[0001] Le domaine de l'invention est celui des traitements thermiques en lit fluidisé et
chauffé. L'invention s'applique particulièrement au décapage des pièces métalliques
à haute température, dégageant des effluents gazeux chargés de composés organiques
volatils, qu'il est généralement nécessaire de détruire avant de rejeter à l'atmosphère.
L'invention concerne également une installation utilisant ce procédé.
[0002] Pour le décapage de pièces métalliques sur lesquelles se trouvent divers produits
organiques, plusieurs procédés sont actuellement employés. On utilise le décapage
chimique, le jet d'eau sous haute pression, la cryogénie et le brûlage à la flamme.
On utilise également le décapage thermique, et en particulier un nettoyage en lit
fluidisé. En effet, ce dernier procédé résout beaucoup de problèmes, tant sur le plan
du rendement que sur celui de la manipulation. Dans un tel procédé, l'élément de nettoyage
proprement dit du four est constitué par un bain chaud fluidisé d'alumine en poudre,
dans lequel sont plongées les pièces métalliques à nettoyer. L'alumine transmet aux
pièces la chaleur engendrée par le moyen de chauffage, la température élevée et l'oxygène
de l'air oxydent les dépôts évacués ensuite sous forme gazeuse.
[0003] Les gaz résiduels de cette opération sont, soit évacués directement, soit conduits
dans un four de post-combustion, ce qui évite toute pollution de l'air ambiant extérieur.
En effet, les règlementations actuelles imposent d'importantes réductions quant aux
émissions de composés organiques volatils polluants. A cet effet, les gaz résiduels
ou effluents gazeux sont incinérés à haute température par une post-combustion. L'énergie
nécessaire à ce traitement est en partie obtenue à partir du produit lui-même, l'énergie
d'appoint étant du gaz ou de l'électricité.
[0004] Dans ce type d'installations thermiques, on cherche constamment à améliorer le rendement
et à minimiser l'énergie d'apport nécessaire au fonctionnement de ces installations,
ce qui est le but de la présente invention.
[0005] A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de décapage
thermique de produits organiques sur des pièces métalliques et de traitement des effluents
par post-combustion électrique. Le procédé consiste à :
- gazéifier les produits organiques à basse température en lit fluidisé ; et
- incinérer les effluents gazeux par post-combustion à haute température dans une enceinte.
[0006] Selon l'invention, l'enceinte de post-combustion est placée dans le lit fluidisé
pour transmettre une partie de l'énergie de la post-combustion des effluents gazeux
au lit fluidisé.
[0007] De préférence, cette post-combustion est obtenue par passage des effluents gazeux
sur des résistances électriques placées dans l'enceinte de post-combustion.
[0008] Dans la plupart des réalisations prévues, les gaz chauds, issus de la post-combustion,
sont utilisés pour préchauffer les effluents gazeux à incinérer au moyen d'un échangeur
thermique à haute température, et pour préchauffer l'air de fluidisation du lit fluidisé
à l'aide d'un échangeur thermique à basse température.
[0009] L'échangeur thermique à haute température peut se trouver dans le lit fluidisé, à
l'entrée et à la sortie de l'enceinte de post-combustion.
[0010] Dans les réalisations à envisager, la post-combustion peut être régulée de différentes
manières. Une première consiste à régler le débit de fluidisation du lit fluidisé.
Une deuxième consiste à régler la puissance électrique mise en jeu dans l'enceinte
de post-combustion.
[0011] Un deuxième objet principal de l'invention est une installation pour la mise en oeuvre
du procédé qui vient d'être résumé et qui comprend un moufle à l'intérieur duquel
se trouve le lit fluidisé et des moyens supports des pièces à décaper.
[0012] Selon l'invention, il comprend :
- un premier échangeur thermique à haute température, connecté d'une part à une sortie
du lit fluidisé et à une entrée de l'enceinte de post-combustion, pour recevoir et
chauffer les effluents gazeux à incinérer, et connecté d'autre part à une sortie de
l'enceinte de post-combustion pour récupérer une partie des calories issues de la
post-combustion.
[0013] L'installation peut se compléter d'un deuxième échangeur thermique à basse température,
connecté d'une part à une sortie du premier échangeur thermique à haute température,
pour récupérer une partie des calories issues de la post-combustion et connecté d'autre
part, à une arrivée d'air de fluidisation et à une entrée du lit fluidisé pour préchauffer
l'air de fluidisation.
[0014] D'autres procédés et installations de traitements thermiques, utilisant un lit fluidisé,
possèdent des moyens de chauffage de ce lit fluidisé. Ces moyens de chauffage sont
souvent conséquents et nécessitent un apport d'énergie important pour délivrer la
quantité de chaleur nécessaire au chauffage du lit fluidisé à sa température de fonctionnement.
Ceci peut être le cas dans le domaine de l'imprimerie et pour le dégraissage métallique.
[0015] Un deuxième but de l'invention est de permettre la mise en oeuvre de ces procédés
en réduisant au maximum les dimensions et l'importance des moyens de chauffage du
lit fluidisé, et en réduisant, comme précédemment, l'énergie d'apport nécessaire au
fonctionnement des installations.
[0016] A cet effet, un troisième objet de l'invention est un procédé de traitement thermique
en lit fluidisé chauffé, utilisant un gaz à une première température déterminée, dégageant
ledit gaz transformé par son passage dans le lit fluidisé à une deuxième température
déterminée supérieure à la première température déterminée.
[0017] Selon l'invention, le gaz dégagé à la deuxième température est réutilisé pour transmettre
une partie de son énergie calorifique au lit fluidisé, par l'intermédiaire d'un échangeur
thermique placé à l'intérieur du lit fluidisé.
[0018] Une application de ce dernier procédé est prévue pour la destruction des composés
organiques volatils, le gaz étant chargé à l'entrée de composés organiques volatils,
le lit fluidisé étant un catalyseur ou contenant des produits actifs pour épurer les
composés organiques volatils par adsorption, le gaz étant de l'air à la sortie du
lit fluidisé.
[0019] Des caractéristiques techniques secondaires peuvent venir se greffer sur les procédés
selon l'invention. Notamment, une épuration des gaz rejetés à l'atmosphère peut être
effectuée par adaptation du PH du lit fluidisé.
[0020] Cette invention et ses différentes caractéristiques seront mieux comprises à la lecture
de la description, donnée à titre explicatif et non limitatif. Elle est annexée des
figures suivantes, représentant respectivement :
- figure 1, une vue schématique de l'installation pour la mise en oeuvre d'un premier
procédé selon l'invention ;
- figure 2, un schéma de l'ensemble réunissant l'enceinte de post-combustion et l'échangeur
thermique haute température, utilisé dans l'installation selon l'invention décrite
par la figure 1 ; et
- figure 3, un schéma d'un moufle utilisé pour un deuxième procédé selon l'invention.
[0021] L'installation selon l'invention, représentée sur la figure 1, est une installation
pour le décapage thermique de pièces métalliques recouvertes de produits organiques.
Cette utilisation du procédé selon l'invention pour le décapage thermique est un exemple
de réalisation de l'invention. Cette dernière peut également être utilisée pour la
destruction pure et simple des composés organiques volatils dans les domaines de l'imprimerie
et pour le dégraissage métallique. Néanmoins, le principe général de l'invention sera
décrit en se référant à cette figure 1.
[0022] L'opération de traitement thermique, et plus précisément celle du décapage des pièces
métalliques, s'effectue sur la gauche de cette figure 1, à l'intérieur d'une enceinte
réfractaire, repérée 2 et appelée moufle. Les pièces à traiter sont placées à l'intérieur
de celui-ci au moyen d'un panier 4 qui peut être suspendu au couvercle 5 du moufle
2. Ce panier est plongé dans un lit fluidisé 10 occupant la majeure partie de l'intérieur
du moufle 2. L'état fluide du lit fluidisé 10 est entretenu au moyen d'un courant
de gaz dont l'entrée 6 se trouve à la partie inférieure du moufle 2 et dont la sortie
8 se trouve dans la partie supérieure du moufle 2, en l'occurrence sur le couvercle
5.
[0023] Le décapage est obtenu par le fait que le lit fluidisé 10 est chauffé. En effet,
les gaz, et plus précisément l'air, arrivent à l'entrée 6, chauffés à une première
température déterminée T1. Par un mouvement ascendant, ils traversent ensuite le lit
fluidisé 10 et par là-même, l'ensemble des pièces contenues dans le panier 4. Le moufle
2 comprenant des moyens de chauffage, en l'occurrence des résistances électriques
12 placées à l'intérieur de celui-ci, les gaz issus de l'entrée 6 se réchauffent.
Ils véhiculent ainsi à travers le lit fluidisé 10 les calories apportées par les moyens
de chauffage 12 et transmettent partiellement ces calories aux pièces maintenues dans
le panier 4. L'élévation de température provoque sur ces pièces une réaction physico-chimique
favorisant leur décapage. Les gaz ayant traversé le lit fluidisé 10 et les pièces
s'échappent du moufle 2 par la sortie 8 à une deuxième température déterminée T2 supérieure
à la première température T1. Le gaz à souffler à l'entrée 6 est de préférence de
l'air, dans le cas du décapage thermique. A la sortie 8, le gaz, ayant contribué au
décapage des pièces, est porteur d'effluents gazeux, c'est-à-dire des produits organiques
volatils.
[0024] Dans les systèmes de l'art antérieur, toute l'énergie thermique est apportée au lit
fluidisé 10 par les moyens de chauffage, en l'occurrence des résistances électriques.
Selon l'invention, le gaz dégagé à la sortie 8 est réutilisé pour transmettre une
partie de son énergie calorifique au lit fluidisé 10. A cet effet, on utilise un échangeur
de chaleur 14. Celui-ci reçoit les effluents gazeux à une troisième température T3,
venant de la sortie 8 par l'intermédiaire d'une première canalisation 16 des effluents
gazeux. Il est placé à l'intérieur du moufle 2 pour restituer une partie de son énergie
calorifique au lit fluidisé 10. Les effluents gazeux rentrent donc dans cet échangeur
de chaleur haute température à une troisième température déterminée T3, légèrement
inférieure à la deuxième température T2, suite aux légères pertes calorifiques dues
au transport des effluents gazeux par la première canalisation 16 des effluents gazeux.
Dans le cas de la figure 1, cette restitution se fait indirectement.
[0025] En effet, la figure 1 représente l'application du procédé selon l'invention à une
installation de décapage thermique. Or, dans le cadre de la dépollution, les règlementations
en vigueur imposent l'incinération des composés organiques volatils. En conséquence,
on utilise un traitement de ces composés organiques volatils par post-combustion.
Cette opération consiste à réchauffer ces effluents gazeux à une haute température.
Pour effectuer cette opération, il est possible d'utiliser des résistances électriques.
C'est pourquoi, sur la figure 1, une enceinte de post-combustion 20 reçoit les effluents
gazeux issus de la sortie 8 pour leur faire subir, au moyen de résistances électriques
haute température 18, un chauffage à haute température T5 de l'ordre de 800°C. Les
effluents gazeux sont d'ordinaire évacués vers l'atmosphère.
[0026] Une caractéristique de l'invention consiste donc à placer l'enceinte de post-combustion
20, et/ou l'échangeur thermique haute température 14, à l'intérieur du lit fluidisé
10. De ce fait, il est possible d'utiliser l'énergie calorifique des effluents gazeux,
chauffés à la cinquième température T5, pour chauffer partiellement le lit fluidisé
10. A cet effet, l'enceinte de post-combustion possède une enveloppe thermique 22
entourant celle-ci, et éventuellement l'échangeur thermique haute température 14,
excepté sur la fin du parcours des effluents gazeux à l'intérieur de celle-ci et dans
la deuxième chambre de l'échangeur thermique à haute température 14, de manière à
favoriser un échange de chaleur entre l'intérieur de l'enceinte de post-combustion
20 et le lit fluidisé 10.
[0027] Dans le cadre de l'utilisation pour le décapage thermique, la grande différence de
température entre la température de post-combustion T5 et la température T3 à la sortie
de la première canalisation 16 des effluents gazeux est importante ; c'est pour cette
raison qu'on utilise l'échangeur de chaleur haute température 14 pour préchauffer
les effluents gazeux à l'aide des mêmes effluents ayant subi la post-combustion.
[0028] Dans le cadre d'un procédé de traitement thermique en lit fluidisé n'utilisant pas
la post-combustion, l'échangeur thermique assure seul et directement la restitution
au lit fluidisé d'une partie de l'énergie des gaz issus de la sortie 8. Ceux-ci étant
entrés à la température T3 en ressortent donc à une température T4 inférieure à la
température T3.
[0029] Sur la figure 1, l'échangeur de chaleur haute température 14 et l'enceinte de post-combustion
20 ont été représentés juxtaposés. La figure 2 détaille plus loin un ensemble groupant
ces deux appareils. En utilisant un tel agencement, la température T6 à la sortie
du moufle 2, peut être de l'ordre de 300°C. On comprend donc qu'une grande partie
de l'énergie calorifique apportée aux effluents gazeux lors de la post-combustion
est restituée au lit fluidisé 10. Cette restitution se fait directement par une partie
de l'enceinte de post-combustion 20 exempte de l'enveloppe thermique 22 et indirectement
par l'intermédiaire de l'échangeur thermique haute température 14 qui récupère une
partie de l'énergie calorifique de post-combustion pour préchauffer les effluents
gazeux avant cette même post-combustion.
[0030] Au cas où la température T5 des effluents gazeux à la sortie de l'enceinte de post-combustion
20 n'est que légèrement supérieure à la température T3 à l'entrée du moufle 2, l'échangeur
de chaleur haute température 14 peut être supprimé.
[0031] La circulation des gaz dans le lit fluidisé 10 se fait en utilisant, en amont de
l'entrée 6, un surpresseur 26 et un exhausteur 28 placés en aval de la deuxième conduite
des effluents gazeux 24, à la sortie du moufle 2.
[0032] La température de sortie T6 du moufle 2, dans le cas du décapage thermique peut être
de l'ordre de 300°. Il est alors possible d'utiliser un deuxième échangeur thermique
30, fonctionnant à basse température, pour préchauffer l'air, ou de manière générale
le gaz utilisé pour alimenter le lit fluidisé 10. En effet, l'air ambiant utilisé
pour le décapage thermique est capté à une température de l'ordre de 20°C. Il peut
éventuellement subir une légère élévation de température dans le surpresseur 26 pour
atteindre une température de 50°C. Il est alors possible de récupérer une partie de
l'énergie calorifique des effluents gazeux circulant dans leur deuxième canalisation
24 à une température légèrement inférieure à T3 (300°C) pour préchauffer cet air destiné
à la fluidisation. On peut ainsi chauffer cet air jusqu'à une septième température
T7 qui peut atteindre 200°C.
[0033] Dans ce cas, les effluents gazeux traités peuvent descendre à une huitième température
T8 de l'ordre de 150°C.
[0034] Dans l'installation qui vient d'être décrite, une régulation des gaz circulant est
nécessaire pour obtenir un équilibre thermique de fonctionnement entre le rôle de
décapage rempli par le lit fluidisé 10 et la post-combustion des effluents gazeux.
La régulation d'une telle installation peut se faire en agissant sur le débit du gaz
de fluidisation en agissant sur le surpresseur 26 et l'exhausteur 28. Une vanne de
retour 32 peut être connectée en amont du surpresseur 26 et en aval de l'exhausteur
28 pour réinjecter une partie des effluents traités dans le lit fluidisé.
[0035] Pour affiner le traitement de ces composés organiques volatils avant leur remise
à l'atmosphère, il est possible de les faire passer dans un filtre 34, placé en aval
de l'exhausteur 28.
[0036] L'épuration des gaz rejetés à l'atmosphère peut également être modifiée par l'adaptation
du pH, c'est-à-dire le potentiel hydrogène, du lit fluidisé 10.
[0037] En référence à la figure 2, l'échangeur de chaleur haute température 14 et l'enceinte
de post-combustion 20 sont cumulés dans un seul ensemble ou dispositif qui est placé
au milieu du lit fluidisé 10. Les effluents gazeux sont introduits dans ce dispositif
au moyen de la première conduite 16 qui est recouverte de préférence d'une gaine calorifuge
36. Ils pénètrent dans une chambre d'entrée 38 de l'échangeur de chaleur haute température
14. Par l'intermédiaire d'une cloison 42, ils reçoivent une partie de l'énergie calorifique
qui leur est apportée par la post-combustion. Leur cheminement se poursuit dans une
chambre de post-combustion 44 où est placé un nombre suffisant de résistances électriques
18 pour les porter à la température T5 de post-combustion qui est de l'ordre de 800°C.
Les effluents continuent leur cheminement vers une chambre de maintien en température
46 où ils séjournent au moins une seconde. Ce maintien à la température T5 a pour
fonction d'assurer la complète post-combustion des effluents gazeux. La chambre de
sortie 40 de l'échangeur de chaleur haute température 14 succède à cette chambre de
maintien 46. Elle se trouve en regard de la chambre d'entrée 38 de cet échangeur,
de l'autre côté de la paroi 42. La différence entre les températures d'entrée T3 (300°C)
et de sortie T5 (800°C) étant de l'ordre de plusieurs centaines de degrés, un important
échange de chaleur a lieu à travers la cloison 42.
[0038] Une autre partie de cette énergie acquise lors de la post-combustion est restituée
partiellement lors du passage des effluents gazeux traités dans une conduite externe
de restitution de chaleur 48 placée à l'extérieur du dispositif englobant l'échangeur
de chaleur haute température 14 et l'enceinte de post-combustion 20. Cette conduite
de restitution de chaleur 48 a une surface externe importante en communication avec
le lit fluidisé 10.
[0039] Pour améliorer le rendement de la post-combustion, une enceinte calorifuge 22 est
placée autour de l'enceinte de post-combustion 20 et autour de l'échangeur thermique
haute température 14, de manière à ce que l'énergie apportée par les résistances électriques
18 soit entièrement utilisée pour la post-combustion des effluents gazeux. Ces derniers
sont évacués vers l'échangeur basse température, non représenté sur cette figure,
au moyen de la deuxième conduite des effluents gazeux 24, entourée également d'une
gaine calorifuge 36. Les effluents sont alors retombés à la température T6 qui est
de l'ordre de 300°C.
[0040] La figure 3 décrit partiellement l'installation selon l'invention dans une version
destinée à la destruction pure et simple de composés organiques volatils. On y retrouve
un moufle 2 contenant un lit fluidisé 50. Le gaz pénétrant à une température d'entrée
T9 dans le lit fluidisé par l'entrée 56 est constitué des composés organiques volatils
à traiter. Ceux-ci traversent donc le lit fluidisé 50 qui est chauffé au moyen de
résistances électriques 62. Le lit fluidisé 50 comprend des produits actifs, tels
que des charbons actifs pour fixer certains éléments contenus dans les composés organiques
volatils, tels que le chlore. Les composés volatils ainsi traités s'échappent du moufle
2 par la sortie 58 communiquant avec une conduite 54 entourée d'une gaine calorifuge
60. Les effluents ainsi traités ont donc acquis une température de sortie T10 supérieure
à la température d'entrée T9.
[0041] Pour appliquer le même concept de l'installation précédemment décrite, ces effluents
chauffés sont réinjectés par l'entrée 52 dans le lit fluidisé 50 au moyen de la conduite
54. Celle-ci, complétée d'un, ou faisant office d'échangeur thermique, ne comporte
plus de gaine calorifuge. Au contraire, ses parois possèdent de bonnes qualités d'échange
thermique avec le lit fluidisé 50. Une partie de l'énergie calorifique ainsi communiquée
aux composés organiques traités est donc réutilisée pour le maintien en température
du lit fluidisé 50. Ce type d'installation peut être utilisé dans l'imprimerie ou
dans le cadre du dégraissage métallique.
[0042] A la sortie, les effluents ainsi traités sont composés principalement d'air et de
gaz carbonique. La température du lit fluidisé n'excède pas 400°C.
[0043] L'échangeur de chaleur haute température peut être du type à céramiques. L'échangeur
de chaleur basse température peut être du type tubulaire ou à plaques.
[0044] Bien que deux réalisations de l'invention aient été décrites, le concept de réutilisation
des gaz issus du lit fluidisé pour réchauffer ce même lit fluidisé, ou préchauffer,
les gaz devant pénétrer dans le lit fluidisé, peut être appliqué à d'autres traitements
thermiques utilisant une enceinte telle qu'un moufle contenant un lit fluidisé.
1. Procédé de décapage thermique de produits organiques sur des pièces métalliques et
de traitement des effluents gazeux par post-combustion électrique consistant à :
- gazéifier les produits organiques à basse température en lit fluidisé ; et
- incinérer les effluents gazeux par post-combustion à haute température dans une
enceinte de post-combustion (20),
caractérisé en ce que l'enceinte de post-combustion (20) est placée dans le lit fluidisé
(10) pour transmettre une partie de l'énergie de la post-combustion des effluents
gazeux dans le lit fluidisé (10).
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la post-combustion est obtenue
par passage des effluents gazeux sur des résistances électriques (18) placées dans
l'enceinte de post-combustion (20).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les effluents gazeux
chauds, issus de la post-combustion, sont utilisés pour préchauffer les effluents
gazeux froids à incinérer, au moyen d'un échangeur thermique de chaleur à haute température
(14).
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les
effluents gazeux chauds, issus de la post-combustion sont utilisés pour préchauffer
l'ai de fluidisation au moyen d'un échangeur de chaleur basse température (30).
5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur haute
température (14) est placé dans le lit fluidisé (10) à l'entrée et à la sortie de
l'enceinte de post-combustion (20).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que
la post-combustion est régulée par réglage du débit de fluidisation.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la
post-combustion est régulée par réglage de la puissance électrique de chauffage mise
en jeu pour cette post-combustion.
8. Procédé de traitement thermique en lit fluidisé (10, 50) chauffé utilisant un gaz
à une première température déterminée (T1) et dégageant ledit gaz transformé par son
passage dans le lit fluidisé (10, 50) à une deuxième température déterminée (T2) supérieure
à la première température déterminée (T1), caractérisé en ce que le gaz dégagé à la
deuxième température (T2) est réutilisé pour transmettre une partie de son énergie
calorifique au lit fluidisé (10, 50) par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur
(14, 54) placé à l'intérieur du lit fluidisé (10, 50).
9. Procédé selon 1,a revendication 8, consistant à détruire des composés organiques volatils,
caractérisé en ce que, le gaz à l'entrée (56) du lit fluidisé (50) contenant des composés
organiques volatils, le lit fluidisé (50) est un catalyseur, le gaz à la sortie (58)
du lit fluidisé (50) étant de l'air et du gaz carbonique (préambule).
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la destruction des composés
organiques volatils se fait par adsorption sur des produits actifs placés dans le
lit fluidisé (50).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il
comprend une opération d'épuration des gaz rejetés à l'atmosphère par adaptation du
pH du lit fluidisé (10).
12. Installation pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications
1 à 8, comprenant un moufle (2) à l'intérieur duquel se trouve le lit fluidisé (10)
et des moyens de support (4) des pièces, caractérisé en ce qu'il comprend :
- une chambre de post-combustion (20) placée à l'intérieur du moufle (2) ;
- un premier échangeur de chaleur à haute température (14) connecté, d'une part, à
la sortie (8) du lit fluidisé (10) pour recevoir les effluents gazeux et à l'entrée
de l'enceinte de post-combustion (20) pour que les effluents gazeux y soient chauffés
et incinérés, et connecté, d'autre part, à la sortie de l'enceinte de post-combustion
(20) pour récupérer une partie de l'énergie calorifique des effluents issus de la
post-combustion.
13. Installation selon la revendication 12, associée à la revendication 4, caractérisée
en ce qu'elle comprend un deuxième échangeur thermique à basse température (30) connecté,
d'une part, à la sortie du premier échangeur thermique à haute température (14) pour
récupérer une partie de l'énergie calorifique issue de la post-combustion, et d'autre
part, à une arrivée d'air de fluidisation pour réchauffer l'air de fluidisation, ce
dernier étant envoyé à l'entrée (6) du moufle (2).