L'incinération en lit fluidisé, technique largement répandue en Europe et en Amérique du Nord, est applicable tant aux boues d'épuration qu'aux résidus industriels. Le lit fluidisé permet une combustion totale des produits, est facile à conduire, donne lieu à des émissions réduites en métaux lourds et oxydes d'azote, peut fonctionner par intermittence et, suivant les produits à incinérer, sans apport d'énergie complémentaire. Ce qui suit résulte de l'expérience acquise sur une vingtaine d'installations réalisées par nos soins aux USA et en Allemagne.
Ce qui suit résulte de l’expérience acquise sur une vingtaine d’installations réalisées par nos soins aux USA et en Allemagne.
Un incinérateur en lit fluidisé est constitué par un réacteur en acier revêtu de briques réfractaires comportant quatre parties :
- – une zone d’admission d’air de fluidisation, dite “boite à vent” ;
- – un système de répartition d’air au moyen d’un jeu de tuyères en acier allié, insérées soit dans une plaque métallique revêtue de réfractaires (boite à vent froid – figure 1) soit dans une arche réfractaire auto-porteuse (boite à vent chaud – figures 2 et 3) ;
- – un lit de sable ou de matériau inerte, dans lequel est injecté le produit avec ou sans combustible d’appoint ;
- – une chambre de combustion à sa partie supérieure.
L’air de fluidisation, servant d’air de combustion, est admis dans la boite à vent, soit à température ambiante (boite à vent froid), soit préchauffé à 650 °C (boite à vent chaud), et il est soufflé au-dessous du lit de sable, qui est ainsi mis en état de fluidisation. Le produit injecté au niveau du lit est alors immédiatement incinéré ; le mélange solide/liquide présente un coefficient de transfert élevé similaire à celui d’un liquide en ébullition. La température du lit est très homogène (variation de température de l’ordre de ± 15 °C au sein du lit), ce qui facilite la conduite de l’incinérateur.
Le volume de la chambre de combustion permet, grâce à un temps de séjour de plusieurs secondes, de compléter la combustion, en particulier celle des matières volatiles et, d’autre part, de séparer les particules de sable. En raison de l’attrition et du mouvement de fluidisation, les cendres, de faible granulométrie, sont entraînées par les gaz. De par son volume, l’incinérateur présente une grande inertie thermique et la perte de température est limitée (5 °C/h), ce qui autorise un fonctionnement par postes. De plus la combustion étant instantanée, il n’y a pas d’accumulation de combustible lors des arrêts.
Les gaz de combustion peuvent être utilisés, soit pour réchauffer l’air de fluidisation, soit pour produire de la vapeur dans une chaudière à récupération d’énergie et/ou effectuer un préséchage des résidus à traiter.
Applications et limites
Les lits fluidisés sont utilisables pour l’incinération de liquides visqueux, de boues, de résidus, de déchets organiques, en association ou non avec des liquides ou des gaz ; leur limite d’utilisation se situe au niveau de la forme et de la composition des particules. Les lits fluidisés constituent un compromis entre les incinérateurs à résidus liquides et les fours rotatifs capables de détruire des produits volumineux.
Taille des particules
Les particules doivent être fluidisables, leur taille maximum étant fonction de la densité et de la vitesse de fluidisation (par exemple, 1 m/s pour des boues). Pour des copeaux de bois l’optimum se situe au-dessous de 100 mm.
Mélanges eutectiques
Les lits fluidisés ne peuvent fonctionner à des températures supérieures aux points de fusion des constituants du lit. Il existe en outre, notamment en cas de présence de sodium, potassium, phosphore ou soufre dans l’alimentation, une possibilité de formation de mélanges fondant à faible température, soit 650 °C, alors que les normes imposent un point de fonctionnement de l’incinérateur à 850 °C au minimum. On peut alors former des silicates alcalins qui risquent de bloquer le lit fluide (figure 4 et tableau 1).
Des problèmes de défluidisation peuvent apparaître si les boues contiennent plus de 500 ppm de chlorures en raison d’infiltrations d’eau de mer. La présence d’eau de mer introduit également des sulfates qui, par formation de sulfate de sodium (Na₂SO₄) et par réaction avec la silice du lit, produiront un verre fondant à 635 °C :
CaSO₄ + 2 NaCl + H₂O → Na₂SO₄ + 2 HCl + CaO
Na₂SO₄ + 3 SiO₂ → Na₂O·3SiO₂ + SO₂ + 1/2 O₂
La silice peut également réagir directement sur le sodium en donnant le même composé final :
3 SiO₂ + 2 NaCl + H₂O → Na₂O·3SiO₂ + 2 HCl
Il est cependant envisageable de corriger les mélanges eutectiques en favorisant la formation de silicates métalliques fondant à des températures supérieures au point de fonctionnement (1 065 à 1 300 °C). L’injection de chaux ou d’argile a permis d’incinérer en lit fluidisé des boues et/ou des résidus chargés en sels minéraux. L’injection de chaux provoque la formation de dévitrite fondant à 1 285 °C ou d’acmite fondant à 960 °C en présence d’oxyde de fer (Fe₂O₃), tandis que celle de kaolin provoque la formation d’albite ou de néphéline fondant respectivement à 1 100 ou 1 070 °C.
Na₂O·3SiO₂ + Al₂O₃ + 3 SiO₂ → Na₂O·Al₂O₃·6SiO₂, albite
Récupération d’énergie
Suivant les produits à incinérer et en fonction de leur pouvoir calorifique, il peut être intéressant de réaliser une récupération d’énergie pour minimiser l’appoint de combustible, ou pour rendre le système autothermique, ou encore pour produire de la vapeur dans le cas de résidus surcombustibles.
Résidus à pouvoir calorifique faible ou moyen
Deux types de configurations sont envisageables, en boîte à vent froid ou en boîte à vent chaud.
L’utilisation de la boîte à vent chaud est réservée à des fours dont l’arche autoportante ne dépasse pas 8 m de diamètre environ. La boîte à vent froid permet la réalisation de fours de grands diamètres (15 m et plus), la plaque métallique étant alors supportée par des poutres fixées dans la boîte à vent froid, et donc à l’abri des contraintes thermiques. La configuration en boîte à vent froid est choisie dans le cas de produits secs ou préséchés en utilisant la vapeur obtenue par récupération d’énergie sur les gaz de combustion (figure 5).
On utilise la boîte à vent chaud pour des produits dont le taux de matières sèches après déshydratation est suffisamment élevé pour réduire la consommation d’énergie, ou permettre une combustion sans apport d’énergie (cas de boues à 26 % M.S. en général) ou pour éviter l’installation d’un sécheur.
Le choix entre ces solutions est dicté par le coût du combustible d’appoint (surinvestissement de 15 % dû au sécheur pour un gain en énergie de 25 %). Comparée à une incinération directe, la solution avec sécheur est autothermique pour des boues plus humides, l’écart relatif se situant aux environs de 10 %. Si l’on rapporte le pouvoir calorifique spécifique des boues à leur teneur en eau, on pourra obtenir un fonctionnement autothermique pour des boues présentant un pouvoir calorifique de l’ordre de 2 500 à 2 900 kJ/kg (600 à 700 kcal/kg), valeur à comparer avec 4 200 à 5 200 kJ/kg (1 000 à 1 250 kcal/kg) nécessaires pour une incinération
d’augmenter le débit d’air de combustion/fluidisation afin de maintenir, à l’intérieur de l’incinérateur, une température ne présentant pas les risques de fusion d’eutectiques, comme expliqué plus haut.
Le séchage peut également être réalisé dans une installation à contact directe où l’air de combustion est préchauffé. L’évaporation dans l’incinérateur étant réduite, la consommation thermique est également réduite. La consommation électrique du sécheur n’est cependant pas négligeable (30 à 70 kWh/t d’eau évaporée).
Il faut souligner que la différence de consommation énergétique entre les deux systèmes dépend du type du sécheur et en particulier du taux d’incondensables contenus dans la vapeur extraite du sécheur, ces derniers recyclés dans l’incinérateur, augmentant la teneur en eau du gaz de combustion. On notera que l’exploitation d’un sécheur est délicate car il est nécessaire de piloter le taux de matières sèches à la sortie de l’appareil pour éviter tout risque d’inflammation ou de prise en masse.
Résidus à fort pouvoir calorifique
On utilise alors la boîte à vent froid (figure 6). L’excès de chaleur est éliminé soit par pulvérisation d’eau soit par fabrication de vapeur au moyen d’un échangeur installé dans le lit (chaudière à lit fluidisé), ce qui évite de surdimensionner les équipements de récupération de chaleur qui sont calculés sur le débit volumique des gaz. En l’absence de système de récupération, il est en effet nécessaire d’augmenter le débit d’air de combustion/fluidisation afin de maintenir, à l’intérieur de l’incinérateur, une température ne présentant pas les risques de fusion d’eutectiques, comme expliqué plus haut.
Technologies, points particuliers
Les équipements de récupération de chaleur doivent être conçus avec grand soin car ils sont le garant d’un bon fonctionnement du four. On doit prêter attention au risque de fusion des cendres sur les tubes d’échange (ce qui peut entraîner des bouchages) et tenir compte des sels à faible point de fusion. Les possibilités de corrosion sont à prendre en considération ; celles-ci sont de deux types :
- corrosion à haute température en phase liquide due à la présence de sels fondus alcalins (chlorures métalliques et leurs eutectiques) qui, en se déposant, attaquent le métal ;
- corrosion à basse température due aux acides chlorhydrique, bromhydrique, sulfurique (HCl, HBr, H₂SO₄) par condensation sous le point de rosée (tableau II).
Dans le cas des boues, le conditionnement avant incinérateur influe également sur le choix des équipements : les chlorures amenés par un traitement au chlorure ferrique (FeCl₃) ou la présence d’eau de mer entraînent en effet des corrosions acides et le traitement à la chaux ou son injection dans le four pour désulfurer risquent d’aggraver les dépôts sur les tubes.
Les équipements doivent également être protégés contre les dilatations et les vibrations du four et il faut prévoir des joints de dilatation sur la gaine d’entrée et/ou sur les tubes d’échange.
La teneur en chlorures conditionne le choix de l’alliage : si le taux est important, il faut retenir des métaux du type Carpenter 20, Hastelloy 800 ou 625. Ce n’est que dans le cas où la teneur en chlorure est inférieure à 100 ppm qu’un acier inoxydable traditionnel du type AISI 304 peut être utilisé.
Dans le choix d’une chaudière, on préférera le type à tubes d’eau de préférence à celui à tubes de fumées qui peuvent être bloqués par des dépôts, le gaz de combustion ayant en effet une teneur en cendres de l’ordre de 20 à 30 g/Nm³ dans le cas de boues. Une chaudière dont les tubes d’eau sont convenablement espacés a pour avantage d’être facilement nettoyable par balayage ou raclage.
Traitement des fumées, émissions
Le traitement des fumées forme une partie importante d’une unité d’incinération en lit fluidisé. Le choix entre les diverses solutions (voie humide, mixte, semi-humide) dépend d’une part des normes de rejets et d’autre part du coût de la mise en décharge des cendres.
Nature des émissions polluantes
Les polluants à éliminer (tableau III) sont de deux sortes :
- les cendres résultant de la combustion, l’acide chlorhydrique et l’anhydride sulfureux (HCl et SO₂) ;
- les métaux lourds sous forme gazeuse et particulaire, qui sont les plus difficiles à traiter.
Des tests conduits aux USA à des températures comprises entre 700 et 950 °C ont montré que les émissions de métaux lourds augmentent avec la température. La taille des particules a tendance à diminuer (< 10 µm) et l’on a constaté des accroissements exponentiels pour le plomb et le cadmium et un triplement des rejets d’arsenic. Ces élévations de teneur en polluants seraient dues à des phénomènes de vaporisation suivis de déposition hétérogène autour d’un nucleus homogène. De plus la faible granulométrie des particules rejetées les rend plus difficiles à capter.
Tout en obtenant un taux de destruction équivalent, un lit fluidisé peut fonctionner à une température inférieure de 100 à 200 °C à celle requise pour les autres types de fours. Les gaz de sortie d’un incinérateur contiennent donc un taux de polluants inférieur à celui des gaz provenant des autres systèmes. Cela s’explique par l’homogénéité thermique du four induite par la turbulence du lit ; aussi n’y a-t-il pas apparition d’oxydes d’azote (NOx) thermiques. Les teneurs mesurées sur les unités construites sont toutes inférieures à 50 ppm : il n’est donc pas nécessaire de procéder à un traitement spécifique.
On notera l’influence du conditionnement des boues : outre l’augmentation du taux de chlorures liée à l’addition de chlorure ferrique (FeCl₃), on a constaté, dans le cas d’un traitement à la chaux, une aggravation des émissions en chrome hexavalent fortement cancérigène.
Traitement par voie humide
C’est avec ce procédé (figures 1 et 2) que l’investissement est le plus faible, mais les cendres sont récupérées en phase humide (10 à 50 g/l en pied de laveur), ce qui impose une unité de traitement des eaux avant leur rejet ou leur retour en tête de station. Les cendres humides étant difficiles à des—
Tableau I
Points de fusion (d'après J. Ward).
| COMPOSITION FRACTION MOLAIRE | POINT DE FUSION °C | REMARQUE |
|---|---|---|
| P2O5 | 569 | |
| 0,5 NaCl - 0,26 Na2 SO4 - 0,24 Na2 CO3 | 612 | Eutectique tertiaire |
| 0,65 Na2 SO4 - 0,35 NaCl | 623 | Eutectique binaire |
| 0,62 Na2 CO3 - 0,38 NaCl | 633 | Eutectique binaire |
| NaCl | 801 | |
| Na2 SO4 | 884 | |
| Cu2O | 1 236 | |
| Fe2 O3 | 1 462 | Décomposition |
Tableau II
Composition type du gaz de combustion à la sortie de l'incinérateur de boues.
| COMPOSANTS | % VOLUME |
|---|---|
| N2 | 45-55 |
| O2 | 4-6 |
| CO2 | 6-10 |
| H2O | 35-50 |
| SO2 | 0-1 000 ppm |
| HCl | 0-1 000 ppm |
| Point de rosée acide | 50-100 °C |
| Cendres | 15-30 g/Nm3 |
Tableau III
Valeurs-types d'émissions à la sortie de l'incinérateur avant traitement des gaz.
| POLLUANTS | mg/m3 |
|---|---|
| poussières | 5 000 – 10 000 |
| HCl | 0 – 1 000 ppm V |
| SO2 | 200 – 1 000 ppm V |
| Métaux lourds | |
| As | 5 – 10 |
| Be | 10 · 10-3 |
| Cd | 0,5 |
| Cr | 2 |
| Cu | 30 – 50 |
| Pb | 5 – 10 |
| Hg | 0,5 – 2 |
| Ni | 1 – 2 |
| Se | 5 – 10 |
| Zn | 80 – 100 |
Tableau IV
Émissions-types, après traitement par voie humide.
| POLLUANTS | ÉMISSIONS |
|---|---|
| poussières | 30 – 50 mg/Nm3 |
| CO | < 10 ppm Vol |
| HCl | < 5 mg/Nm3 |
| SOx | < 50 ppm Vol |
| Métaux lourds | |
| As/Cd/Cr | < 10 µg/Nm3 |
| Cu/Pb/Se | < 30 µg/Nm3 |
| Ni | < 15 µg/m3 |
| Be | < Seuil de détection (0,05 µg/m3) |
| Hg | — |
Il n'est guère possible de dépasser 50 % de matières sèches dans le lisier à hydrater. Il est parfois nécessaire de compléter le système de lavage par un dépoussiéreur humide et de réchauffer les gaz de sortie pour supprimer le panache de la cheminée. On peut atteindre des taux d’abattement d’environ 99,9 % sur les métaux lourds (tableau IV). Cependant, compte tenu de sa tension de vapeur élevée, le mercure n’est pas traité. Pour résoudre ce problème le groupe GEA a conçu un procédé mixte.
Procédé mixte
Mis au point sur une unité-pilote (figure 7), ce procédé a été installé en Allemagne, pays où les normes de rejets sont les plus strictes (stations de Stuttgart, Duisburg…). Les cendres de combustion y sont collectées en l’état (sèches) dans un dépoussiéreur électrostatique après abaissement de la température du gaz à 200 °C. L’acide chlorhydrique et l’anhydride sulfureux sont captés par lavage avec une solution alcaline. Après neutralisation, le liquide est séché et les dioxines traitées dans une installation d’atomisation. Le mercure est présent dans les gaz sous diverses formes : chlorure de mercure et complexes chlorés ou, sous forme élémentaire, en phase vapeur. On obtient ainsi des taux d’abattement de 100 % pour le chlorure de mercure et les complexes chlorés et des rejets à l’atmosphère inférieurs à 100 µg/Nm3.
Sur une unité, la mise en place d’un laveur supplémentaire a permis de garantir des rejets de mercure inférieurs à 50 µg/Nm3. Le gaz est lavé par une solution oxydante et le dosage piloté par mesure du potentiel d’oxydo-réduction. La solution mercurielle est ensuite traitée sur résines échangeuses d’ions.
Tableau V — Émissions-types après traitement par atomiseur-absorbeur.
| POLLUANTS (mg/Nm³) | |
|---|---|
| Poussières | 5 – 10 |
| Gaz acides | |
| HCl | 5 – 15 |
| HF | 0,3 |
| SOx | 20 – 70 |
| Métaux lourds | |
| Cd | 0,01 – 0,03 |
| Hg | 0,03 – 0,1 |
| Dioxines/Furanes | 90 – 99 % d’abattement |
Procédé semi-sec
Mis en œuvre sur plus de 70 unités industrielles, le procédé semi-sec (figure 8) est parfaitement adapté à l’incinération de boues ou de résidus en lit fluidisé. Il combine les avantages des procédés humide et mixte (obtention de cendres sèches et abattement du mercure (tableau V).
Le gaz est admis dans une chambre d’atomisation (figure 9). Une suspension de lait de chaux est pulvérisée dans l’enceinte et réagit avec les gaz acides. Les produits toxiques présents en phase vapeur sont condensés et absorbés sur les particules. Les cendres issues de la combustion et les résidus du traitement sont récupérés sous forme sèche (97 % M.S) à la base de la chambre et/ou du séparateur de fines (filtre à manches ou dépoussiéreur électrostatique).
Une injection d’environ 50 mg/Nm³ de charbon actif dans la gaine de sortie de la chambre améliore les rendements de captation du mercure, des dioxines et des furanes : il est possible d’obtenir des rejets inférieurs à 50 µg/Nm³ pour le mercure et 0,1 ng T.E.Q/Nm³ pour les dioxines. Il serait également possible d’injecter du coke pulvérisé, mais cette solution n’est que peu utilisée car, compte tenu de la plus faible capacité d’adsorption du coke, il est nécessaire, pour arriver au même résultat, d’augmenter les doses injectées à des valeurs supérieures à 100 mg/Nm³ ; de plus, il est souvent recommandé de mélanger le coke à de la chaux (300 mg/Nm³) afin de réduire les risques d’inflammation dus à sa teneur en matières volatiles.
Conclusion
Les températures de fonctionnement, plus basses que celles des incinérateurs traditionnels, entraînent une diminution des émissions polluantes.
BIBLIOGRAPHIE
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[7] Effect of lime and other precipitants on sludge conditioners on conversion of chromium to the hexavalent state when sludge is incinerated. Final report, E.P.A. contract n° 68-03-3346, work assignment n° 05, 1988.
[8] Control of mercury and dioxin emissions from European MSW incinerators by S.D.A. using rotary atomizers. K.S. Felsvang, T. Sander Holm, B. Brow, presentation at AICHE’S 1990, San Diego, 19-22/1990.
[9] U.S. Environmental Protection Agency, Incineration of sewage sludge. Technical support document, Washington D.C., 1989.
[10] Spray Drying Handbook by Keith Masters, 5th Edition – 1991, Longman Scientific and Technical.
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