[0001] La présente invention est relative aux procédés et aux fours de traitement de déchets
incinérables, notamment de faible activité nucléaire. Il s'agit notamment de traiter
les déchets technologiques se produisant lors des interventions d'entretien et de
réparations dans les parties actives d'une installation nucléaire, tels que des gants,
des blouses, des surbottes, des plastiques, tels que des flacons de polyéthylène contenant
des résidus organiques, mais également des déchets de fonctionnement tels que des
résines, des boues organiques, des huiles ou des émulsions. Ces déchets se composent
de substances organiques porteuses de radionucléides.
[0002] On connaît déjà un certain nombre de procédés d'incinération de ce type de déchets.
Ils présentent tous certains inconvénients tels que la nécessité d'un tri préalable
des déchets en fonction de leur pouvoir calorifique inférieur, d'une collecte de cendres
pulvérulentes avec, en aval, des conditionnements peu sûrs et la production d'imbrûlés
dans les fumées nécessitant des post-combustions coûteuses et peu efficaces.
[0003] Au GB-A-2 157 062, on décrit un procédé de traitement de déchets contenant des radionucléides,
qui consiste à charger de la matiére vitreuse dans un four à micro-ondes et à l'y
faire fondre sous atmosphère d'air entre 1100 et 1500°C. Puis on met le four sous
atmosphère de gaz inerte, tout en modifiant le chauffage micro-onde et on y introduit
les déchets à traiter pour les sécher et les distiller. On met ensuite le four sous
atmosphère d'air pour brûler les déchets en modifiant le chauffage micro-onde.On modifie
encore ensuite le débit d'air et de chauffage pour fondre le résidu dans la matière
vitreuse. Au FR-A-2454677, on propose de broyer des déchets radioactifs solides pour
mieux les attaquer par l'acide sulfurique.
[0004] L'invention vise un procédé permettant de réduire les volumes de déchets à conditionner
et de conditionner ces déchets, après gazéification et/ou fusion, sans production
de cendres pulvérulentes ni d'imbrûlés, donc dans des conditions de sécurité très
satisfaisantes, avec une vitesse élevée, tout en ne nécessitant qu'un investissement
réduit et dont le fonctionnement est très simple, sans nécessiter notamment des réglages
répétés du chauffage et de l'atmosphère d'un four, ni des températures très élevées.
[0005] Le procédé suivant l'invention consiste à broyer les déchets à une granulométrie
inférieure à 2 mm, à les entraîner par un gaz porteur dans la partie inférieure d'un
bain à base de silice fondue, à couler le bain dans lequel se trouvent les matières
minérales, dont notamment des radionucléides solides dans le cas de déchets nucléaires,
dans un conteneur et à laisser le bain se solidifier dans le conteneur.
[0006] On effectue, avantageusement, un broyage cryogénique à une température allant de
-120 à -80°C. Le broyage préalable facilite non pas une attaque chimique par un acide,
mais l'opération ultérieure de pyrolyse des substances organiques des déchets et l'opération
physique ultérieure de fusion des matières minérales des déchets dans le bain. Il
contribue, de paire avec la hauteur du bain, à la possibilité de traiter les déchets
d'un coup, sans avoir à modifier l'atmosphère au dessus au bain pour effectuer des
stades successifs distincts de distillation et de combustion. L'entraînement par un
gaz porteur y contribue également, en assurant une répartition uniforme des déchets
dans le bain.
[0007] Les cendres et matières minérales solides nucléaires restent ainsi dans le bain qui
s'enrichit en radionucléides solides et qui, une fois stocké après solidification
dans le conteneur, occupe un volume bien moindre que les déchets de départ. La dégradation
des chaînes organiques par pyrolyse donne des produits à molécules plus simples, ce
qui facilite la gazéification complète en atmosphère de préférence oxydante au-dessus
du bain, les gaz de combustion étant ensuite envoyés et épurés en aval. La pyrolyse
et la gazéification des produits de pyrolyse sont indépendantes des pouvoirs calorifiques
inférieurs des déchets traités, ce qui permet de ne pas pratiquer de tri préalable.
Le volume des déchets organiques porteurs est transformé en un volume de gaz qui peut
être rejeté après épuration, les matières solides résiduelles étant incorporées au
bain en n'augmentant son volume que dans de faibles proportions. La réduction de volume
est très importante et il ne se forme pas de cendres pulvérulentes. La gazéification
complète des produits de pyrolyse à molécules plus simples supprime la présence d'imbrûlés
dans les fumées.
[0008] Pour diminuer la quantité de gaz à traiter en aval du four, il est avantageux que
la pression d'entraînement du gaz porteur soit juste supérieure à la pression correspondant
à la hauteur de la colonne formée par le bain fondu.
[0009] En ne coulant de préférence qu'une partie du bain du conteneur, on maintient en permanence
un bain en température au fond du creuset, ce qui permet un traitement continu, sans
interruption de l'équilibre énergétique.
[0010] Pour être bien sûr que les déchets broyés entraînés dans le bain à base de silice
fondue soient bien pyrolysés et que les matières minérales s'incorporent bien au bain
par fusion, le bain a une hauteur de 5 à 40 cm au-dessus du niveau d'arrivée des déchets,
pour une température du bain de 1000 à 1100°C. Il vaut mieux, de la même façon, que
la masse du bain représente de 0,2 à 6 fois le débit massique horaire des déchets.
Pour maîtriser la composition du bain, on peut ajouter aux déchets des produits minéraux
en une quantité et d'une nature telles que la composition minérale des déchets devienne
sensiblement identique à celle du bain. Celui-ci est constitué en général de 40 à
100 % en poids de SiO₂ et de 0 à 60 % en poids d'autres oxydes métalliques, tels que
des oxydes de métal alcalin et des oxydes de bore servant de fondants.
[0011] On peut ajouter également aux déchets un fondant permettant de fondre les matières
minérales contenues dans les déchets à une température plus basse et de manière que
la composition des matières minérales des déchets devienne identique à celle du bain.
[0012] On introduit de préférence un gaz contenant de l'oxygène au-dessus du bain pour effectuer
la gazéification des produits de la pyrolyse en atmosphère oxydante au-dessus du bain.
Le gaz porteur le plus simple à utiliser est l'air, mais le gaz porteur d'introduction
des déchets dans le bain peut être aussi un gaz neutre, sec ou à forte hygrométrie
ou réducteur ou donnant dans le bain des conditions d'oxydation hypostoechiométriques.
Mais, il n'est pas nécessaire de modifier l'atmosphère au dessus du bain au cours
du procédé.
[0013] L'invention vise également un four de traitement de déchets comprenant un creuset
muni d'un dispositif de chauffage, un conduit d'amenée des déchets débouchant dans
le bas du creuset, un conduit de soutirage d'un bain débouchant dans le creuset à
un niveau supérieur à celui de l'embouchure du conduit d'amenée des déchets, le haut
du creuset communiquant avec une chambre de combustion, laquelle communique, par un
passage chicané vers le haut, délimité dans une voûte, avec une chambre d'évacuation,
un conduit d'amenée d'un gaz contenant de l'oxygène débouchant dans la chambre de
combustion.
[0014] Ce four permet d'effectuer le traitement, suivant l'invention, des déchets contaminés,
le passage chicané permettant au gaz de pyrolyse de séjourner suffisamment longtemps
dans la chambre de combustion pour y être brûlé complètement en empêchant ces gaz
d'aller directement dans le reste de l'installation en aval.
[0015] Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'exemple, la figure unique illustre un
four suivant l'invention dans une installation complète de traitement des déchets,
les diverses vannes et équipements auxiliaires de régulation ayant été omis.
[0016] L'installation comprend une unité de broyage cryogénique, composée d'un concasseur
déchiqueteur 1 et d'un granulateur 2, qui fonctionnent à -120°C. Le déchet broyé est
envoyé, par un conduit 3, à un premier doseur 4. Un deuxième doseur 5 est alimenté
par un conduit 6 provenant d'une source d'additif. Les deux doseurs 4 et 5 débouchent
dans un conduit 7 qui est alimenté d'un côté par une source d'air et qui mène à un
cyclone mélangeur 8. De celui-ci part une canne 9 qui traverse la paroi latérale d'un
four et débouche à proximité du fond 10 de celui-ci. Le four en matériau réfractaire
comporte deux parties distinctes. Un creuset 11, en acier réfractaire en partie basse,
contenant un bain silicieux fondu et muni de moyens de chauffage 12, et une partie
haute, 13, en matériau réfractaire.
[0017] Une canne 14 de coulée passe à travers le fond 10 et débouche dans le creuset à une
hauteur de 400 mm.
[0018] La partie haute 13 comporte une voûte réfractaire 15 munie de passages 16 chicanés
qui subdivisent cette partie haute en une chambre de combustion 17 formée au-dessus
du bain silicieux et en-dessous de la voûte 15 et en une chambre d'évacuation 18,
au-dessus de la voûte 15. La partie haute 13 est munie d'un dispositif de chauffage
19. Dans la chambre 17 débouche une rampe d'air 20. De la chambre 18, un conduit 21
mène à un refroidisseur d'air 22 alimenté en air par un conduit 23 et communiquant
par un conduit 24 avec un neutralisateur chimique 25 qui transforme le chlore en chlorure
soluble et qui fonctionne en circuit fermé, une pompe 26 faisant circuler, par un
conduit 27, une solution de carbonate de métal alcalin ou de soude dans le neutralisateur
25. Un conduit 28 mène de celui-ci à un filtre à très haute efficacité 29. L'efficacité
du filtre est de 99,98 %. Ce filtre est destiné à éliminer les aérosols radioactifs.
Du filtre 29, un conduit 30 mène à un ventilateur 31 et à une cheminée 32.
[0019] Les exemples suivants illustrent l'invention.
Exemple 1
[0020] Dans l'installation représentée à la figure, on traite des déchets de maintenance
et d'entretien des hôpitaux, des laboratoires et d'usines nucléaires composés de matière
plastique, de caoutchouc, de papier, de coton, de tissu. Ces déchets sont contaminés
par des radionucléides à vie courte et de faible activité nucléaire.
[0021] Ces déchets broyés dans le concasseur 1 et le granulateur 2, qui fonctionnent à -120°C,
ont une granulométrie inférieure à 1 mm dans le conduit 3. Le doseur 4 envoie 667
g de déchets/minute dans le conduit 7. Le doseur 5 envoie 19 g de carbonate de sodium/minute
dans le conduit 7.
[0022] Le débit d'air, dans le conduit 7, est de 3 m³ normaux/heure sous pression.
[0023] Le creuset 11 en acier réfractaire a un diamètre de 500 mm et une hauteur de 1000
mm, ce qui correspond à une capacité de 196 litres. Il contient un bain silicieux
fondu composé pour 61 % en poids de SiO₂ et pour 39 % en poids d'un mélange de B₂O₃
et de Na₂O. Le point de fusion est de 900 ± 20°C. La température en fonctionnement
est de 1000 ± 50°C. La hauteur du bain, au début du traitement, est de 400 mm (78
litres correspondant sensiblement à 195 kg). Cette masse constitue le culot liquide
permanent du creuset qui est à une température de 1000°C.
[0024] L'orifice de la canne d'injection 9 des déchets se trouve à 100 mm au-dessus du fond
10.
[0025] Par la rampe 20, on envoie 350 m³ normaux/heure d'air dans la chambre de combustion
17.
[0026] Par le conduit 22, on envoie 2300 m³ normaux d'air/heure à 20°C, ce qui permet de
ramener la température des gaz sortant par le conduit 21 à une température inférieure
à 100°C. La température à la sortie du refroidisseur est d'environ 80°C.
[0027] Les liants et additifs minéraux des déchets sont retenus dans le bain silicieux.
La variation du volume du bain, pour un débit d'introduction de 40 kg/heure de déchets
est de 0,7 litre/heure et on effectue une coulée de ce bain par la canne 14 toutes
les 96 heures pour une unité traitant 40 kgh⁻¹. Le verre se solidifie dans son fût
de réception. Sa composition chimique évolue peu en fonction du temps. L'analyse du
verre coulé, après 8 heures de traitement, donne SiO₂ = 61 % + e, tandis que Na₂O
+ B₂O₃ = 39 % - e.
[0028] Les effluents sortant par la cheminée 32 comprennent 49.000 m³ normaux de CO₂/heure,
52 m³ d'H₂O/heure et 2600 m³ d'air/heure. La pollution de l'environnement est négligeable,
puisque le procédé n'engendre qu'un rejet à 97 % d'air à 20°C. Les contaminants éventuels
sont confinés dans le verre de coulée ou piégés sur le filtre spécifique et la teneur
en HCl reste inférieure à 100 mg/m³ normal.
[0029] Quand on sait que ce type de déchet est actuellement collecté puis compacté et enrobé
de béton dans des conteneurs spécifiques et qu'un fût de 200 litres de capacité ne
contient que 30 kg de déchets, on voit que le procédé suivant l'invention permet de
réduire définitivement les volumes d'un coefficient de 350 environ, tout en permettant
d'avoir un conditionnement peu encombrant ayant une bonne résistance mécanique et
non lixiviable.
Exemple 2
[0030] On traite des flacons de polyéthylène et de verre contenant les scintillateurs et
traceurs de la médecine nucléaire. L'installation est celle décrite à l'exemple 1.
[0031] Le doseur 4 fournit 670 g de déchets/minute au conduit 7. Le doseur 5 fournit 25
g de carbonate de sodium/minute au conduit 7. Par la rampe 20, on envoie 5 m³ normaux/heure
d'air dans la chambre 17. Par le conduit 23 passent 910 m³/heure, à une température
de 20°C. La température, à la sortie du refroidisseur, est de 80°C environ. Dans ce
cas, on supprime de l'installation le neutralisateur 25.
[0032] La composition chimique du bain est de 60 % en poids de SiO₂ et de 40 % en poids
du mélange de B₂O₃ et de Na₂O. Son point de fusion est de 900 ± 20°C. Sa température
en fonctionnement est de 1000 ± 50°C.
[0033] La variation du volume du bain essentiellement produite par les flacons de verre
pour un débit d'introduction de 40 kg de déchets/heure est de 12,5 litres/heure et
on effectue une coulée par la canne 14 toutes les 8 heures (100 litres).
[0034] La composition du verre obtenu évolue peu, en fonction du temps, la composition restant
sensiblement identique à la composition initiale.
[0035] Les effluents gazeux sortant par la cheminée sont de 16 m³ normaux de CO₂/heure,
16 m³ d'H₂O/heure et 1000 m³ normaux d'air/heure. Le procédé n'engendre qu'un rejet
à 97 % d'air et à 20°C. Les contaminants éventuels sont confinés dans le verre coulé
ou piégés sur le filtre.
[0036] Actuellement, ces flacons sont broyés grossièrement pour récupérer les résidus de
scintillation, puis compactés et enrobés de béton dans des conteneurs spécifiques.
Un fût de 200 litres de ces déchets mélangés ne contient que 30 kg de verre. Le procédé
permet de réduire les volumes d'un coefficient de 16 et donne un conditionnement peu
encombrant, non lixiviable et de bonne résistance mécanique.
Exemple 3
[0037] On traite des déchets de l'industrie chimique composés essentiellement de mercure
phényle.
[0038] L'installation est essentiellement celle utilisée à la figure 1.
[0039] Le doseur 4 fournit 167 g de déchets/minute au conduit 7. Le doseur 5 envoie 22 g
d'un mélange de carbonate de métal alcalin et de silice/minute au conduit 7. On envoie
3 m³/heure d'air sous pression dans le conduit 7.
[0040] Par la rampe 20, on envoie 60 m³ normaux/heure d'air à la chambre 17.
[0041] Par le conduit 23, on envoie 700 m³ normaux d'air à 20°C/heure. La température, à
la sortie du refroidisseur 22, est de 80°C environ.
[0042] Le neutralisateur chimique transforme HgO en des sels solubles.
[0043] Le bain contient 60 % en poids de SiO₂ et 40 % en poids de Na₂O. Son point de fusion
est de 900 ± 20°C. Sa température de fonctionnement est de 1000 ± 50°C.
[0044] L'analyse du bain coulé, après 8 heures de traitement, donne SiO₂ = 60 % ± e et Na₂O
= 40 % ± e.
[0045] La variation du volume du bain, pour un débit d'introduction de 10 kg de déchets/heure,
est de 3,2 litres/heure.
[0046] Les effluents gazeux comprennent 11 m³ normaux de CO₂/heure, 4 m³ normaux d'H₂O/heure
et 700 m³ d'air/heure. Le procédé n'engendre qu'un rejet à 98, 5 % en poids d'air
et à 20°C ( la teneur en Hg est inférieure à 0,3 mg.m³ normal.
1. Procédé de traitement de déchets incinérables, notamment de faible activité nucléaire,
comprenant des substances organiques et des matières minérales parmi lesquelles figurent
des radionucléides, caractérisé en ce qu'il consiste à broyer les déchets à une granulométrie
inférieure à 2 mm, à entraîner par un gaz porteur les déchets broyés dans la partie
inférieure d'un bain à base de silice fondue, à couler le bain dans lequel se trouvent
les matières minérales, dont notamment des radionucléides solides dans le cas de déchets
nucléaires, dans un conteneur et à laisser le bain se solidifier dans le conteneur.
2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la pression d'entrainement
du gaz porteur est juste supérieure à la pression correspondant à la hauteur de la
colonne formée par le bain fondu.
3. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à ne couler
qu'une partie du bain dans le conteneur.
4. Procédé suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le bain a une
hauteur de 5 à 40 cm au-dessus du niveau d'arrivée des déchets, pour une température
du bain de 1000 à 1100°C.
5. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la masse
du bain représente de 0,2 à 6 fois le débit massique horaire des déchets.
6. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste
à ajouter aux déchets des produits minéraux, en une quantité et d'une nature telles
que la composition minérale des déchets devienne sensiblement identique à celle du
bain.
7. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste
à ajouter aux déchets un fondant diminuant le point de fusion du bain.
8. Procédé suivant l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste
à introduire un gaz contenant de l'oxygène au-dessus du bain.
9. Four de traitement de déchets, caractérisé en ce qu'il comprend un creuset (11) muni
d'un dispositif de chauffage (12), un conduit d'amenée (9) des déchets débouchant
dans le bas du creuset (11), un conduit de soutirage (14) d'un bain débouchant dans
le creuset (11) à un niveau supérieur à celui de l'embouchure du conduit d'amenée
(9) des déchets, le haut du creuset (11) communiquant avec une chambre de combustion
(17), laquelle communique, par un passage chicané délimité dans une voûte (15), vers
le haut avec une chambre d'évacuation (18), un conduit d'amenée (20) contenant de
l'oxygène débouchant dans la chambre de combustion (17).
10. Four suivant la revendication 9, caractérisé en ce que la chambre de combustion (17)
est munie d'un dispositif de chauffage (19).