de gazéification, et en externe pour la production d'électricité après filtration et épuration par un dispositif de traitement adapté 500.

Les fumées émises par les dispositifs 100 de pyrolyse et 300 de gazéification sont amenées de manière adaptée, par des conduits étanches, jusqu'au dispositif 400 de récupération d'énergie et traitement des fumées, d'où ressortent des fumées propres, rejetées à l'atmosphère et des poussières destinées à la mise en décharge (centre d'enfouissement technique de classe I).

De manière plus détaillée, et en relation avec l'organigramme de la figure 4, le dispositif de pyrolyse comprend un four de pyrolyse 110 dans lequel est introduit le flux entrant de déchets FxE.

De préférence, le four de pyrolyse 110 est muni en sortie d'un crible interne (non représenté), de manière à séparer la fraction grossière 101 des matières solides carbonées fines. Cette fraction grossière 101 est acheminée vers un dispositif de calcination 200. Les cendres résultantes 201 sont destinées à être mises en décharge (Centre d'enfouissement technique de classe III).

Dans une variante non représentée, les refus de crible 103 sont broyés, triés et la fraction carbonée réinjectée en entrée du four de pyrolyse 110.

La fraction fine 102 des matières solides carbonées issues de la pyrolyse et les gaz de pyrolyse 103 constituent les éléments entrants du 15 processus de gazéification à la vapeur surchauffée.

Le four de pyrolyse 110 est maintenu en légère dépression pour éviter des fuites de gaz de pyrolyse 103 vers l'extérieur. Le criblage des grossiers 103 en sortie de pyrolyse, avec extraction et/ou retraitement, permet avantageusement l'utilisation des gaz de pyrolyse comme moyens de transport pneumatique de la fraction fine 102 des matières solides carbonées issues de la pyrolyse, jusqu'à un four à lit fluidisé dense 301 du dispositif 300 de gazéification à la vapeur surchauffée. Ces gaz de pyrolyse sont aussi injectés dans le four à lit fluidisé dense, et utilisés comme média de fluidisation 305 dans le four à lit fluidisé dense 301, de préférence, après craquage à haute température au moyen d'un échangeur de chaleur.

De préférence, les gaz de pyrolyse 103 sont aspirés par un éjecteur à vapeur 104, en sorte de former un flux 105 de vapeur et de gaz dans une conduite étanche. Une écluse rotative 106 qui reçoit la fraction fine 102 des matières solides carbonées permet d'injecter cette fraction fine dans le flux de vapeur et de gaz. Ainsi, la vapeur V est utilisée comme fluide de transport inerte (c'est à dire ne réagissant pas en terme de combustion) vis à vis des gaz de pyrolyse et des matières solides carbonées fines. Cette vapeur V est en pratique fournie en interne, par le processus de gazéification lui-même. Ce flux de vapeur est fourni à une température Tv qui permet de maintenir la température du flux 105 audessus d'une température suffisante T1, typiquement supérieure ou égale 350 C, de manière à empêcher la condensation des goudrons et hydrocarbures condensables contenus dans les gaz. Par exemple Tv sera de l'ordre de 400 C. Les conduites sont maintenues à une température suffisante, supérieure ou égale à la température Tv du flux, par traçage électrique et isolation adaptée. Des vannes v1, v2 sont prévues en amont de l'éjecteur 104, pour réguler le flux de gaz 103 et le flux de vapeur V. Le flux résultant Fv permet de transporter les matières solides carbonées jusqu'au dispositif de gazéification 300.

Le dispositif de gazéification comprend un séparateur 302 (enceinte cyclonique) propre à séparer les produits solides S des produits gazeux GV du flux Fv qu'il reçoit du dispositif de pyrolyse 100. Le séparateur 302 reçoit ainsi en entrée le flux Fv de vapeur et de gaz de pyrolyse avec la matière solide carbonée en suspension, et délivre en sortie, d'une part les solides S et d'autre part un flux de gaz GV, comprenant les gaz de pyrolyse 105, la vapeur V et des particules de coke ultra fin.

Les solides S ainsi séparés sont introduits dans l'enceinte d'un four à lit fluidisé dense 301.

Le flux GV de vapeur et de gaz de pyrolyse contient notamment des gaz incondensables, des goudrons, de la vapeur d'eau et du coke ultra fin. On prévoit ainsi de préférence un craquage à haute température de ce flux GV permettant l'oxydation par la vapeur des goudrons et du coke ultra fin, avant d'utiliser ce flux comme média de fluidisation 305 dans le four à lit fluidisé dense du processus de gazéification.

A cet effet, les déchets gazeux GV en sortie du séparateur 302, maintenus à la température Tv, sont amenés dans un échangeur gaz/gaz 303 (encore appelé "cracker" selon la terminologie anglo-saxonne courante) , par une conduite maintenue à une température supérieure ou égale à la température Tv du flux (traçage électrique, isolation).

Un échangeur gaz/gaz comprend typiquement au primaire, un flux chauffé et au secondaire un flux chauffant. Dans l'application, le flux chauffé est le flux de gaz GV et le flux chauffant est un flux de fumées FF haute température, typiquement 1000 C, fourni par une chambre de post combustion 304 dont on détaillera le rôle plus loin. Ce flux chauffant FF permet d'amener le flux de gaz GV à haute température par échange thermique, permettant l'oxydation par la vapeur des goudrons et du coke ultra fin, et leur transformation en hydrocarbures incondensables, tel que du méthane, de l'éthylène, du gaz carbonique (CO2), de l'hydrogène (H2), ...etc. Ainsi la vapeur qui a servi au transport pneumatique des matières solides carbonées de pyrolyse jusqu'au premier four à lit fluidisé 301, a une autre fonction qui est de permettre le craquage des goudrons et du coke ultra fin contenus dans les gaz de pyrolyse 103 issus de la pyrolyse et transportés dans le flux GV. Le craquage des goudrons sera achevé dans le four 301 que nous détaillerons plus loin.

En sortie de l'échangeur gaz/gaz 303, on obtient un flux gazeux haute température (autour de 850 C par exemple) utilisé comme média de fluidisation 305 dans le four à lit fluidisé dense 301. Le four à lit fluidisé dense 301 est un four de type vertical dans

l'exemple. Il comprend un lit de sable. Le média de fluidisation 305 permet ainsi de former un flux de sable chaud circulant à l'intérieur du four. Les matières solides carbonées S injectées dans le four viennent se mélanger à ce flux. Un tel four permet de manière connue la gazéification des matières organiques par de la vapeur dans une ambiance maintenue à haute température par le flux de sable chaud circulant. Le lit de sable est un élément stabilisateur du processus. Il sert de catalyseur pour la transformation des éléments lourds de goudrons présents dans le flux solide S. En pratique, on utilise par exemple du sable de la classe des silicates, tel que l'olivine. Ce sable peut être dopé, avec du Nickel par exemple, pour augmenter la performance du craquage des goudrons. II est en effet très important que tous les goudrons soient brûlés, car la présence de goudrons dans le gaz de process en sortie est très préjudiciable à la valorisation du gaz de process. En effet, les goudrons posent de gros problèmes dans les machines thermiques (moteurs et turbines à gaz).

Le sable est fourni, au démarrage de l'installation, par une entrée spécifique Es et en appoint, si nécessaire, pour maintenir un lit granulaire suffisant. En général, une sortie SP de purge du sable est prévue, pour enlever du sable lorsque le niveau du lit granulaire est trop important. Ce sable peut être directement mis en décharge (centre d'enfouissement technique de classe Il).

Du four 301 ressort vers le haut, un gaz "de process" GP, c'est à dire un gaz issu du procédé et en bas, un mélange SI de sable et de matières solides imbrûlées.

Avantageusement, ce mélange SI de sable et d'imbrûlés est acheminé vers un deuxième four à lit fluidisé 306. Ce deuxième four 306 sera plutôt du type à lit fluidisé circulant (appelé encore lit mobile à cocourant). C'est un four vertical dans l'exemple. Dans l'invention, ce four est régulé en température de manière adaptée, de manière à obtenir la combustion complète des résidus de process, sans risque de fonte du sable (température de fusion supérieure à 950 C). Le sable est alors entraîné avec les fumées, à haute température. Une régulation du débit d'air de combustion injecté sous le lit permet de maîtriser le débit de sable entraîné par les fumées. Ce débit de sable à haute température contient l'énergie d'appoint délivrée au four à lit fluidisé dense de gazéification. De cette façon, on peut doser le sable du mélange SI pour le ré-injecter dans le premier four 301. Le four à lit fluidisé dense 301 fonctionne ainsi en cycle quasi fermé pour l'alimentation en sable, du moins entre les différentes opérations de purge de maintenance et d'entretien.

En pratique, on règle le fonctionnement du four à lit fluidisé circulant 306 pour obtenir en sortie des fumées à une température voisine de 900 C. Ces fumées avec le sable entraîné sont maintenues à cette température au moyen d'une conduite adaptée (isolation), et amenées vers un séparateur 307 (enceinte cyclonique) pour séparer le gaz, du sable. Le gaz est injecté en entrée de la chambre de post combustion 304, tandis que le sable à haute température provenant de l'enceinte cyclonique 307 est réintroduit dans le premier four à lit fluidisé dense 301.

Le four à lit fluidisé circulant 306 a un diamètre beaucoup plus petit que le premier four 301. En pratique, il sert à brûler tous les résidus Res-f de la phase O: les résidus SI (sable + coke imbrûlé) du four 301, mais aussi les résidus issus de la phase de filtration et d'épuration du gaz de process, détaillée plus loin.

L'air de combustion AIR-c est fourni au four à lit fluidisé circulant par le dispositif 400 de récupération d'énergie des fumées. II est à une température d'environ 400 C en pratique. Au besoin, pour améliorer la combustion, par contrôle de la température dans le four, on prévoit de préférence une autre entrée d'air chaud AIR-h dans la partie haute du four 306, également alimentée par le dispositif 400 de récupération d'énergie des fumées, et une entrée de gaz froid AIR-f dans la partie basse, au-dessus du lit fluidisé, de préférence alimentée par le gaz épuré Ge (qui est à une température de l'ordre de 50 C ou moins) fourni en sorti du dispositif 500 de filtration et d'épuration du gaz de process. La régulation de la combustion est obtenue au moyen de vannes v3, v4, v5 permettant de réguler l'entrée d'air de combustion AIR-c, l'entrée d'air chaud AIR-h en partie haute et l'entrée de gaz froid AIR-f en partie basse.

Enfin, le four à lit fluidisé 306 comprend une sortie de purge, qui permet, en opération ou en maintenance, d'évacuer les cendres en excès. Ces cendres sont destinées à la mise en décharge (Centre d'enfouissement technique de classe Il).

Le dispositif 300 de gazéification selon l'invention comprend en outre une chambre de post-combustion. Cette chambre a plusieurs fonctions: parachever la combustion des gaz de pyrolyse issus du procédé, notamment les polluants divers POL issus de la phase de filtration et d'épuration du gaz de process GP, les fumées FcAL issues du calcinateur 200, et les fumées Fu issues du four à lit fluidisé circulant 306, après passage dans le séparateur 307. On prévoit une entrée de secours, commandée par une vanne v6, permettant d'évacuer par ce biais le gaz de process GP généré par le four 301, dans le cas d'une panne du dispositif 500 de traitement et de filtration de ce gaz de process.

Un apport d'air chaud AIR-PC, typiquement fourni par le dispositif 400 de récupération d'énergie des fumées permet d'assurer la teneur en oxygène requise par la réglementation. La température des fumées, est régulée par l'injection de gaz épuré GE dans la chambre 304. Ce sont des méthodes habituelles de régulation des chambres de post combustion d'effluents gazeux.

Cette chambre 304 fournit en sortie des fumées FF à haute température, de l'ordre de 1000 C.

Ces fumées sont notamment utilisées, comme on l'a vu plus haut comme flux chauffant du secondaire de l'échangeur gaz/gaz 303.

Elles sont aussi utilisées dans le four à pyrolyse, comme source 35 de chaleur nécessaire à la pyrolyse.

Pour mémoire un four à pyrolyse comprend en pratique deux zones, une première zone de séchage des déchets et une deuxième zone de pyrolyse proprement dite. Les fumées haute température FF (1000 C) circulent autour de ces deux zones et ressortent par une sortie de fumée prévue dans chacune des deux zones (sorties SI et S2).

Ainsi, la pyrolyse peut être qualifiée d'autotherme: la chaleur nécessaire à la réaction est générée en interne par le processus de combustion des cokes non gazéifiés. II est cependant nécessaire de prévoir une chaudière de production de vapeur (non représentée) pour la phase de o démarrage du processus de transport pneumatique, de cracking et de gazéification (fours 301 et 306).

Le dispositif de récupération d'énergie et traitement des fumées 400 reçoit les fumées provenant de la chambre de post-combustion 304, après leur passage dans le dispositif de pyrolyse (sorties SI, S2), et dans l'échangeur gaz/gaz 303.

Ce sont des fumées à haute température FHT, de l'ordre de 800 C pour les fumées de chauffage du dispositif de pyrolyse, et de l'ordre de 700 C pour celles de l'échangeur 303.

La température de ces fumées est abaissée au moyen d'un échangeur air/fumées 401, qui reçoit au secondaire, l'air ambiant (à 20 C typiquement) et les fumées haute température FHT au primaire. En sortie, on obtient un flux d'air réchauffé, et des fumées refroidies. Cet échangeur permet avantageusement la fourniture au four à lit fluidisé circulant 306, de l'air de combustion AIR-c et de l'air chaud AIR-h, à partir du flux d'air réchauffé.

Les fumées refroidies ont une température inférieure à 200 C. Elles sont alors acheminées vers des circuits classiques de filtration et épuration: typiquement un réacteur de contact 402, utilisant du charbon actif et de la chaux comme réactifs, un filtre à manche 403, qui permet de capter les poussières et produits de réaction, à mettre en décharge (centre d'enfouissement technique de classe I). Un ventilateur d'aspiration 404 amène les fumées ainsi filtrées dans une cheminée 405, pour évacuation dans l'atmosphère.

Selon un aspect de l'invention, l'étape de traitement des fumées 35 provenant de la chambre de post-combustion 304 comprend une régulation du flux des fumées apte à contrôler la pyrolyse en fonction de la teneur en humidité du flux de déchets entrant FxE.

Dans un exemple de réalisation pratique, les fumées FHT ne sont pas mélangées dans l'échangeur 401. On a donc une sortie correspondante pour chaque source de fumée FHT, avec des vannes de régulation v7, v8, v9 des fumées en sortie de l'échangeur 401, une par arrivée de fumée. Dans l'exemple, on a ainsi la vanne v7 pour les fumées de la sortie SI du four de pyrolyse 110, la vanne v8, pour les fumées de la sortie S2 du four de pyrolyse 110 et la vanne v9 pour les fumées en sortie de l'échangeur 303 du dispositif de gazéification 300. Ces vannes de régulation vont permettre la modulation du flux d'énergie délivré au dispositif de pyrolyse, en fonction de l'humidité contenue dans le flux entrant FxE à traiter. Elles vont en outre permettre d'interrompre la réaction de pyrolyse, par fermeture des vannes correspondantes v7 et v8, et ouverture de la vanne v9 correspondant à l'échangeur: ainsi, toute la fumée FF fournie par la chambre de post-combustion est "aspirée" par l'échangeur gaz/gaz 303. Ces vannes avantageusement placées dans le flux de fumée refroidies pourront être de fabrication courante.

Un tel agencement permet d'utiliser au maximum et de façon optimale la chaleur produite dans le dispositif 300 de gazéification pour la pyrolyse. Le rendement en énergie-gaz produit par une installation réalisée selon l'invention est ainsi très performant.

En outre, la pyrolyse préalable des déchets avant gazéification permet de réduire la taille des équipements destinés à la gazéification de façon sensible. On économise ainsi les coûts de structure et de maintenance de la structure.

L'intégration d'un traitement mécano-biologique et de compostage permet outre la valorisation du compost, de fournir au processus de gazéification, un combustible CDD de qualité quasi-constante, indépendamment de la qualité des déchets délivrés en entrée de l'installation. En particulier, on est capable de garantir un taux d'humidité et de cendres réduit en entrée de pyrolyse.

L'intégration d'une étape préalable de pyrolyse en amont de la gazéification fournit au premier four 301, un combustible que l'on peut qualifier de complètement sec et de granulométrie fine. La qualité du gaz produit et les cinétiques de réaction s'en trouvent nettement améliorées. En outre, cette étape de pyrolyse contribue à réduire les coûts de structure et de maintenance, car cette teneur réduite en humidité et en cendres permet un traitement et une filtration du gaz de process beaucoup moins coûteux en terme de durée de traitement, de quantité de réactifs nécessaire et de flux à traiter, que les installations de traitement et de filtration nécessaire dans les structures de gazéification, qui traitent directement de la biomasse ou du CDD humide.

En pratique, le dispositif de traitement et de filtration du gaz de 10 process comprend ainsi de manière classique: - une chaudière à tubes de fumée 501, dont la fonction est de refroidir le gaz de process GP qui sort du four 301 à une température de l'ordre de 800 à 900 C, pour l'amener à une température de l'ordre de 200 C. On prévoit un aérocondenseur 502 en parallèle, qui permet d'évacuer l'excédent de chaleur notamment dans les modes de fonctionnement dégradé de la structure, par exemple, en fin de cycle d'exploitation. La vapeur générée sert au principal à fournir la vapeur V utilisée comme fluide transport des matières solides carbonées et des gaz de pyrolyse. Elle est également utilisée en appoint dans le four 301, selon les besoins.

Les gaz de process refroidis GPr qui ressortent de la chaudière 501 entrent dans un dispositif de dépoussiérage, ou filtre à manche 502, qui permet d'éliminer les poussières carbonées emportées par le gaz de process. Les résidus carbonés CAR ainsi récupérés font partie des résidus Res-F amenés dans le four 306, pour être gazéifiés à l'air.

Les gaz de process refroidis filtrés GPrf en sortie du dispositif de dépoussiérage 502 sont amenées dans un laveur à huile 503, qui a pour fonction de capter les goudrons par aspersion d'huile (huile végétale, graisse animale, combustible liquide...) et d'achever le refroidissement des gaz de process GPrf, pour les amener à une température proche de la température ambiante (< 50 C).

Plus précisément, la circulation d'huile refroidie assure la condensation des goudrons résiduels. L'excédent d'huile H vient alimenter le flot des résidus Res-F amenés dans le four 306, pour être gazéifiés à l'air.

Enfin, le gaz carbonique et les polluants gazeux divers POL sont extraits de ces gaz de process filtrés, lavés et refroidis, par un dispositif adapté 504. Ils sont amenés dans la chambre de post combustion 304.

On obtient le gaz épuré GE. Ce gaz est partiellement recyclé en interne, dans la chambre de post-combustion 304 (pour assurer la régulation de température), et dans le four à lit fluidisé 306 (lors des phases de démarrage). Il peut être avantageusement valorisé en externe. A cet effet on prévoit de manière classique un lavage à eau sous pression (laveur à éjecteurs) pour mettre le gaz résiduel épuré GE sous pression, typiquement 10 bars. Ce gaz peut être stocké à température ambiante, typiquement dans un gazomètre sphérique métallique. Le gaz ainsi stocké peut alors être utilisé notamment pour produire de l'électricité, par des machines thermiques, par exemple des machines mettant en oeuvre un ou plusieurs moteurs à gaz, ou une ou plusieurs turbines à gaz, ou toute autre technique connue.

Ainsi, l'invention permet t-elle d'une part, en combinant la pyrolyse et la gazéification à la vapeur surchauffée, de fournir un gaz de très bonne qualité à moindre coût: fonctionnement autotherme (sauf au démarrage), recyclage des fumées, de la vapeur pour transporter le flux Fv entre l'unité de pyrolyse et celle de gazéification, élimination efficace des goudrons....

Le procédé est particulièrement avantageux combiné à un traitement mécanobiologique et de compostage préalable, en permettant d'une part une valorisation intégrée poussée, et d'autre part de fournir un flux de combustible CDD sec, particulièrement dense, qui permet une gestion souple du stock CDD entre les deux phases, la phase de traitement mécanobiologique et de compostage et la phase de gazéification, et qui contribue à la très bonne qualité, en continu, du gaz épuré. Des variantes du procédé de traitement et de valorisation des déchets peuvent être envisagées sans sortir du cadre de l'invention: caractéristiques des dispositifs de criblage ou des séparateurs balistiques, méthodes de compostage, utilisation de fours de pyrolyse ou de thermolyse, verticaux ou horizontaux, variantes de traitement et filtration des fumées, du gaz de process...

Claims (19)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement et valorisation d'un flux de déchets comprenant une phase de gazéification à la vapeur surchauffée caractérisé en ce que la dite phase comprend une étape préalable de pyrolyse fournissant en sortie des gaz de pyrolyse (103) et des matières solides carbonées (101, 102), suivie d'une étape de gazéification desdites matières solides carbonées et desdits gaz de pyrolyse, pour fournir en sortie un gaz épuré (GE) apte à être stocké en vue d'une valorisation énergétique.

2. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de gazéification comprend l'acheminement et l'injection des matières solides carbonées et des gaz de pyrolyse dans un four à lit fluidisé dense (301), lesdits gaz de pyrolyse étant utilisés comme média de fluidisation (305) dans ledit four.

3. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de criblage des matières solides carbonées en sortie de pyrolyse pour ne laisser passer que les matières solides carbonées fines (102) vers l'étape de gazéification.

4. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les refus de crible (103) sont calcinés (200).

5. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 20 3, caractérisé en ce que les refus de crible (103) sont broyés, triés et la fraction carbonée réinjectée en entrée de four de pyrolyse (110).

6. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que lesdits gaz de pyrolyse (103) sont utilisés comme moyens de transport pneumatique des matières solides carbonées fines (102) en sortie de l'étape de pyrolyse, vers ledit four à lit fluidisé dense (301).

7. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits gaz de pyrolyse sont aspirés par un éjecteur à vapeur (104), en sorte de former un flux de vapeur et de gaz de pyrolyse (105) et en ce qu'une écluse rotative (106) est utilisée pour permettre le transport dans ce flux, desdites matières solides carbonées fines (102).

8. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit flux de vapeur (V) est généré en interne au moyen d'un dispositif de refroidissement (501) du gaz de process (GP) fourni en sortie du four à lit fluidisé dense (301).

9. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de séparation dans laquelle les matières solides carbonées fines sont séparées du flux de vapeur et de gaz de pyrolyse (105) qui les transporte au moyen d'un dispositif cyclonique (302) pour être injectées dans ledit four à lit fluidisé dense de gazéification (301).

10. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 2 ou 9, caractérisé en ce que le gaz de pyrolyse (Gv) est chauffé au moyen d'un échangeur de chaleur (303), avant injection comme média de fluidisation (305) dans ledit four à lit fluidisé dense (301).

11. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il prévoit le recyclage du gaz épuré (GE) et d'autres gaz et/ou fumées générés par le procédé dans une chambre de post-combustion (304) pour fournir en sortie des fumées à haute température (FF) aptes à être utilisées comme flux chauffant dans l'étape de pyrolyse, pour obtenir le séchage et la pyrolyse du flux de déchets entrant (FxE) de l'étape de pyrolyse.

12. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 11 en combinaison avec la revendication 10, caractérisé en ce que lesdites fumées à haute température (FF) fournies par la chambre de postcombustion sont utilisées comme flux chauffant dans ledit échangeur (303).

13. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de combustion des résidus solides (SI) issus du four à lit fluidisé dense (301), au moyen d'un four à lit fluidisé circulant (306).

14. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une régulation de la température de combustion dans ledit four à lit fluidisé circulant (306), permettant de récupérer le sable en suspension dans les fumées, et de le ré-injecter dans le four à lit fluidisé dense (301).

15. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications 11 à 14, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de traitement des fumées provenant de la chambre de post-combustion (304) comprenant une régulation du flux des fumées apte à contrôler la pyrolyse en fonction de la teneur en humidité du flux de déchets entrant (FxE).

16. Procédé de traitement et valorisation selon la revendication précédente, en combinaison avec la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de refroidissement des fumées au moyen d'un échangeur (401) utilisant l'air ambiant comme flux de refroidissement, l'air réchauffé fourni en sortie étant recyclé au moins en partie, comme air de combustion (AIR-c) dans le four à lit fluidisé circulant (306).

17. Procédé de traitement et valorisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il comprend une étape intégrée de traitement mécano-biologique et de compostage de déchets industriels et/ou ménagers et/ou de biomasse apte à fournir des matériaux combustibles dérivés de déchets (CDD), comprenant des étapes de séparation des matières fermentescibles, affinage de compost obtenu à partir desdites matières fermentescibles, criblage et tri des métaux valorisables, des inertes et des imbroyables, de manière à constituer un stock de matériaux combustibles dérivés de déchets (CDD), de qualité sensiblement constante, ledit stock formant le flux de déchets entrant (FxE) de l'étape de pyrolyse.

18. Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de mise en forme de briquettes par presse desdits matériaux combustibles dérivés de déchets (CDD).

19. Installation de traitement et valorisation de déchets selon 5 l'une quelconque des revendications précédentes.