FR2780235A1 - Destruction of toxic waste in plasma jet - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE D'INJECTION DANS UN JET DE PLASMA D'UN FLUIDEPROCESS FOR INJECTING A FLUID INTO A PLASMA JET
A TRAITER ET APPLICATION NOTAMMENT A LA DESTRUCTION DE TO BE TREATED AND APPLIED IN PARTICULAR TO THE DESTRUCTION OF
DECHETS TOXIQUESTOXIC WASTE
La présente invention a trait au traitement de fluides en particulier de fluides contenant des déchets toxiques, par décomposition par injection dans The present invention relates to the treatment of fluids, in particular fluids containing toxic waste, by decomposition by injection into
un jet de plasma d'arc d'une torche à plasma. a jet of arc plasma from a plasma torch.
Plus précisément, I'invention concerne l'injection dans un plasma d'arc soufflé de produits liquides ou gazeux à des fins de destruction, grâce aux hautes enthalpie et température du plasma, des molécules de gaz ou de More specifically, the invention relates to the injection into a blown arc plasma of liquid or gaseous products for the purpose of destruction, thanks to the high enthalpy and temperature of the plasma, of the gas or
liquides toxiques.toxic liquids.
Le but de la présente invention est de proposer un nouveau mode d'injection des fluides dans le jet de plasma en sortie de torche, dans des The aim of the present invention is to propose a new method of injecting fluids into the plasma jet at the outlet of the torch, in
conditions optimales d'enthalpie, de flux et de température. optimal enthalpy, flow and temperature conditions.
A cet effet, I'invention a pour objet un procédé d'injection d'un fluide à traiter dans un jet de plasma d'une torche notamment de type à plasma d'arc soufflé, caractérisé en ce qu'il consiste à injecter ledit fluide dans l'axe, à l'intérieur et à contre-courant du dard du jet de plasma, en sortie de torche, ladite injection étant effectuée de préférence en régime supersonique et avec un rapport du débit massique dudit fluide de l'ordre de 0,1 à 1 fois celui du plasma. Dans le cas d'injection d'un liquide, celui-ci sera avantageusement injecté sous forme vaporisée en fines gouttelettes, en sorte d'augmenter les To this end, the invention relates to a process for injecting a fluid to be treated into a plasma jet from a torch, in particular of the blown arc plasma type, characterized in that it consists in injecting said fluid in the axis, inside and against the current of the dart of the plasma jet, at the outlet of the torch, said injection being preferably carried out in supersonic regime and with a ratio of the mass flow of said fluid of the order of 0.1 to 1 times that of plasma. In the case of injection of a liquid, this will advantageously be injected in vaporized form in fine droplets, so as to increase the
surfaces d'échanges avec le plasma. plasma exchange surfaces.
Les moyens d'injection des fluides dans le dard du plasma, dans de telles conditions, comporteront, compte tenu des températures en présence, pouvant atteindre ou dépasser 4000 C dans le dard, des moyens de refroidissement appropriés, notamment une circulation de fluide tel que de Il'eau. L'invention a également pour objet une application, entre autres, du procédé d'injection ci-dessus, à la destruction de déchets toxiques, notamment de fluides provenant d'armes chimiques, dans le cadre de la The means for injecting fluids into the plasma dart, under such conditions, will, taking into account the temperatures present, which may reach or exceed 4000 C in the dart, suitable cooling means, in particular a circulation of fluid such as of water. The subject of the invention is also an application, inter alia, of the above injection method, to the destruction of toxic waste, in particular fluids originating from chemical weapons, within the framework of the
destruction ou neutralisation de ces armes. destruction or neutralization of these weapons.
A cet effet, I'invention a pour objet une application dudit procédé caractérisée en ce qu'elle consiste à injecter en sortie de torche à plasma à arc soufflé dans le dard du jet de plasma, dans l'axe et à contre-courant de ce dernier, les fluides provenant de la séparation dans une chambre de détonation de munitions contenant des substances toxiques et à traiter les effluents gazeux issus de ladite injection par un refroidissement brutal, la nature du gaz plasmagène, ainsi que les conditions de séparation dans ladite chambre de détonation et de refroidissement desdits effluents gazeux étant déterminées en sorte de minimiser les flux gazeux en privilégiant la génération de produits To this end, the invention relates to an application of said method characterized in that it consists in injecting at the outlet of a plasma torch with a blown arc in the dart of the plasma jet, in the axis and against the current of the latter, the fluids from the separation in an ammunition detonation chamber containing toxic substances and to treat the gaseous effluents from said injection by brutal cooling, the nature of the plasma gas, as well as the separation conditions in said chamber detonation and cooling of said gaseous effluents being determined so as to minimize the gas flows by favoring the generation of products
condensables, tels que suies, sels, dépôts particulaires. condensable, such as soot, salt, particulate deposits.
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui Other characteristics and advantages will emerge from the description which
va suivre de modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention, description will follow modes of implementation of the method of the invention, description
donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels: - Figure 1 est un schéma illustrant le principe d'injection de l'invention - Figure 2 est un diagramme illustrant une application du procédé de l'invention au traitement de produits toxiques dans le cadre de la destruction d'armes chimiques; - Figure 3 illustre une première variante du procédé de la figure 2, et given by way of example only and with reference to the appended drawings in which: - Figure 1 is a diagram illustrating the injection principle of the invention - Figure 2 is a diagram illustrating an application of the method of the invention to the treatment of toxic products in connection with the destruction of chemical weapons; FIG. 3 illustrates a first variant of the method of FIG. 2, and
- Figure 4 illustre une seconde variante. - Figure 4 illustrates a second variant.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 le nez d'une torche à plasma d'arc soufflé, de préférence du type tubulaire ou axisymétrique, afin d'obtenir en sortie de torche un jet de plasma dont le dard 2 soit le plus axisymétrique et le plus concentré possible, pour obtenir dans le coeur du dard la température la plus élevée possible. Précisément, au coeur du dard, conformément à l'invention, on injecte par des moyens appropriés symbolisés en 3, dans l'axe 4 du dard 2 et à In FIG. 1, the nose of a blown arc plasma torch, preferably of the tubular or axisymmetric type, is shown diagrammatically at 1 in order to obtain a plasma jet at the torch outlet, the dart 2 of which is the more axisymmetric and more concentrated possible, to obtain in the heart of the dart the highest possible temperature. Specifically, in the heart of the sting, in accordance with the invention, is injected by appropriate means symbolized in 3, in the axis 4 of the sting 2 and at
contre-courant, un fluide F à traiter. counter-current, a fluid F to be treated.
Ladite injection, symbolisée en I sur la figure 1, est effectuée de préférence à une vitesse d'éjection du fluide F supersonique et avec un rapport des débits massiques respectivement du fluide et du gaz plasmagène de la Said injection, symbolized at I in FIG. 1, is preferably carried out at a speed of ejection of the supersonic fluid F and with a ratio of the mass flow rates of the fluid and the plasma gas of the plasma respectively.
torche 1, de l'ordre de 0,1 à 1.torch 1, of the order of 0.1 to 1.
La distance d entre le nez de la torche 1 et les moyens d'injection 3 dépend bien entendu du type et de la puissance de la torche; elle est de I'ordre de 10 à 50 cm pour une torche de la gamme de puissance de 200 kW The distance d between the nose of the torch 1 and the injection means 3 depends of course on the type and the power of the torch; it is around 10 to 50 cm for a torch in the power range of 200 kW
à 700 KW.at 700 KW.
Le fluide F, lorsqu'il est à l'état liquide, est de préférence vaporisé dans le dard 2 en fines gouttelettes de façon à augmenter les surfaces d'échange The fluid F, when in the liquid state, is preferably vaporized in the dart 2 in fine droplets so as to increase the exchange surfaces
avec le plasma.with plasma.
La nature du gaz plasmagène de même que le rapport des débits massiques fluide injecté/gaz plasmagène sont adaptés à la nature des The nature of the plasma gas as well as the ratio of the mass flow rates of injected fluid / plasma gas are adapted to the nature of the
constituants du fluide F à traiter. constituents of the fluid F to be treated.
Les moyens d'injection 3 seront bien entendu refroidis en permanence pendant l'injection, par exemple à l'aide d'une circulation d'un fluide tel que I'eau, compte tenu du niveau de température atteint dans le dard 2 et qui peut The injection means 3 will of course be continuously cooled during the injection, for example using a circulation of a fluid such as water, taking into account the temperature level reached in the sting 2 and which can
dépasser 4 000 C.exceed 4,000 C.
La conjonction de l'enthalpie (énergie thermodynamique) très élevée du plasma et du mode d'injection retenu, créant une turbulence maximale, se traduit par des effets de synergie provoquant un contact intime et total entre les molécules à "craquer" et le plasma et des réactions chimiques endothermiques, assurant ainsi une dissociation moléculaire optimale et une The conjunction of the very high enthalpy (thermodynamic energy) of the plasma and the chosen injection mode, creating maximum turbulence, results in synergistic effects causing intimate and total contact between the molecules to be "cracked" and the plasma. and endothermic chemical reactions, thus ensuring optimal molecular dissociation and
cinétique réactionnelle beaucoup plus forte. much stronger reaction kinetics.
Le procédé d'injection selon l'invention est susceptible de nombreuses applications. On va maintenant en décrire une en référence aux figures 2 à 4, et qui The injection process according to the invention is susceptible of numerous applications. We will now describe one with reference to Figures 2 to 4, and which
vise d'une manière générale la destruction des armes chimiques. generally targets the destruction of chemical weapons.
L'objectif est la destruction des déchets toxiques constitués par des munitions, composées d'environ 80 % de métal, 17 % d'éléments toxiques et The objective is the destruction of toxic waste constituted by ammunition, composed of approximately 80% of metal, 17% of toxic elements and
pyrotechniques et 3 % de matériaux inertes. pyrotechnics and 3% inert materials.
La première étape du processus de destruction est une séparation des phases solides, liquides, gazeuses de la munition en se servant du The first stage of the destruction process is a separation of the solid, liquid, gaseous phases of the ammunition using the
fonctionnement de sa charge pyrotechnique. operation of its pyrotechnic charge.
A cet effet, une chambre de détonation 5 est utilisée. Son principe est For this purpose, a detonation chamber 5 is used. Its principle is
bien connu.well known.
Une ou des munitions sont amenées à y exploser, notamment par One or more munitions are detonated there, in particular by
élévation thermique des munitions. thermal rise of ammunition.
Les produits issus de la chambre de détonation 5 sont séparés en fluides 6 et débris solides 7. Les premiers (6) sont injectés dans le dard 2 d'une torcher à plasma 1 à arc soufflé, conformément au procédé de la The products from the detonation chamber 5 are separated into fluids 6 and solid debris 7. The first (6) are injected into the dart 2 of a plasma torch 1 with a blown arc, in accordance with the process of
figure 1.figure 1.
Dans ce type d'application, le rapport des débits massiques fluides In this type of application, the ratio of fluid mass flow rates
injectés/gaz plasmagène sera de préférence proche de 1. injected / plasma gas will preferably be close to 1.
Les débris solides 7 sont introduits dans un four 8 dans lequel est The solid debris 7 is introduced into an oven 8 in which is
montée la torche 1, les parties métalliques étant fondues dans un bain 9. mounted torch 1, the metal parts being melted in a bath 9.
Les effluents gazeux 10 issus du four 8 sont traités dans un échangeur de chaleur 1 1 o s'opère un refroidissement brutal des effluents pour obtenir une condensation maximale sous forme solide (suies, sels, dépôts The gaseous effluents 10 from the furnace 8 are treated in a heat exchanger 1 1 o there is an abrupt cooling of the effluents to obtain maximum condensation in solid form (soot, salts, deposits
particulaires) des substances polluantes. particulate matter) of polluting substances.
Pour privilégier au maximum une telle condensation, on agira sur les paramètres suivants, en fonction bien entendu de la nature des munitions température de condensation, quantité d'oxygène en sortie du four 8 conduite du refroidissement. D'une manière générale, on recherchera, dans la To favor such condensation as much as possible, the following parameters will be acted on, depending of course on the nature of the munitions condensation temperature, quantity of oxygen leaving the furnace 8 for cooling. Generally, we will look for, in the
mesure du possible, le taux d'oxygène le plus faible possible. wherever possible, the lowest possible oxygen level.
L'oxygène présent dans les effluents gazeux 10 peut provenir des molécules des produits décomposés dans la chambre 5, de l'atmosphère de cette dernière et du gaz plasmagène de la torche 1, dans la mesure o ce gaz The oxygen present in the gaseous effluents 10 can come from the molecules of the products decomposed in the chamber 5, from the atmosphere of the latter and from the plasma gas of the torch 1, insofar as this gas
est de l'air.is air.
Au niveau des munitions à traiter, on peut associer diverses munitions à traiter dans la même chambre 5 en vue de garder un taux moyen d'oxygène At the level of the munitions to be treated, it is possible to combine various ammunitions to be treated in the same chamber 5 in order to keep an average oxygen level
aussi bas que possible.as low as possible.
Pour réduire l'oxygène, on pourra avantageusement utiliser comme gaz plasmagène, ainsi que pour l'atmosphère interne à la chambre de détonation 5, To reduce oxygen, it is advantageously possible to use as plasma gas, as well as for the atmosphere internal to the detonation chamber 5,
un gaz neutre, par exemple de l'azote. a neutral gas, for example nitrogen.
Par ailleurs, la chambre de détonation peut être éventuellement mise In addition, the detonation chamber can be optionally put
sous dépression.under depression.
A titre d'exemple, les effluents gazeux 10 seront soumis à un For example, the gaseous effluents 10 will be subjected to a
refroidissement brutal ramenant les gaz à la température ambiante. brutal cooling bringing the gases to room temperature.
Le refroidissement peut s'opérer en une seule étape ou de manière Cooling can take place in a single step or
étagée en fonction d'objectifs spécifiques. stepped according to specific objectives.
De préférence, l'échangeur de chaleur 11 sera un dispositif Preferably, the heat exchanger 11 will be a device
n'introduisant aucune quantité additionnelle de flux gazeux à traiter. not introducing any additional quantity of gas stream to be treated.
Le traitement en 11, dans les conditions explicités ci-dessus, est de nature à favoriser des combinaisons de l'oxygène donnant des produits non toxiques ou sous forme d'eau ou de gaz carbonique et à éviter des combinaisons de l'oxygène sous forme NOx-SOx, sous forme de dioxines ou The treatment in 11, under the conditions explained above, is likely to favor combinations of oxygen giving non-toxic products or in the form of water or carbon dioxide and to avoid combinations of oxygen in the form NOx-SOx, in the form of dioxins or
furanes et sous forme d'oxyde de carbone. furans and in the form of carbon monoxide.
Si besoin est, une injection ponctuelle de vapeur d'eau peut être faite, pour apporter sous une forme pratique un complément d'oxygène/hydrogène nécessaire par exemple pour éviter la formation de CO, à un certain stade du If necessary, a punctual injection of water vapor can be made, to provide in a practical form a supplement of oxygen / hydrogen necessary for example to avoid the formation of CO, at a certain stage of the
traitement ou pour favoriser l'apparition de telle molécule recherchée. treatment or to promote the appearance of such a desired molecule.
Avantageusement, la gestion des effluents 10 prendra en compte dans une étape symbolisée en 12 sur la figure 2, la séparation des suies, sels et particules selon leur nature, par exemple par un dispositif centrifuge adapté, l'incorporation dans le bain fondu 9 du four 8 du maximum possible de suies de carbone et de particules d'arsenic, le traitement des polluants résiduels majeurs NOx-SOx et mineurs, par le procédé le mieux adapté parmi les Advantageously, the management of the effluents 10 will take into account, in a step symbolized at 12 in FIG. 2, the separation of the soot, salts and particles according to their nature, for example by a suitable centrifugal device, the incorporation into the molten bath 9 of the furnace 8 of the maximum possible of carbon soot and arsenic particles, the treatment of major residual pollutants NOx-SOx and minor, by the process best suited among the
solutions industrielles: voies humides, semi-humides, sèches. industrial solutions: wet, semi-wet, dry routes.
Ladite gestion prendra également en compte les traitements de neutralisation et/ou de récupération des acides présents, principalement à base de chlore, de fluor, de brome, de phosphore et de soufre, ainsi que la Said management will also take into account the neutralization and / or recovery treatments of the acids present, mainly based on chlorine, fluorine, bromine, phosphorus and sulfur, as well as the
valorisation ex situ des quantités restantes d'arsenic sous la forme AS203. ex situ recovery of the remaining quantities of arsenic in the form AS203.
En variante du process de la figure 2 et pour des raisons de commodité de conduite d'exploitation, la partie fusion des éléments solides (7) peut être As a variant of the process of FIG. 2 and for reasons of convenience of operating management, the melting part of the solid elements (7) can be
dissociée de la partie destruction des fluides (6). dissociated from the destruction of fluids part (6).
Dans ce cas, illustré par les figures 3 et 4, le four unique à plasma 8 pourra être avantageusement remplacé par un réacteur 13 équipé d'une torche à plasma 1 pour le traitement des fluides 6 et par un four séparé, de fusion In this case, illustrated by FIGS. 3 and 4, the single plasma furnace 8 may advantageously be replaced by a reactor 13 equipped with a plasma torch 1 for the treatment of fluids 6 and by a separate melting furnace
des solides 7.solids 7.
Celui-ci pourra être par exemple (figure 3) un four à chauffage inductif i15 14, qui présente l'avantage de moins solliciter thermiquement les réfractaires sans rien ajouter au bilan gazeux. Les effluents gazeux 15 issus du four 14 This could be for example (FIG. 3) an inductive heating oven i15 14, which has the advantage of less thermally stressing the refractories without adding anything to the gas balance. The gaseous effluents 15 from the oven 14
sont traités en 1 1 comme les effluents gazeux 10 issus du réacteur 1 3. are treated in 1 1 as the gaseous effluents 10 from the reactor 1 3.
Le four séparé peut être également (figure 4) un four à lit fluidisé 16 The separate oven can also be (FIG. 4) a fluidized bed oven 16
dont le but sera de nettoyer les pièces métalliques et non plus de les fondre. whose purpose will be to clean the metal parts and no longer to melt them.
Le brassage thermique, à une température de l'ordre de 1200 C, du lit de sable 17 du four 16 est avantageusement effectué par les effluents de sortie The thermal mixing, at a temperature of the order of 1200 ° C., of the sand bed 17 of the furnace 16 is advantageously carried out by the outlet effluents
du réacteur 13, ce qui n'ajoute rien au bilan gazeux. of reactor 13, which adds nothing to the gas balance.
Les effluents gazeux 18 issus du four 16 sont traités en 1 1 comme les The gaseous effluents 18 from the oven 16 are treated in 1 1 like the
effluents 10 des figures 2 et 3.effluents 10 of Figures 2 and 3.
Dans les dispositifs des figures 3 et 4, I'injection des fluides dans le dard 2 du plasma de la torche 1 s'effectue selon le même procédé que dans le In the devices of FIGS. 3 and 4, the injection of the fluids into the sting 2 of the plasma of the torch 1 is carried out according to the same process as in the
dispositif de la figure 2.Figure 2 device.
Dans les dispositifs des figures 2 à 4, des sous-produits solides, tels que des cendres volantes, provenant de l'étape 1 2, peuvent être avantageusement, dans le cadre de la gestion des sous-produits des traitements de fumées, ajoutés aux solides 7 avant leur introduction dans le In the devices of FIGS. 2 to 4, solid by-products, such as fly ash, originating from stage 12, may advantageously be added, in the context of the management of the by-products of the smoke treatments. solids 7 before their introduction into the
four (8, 14, 16).oven (8, 14, 16).
Enfin, I'invention n'est évidemment pas limitée aux modes de mise en oeuvre représentés et décrits ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les Finally, the invention is obviously not limited to the embodiments shown and described above but on the contrary covers all of them.
variantes, notamment en ce qui concerne la nature des fluides et solides à traiter et les contraintes imposées aux effluents gazeux et solides issus des5 étapes de traitement desdits fluides et solides. variants, in particular as regards the nature of the fluids and solids to be treated and the constraints imposed on gaseous and solid effluents from the 5 stages of treatment of said fluids and solids.
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