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EP0851906A1 - Procede pour traiter les dechets municipaux combustibles solides ou analogues par gazeification - Google Patents

Procede pour traiter les dechets municipaux combustibles solides ou analogues par gazeification

Info

Publication number
EP0851906A1
EP0851906A1 EP95924899A EP95924899A EP0851906A1 EP 0851906 A1 EP0851906 A1 EP 0851906A1 EP 95924899 A EP95924899 A EP 95924899A EP 95924899 A EP95924899 A EP 95924899A EP 0851906 A1 EP0851906 A1 EP 0851906A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
waste
reactor
solid
temperature
gaseous product
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP95924899A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Georgi Manelis
Evgeni Poliantchik
Nadezhda Tchervonnaia
Alexandr Ioudanov
Viatcheslav Tcheremisine
Alexandr Tchervonny
Viktor Foursov
Nikolai Alkov
Vladimir Rafeev
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ENVIROTEC GROUP Ltd
Original Assignee
ENVIROTEC GROUP Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU94021264/06A external-priority patent/RU2079051C1/ru
Application filed by ENVIROTEC GROUP Ltd filed Critical ENVIROTEC GROUP Ltd
Publication of EP0851906A1 publication Critical patent/EP0851906A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0946—Waste, e.g. MSW, tires, glass, tar sand, peat, paper, lignite, oil shale
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0956—Air or oxygen enriched air
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
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    • C10J2300/0953—Gasifying agents
    • C10J2300/0973—Water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0983—Additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10J2300/0983—Additives
    • C10J2300/0993—Inert particles, e.g. as heat exchange medium in a fluidized or moving bed, heat carriers, sand
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1807—Recycle loops, e.g. gas, solids, heating medium, water

Definitions

  • the treatment of municipal waste is an important problem because the waste accumulates in ever increasing quantities, while there is currently no process for treating or eliminating it that is both economical and ecological. Most of the waste continues to accumulate in landfills, which foreshadows environmental problems for the future.
  • Existing incinerators to treat municipal waste treat only a small part of it.
  • the existing processes currently require heavy investment due in particular to smoke purification systems, which are expensive but necessary to make these incinerators comply with anti-pollution standards.
  • the present invention relates to the treatment of municipal solid waste which contains paper, wood, rubber, textiles and other fuels, by pyrolysis / gasification of their combustible part and obtaining pyrolysis products and combustible gas.
  • the general principle of counter-current gasification for solid organic fuels is as follows: - The gasification agent feeds the reactor against the current with solid organic fuel so that the oxidizing gas passes at least partially through a layer solid incombustible product from gasification (ash). This provides an area where the oxidizing gas is preheated and the ash is cooled before being discharged.
  • the gasifying agent containing oxygen and, if necessary, water and / or carbon dioxide enters a combustion zone, where the oxygen reacts with the solid carbonaceous fuel (coal) at a temperature which is typically from 900 to 1500 ° C.
  • Oxygen is completely consumed in combustion and the hot gaseous products of combustion (including carbon dioxide) pass through another layer of solid fuel where the reduction zone is established, i.e. say that water and carbon dioxide react with carbonaceous fuel to produce combustible gases.
  • the heat from the hot combustion gases is consumed in these reduction reactions.
  • the temperature of the gas flow decreases as the gas flows through the solid fuel, as the gas transfers its sensible heat to solid fuels.
  • Organic fuel heated by the flow of gas is pyrolysis, producing coal, tar, oils and combustible gases.
  • the gaseous product flows through the freshly loaded fuel, so that the produced gas is cooled and the fuel preheated and dried. Finally, the gas produced (entraining aqueous vapors and hydrocarbons, oils and tars) is withdrawn for later use or treatment.
  • Municipal waste belongs to pyrolysable solid fuels with a high ash content which can be treated by gasification against the current.
  • Municipal solid waste usually contains substantial amounts of fuel, namely paper, wood, rubber, textiles, plastics, organic food waste, etc. which can be treated to provide combustible gas.
  • Solid combustion products that are removed from the combustion zone are generally environmentally sustainable.
  • the fuel which may include municipal solid waste
  • the waste progresses in the oven at a rate which is controlled by a system of movable grates, through a succession of chambers where the fuel pyrolyses then burns in a counter-current of air-vapor gasification agent.
  • the process allows the gasification of waste, grids used to deagglomerate the load during treatment, so as to ensure its permeability to gases, and serving to control the rate of supply of waste to successive zones.
  • the presence of mobile grilles is the main drawback of this process. In high temperature areas, the grates will inevitably wear out quickly. In addition, the dust particles will settle on the mobile reactor structures and prevent them from operating freely.
  • the gaseous product leaves the reactor at a temperature of about 430 to 540 ° C. The temperature in the combustion zone is around 870 to 930 ° C.
  • the general problem of known gasification processes is their low yield, in particular for treating waste whose composition varies.
  • Another general problem of the known processes is the high temperature of the gaseous product, which prevents its direct purification, while this gaseous product usually contains acid components (for example sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid) which is necessary. remove before burning the product gas.
  • acid components for example sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrofluoric acid
  • the aim of the present invention is to propose a process for the incineration of municipal solid waste, including waste having a low calorific value, without additional energy supply and producing products which are harmless for the environment (after final treatment ).
  • a method is proposed for treating, by gasification, municipal solid waste or the like, comprising the following steps:
  • a gasification agent containing oxygen is injected into the reactor through a region of this reactor where the solid products of the treatment are deposited;
  • the maximum temperature is maintained in the range from 1000 to 1200 ° C.
  • the maximum temperature regulation is carried out while maintaining the ratio A in the range 0.15 ⁇ A ⁇ 1.0.
  • the ratio A is maintained in the range 0.15 ⁇ A ⁇ 1.0.
  • the flow rate of the oxidizing gas is between 200 and 2000 kg / h / m2 of cross section of the reactor in the combustion zone.
  • the mass fraction of the fuels in the waste as regulated according to the invention will typically be between 20 and 50%.
  • the method according to the invention is suitable for gasifying solid municipal waste containing fuels (between approximately 10 and 90% by weight), water (between approximately 10 and 70% by weight), and a portion of solid non-combustibles ( between about 10 and 80% by weight).
  • solid municipal waste is loaded into a reactor (for example a vertical reactor) in order to successively dry the waste, then pyrolysis and gasify its fuels.
  • An oxidizing gas containing oxygen, for example air, is injected into this reactor through the region of the reactor where the solid residues of the treatment are deposited, so that the gas flow is oriented substantially against the current of load.
  • a drying zone where the temperature of the load rises to 200 ° C by heat exchange with the flow of gaseous products.
  • the charge is dried while the gas flow cools before being withdrawn from the reactor.
  • the gases produced by drying, pyrolysis and gasification are withdrawn in this zone as a gaseous product.
  • the charge enters a pyrolysis and coking zone where the temperature of the charge increases from 200 to 800 ° C by heat exchange with the flow of hot gas, and fuels of the charge are pyrolyzed to finally give a charcoal.
  • the charge containing the residual carbonaceous fuel then enters a combustion and gasification zone where the temperature of the charge is between 700 and 1400 ° C.
  • the coal reacts with the hot oxidizing gas to provide combustible gas.
  • the solid residue of combustion enters a cooling zone where it is cooled by the counter-current of oxidizing gas, from the combustion temperature to the discharge temperature.
  • the oxidizing gas counter-current is heated to a temperature close to the combustion temperature before entering the combustion zone.
  • the solid combustion residues (treatment products) are discharged from the reactor.
  • zones can be defined in another way, for example according to the temperature of the gases, the composition and the state of the products participating in the reactions, etc. But whatever the particular choice of these zones, an important point is that due to the countercurrent flow of gases and solids the gasification agent (oxidizing gas) is preheated by the solid residues of combustion and that then the hot gaseous products of combustion and gasification give up their heat to the initial charge.
  • gasification agent oxidizing gas
  • the process can be carried out in a continuous mode, by continuously or intermittently loading the feed into the reactor and by discharging the solid residues from the reactor while the feed is consumed in the process.
  • the load being treated moves, preferably under the action of gravity, against the flow of the gas stream.
  • the process can be carried out cyclically in a fixed bed implementation mode, the reactor being loaded and unloaded in batches during periods of shutdown. In this case, said succession of zones moves along the charge and it is said that the charge enters a zone when this zone reaches a particular region of the reactor.
  • the ratio A defined according to the invention is increased and / or the rate of supply of oxidizing gas is decreased.
  • the ratio A is decreased and / or the gas supply rate is decreased; and finally when the maximum temperature in the reactor becomes lower than the prescribed limits, the ratio A and / or the oxidizing gas feed rate and / or the mass fraction of fuel in the feed is increased.
  • the ratio A can be adjusted by introducing into the waste solid non-combustible materials or objects, preferably non-fusible, preferably having a size less than 250 mm, or a solid fuel in pieces.
  • This last possibility corresponds to the extreme case of the treatment of wet waste very poor in fuels.
  • Solid combustion residues can be reprocessed and a fraction thereof used as additional solid incombustibles to regulate the composition of the charge.
  • the quantity of non-combustible and combustible materials that can be introduced into the reactor in addition to the initial charge can reach up to 200% and respectively 30% of the weight of the initial waste.
  • the waste can also be prepared by fragmenting or shredding it to make it more uniform in size so that the loaded waste contains only pieces of a size less than 350 mm.
  • This pre-treatment although optional, can significantly improve the gas permeability of the load and homogeneity of the corresponding zones.
  • the ratio A can also be adjusted by acting on the composition of the oxidizing gas, for example by making this gas richer or poorer in oxygen, by introducing water (liquid or vapor), carbon dioxide, etc.
  • the use of carbon dioxide and water to regulate the oxygen content of the oxidizing gas can also have the advantage that their presence in the combustion / gasification zone displaces corresponding chemical equilibria in the direction of a stronger fuel gas production
  • carbon dioxide and water can be taken from the gaseous product.
  • carbon dioxide can be obtained as a derivative product when the combustible gas is freed from sulfuric acid
  • a component such as limestone or dolomite
  • a component can be introduced into the waste which reacts chemically with the acid compounds to give products which are then removed with the solid residue from the combustion.
  • the ratio (a / c) basically includes the inverse ratio of the consumption of waste to that of the gasification agent correlated to the stoichiometric ratio of oxygen and fuel consumption, which cannot vary significantly.
  • the mass content of the incombustibles governs the intensity of the heat exchange of the gasifying agent supplying the cooling zone and recovering the sensible heat from the solid residues.
  • the effect of the absolute feed rate of the gasifying agent is that the maximum combustion temperature increases if the feed rate is higher. There are two reasons for this. The first relates to the share of heat losses in the general energy balance. Heat losses become lower when the processing rates are higher. The second relates to the kinetics of endothermic reactions in the combustion zone. At the same time, increasing the supply rate of oxidizing gas increases (the other parameters being fixed) the temperature of the gaseous product.
  • Figure 1 shows the dependence of the combustion temperature in an air flow, of a sample of waste comprising coal mixed with firebrick.
  • Curve I is the calculated combustion temperature
  • curve II the calculated temperature of the gases leaving the reactor
  • curve III the temperature of the solid residue, all three calculated for a long and isolated reactor.
  • the abscissas represent the ratio (A). Points are experimental values for the combustion temperature in a fixed bed laboratory reactor.
  • waste containing fuel "F” is fragmented in a shredder 1 then mixed with solid incombustibles "S" in a mixer 2 and loaded into a vertical furnace type reactor 4 via an air lock 3.
  • the charge stacked under the effect of its own weight in the reactor 4 passes successively through drying 5, pyrolysis 6, combustion 7 and cooling 8 zones.
  • the solid residue of combustion "R” is continuously discharged through the air lock 9 at a rate which is adjusted so as to regulate the movement of the charge downwards and thus stabilize the combustion zone at a certain level above the bottom of the reactor .
  • the solid residue is sorted on a sieve 10, part of this residue being recycled as a solid additive "S" and the other being discharged.
  • the air supply "L” is provided by a compressor 11 in the lower region of the reactor.
  • the gaseous product “G” is drawn off in the upper region of the reactor and directed to a condenser 12 in which water “W” is condensed to be sent to the cooling zone to incinerate the organic pollutants dissolved therein.
  • the gaseous product is sent to a further treatment which can include a purification and finally combustion in a boiler or a similar thermal load.
  • the temperatures in the respective zones are continuously monitored and at least some of the parameters a, b, c mentioned above, as well as the oxidizing gas flow are adjusted while maintaining the ratio A within the prescribed limits when these temperatures deviate from their respective prescribed optimum range.
  • the present invention makes it possible to efficiently gasify solid municipal waste by producing a large quantity of combustible gas, with a high energy yield.
  • the low temperature of the gaseous product facilitates the purification of the gaseous product and prevents the polymerization of unsaturated pyrolysis oils in the conduits.
  • the high combustion temperature ensures a high calorific value for the non-condensed gaseous products, and a rapid treatment rate.
  • the present invention is further illustrated by the following example.
  • the incineration / gasification of waste was modeled using a fixed bed laboratory facility.
  • the reactor was originally a refractory-coated tube having a length of 1600 mm and an inner diameter of 250 mm.
  • the temperature along the reactor and the pressure inside it were continuously monitored.
  • the lower region of the reactor was supplied with air or an air-vapor mixture.
  • the gaseous product was drawn from the upper region of the reactor and sent to a water-cooled condenser, in which water and the liquid hydrocarbons were recovered from the gaseous product.
  • the uncondensed gaseous fuel was sent to an afterburner.
  • the waste sample contained, in% by weight:
  • This mixture was further humidified to a 40% total humidity, then it was conditioned by adding 50% by weight of pieces of refractory bricks with a size between 30 and 70 mm.
  • the waste burned steadily.
  • the maximum temperature in the combustion zone was 1370 ° C
  • the gas produced had a temperature below 200 ° C except for a short period just before the reactor was shut down.
  • the temperature of the solid residue in the cooling zone was 250 ° C.
  • the weighing showed that the ash content of the waste sample was 28% (refractory bricks excluded).
  • the recovered liquid mainly contained water, only a small fraction of about 3% of this liquid was a mixture of liquid hydrocarbons (pyrolysis oils).
  • the uncondensed gas burned steadily in the afterburner, producing no apparent soot, dust, or smoke.

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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Les déchets municipaux (F) sont, après addition éventuelle de solides (S) combustibles ou incombustibles, traités dans un réacteur (4) traversé par un contre-courant d'air (L) éventuellement additionné d'eau (W). On extrait d'une part le produit gazeux (G) et d'autre part un résidu solide (R). L'agent de gazéification (L, W) est préchauffé par les résidus de combustion dans le bas du réacteur, puis le produit gazeux combustible (G) préchauffe et sèche les déchets avant de sortir du réacteur. On maintient la température maximale de combustion dans le réacteur entre 700 et 1400 °C, et la température du produit gazeux en-dessous d'une limite choisie entre 250 et 400 °C, par réglage de la fraction en masse (a) de l'oxygène dans l'agent de gazéification, la fraction en masse (b) des incombustibles dans la charge et la fraction en masse (c) des combustibles dans la charge tout en maintenant un rapport A = a.b/c compris entre 0,1 et 4,0. Utilisation pour améliorer l'efficacité et le rendement thermique du procédé.

Description

"Procédé pour traiter les déchets municipaux combustibles solides ou analogues par gazéification
DESCRIPTION Le traitement des déchets municipaux est un problème important car les déchets s'accumulent en quantités toujours croissantes, alors qu'il n'existe actuellement aucun procédé pour les traiter ou les éliminer qui soit à la fois économique et écologique. La majeure partie des déchets continue de s'accumuler dans des décharges, ce qui préfigure des problèmes d'environnement pour l'avenir. Les incinérateurs existants pour traiter les déchets municipaux ne traitent qu'une petite partie de ceux-ci. Les procédés existant actullement nécessitent de lourds investissement dus en particulier à des systèmes d'épuration des fumées, qui sont coûteux mais nécessaires pour rendre ces incinérateurs conformes aux normes antipollution. La présente invention concerne le traitement des déchets municipaux solides qui contiennent du papier, du bois, du caoutchouc, des textiles et autres combustibles, par pyrolyse/gazéification de leur partie combustible et obtention de produits de pyrolyse et de gaz combustible.
On connaît un certain nombre de procédés pour traiter les déchets municipaux solides par combustion. Le plus utilisé est le procédé de la combustion directe des déchets municipaux solides sur des grilles mobiles de conception spéciale dans un flux d'air. Ce procédé se traduit par de la pollution aérienne qui ne peut être éliminée que par un traitement complexe et coûteux des fumées. Les procédés qui passent par une gazéification préliminaire des déchets sont plus prometteurs car le gaz combustible obtenu est usuellement bien plus facile à épurer que les fumées, ne serait-ce qu'en raison de son plus faible volume. Les US-A-2 796 390 et US-A-2 798 032 décrivent, en ce qui concerne le traitement des schistes bitumineux, des exemples de procédés qui mettent successivement en oeuvre, couche par couche, la combustion/gazéification des déchets organiques solides dans des fours verticaux dans un contre-courant de gaz oxydant.
Le principe général de la gazéification à contre- courant pour les combustibles organiques solides est le suivant : - L'agent de gazéification alimente le réacteur à contre-courant du combustible organique solide de manière que le gaz oxydant passe au moins partiellement à travers une couche de produit incombustible solide de la gazéification (cendres) . Ceci procure une zone où le gaz oxydant est préchauffé et les cendres sont refroidies avant d'être déchargées.
- L'agent de gazéification contenant de l'oxygène et au besoin de l'eau et/ou du dioxyde de carbone entre dans une zone de combustion, où l'oxygène réagit avec le combustible solide carboné (charbon) à une température qui est typiquement de 900 à 1500°C.
- L'oxygène est totalement consommé dans la combustion et les produits gazeux chauds de la combustion (y compris du dioxyde de carbone) passent à travers une autre couche de combustible solide où s'établit la zone de réduction, c'est- à-dire que l'eau et le dioxyde de carbone réagissent avec le combustible carboné pour produire des gaz combustibles. La chaleur des gaz de combustion chauds est consommée dans ces réactions de réduction. La température du flux de gaz décroît à mesure que le gaz s'écoule à travers le combustible solide, car le gaz transfère sa chaleur sensible aux combustibles solides. Le combustible organique chauffé par le flux de gaz est pyrolyse, produisant du charbon, des goudrons, des huiles et des gaz combustibles. Le produit gazeux s'écoule à travers le combustible fraîchement chargé, de sorte que le gaz produit est refroidi et le combustible préchauffé et séché. Finalement, le gaz produit (entraînant les vapeurs acqueuses et hydrocarbures, les huiles et les goudrons) est soutiré pour un usage ou un traitement ultérieur.
Les déchets municipaux appartiennent aux combustibles solides pyrolysables à forte teneur en cendre qui peuvent être traités par gazéification à contre-courant. Les déchets municipaux solides contiennent habituellement des quantités substantielles de combustible, à savoir du papier, du bois, du caoutchouc, des textiles, des matières plastiques, des déchets organiques de nourriture, etc.. qui peuvent être traités pour fournir du gaz combustible. Les produits solides de la combustion que l'on retire de la zone de combustion sont en général supportables sur le plan écologique.
Selon le US-A-4 732 091 on charge le combustible, pouvant inclure des déchets municipaux solides, dans la partie supérieure d'un four vertical. Les déchets progressent dans le four à un rythme qui est commandé par un système de grilles mobiles, à travers une succession de chambres où le combustible se pyrolyse puis brûle dans un contre-courant d'agent de gazéification air-vapeur. Le procédé permet la gazéification des déchets, des grilles servant à désagglomérer la charge pendant le traitement, de façon à assurer sa perméabilité aux gaz, et servant à commander la cadence d'alimentation des déchets aux zones successives. La présence des grilles mobiles constitue le principal inconvénient de ce procédé. Dans les zones à haute température, les grilles vont inévitablement s'user rapidement. En outre, les particules de poussière vont se déposer sur les structures mobiles du réacteur et les empêcher de fonctionner librement. Le produit gazeux sort du réacteur à une température d'environ 430 à 540°C. La température dans la zone de combustion est autour de 870 à 930°C.
Le problème général des procédés de gazéification connus est leur faible rendement, en particulier pour traiter les déchets dont la composition varie. Un autre problème général des procédés connus est la température élevée du produit gazeux, qui empêche son épuration directe, alors que ce produit gazeux contient usuellement des composants acides (par exemple de l'acide sulfurique, acide chlorhydrique, acide fluorhydrique) qu'il faut éliminer avant de faire brûler le gaz produit. A des températures supérieures à 300°C, les goudrons présents dans le gaz produit tendent à se déposer dans les conduits de gaz à mesure qu'ils se polymérisent.
Le but de la présente invention est de proposer un procédé pour l'incinération des déchets municipaux solides, y compris les déchets ayant un faible pouvoir calorifique, sans apport d'énergie additionnelle et produisant des produits sans danger pour l'environnement (après traitement final) . Selon l'invention, il est proposé un procédé pour traiter par gazéification les déchets municipaux solides ou analogues, comprenant les étapes suivantes :
- on charge les déchets dans un réacteur ;
- on injecte dans le réacteur un agent de gazéification contenant de l'oxygène à travers une région de ce réacteur où se déposent les produits solides du traitement ;
- on décharge de ce réacteur les produits solides du traitement ; et - on retire de ce réacteur un produit gazeux résultant du séchage, de la pyrolyse et de la gazéification, la gazéification des déchets résultant du passage successif de ces déchets dans :
- une zone de chauffage et de séchage, • - une zone de pyrolyse, - une zone de combustion (oxydation) ,
- et une zone de refroidissement, caractérisé par un processus de régulation de température comprenant le maintien de la température maximum dans le réacteur dans une plage de température entre 700 et 1400°C, en réglant au moins un paramètre choisi parmi la fraction en masse (a) de l'oxygène dans l'agent de gazéification, la fraction en masse (b) des incombustibles dans la charge, et la fraction en masse (c) de combustible dans la charge, tout en maintenant le rapport A = ab/c dans la gamme de valeur 0,1 < A < 4,0.
De préférence, la température maximum est maintenue dans la gamme allant de 1000 à 1200°C. De préférence également, la régulation de température maximale est effectuée tout en maintenant le rapport A dans la gamme 0,15 < A < 1,0. Pour la composition usuelle des combustibles dans les déchets municipaux s'apparentant à ceux que l'on trouve dans les pays européens, il est préférable de respecter 0,2 <A< 0,5. En plus de régler l'un au moins des trois paramètres entrant dans le calcul du rapport A, il est également recommandé de régler le débit de l'agent de gazéification. Typiquement, le débit du gaz oxydant est compris entre 200 et 2000 kg/h/m2 de section transversale du réacteur dans la zone de combustion. La fraction en masse des combustibles dans les déchets telle qu'elle est réglée selon l'invention se situera typiquement entre 20 et 50%.
Il est également préférable de régler les paramètres de façon à également réguler la température du produit gazeux pour qu'elle soit inférieure à 400°C, de préférence inférieure à 250°C, à la sortie du réacteur, car si le produit gazeux quitte le réacteur à environ 250°C ou moins, la condensation et la polymérisation des goudrons dans les conduits est significativement réduite. Le procédé selon l'invention convient pour gazéifier des déchets municipaux solides contenant des combustibles (entre environ 10 et 90% en poids) , de l'eau (entre environ 10 et 70% en poids), et une part d'incombustibles solides (entre environ 10 et 80% en poids) .
Selon l'invention, on charge les déchets municipaux solides dans un réacteur (par exemple un réacteur vertical) pour y effectuer successivement le séchage des déchets puis la pyrolyse et la gazéification de ses combustibles. Un gaz oxydant contenant de l'oxygène, par exemple de l'air, est injecté dans ce réacteur à travers la région du réacteur où les résidus solides du traitement se déposent, de manière que le flux gazeux soit orienté sensiblement à contre-courant de la charge.
La charge passe à travers la succession de zones que l'on va maintenant décrire.
Tout d'abord une zone de séchage, où la température de la charge monte à 200°C par échange de chaleur avec le flux de produits gazeux. Dans cette zone, la charge est séchée alors que le flux gazeux se refroidit avant d'être soutiré du réacteur. Les gaz produits par le séchage, la pyrolyse et la gazéification sont soutirés dans cette zone, en tant que produit gazeux. Puis la charge entre dans une zone de pyrolyse et cokéfaction où la température de la charge augmente de 200 à 800°C par échange de chaleur avec le flux de gaz chaud, et des combustibles de la charge sont pyrolyses pour donner finalement un charbon. La charge contenant le combustible carboné résiduel entre ensuite dans une zone de combustion et gazéification où la température de la charge est située entre 700 et 1400°C. Dans cette zone, le charbon réagit avec le gaz oxydant chaud pour fournir du gaz combustible. Le résidu solide de la combustion entre dans une zone de refroidissement où il est refroidi par le contre-courant de gaz oxydant, de la température de combustion à la température de déchargement. Le contre-courant de gaz oxydant est quant à lui chauffé jusqu'à une température proche de la température de combustion avant d'entrer dans la zone de combustion. Finalement, les résidus solides de combustion (produits du traitement) sont déchargés du réacteur.
La classification précitée des zones est dans une certaine mesure arbitraire et ces zones peuvent être définies d'une autre manière, par exemple d'après la température des gaz, la composition et l'état des produits participant aux réactions, etc.... Mais quel que soit le choix particulier de ces zones, un point important est qu'en raison de l'écoulement à contre- courant des gaz et des solides l'agent de gazéification (gaz oxydant) est préchauffé par les résidus solides de combustion et qu'ensuite les produits gazeux chauds de combustion et de gazéification cèdent leur chaleur à la charge initiale.
Il faut également noter que le flux à contre- courant n'implique pas nécessairement un déplacement spatial de la charge. En particulier, le procédé peut être mis en oeuvre en un mode continu, en chargeant de manière continue ou par intermittences la charge dans le réacteur et en déchargeant les résidus solides du réacteur pendant que la charge est consommée dans le procédé. Dans ce cas particulier, en effet, la charge en train d'être traitée se déplace, de préférence sous l'action de la gravité, à contre-courant du flux- gazeux. En variante, on peut mettre en oeuvre le procédé de manière cyclique dans un mode de mise en oeuvre en lit fixe, le réacteur étant chargé et déchargé par fournées pendant des périodes de mise à l'arrêt. Dans ce cas, ladite succession des zones se déplace le long de la charge et on dit que la charge entre dans une zone lorsque cette zone atteint une région particulière du réacteur.
Lorsque la température du produit gazeux dépasse les limites prescrites, on fait croître le rapport A défini selon l'invention et/ou décroître le débit d'alimentation en gaz oxydant. Lorsque la température maximum dans le réacteur dépasse les limites prescrites, on fait décroître le rapport A et/ou on fait décroître le débit d'alimentation en gaz ; et finalement lorsque la température maximum dans le réacteur devient inférieure aux limites prescrites, on fait croître le rapport A et/ou le débit d'alimentation en gaz oxydant et/ou la fraction en masse de combustible dans la charge.
En particulier, on peut régler le rapport A en introduisant dans les déchets des matériaux ou objets incombustibles solides, de préférence non-fusibles ayant de préférence une taille inférieure à 250 mm, ou un combustible solide en morceaux. Cette dernière possibilité correspond au cas extrême du traitement de déchets humides très pauvres en combustibles. On peut retraiter les résidus solides de combustion et utiliser une fraction de ceux-ci comme incombustibles solides additionnels pour réguler la composition de la charge. La quantité des matériaux incombustibles et combustibles qu'on peut introduire dans le réacteur en plus de la charge initiale peut atteindre jusqu'à 200% et respectivement 30% du poids des déchets initiaux. On peut également préparer les déchets en les fragmentant ou les déchiquetant pour les rendre plus uniformes en dimension de façon que les déchets chargés ne contiennent que des morceaux d'une taille inférieure à 350 mm. Ce pré-traitement, bien qu'optionnel, peut sensiblement améliorer la perméabilité aux gaz de la charge et l'homogénéité des zones correspondantes.
On peut également régler le rapport A en agissant sur la composition du gaz oxydant, par exemple en rendant ce gaz plus riche ou plus pauvre en oxygène, en y introduisant de l'eau (liquide ou vapeur), du dioxyde de carbone etc.. L'utilisation du dioxyde de carbone et de l'eau pour régler la teneur en oxygène du gaz oxydant peut aussi avoir l'avantage que leur présence dans la zone de combustion/gazéification déplace des équilibres chimiques correspondants dans le sens d'une plus forte production de gaz combustible
(principalement du monoxyde de carbone et de l'hydrogène), ce qui améliore la valeur calorifique du gaz produit et le rendement du procédé. En particulier, le dioxyde de carbone et l'eau peuvent être tirés du produit gazeux. Par exemple le dioxyde de carbone peut être obtenu comme un produit dérivé lorsque l'on débarrasse le gaz combustible de l'acide sulfurique
(par épuration par les aminés) et l'eau peut être obtenue par condensation à partir du gaz. Pour consommer l'eau produite comme résidu par le procédé, par exemple au cours de l'épuration du produit gazeux, on peut l'injecter dans la zone de combustion ou la zone de refroidissement où la température demeure élevée (plus de 400°C pour les solides) et où règne un environnement oxydant, ce qui détruit les polluants organiques contenus dans cette eau. Ce mode d'alimentation en eau fournit en même temps un moyen additionnel pour régler de manière urgente la température maximum dans le réacteur, au cas où la température dépasse les limites prescrites.
Pour épurer le gaz produit du soufre (et autres composants acides tels que le chlore, fluor, etc..) on peut introduire dans les déchets un composant (tel que calcaire ou dolomite) qui réagit chimiquement avec les composés acides en donnant des produits qui sont ensuite retirés avec les résidus solides de la combustion.
Le rapport A précité constitue le paramètre de base pour mettre en oeuvre le procédé. En effet, le procédé optimisé doit satisfaire (lorsque cela est simultanément possible) les critères suivants :
- a) rendement énergétique élevé
- b) cadence de traitement rapide
- c) grande valeur calorifique du produit gazeux
- d) basse température du produit gazeux; et - e) basse température du résidu solide.
On voit que les critères (a) et (c à e) sont concordants. En effet, un rendement énergétique élevé signifie que la valeur énergétique transmise aux produits gazeux est élevée et que la chaleur sensible des produits quittant le réacteur est faible. En outre, les produits sont plus faciles à manipuler lorsqu'ils sont à faible température. En même temps, les critères
(a) et (c) sont simultanément satisfaits lorsque la température de traitement est élevée, c'est-à-dire lorsque les cadences de réaction dans la zone de combustion sont élevées et les équilibres chimiques déplacés dans le sens de la formation de gaz combustible. Typiquement des températures supérieures à 1000°C sont d'un grand intérêt, la température maximum étant limitée par les risques de fusion des structures du réacteur et/ou des solides à l'intérieur du réacteur.
Ainsi, la question est de savoir comment combiner une forte température de combustion avec de faibles températures des produits solides et gazeux. Le principe du contre-courant répond par lui-même partiellement à la question, puisqu'il assure un échange de chaleur entre les produits en leur permettant de se libérer d'une part substantielle de leur chaleur sensible avant de sortir du réacteur. Cependant, le problème n'est pas du tout résolu par l'art antérieur. Le point important est que les paramètres que l'invention prévoit de régler, à savoir la fraction en masse d'oxygène dans le gaz oxydant, la fraction en masse d'incombustibles dans les déchets et la fraction en masse de combustibles dans les déchets ne permettent pas un traitement optimal (selon les critères précités) s'ils sont régulés un par un et non pas de manière concertée.
Il a été découvert que les paramètres précités se combinent pour former le rapport A jouant un rôle substantiel. En effet, le rapport (a/c) comprend basiquement le rapport inverse de la consommation des déchets à celle de l'agent de gazéification corrélé au rapport stoechiométrique des consommations d'oxygène et de combustible, qui ne peut pas varier significativement. En même temps, la teneur en masse des incombustibles régit l'intensité de l'échange de chaleur de l'agent de gazéification alimentant la zone de refroidissement et récupérant la chaleur sensible des résidus solides. Ainsi, seul un réglage concerté des trois paramètres entrant dans le rapport A peut permettre d'optimiser le procédé. Un réglage concerté peut signifier qu'un seul ou deux des trois paramètres sont effectivement réglés, pourvu que cela soit fait en tenant compte de la valeur qui en résulte pour le rapport "A".
L'effet du débit d'alimentation absolu de l'agent de gazéification est que la température maximum de combustion augmente si le débit d'alimentation est plus élevé. Il y a deux raisons à cela. La première est relative à la part des pertes thermiques dans l'équilibre énergétique général. Les pertes de chaleur deviennent en effet plus faibles lorsque les cadences de traitement sont plus élevées. La seconde est relative à la cinétique des réactions endothermiques dans la zone de combustion. En même temps, le fait d'augmenter le débit d'alimentation en gaz oxydant accroît (les autres paramètres étant fixés) la température du produit gazeux.
La teneur en masse de combustibles, qui est une mesure indirecte du pouvoir calorifique des déchets, doit- être prise en compte, et éventuellement régulée pour être augmentée dans les cas extrêmes de déchets excessivement humides. On peut l'améliorer par introduction additionnelle de combustibles solides (dans la mesure où cela ne contrevient pas à la régulation tenant compte de "A") ou, autrement, en séchant les déchets préalablement à leur gazéification. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description ci-après relative à des exemples non-limitatifs. Aux dessins annexés : - la figure 1 est un graphe montrant différentes températures dans le procédé en fonction du rapport"A"; et - la figure 2 est une vue schématique d'un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention.
La figure 1 présente la dépendance de la température de combustion dans un écoulement d'air, d'un échantillon de déchets comprenant du charbon mélangé avec de la brique réfractaire. La courbe I est la température de combustion calculée, la courbe II la température calculée des gaz à la sortie du réacteur, et la courbe III la température du résidu solide, calculées toutes les trois pour un réacteur long et isolé. Les abscisses représentent le rapport (A) . Les points sont des valeurs expérimentales pour la température de combustion dans un réacteur de laboratoire en lit fixe.
On peut voir que les températures de combustion sont extrêmement dépendantes de la composition du combustible et qu'une valeur maximale est atteinte pour une certaine teneur en combustible.
Dans le mode de réalisation représenté à titre d'exemple à la figure 2, des déchets contenant du combustible "F" sont fragmentés dans une déchiqueteuse 1 puis mélangés avec des incombustibles solides "S" dans- un mélangeur 2 et chargés dans un réacteur du type four vertical 4 par l'intermédiaire d'un sas à air 3. La charge empilée sous l'effet de son propre poids dans le réacteur 4 passe successivement à travers des zones de séchage 5, pyrolyse 6, combustion 7 et refroidissement 8. Le résidu solide de la combustion "R" est déchargé en continu à travers le sas à air 9 sous un débit que l'on règle de manière à réguler le mouvement de la charge vers le bas et à stabiliser ainsi la zone de combustion à un certain niveau au dessus du fond du réacteur. On trie le résidu solide sur un tamis 10, une partie de ce résidu étant recyclée en tant qu'additif solide "S" et l'autre étant évacuée. L'alimentation en air "L" est assurée par un compresseur 11 dans la région inférieure du réacteur. Le produit gazeux "G" est soutiré dans la région supérieure du réacteur et dirigé vers un condenseur 12 dans lequel de l'eau "W" est condensée pour être envoyée dans la zone de refroidissement pour incinérer les polluants organiques dissouts dans celle-ci. Le produit gazeux est envoyé vers un traitement ultérieur pouvant comprendre une épuration puis finalement une combustion dans une chaudière ou une charge thermique analogue. Les températures dans les zones respectives sont surveillées en continu et certains au moins des paramètres a, b, c mentionnés ci-dessus, ainsi que le débit de gaz oxydant sont réglés tout en maintenant le rapport A dans les limites prescrites lorsque ces températures s'écartent de leur plage optimale prescrite respective.
La présente invention, contrairement aux procédés connus, permet de gazéifier efficacement des déchets municipaux solides en produisant une grande quantité de gaz combustible, avec un rendement énergétique élevé. La faible température du produit gazeux facilite l'épuration du produit gazeux et empêche la polymérisation des huiles de pyrolyse insaturées dans les conduits. En même temps, la température élevée de la combustion assure un pouvoir calorifique élevé aux produits gazeux non condensés, et une cadence de traitement rapide.
La présente invention vient d'être décrite de manière non limitative et d'autres améliorations sont possibles dans son cadre général.
Exemple
La présente invention est en outre illustrée par l'exemple suivant.
On a modélisé l'incinération/gazéification de déchets au moyen d'une installation de laboratoire à lit fixe. Le réacteur était à la base un tube revêtu de réfractaire ayant une longueur de 1600 mm et un diamètre intérieur de 250 mm. On surveillait en continu la température le long du réacteur et la pression à l'intérieur de celui-ci. On alimentait la région inférieure du réacteur avec de l'air ou un mélange air- vapeur. On soutirait le produit gazeux de la région supérieure du réacteur et on l'envoyait dans un condenseur refroidi à l'eau, dans lequel on récupérait l'eau et les hydrocarbures liquides du produit gazeux. On envoyait le combustible gazeux non condensé dans un dispositif de post-combustion.
L'échantillon de déchets contenait, en % en poids :
- résidus de nourriture (végétaux) 35% - carton et papier 30%
- bois 2%
- textiles 5%
- métal 3%
- caoutchouc et plastique 6% - verre 7%
- roche et sable 12%
On a en outre humidifié ce mélange jusqu'à une humidité totale de 40%, puis on l'a conditionné en ajoutant 50% en poids de morceaux de briques réfractaires d'une taille comprise entre 30 et 70 mm. Au cours du traitement, les déchets brûlaient de manière soutenue. La température maximum dans la zone de combustion était de 1370°C, le gaz produit avait une température inférieure à 200°C à l'exception d'une courte période juste avant l'extinction du réacteur. La température du résidu solide dans la zone de refroidissement était de 250°C. La pesée a montré que le contenu en cendre de l'échantillon de déchets était de 28% (briques réfractaires exclues) . Le liquide récupéré contenait principalement de l'eau, seule une petite fraction d'environ 3% de ce liquide était un mélange d'hydrocarbures liquides (huiles de pyrolyse) . Le gaz non condensé brûlait de manière soutenue dans le dispositif de post-combustion, sans produire ni suie apparente, ni poussière, ni fumée.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé pour traiter par gazéification des déchets municipaux solides ou analogues comprenant les étapes suivantes : - on charge les déchets (F) dans un réacteur ;
- on injecte dans le réacteur un agent de gazéification (L, W) contenant de l'oxygène à travers une région de ce réacteur où se déposent les produits solides du traitement ; - on décharge les produits solides de traitement (R) de ce réacteur ; et
- on retire de ce réacteur un produit gazeux (G) résultant du séchage, de la pyrolyse et de la gazéification, la gazéification des déchets résultant du passage successif de ces déchets dans :
- une zone de chauffage et de séchage, (5) ,
- une zone de pyrolyse, (6),
- une zone de combustion (oxydation), (7), - et une zone de refroidissement, (8), caractérisé par un processus de régulation de température comprenant le maintien de la température maximum dans le réacteur dans une plage de température entre 700 et 1400°C, en réglant au moins un paramètre choisi parmi la fraction en masse (a) de l'oxygène dans l'agent de gazéification, la fraction en masse (b) des incombustibles dans la charge, et la fraction en masse (c) des combustibles dans la charge, tout en maintenant le rapport A = ab/c dans la gamme de valeur 0,1 < A < 4,0.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on maintient la température maximum dans la plage 1000 - 1200°C.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé à ce qu'on maintient le rapport "A" sensiblement dans la gamme des valeurs 0,15 < A < 1,0.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé à ce qu'on maintient le rapport "A" sesiblement dans la gamme des valeurs 0,2 < A < 0,5
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé à ce que ladite régulation de température comprend le maintien de la température du produit gazeux (G) inférieure à 400°C à la sortie du réacteur.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé à ce que ladite régulation de température comprend le maintien de la température du produit gazeux (G) inférieure à 250°C à la sortie du réacteur.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape consistant à régler au moins un paramètre comprend le réglage de la fraction en masse (c) des combustibles dans les déchets en introduisant sélectivement dans les déchets des morceaux d'un matériau incombustible non fusible (S) en une quantité pouvant aller jusqu'à 200% en poids de déchets initiaux (F) .
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on introduit dans les déchets un composé adapté à débarrasser le produit gazeux (G) de composants nocifs.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le composant adapté à débarrasser le produit gazeux est d'un type qui se lie chimiquement avec lesdits composés nocifs, donnant des produits que l'on décharge du réacteur à l'état incorporé dans les produits solides du traitement (R) .
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape consistant à régler au moins un paramètre comprend le réglage de la fraction en masse (c) de combustibles dans les déchets par introduction sélective dans les déchets d'un combustible solide en morceaux en une quantité pouvant aller jusqu'à 30% en poids des déchets initiaux.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'étape consistant à régler au moins un paramètre comprend le réglage de la fraction en masse (C) de combustibles dans les déchets en mélangeant les déchets initiaux (F) sélectivement avec des matériaux solides incombustibles et combustibles avant de charger les déchets dans le réacteur.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'étape consistant à régler au moins un paramètre comprend le réglage d'un second paramètre constitué par le débit d'agent de gazéification (W,L).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on introduit de l'eau (W) et/ou du dioxyde de carbone dans l'agent de gazéification (W,L).
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on injecte de l'eau dans ladite zone de combustion (7) et/ou ladite zone de refroidissement (8), où la température des solides dépasse 400°C.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'on prépare les déchets en morceaux de taille inférieure à 350 mm avant de charger les déchets dans le réacteur.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on traite les déchets par fournées, en chargeant les déchets (F) et déchargeant les produits solides de traitement (R) pendant des périodes d'arrêt du réacteur.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on traite les déchets en continu, en chargeant les déchets (F) dans le réacteur et déchargeant du réacteur les produits solides du traitement (R) en continu ou par intermittences sans interrompre le procédé.
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