L'invention concerne l'épuration de fumées issues de l'incinération de déchets faiblement radioactifs, notamment mais non exclusivement le traitement de fumées provenant d'un incinérateur à fusion et vitrification des déchets, tels que des déchets générés par l'industrie nucléaire, les hôpitaux ou les universités.
L'incinération de déchets faiblement radioactifs produit des fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides tels que des halogénures d'hydrogène, des particules solides dont certaines sont solubles, et des métaux lourds radioactifs, qu'il convient d'extraire des fumées avant le rejet de ces dernières dans l'atmosphère.
Un traitement connu des fumées consiste à les refroidir au moyen d'un récupérateur de chaleur à une température compatible avec leur passage dans un filtre apte à retenir les particules solides, et à traiter ensuite les fumées dépoussiérées dans une installation de lavage des gaz pour extraire les polluants acides et une partie des métaux lourds gazeux, avant le rejet des fumées dans l'atmosphère. Les fumées issues des incinérateurs à fusion et vitrification des déchets présentent une température élevée, pouvant atteindre 1250°C, et le récupérateur de chaleur doit être conçu spécialement et réalisé dans des matériaux résistant à la température et à la corrosion, donc coûteux. On a proposé pour pallier à cet inconvénient de refroidir les fumées par effet de dilution en injectant de l'air dans celles-ci, mais cette solution présente l'inconvénient d'augmenter la quantité des gaz à traiter. Par ailleurs, le refroidissement des fumées, avant l'envoi dans les filtres, provoque une adsorption des métaux lourds radioactifs sur les particules solides qui exigent alors, une fois extraites des fumées, des précautions particulières pour leur conditionnement et leur manutention. Les installations connues produisent ainsi un volume important de résidus solides radioactifs dont la manutention et le stockage sont coûteux. En outre, les particules solides ayant adsorbé les métaux lourds particulaires radioactifs contaminent toutes les installations situées en amont du filtre, tandis que les métaux lourds gazeux radioactifs contaminent les équipements de lavage des gaz, et ces installations constituent alors, en cas de remplacement, des sources de radioactivité exigeant des précautions particulières, lors de leur démontage, de leur transport et de leur élimination.
La publication FR-A-2 408 196 décrit un procédé de traitement de déchets qui comprend, entre autres étapes, une étape de refroidissement et de condensation de particules contenues dans ces fumées, les particules humides étant séparées par passage sur un tamis et les fumées étant ensuite réchauffées et filtrées.
La présente invention vise à réduire le coût du traitement des fumées, à augmenter les performances de celui-ci en minimisant la teneur résiduelle en polluants des fumées épurées, et elle y parvient grâce à une installation caractérisée en ce qu'elle comporte :
Les particules solides véhiculées par les fumées sont ainsi récupérées par le filtre après que les fumées aient été débarrassées des métaux lourds radioactifs, de sorte que ces particules solides, non ou peu radioactives, n'exigent pas de précautions particulières pour leur manutention et peuvent être renvoyées vers l'incinérateur pour être fondues et vitrifiées. La cristallisation de sels de condensats neutralisés et traités permet de supprimer tout rejet liquide en produisant des sels susceptibles d'être valorisés industriellement et de l'eau à recycler dans le circuit des fumées. Les déchets ultimes résultant du traitement des fumées sont ainsi limités au précipitat, et la manutention et le stockage de ces déchets ultimes sont ainsi facilités par rapport aux installations connues qui produisent un plus grand volume de déchets. En outre, le nombre des équipements contaminés par les fumées est moindre que celui des installations connues car les métaux lourds radioactifs sont éliminés dans le refroidisseur-condenseur, c'est-à-dire le premier maillon du traitement.
L'invention a ainsi pour objet un procédé d'épuration de fumées issues d'un incinérateur de déchets faiblement radioactifs, ces fumées contenant de la vapeur d'eau, des polluants acides, des particules solides et des métaux lourds radioactifs, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à refroidir les fumées dans un refroidisseur-condenseur en dessous de leur point de rosée pour capter les métaux lourds radioactifs dans les condensats en même temps que les polluants acides et que des particules solides solubles contenues dans les fumées, à réchauffer les fumées issues du refroidisseur-condenseur de manière à éviter le rejet d'effluent liquide par l'installation, puis à envoyer les fumées dans un filtre apte à récupérer les particules solides avant de rejeter les fumées épurées dans l'atmosphère, les condensats étant traités pour précipiter les métaux lourds radioactifs et récupérer une solution aqueuse qui est envoyée vers une unité de cristallisation, afin de récupérer des sels et de l'eau à recycler dans l'installation.
Dans une mise en oeuvre de l'invention, le refroidissement des fumées s'effectue par contact avec une solution aqueuse dispersée dans une enceinte de refroidissement jusqu'à une température proche de leur température de rosée, puis par contact avec un échangeur de chaleur à condensation jusqu'à une température inférieure à leur température de rosée.
En variante, le refroidissement des fumées s'effectue par contact avec une solution aqueuse dispersée dans une enceinte de refroidissement jusqu'à une température proche de leur température de rosée puis par contact direct des fumées avec une solution aqueuse dispersée dans une colonne à pulvérisation, cette solution aqueuse étant maintenue, grâce à un échangeur de chaleur, à une température inférieure à ladite température de rosée des fumées, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées par condensation par mélange en même temps que la captation des polluants acides et de particules solubles contenues dans les fumées.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention, et à l'examen du dessin annexé sur lequel:
L'installation représentée sur la figure 1 est destinée au traitement d'un flux 1 de fumées issues d'un incinérateur 3 de déchets faiblement radioactifs, par exemple des déchets générés par l'industrie nucléaire, les hôpitaux ou les universités. Cet incinérateur 3 est de préférence du type comprenant une poche de fusion des déchets sous l'action d'une torche à plasma ou d'un électrobrûleur, en vue de leur vitrification. Les fumées à traiter véhiculent des particules solides et des métaux lourds radioactifs. Elles renferment de la vapeur d'eau formée durant la combustion des déchets et des polluants acides tels que des halogénures d'hydrogène et des polluants organiques. La température des fumées est élevée, pouvant atteindre 1250°C.
Le flux 1 de fumées est envoyé dans un refroidisseur-condenseur comprenant une enceinte de refroidissement 6 dans laquelle est pulvérisée une solution aqueuse pour refroidir rapidement les fumées à une température proche de leur température de rosée. Après traversée de l'enceinte de refroidissement 6, les fumées sont envoyées dans un condenseur 100 où elles sont refroidies à une température inférieure à leur température de rosée, de sorte que les métaux lourds radioactifs sont extraits des fumées lors de la condensation de la vapeur d'eau contenue dans ces dernières, en même temps que la captation des polluants acides et de particules solides solubles véhiculées par les fumées.
Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le condenseur 100 est un condenseur du type condenseur par surface, comprenant un échangeur de chaleur 106 apte à réaliser un échange de chaleur entre les fumées et un fluide réfrigérant quittant en 101 une installation de réfrigération 102 pour alimenter l'échangeur 106 à une température inférieure à la température de rosée des fumées, et retournant ensuite en 103 à l'installation de réfrigération 102. Les produits de condensation qui se forment au contact de l'échangeur 106 sont envoyés par un circuit 104 dans l'enceinte de refroidissement 6 au contact des fumées traversant cette dernière, pour diminuer brutalement leur température, c'est-à-dire réaliser une trempe, jusqu'à une température proche de leur température de rosée. Lors de cette trempe, les métaux lourds ne s'adsorbent pas sur les particules solides transportées par les fumées. Le circuit 104 comporte avantageusement un clarificateur permettant de recueillir en 108 des particules solides qui sont, de préférence, renvoyées vers l'incinérateur pour y être fondues et vitrifiées.
Un circuit de purge 105 est prévu pour soutirer les produits de condensation lorsque la concentration en métaux lourds radioactifs ou autres polluants est élevée, afin de les envoyer vers une unité de traitement 30, recevant en 31, par l'intermédiaire d'une vanne 32, des réactifs 33, par exemple de la soude, des floculants et insolubilisants, destinés à précipiter les métaux lourds radioactifs. Le précipitat est extrait par filtration pour récupérer des gâteaux de filtration irradiés en 34. La solution aqueuse débarrassée du précipitat contient des sels formés lors de la neutralisation des polluants acides et des particules solubles dissoutes dans les condensats. Cette solution aqueuse est dirigée en 35 vers une unité de cristallisation des sels 36, permettant de récupérer en 37 de l'eau, envoyée dans un réseau de distribution 38 pour être recyclée dans l'installation 2. On récupère par ailleurs des sels cristallisés 41 susceptibles d'être valorisés industriellement. Les gâteaux de filtration 34 sont conditionnés en vue de leur stockage en 43. L'unité de cristallisation comporte avantageusement deux étages, le premier étant constitué par un concentrateur à circulation forcée et le second par un évaporateur-cristallisateur.
Les fumées quittant épurées le condenseur 100 passent au travers d'un réchauffeur 300, dans l'exemple décrit un réchauffeur comprenant un brûleur 301 au propane, pour être portées à une température telle que, d'une part, les particules solides qu'elles véhiculent sont séchées et pour absorber, d'autre part, l'eau produite lors de la cristallisation des sels, qui est réinjectée dans l'enceinte 6 par une alimentation 22 reliée au réseau 38 ; ainsi l'installation 2 ne rejette aucun effluent liquide.
A leur sortie du réchauffeur 300, les fumées passent avantageusement au travers d'un échangeur de chaleur 400 puis sont envoyées dans un filtre 200. L'échangeur de chaleur 400 est apte à réaliser un échange de chaleur entre les fumées chaudes quittant en 302 le réchauffeur 300 et les fumées épurées ayant traversé le filtre 200, avant le rejet dans l'atmosphère de ces dernières. Cet échangeur de chaleur 400 permet d'une part d'éviter des fluctuations de température risquant d'endommager le filtre 200 situé en aval du réchauffeur 300 et d'autre part permet d'éviter la formation d'un panache blanc lors du rejet, par une cheminée, des fumées épurées dans l'atmosphère.
Le filtre 200, adapté à retenir les particules solides véhiculées dans les fumées, est un filtre absolu, par exemple un filtre de très haute efficacité à deux étages. Les particules solides, quasi exemptes de métaux lourds radioactifs, retenues par le filtre 200 sont récupérées en 201 et sont avantageusement renvoyées dans l'incinérateur 3 pour être fondues et vitrifiées. Grâce au réchauffeur 300, les particules solides qui atteignent le filtre 200 ne sont plus humides, ce qui permet d'éviter le colmatage de ce dernier. A leur sortie du filtre 200, les fumées épurées sont de préférence envoyées dans une unité de désulfuration 500 recevant en 501 de l'eau recyclée provenant du réseau de distribution 38, et en 502 des additifs basiques, par exemple de la soude, de façon connue en soi, pour former une solution de lavage basique. Les fumées épurées quittent en 503 l'unité de désulfuration 500 vers l'échangeur 400 pour être rejetées par un ventilateur 505 dans l'atmosphère après traversée de celui-ci tandis qu'une purge de déconcentration de la solution de lavage basique est acheminée en 504 vers l'unité de traitement 30.
Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, le condenseur 100 comporte d'un échangeur de chaleur 106 apte à refroidir par le contact avec la surface de ce dernier les fumées. En variante, comme représenté sur les figures 2 et 3, on utilise avantageusement, notamment quand les fumées à traiter véhiculent davantage de particules solides, un condenseur par mélange comprenant une colonne à pulvérisation 7 dans laquelle les fumées sont envoyées au contact direct d'une solution aqueuse dispersée, dont la température est maintenue inférieure à la température de rosée des fumées, de sorte que les métaux lourds sont extraits des fumées par condensation par mélange, en même temps que la captation des polluants acides et de particules solides solubles contenues dans les fumées.
Une solution aqueuse 8 provenant initialement du réseau de distribution 38 et dont la température est maintenue inférieure à la température de rosée des fumées est pulvérisée dans la colonne 7 à contre-courant des fumées. Plus précisément, la solution aqueuse 8 est pulvérisée au moyen de buses 9 disposées de façon étagée pour créer des nappes de liquide dans la colonne 7, de façon connue en soi. Les fumées traversent successivement les nappes de solution aqueuse pulvérisée et la vapeur d'eau qu'elles contiennent se condense au contact des fines gouttelettes de solution aqueuse 8, avec absorption des polluants acides. La quasi totalité des métaux lourds radioactifs est ainsi captée dans les condensats acides formés. L'élimination des métaux lourds radioactifs est facilitée par l'acidité de la solution aqueuse, due à la dissolution dans celle-ci des gaz acides contenus dans les fumées.
Les buses 9 sont alimentées par un circuit d'alimentation 12 comprenant une pompe 11 pour prélever en 10 la solution aqueuse à la base de la colonne 7 et un échangeur de chaleur 13 situé en aval de la pompe 11. Des vannes 14 sont placées en série avec les buses 9 de manière à régler le débit de chacune d'elles à la valeur souhaitée.
L'échangeur de chaleur 13 est adapté à réaliser un échange de chaleur entre la solution aqueuse circulant dans le circuit d'alimentation 12 et de l'eau d'un circuit secondaire 15 de refroidissement, dont la température est bien entendu inférieure à la température souhaitée pour la solution aqueuse à pulvériser. La colonne 7 est équipée, de façon connue en soi, à sa partie supérieure, d'un dévésiculeur 20 destiné à retenir les gouttelettes de liquide entraînées par les fumées quittant celle-ci en 21. Ce dévésiculeur 20 est nettoyé, lorsque la perte de charge à sa traversée est supérieure à un seuil donné, par précipitation d'eau au moyen d'une buse 41, reliée par l'intermédiaire d'une vanne 42, au réseau de distribution 38.
L'enceinte de refroidissement 6 permet l'emploi, pour la construction de la colonne 7, d'un matériau de tenue à la température moindre que celle exigée pour l'enceinte 6, soumise à des fumées de température plus élevée. Le coût global de l'installation est ainsi réduit. Une solution aqueuse est pulvérisée dans l'enceinte 6 au moyen d'une ou plusieurs buses 16. De préférence, comme représenté, ces buses 16 sont alimentées par un circuit 29 comprenant une pompe 17 pour prélever la solution aqueuse 8 de la colonne 7 au fond de celle-ci en 18, en un point situé au plus bas de la colonne 7, en deçà du niveau du point de prélèvement 10 précité, de manière à entraîner les résidus solides accumulés au fond de la colonne 7. Un clarificateur 45 est placé en amont de la pompe 17 pour récupérer ces résidus solides en 46, qui sont renvoyés vers l'incinérateur 3 pour y être fondus et vitrifiés. Les fumées refroidies quittent en 19 l'enceinte 6, avec la solution pulvérisée par les buses 16, pour déboucher tangentiellement dans la colonne 7 sous les buses 9.
La solution aqueuse 8 circule pour sa majeure partie en circuit fermé. Toutefois, un circuit de purge 23 permet d'effectuer par surverse des soutirages lorsque la concentration de celle-ci en métaux lourds radioactifs ou autres polluants extraits des fumées est élevée, et l'alimentation en eau recyclée 22 permet de secourir le cas échéant l'alimentation des buses 16. Cette alimentation 22, reliée d'un côté au réseau de distribution 38, se raccorde de l'autre, par l'intermédiaire d'une vanne 24, en un point 25 situé sur le circuit 23 en amont des buses 16 et isolé de la pompe 17 par un clapet anti-retour 26. Le circuit de purge 23, débouchant dans la colonne 7 au-dessus du niveau des points de prélèvement 10 et 18, permet d'effectuer des soutirages des polluants acides et des métaux lourds extraits des fumées, ainsi que le cas échéant des hydrocarbures et des matières en suspension. La buse 41 est alimentée en eau recyclée provenant du réseau d'alimentation 38 pour compenser les pertes en solution aqueuse dans la colonne 7, notamment dans le cas où les quantités soutirées sont supérieures à la quantité de vapeur d'eau, contenue dans les fumées, qui est condensée. Le fond de la colonne, pentu, est équipé d'une rampe 27, alimentée par l'intermédiaire d'une vanne 28 en air comprimé de faible pression pour agiter la solution aqueuse 8 avant le démarrage de l'installation.
Avantageusement, du fait de la basse température humide des fumées entrant dans l'unité de désulfuration 500, on obtient un bon rendement de désulfuration et une teneur résiduelle en SO2 extrêmement faible, de l'ordre de quelques ppm.
Finalement, l'invention permet d'éliminer d'une façon efficace les polluants acides, les particules solides et les métaux lourds radioactifs en minimisant la quantité de résidus solides radioactifs résultant du traitement des fumées. Bien entendu, on peut par exemple, sans sortir du cadre de la présente invention, réaliser le refroidisseur-condenseur intégralement dans la colonne 7, le premier étage de celle-ci jouant alors le même rôle que l'enceinte de refroidissement 6. On peut aussi insérer l'unité de désulfuration dans la partie haute de la colonne de pulvérisation 7, alors équipée d'un plateau de séparation des fumées et d'une solution de lavage basique. La colonne de pulvérisation 7 à contre-courant peut être remplacée par une colonne de pulvérisation à co-courant.
L'installation selon l'invention réduit en outre avantageusement les risques de transfert de pollution en évitant le rejet d'effluent liquide, grâce à l'unité de cristallisation 36 qui permet de récupérer de l'eau à recycler et au réchauffeur 300 qui permet d'éliminer les excès d'eau, sous forme de vapeur, dans l'atmosphère.
Le refroidissement rapide des fumées dans l'enceinte de refroidissement 6 permet d'éviter l'adsorption des métaux lourds radioactifs sur les particules solides et la formation de polluants organiques tels que des dioxines ou des furannes.
L'installation présente en outre un rendement élevé pour la captation des polluants tels que le mercure gazeux, du fait de la basse température de sortie des fumées du condenseur-refroidisseur, typiquement de l'ordre de 30°C.