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.