II.1 - Les
ordures ménagères ou assimilables
Si les
groupements intercommunaux autour des grandes métropoles régionales plaident en
faveur d'une filière adaptée aux forts tonnages telle que l'incinération, la
fédération d'un grand nombre de communes reste très délicate en zone rurale. En
effet, la forte responsabilisation des élus, tant politique qu'économique ou pénale
et la forte décentralisation géographique des déchets à traiter favorisent les
filières d'élimination de “proximité”.
Dès aujourd'hui
et par obligation, nombreuses sont les communes rurales qui sont à la recherche
d'une solution à leurs problèmes de déchets et qui présentent des tonnages de
15 000 à 50 000 t/an pour lesquels l'incinération classique n'est pas
rentable, voire impossible techniquement. Le marché de la thermolyse permet
donc de délester les décharges sans recourir au transport vers de grosses
unités d'incinération lui-même source de pollution.
Les installations
d'usines de thermolyse sont de taille modeste avec des cheminées de 12/15 mètres
s'intégrant mieux dans le paysage que les grosses usines d'incinération avec
leurs cheminées de plus de 20 mètres. La thermolyse présente d'autant plus
d'intérêt qu'elle prône une élimination du tout venant et qu'elle n'intègre pas
une solution de tri et de recyclage en amont du traitement parfaitement
inadaptée en espace faiblement peuplé. La thermolyse n'est pas uniquement
destinée aux petites communes; certaines collectivités locales de plus grosses
importances envisageant des solutions délocalisées constituées de plusieurs
unités de traitement de petite ou moyenne capacité. En effet l'impact
médiatique “contre l'incinération” reste encore largement développé par les
mouvements écologistes.
La thermolyse
peut apporter une solution intéressante en combinaison avec une unité de
compostage, pour des syndicats intercommunaux en zone agricole disposant de
gros tonnages.
Vis-à-vis des
collectivités locales, la thermolyse pourrait également s'appliquer comme moyen
d'élimination et de dépollution des boues urbaines. En effet, les premiers
essais CEA ou les expériences industrielles existantes (PILLARD en
Picardie : 20 000 t/an depuis 1982) tentent à prouver l'intérêt
écologique et économique d'un tel procédé.
II.2 - Les
déchets industriels
Les “déchets
inertes”, essentiellement les résidus des activités extractives, les gravats et
déblais de démolition ne sont pas concernés.
Les “déchets
banaux”, assimilables aux ordures ménagères, sont susceptibles d'être éliminés
selon les mêmes modalités et par les mêmes circuits. Ces déchets constituent un
gisement parfaitement adapté a un traitement par thermolyse. A ce titre, cette
filière d'élimination peut soit se positionner sur le vrac issu de la
collecte ; soit intervenir en aval d'un tri et ne traiter que les refus non
recyclables.
Les “déchets
spéciaux”, spécifiques de l'activité industrielle, peuvent se retrouver aussi
dans les ordures ménagères. Ils contiennent des éléments polluants ou toxiques
en concentration plus ou moins forte (solvants, peintures, piles, ). Les
propriétés intrinsèques de la thermolyse (captation des chlorures et sulfates
dans le résidu carboné et non-volatilisation des métaux lourds dans la phase
gazeuse) nous conduisent naturellement sur le marché de certains déchets
spéciaux.
Les “déchets dangereux
ou toxiques” : au sein des déchets spéciaux, ils présentent des risques
particuliers (sels solubles de métaux lourds, sels de trempe cyanurés, composés
arséniés...).
II.3 - Les
déchets de l'automobile
Du berceau au
cimetière (de voitures), les opérations de production, d'entretien et de
destruction des automobiles génèrent des déchets. Une tonne de déchets se cache
derrière chaque voiture neuve. La thermolyse présente une solution attrayante
dans les domaines suivants :
Les déchets de
l'après-vente plus particulièrement le polypropylène et la fibre de verre des
pare-chocs. (Etude SMC en-cours – VALCOR) ;
Les Pneumatiques
Usagés Non Rechapables (PNUR) sont des déchets à haut pouvoir calorifique (5 à
7 th/kg) et leur valorisation énergétique semble être la seule voie
intéressante de traitement bien qu'encore très peu développée en France. Du
fait de leur carcasse métallique, les PNUR contiennent 15% de fer, de l'oxyde
de zinc, des métaux lourds et du soufre. ~ L'industrie cimentière est à la
recherche de déchets énergétiques de ce type qui lui permettent de mettre en
avant les propriétés basiques et neutralisantes du clinker (rétention des
métaux lourds, fixation du soufre et captation du chlore). Toutefois,
l'obligation d'un broyage fin des PNUR freine la progression de cette filière,
contrairement à la thermolyse qui ne nécessite qu'un simple découpage grossier
du PNUR (réduction du volume), voire aucun découpage (pneu entier), et qui
présente une solution locale permettant d'éviter les coûts financiers et
écologiques des transports. Outre la combustion d'une partie du gaz dans
l'unité même et la valorisation de l'excès dans d'autres procédés demandant ou
produisant de l'énergie, le carbone obtenu présente des propriétés similaires
au charbon actif et l'acier est directement recyclable.
Chaque année près
de 2 millions de carcasses automobiles, soit 400 000 tonnes de “Rebut de
Broyage Automobiles” (RBA constitués de plastiques, de verre, de textiles...)
sont mis en décharges. Bien que RENAULT soit favorable à une étude poussée sur
la thermolyse des RBA (aide financière d'environ 150 000 euros
possible), l'influence de CFF (accord récent avec WM) qui développe
d'autres moyens d'élimination (VALERCO) risque de pénaliser notre procédé pour
cette application particulière.
Plastiques et
caoutchoucs : la plasturgie est une industrie trop récente pour avoir mis
en place un dispositif suffisant de valorisation de ses déchets. Ce problème
concerne d'une part l'élimination des déchets de production dits “déchets propres”
(rebuts et chutes de fabrication) et d'autre part celle des produits en fin de
vie. Le recyclage des matières plastiques (collecte, tri, régénération et
transformations) présente des bilans économiques médiocres. La qualité des
produits recyclés est souvent inférieure à la qualité des polymères de
synthèse, ce qui pose la question des marchés qui peuvent leur offrir des
débouchés. La valorisation énergétique reste donc l'alternative intéressante,
en particulier la thermolyse qui possède l'atout majeur d'une valorisation des
métaux ferreux ou non ferreux. Sont concernés les équipementiers automobiles
(VALEO, SACRED, SOMMER-ALLIBERT ...), les sociétés produisant ou utilisant des
élastomères chargés (HUTCHINSON, MESNEL, DRAPTEX, SLC…) et les sociétés électriques
ou électroniques.
II.4 - L'aluminium
Ce métal non
ferreux connaît la situation enviable d'offrir des filières de récupération et
de recyclage bien développées et parfaitement intégrées à l'économie. Toutefois,
dans le secteur particulier de l'emballage alimentaire (boîtage ou souple), la
thermolyse, grâce à sa faible température de traitement sous atmosphère pauvre
en oxygène, possède des atouts indéniables (protocole d'étude et de partenariat
avec PECHINEY/ CEBAL).
Aspiration de l'air
humide ; 3) Conduit d'évacuation De plus, notre action auprès
de ces leaders identifie clairement notre procédé en tant que filière de
valorisation vis-à-vis de ECO-EMBALLAGES. et par conséquent nous autorise une
garantie de reprise maximale de l'aluminium présent dans les ordures ménagères.
N'oublions pas
également que dans l'avenir, plusieurs gammes de matériaux devront être prise
en considération sous l'angle de leur recyclabilité ; il s'agit : a) Des
multi-matériaux et des produits revêtus ; b) Des composites à
matrice métallique ; c) Du cuivre et en général de tous les
métaux non ferreux.
Nous retenons le
cas d'une trémie d'entrée de manière à assurer un stock suffisant au
fonctionnement en continu de l'ensemble et de manière à limiter la main d'œuvre
nécessaire.
III.1 - Le
broyage (Inutile dans le concept Biolyse)
Le broyage, d'un
point de vue physico-chimique a plusieurs fonctions : a) Obtenir
des éléments plus petits de façon à augmenter la surface d'éclairage de chacun
des éléments, c'est-à-dire à parfaire ultérieurement la réactivité du
système ; b) Homogénéiser les éléments de façon à lisser
l'hétérogénéité des produits présent à l'entrée ; c) Réduire
le volume des déchets ; d) Il faut savoir qu'il est possible
de se passer du broyage trop souvent inadapté et énergivore.
Ce broyage
sommaire permet d'obtenir des objets de taille inférieure à 15-20 cm. L'énergie
électrique nécessaire au broyage est fournie directement par l'incinération des
gaz d'émission, par l'intermédiaire d'un moteur de “Stirling” (Cf. V.3). Au
fond de la trémie, un tapis roulant muni de godets extrait les déchets broyés.
III.2 - Les
conteneurs à déchets
Les déchets à traiter sont chargés dans des
conteneurs spéciaux, ce qui interdit toutes dispersions et dépôts indésirables
sur les parois du thermolyseur mais permet d'évacuer les gaz produits. Ces
conteneurs sont munis de couronnes dentées qui en assurent la rotation dans le
thermolyseur. Ces rotations sont nécessaires pour favoriser la carbonisation
des couches successives des déchets à décomposer. Les fractions minérales et
métalliques libérées lors de la dissociation moléculaire augmentent le brassage
de la masse carbonée en cours de constitution.
Le conteneur à
déchets sera posé en position verticale de manière à ce que les déchets
viennent occuper au mieux le volume disponible ; compte tenu des déchets particuliers,
il paraît intéressant de prévoir le diamètre nécessaire à l'introduction d'un
pneumatique entier.
III.3 - Le séchage
Les déchets sont
introduits dans le sécheur. La chaleur nécessaire au séchage est fournie
indirectement par l'incinération des gaz d'émission. Le sécheur est disposé de
manière à éliminer le maximum d'eau présente dans les déchets et à pouvoir
récupérer cette eau pour le process.
Le thermolyseur est une construction mécano
soudée, à base d'acier inoxydable réfractaire, dont les caractéristiques et
performances garanties sont nettement supérieures aux contraintes maximales
imposées par le procédé.
Le thermolyseur
est une construction fixe, sans joints dynamiques, Deux rails dentés sont
disposés sur toute la longueur du thermolyseur de manière à assurer l'avance en
rotation des conteneurs. Ils assurent en même temps la rigidité de l'ensemble.
Les deux caissons de chaque extrémités du
thermolyseur ne sont pas chauffés (voire refroidis) de manière à
contrôler thermiquement les zones de chargement et de déchargement. Les
caissons constituant le milieu du thermolyseur sont chauffés et contrôlés. Le
chauffage est assuré par les fumées chaudes produites à partir de l'incinération
des gaz épurés de la thermolyse.
La température
entretenue à l'intérieur du thermolyseur sera de 490°C avec des possibilités de
réglages offertes par l'utilisation du système de pilotage du thermolyseur. Ce
pilotage est nécessaire afin de maîtriser les paramètres qui influent sur la qualité
de la pyrolyse / thermolyse, à savoir : a) la température à
laquelle est chauffé le produit ; b) le temps de séjour du
produit dans le thermolyseur puisqu'une température trop faible augmente le
temps nécessaire à la décomposition ; c) la taille des
éléments du produit chauffé : plus la taille est grande, plus le transfert
de chaleur sera long, et plus le temps de séjour du produit devra être
conséquent.
L'énergie est
fournie indirectement par l'incinération des gaz d'émission.
V.1 - Condensation
L'évacuation des gaz de thermolyse,
également à 490°C, est assurée à l'extrémité du thermolyseur par une tuyauterie
contrôlée en température, de manière à s'assurer de la condensation du mercure
(moins de 357°C). Le point de rosée des hydrocarbures étant de 272°, la
tuyauterie d'évacuation sera équipée d'un système de ramonage.
V.2 - Traitement
& valorisation de la fraction condensable huileuse
Les gaz émis lors de la thermolyse sont
débarrassés des particules en suspensions et des vapeurs condensables (par
condensation) qui formeront une sorte d'huile ayant des propriétés de
combustion proches de celles du fuel (composition en azote et soufre
comparable) et pouvant avoir des débouchés dans l'industrie chimique (mélange
complexe d'hydrocarbures de C4 à C20 avec de nombreux aromatiques).
V.3 - Traitement
& valorisation de la fraction non condensable
Le gaz est filtré
par passage au travers de charbon actif (qui peut être lui-même issu du
procédé de pyrolyse, VII.3). Le mercure, le cadmium et certains composés
chlorés qui peuvent être entraînés par les gaz de thermolyse à des taux
d'émission inférieurs aux normes sont piégés par le charbon actif.
Expérimentalement
nous avons déterminé la composition des gaz secs. Dans le dimensionnement qui
nous intéresse le débit nominal est 970 Kg/h de gaz de thermolyse.
Valorisation énergétique des gaz
Le gaz de thermolyse,
après passage sur charbon actif, est incinéré dans un incinérateur de gaz en présence
d'air humide (le comburant), avec un débit nominal entrant de 7 625
Kg/h. Dans ces conditions l'excès d'air est de 70% ce qui permet d'obtenir
environ 6% d'oxygène en volume dans les fumées humides. La composition de ces
fumées chaudes sous pression est donc principalement : 02, N2
et H20.
Les fumées de
combustion ont les caractéristiques suivantes : a) Débit
nominal : 8 500 Kg/h ; b) Température :
1 100°C ; c) Composition : 02, N2,
H20 et C02.
L'utilisation
rationnelle de cette masse de fumée chaude pour les besoins du procédé nous
conduit à utiliser un système particulier : le moteur de “Stirling”. Il reste à
définir le dimensionnement d'un générateur électrique utilisant comme source
d'énergie les effluents gazeux combustibles issus d'une machine de traitement
des déchets par thermolyse. La puissance électrique produite par le générateur
couvre les besoins de la machine (chauffage des parois du four de thermolyse,
séchage des déchets) et fournira une cogénération excédentaire variable
selon le type de déchets traités.
Ce système a la
particularité d'être un moteur à combustion externe avec un excellent rendement
et d'avoir été largement expérimenté (invention de 1816). Une définition
originale et adaptée sera appliquée afin que l'unité de traitement de déchets
puisse s'alimenter en électricité finement régulée, à partir de son propre gaz.
VI.1 - Opération
de refroidissement et déchloration
Les conteneurs à
déchets sortent du thermolyseur vers le bassin de déshalogénisation. Le système
d'extraction reprend toutes les caractéristiques de l'introducteur à ceci près
que le sas d'évacuation est sous le niveau d'eau du bassin de déshalogénisation
de manière à éviter toute entrée d'air.
Cette opération a
pour but de refroidir les déchets et d'éliminer les halogènes en particulier le
chlore présent dans les déchets entrants sous forme minérale (sels) ou
organique (plastiques). Lors de la thermolyse, le chlore est capté par
le carbone du résidu solide ou par les gaz sous forme d'acide chlorhydrique. La
répartition entre le gaz et le solide est de l'ordre de 70/30 et peut être
modifiée par l'adjonction de matériaux inertants comme le calcaire jusqu'à
obtenir un rapport 2/98. A ce niveau, l'expérience nous a permis d'optimiser
les conditions particulières du lavage du charbon afin de séparer entièrement
les halogènes du charbon actif Cette opération mécanique a pour but d'épurer le
carbone en produisant à partir des ions chlores par exemple, des chlorures par
combinaison avec les cations contenus dans l'eau (Na+, K+, Ca++) respectivement
sodium, potassium et calcium. Le chlore récupéré représente environ 10 kg/tonne
de déchet entrant.
Il est à noter
ici que le procédé de thermolyse ne produit pas de dioxine puisqu'il se déroule
en l'absence d'oxygène. La thermolyse détruit la plus grande partie des
organochlorés (dioxines, furanes, PCB et chlorobenzènes) déjà présents dans le
déchet entrant et le filtre à charbon actif piège la partie restante présente
dans le gaz.
VI.2 - Séparation
des composés inertes et des cendres
Les containers
sont ouverts et vidés de leur contenu dans un bassin de décantation. A ce
stade, le coke ou semi-coke de carbone, plus léger, flotte à la surface du
bassin (avec souvent des morceaux d'aluminium très fins) tandis que les
matériaux inertes (graviers, céramiques, verre) et les métaux sont récupérés
par gravité.
Les éléments de
la réaction, métaux et minéraux qui se retrouvent au fond de ce bassin, sont
parfaitement “intacts” d'un point de vue chimique puisque n'ayant subi aucune
oxydation. Les métaux sous forme métallique ou oxyde, facilement isolés (courant
de Foucault pour l'aluminium, tri magnétique pour les ferreux), ont été
lavés lors de l'opération de thermolyse de toute substance organique polluante (peinture,
vernis …) et peuvent être par conséquent très bien valorisés (leur très
grand degré de pureté permet une valorisation supérieure à celle des métaux
récupérés dans les centres de tri).
VI.3 - Tamisage
Le coke pompé est dirigé sur un filtre à
bande. Le filtre à bande est une machine dotée d'un tapis mobile, percés de
très petits trous au-dessous desquels est organisée une dépression par un
système Venturi, de manière à emporter l'eau chargée en sels, sur des résines
échangeuses d'ions. C'est le procédé le plus utilisé pour traiter les effluents
de rinçage des pièces dans le traitement de surface. L'échange d'ions est un
procédé dans lequel les ions d'une certaine charge contenus dans une solution
(ex : cations métalliques) sont éliminés de cette solution par adsorption sur
un matériau solide (l'échangeur d'ions), pour être remplacés par une quantité
équivalente d'autres ions de même charge émis par le solide. Ces résines sont
constituées de polymères portant des groupements actifs chargés négativement
(ex. radicaux sulfoniques (-SO3-) et carboxylique (-COO-))
pour les échangeurs de cations. L'échangeur d'ions est électriquement neutre
car chaque site actif est neutralisé par ce qu'on appelle un contre-ion (par
exemple le sodium Na+) en solution dans l'eau qui hydrate la résine.
Ce sont ces contre-ions qui vont faire l'objet des réactions d'échange et se
retrouver dans l'eau traitée.
VI.4 - Traitement
du résidu carbone
Après le passage
sur le filtre à bande, les solides carbonés séchés sont finement broyés et
tamisés de manière à isoler les éventuels éléments inertes susceptibles d'être
encore présents à ce niveau. Le produit devenu pulvérulent est exploité dans
une flottation précédée d'une agitation dont le but est de permettre une agglomération
sélective entre les éléments de carbone qui vont s'agglomérer en surface avec
un corps gras (huile filtrée ou fioul) que l'on aura ajouté à l'agitation
et les éléments cendreux qui vont aller naturellement au fond de la cuve.
Les métaux lourds
sont présents dans les cendres, alors que le coke devient apte à être valorisé
comme combustible propre répondant aux conditions qui permettent de satisfaire les
réglementations en vigueur (très faible charge en soufre). Il est à
noter qu'il s'agit là d'une énergie stockable et transportable.
Les cendres
contenants les métaux lourds, derniers éléments à traiter, font l'objet d'une
démarche particulière (VI.2)
VI.2 - Traitement
des cendres
(sources : “Sénat”)
Compte tenu de
leurs caractéristiques polluantes, notamment de leur teneur en métaux lourds aisément
entraînables dans les lixiviats, les cendres issues de la thermolyse peuvent,
si elles ne sont pas valorisées, être classées dans la catégorie des “déchets industriels
spéciaux” assimilés à des déchets ultimes.
L'une des
dernières avancées technologiques dans le domaine de la valorisation de ces
déchets consiste dans la vitrification, c'est à dire la fusion à haute
température, qui non seulement garantit la destruction des polluants, mais rend
le produit final éventuellement valorisable. Ce procédé vise au “zéro déchet”.
Dans le procédé
de vitrification, les cendres sont introduites dans un four à haute température
dans lequel elles sont portées en fusion avant d'être refroidies brutalement
pour former des granulats vitreux, opaque, noir, très dur. C'est par ce passage
d'une très haute température à une basse température que s'opère la vitrification.
Le vitrificat ainsi réalisé est inerte. Il peut alors être soit stocké en
décharge de classe III (banalisation), soit valorisé en technique
routière (matériaux de soubassement routier, ballast de voies ferrées, granulats
pour parking, bordures de trottoir...).
Un autre
traitement possible, le traitement par vaporisation, est basé sur la mise en
contact avec de l'acide chlorhydrique gazeux dans un lit fluidisé, les métaux
lourds se transforment en sels métalliques qui se vaporisent, c'est à dire
passent à l'état de vapeur, s'ils sont portés à haute température (environ
900°C). La vapeur est entraînée par le flux de gaz, puis refroidie et
condensée. Cette technique permet d'isoler la plus grande partie des métaux
lourds et de les séparer des substances minérales non toxiques. Cette partie
peut alors être utilisée sans difficulté.
En dehors de ces
traitements des cendres il est encore possible d'utiliser les propriétés
particulières de l'eau lorsque celle-ci est portée au-delà de son point
critique (oxydation dans l'eau supercritique 374°C ; 221 bars). Les propriétés
de ce traitement sont très importantes et seule la capacité d'oxydation des
métaux est évoquée ici. Le traitement des cendres issues de la thermolyse par
l'eau à l'état supercritique permet d'oxyder tous les métaux lourds présents
qui vont se retrouver à l'état d'oxydes de métaux, autrement dit d'éléments
tels qu'ils existent à l'état naturel sous forme de minerais. Le soufre et le
phosphore sont convertis en sulfates et en phosphates. Les matières organiques
sont oxydées en CO2,O2 et N2, ce qui permet de
diminuer fortement la charge organique (DCO et TOC) de l'effluent.
Cette opération
se fait dans des conteneurs capables de recevoir une partie de matière
cendreuse et un volume d'eau additionné ou non d'un oxydant (par exemple le
peroxyde d'hydrogène). Ces dimensions sont prévues pour résister à une
pression supérieure à 221 bars et à une température supérieure à 374°C. Dans
ces conditions extrêmes l'oxydation est très rapide. En effet, la violence de
cette oxydation est telle que nous avons opté pour la montée en pression d'un
dispositif de déformation mécanique. Nous avons déterminé la pression au
travers d'une clé dynamométrique qui sert une vis introduite dans un pas de vis
solidaire du couvercle du conteneur, cette vis va déformer un disque de métal
qui occupe la totalité de l'espace réceptacle disponible pour lui, dont le
niveau bas coïncide avec le niveau du mélange eau + matières cendreuses +
éventuellement oxydants. Le couvercle extérieur est vissé sur la partie filetée
du conteneur de manière à bloquer par serrage le disque métallique. Enfin, la
vis de pression vient déformer le disque de manière à faire monter très vite la
pression de l'eau. Le conteneur est alors introduit dans la chaleur du
thermolyseur pour initier le traitement d'oxydation.
A noter que cette
technologie émergente est promise à un bel avenir puisque déjà le U.S.
Department of Energy envisage son utilisation pour le traitement des effluents
des sites nucléaires et que la National Aeronautics and Space Administration
(NASA) pourrait l'utiliser pour traiter les déchets lors des missions spatiales
longues
Les sociétés
Modell Development Corporation (MODEC) et MODAR, Inc. ont développé des
systèmes d'oxydation par l'eau supercritique.
VII.1 - Utilisation
comme combustible
Le résidu carboné se présente sous la forme
d'une poudre de charbon noire, homogène, constituée d'éléments de quelques
millimètres. Son pouvoir calorifique dépend évidemment des déchets entrants. Le
résidu issu de déchets ménagers standard a un pouvoir calorifique de
4 300/4 800 kCal/kg, ce qui le situe dans la catégorie des charbons
cendreux maigres.
La valorisation
énergétique en cimenterie du coke ainsi produit doit tenir compte de traces
éventuelles de métaux en particulier par un procédé d'inertage (clinker).
L'utilisation en cimenteries supprimerait tous les résidus solides ultimes (en
particulier les métaux Cr, Cu, Mn, Ni, Pb, Sb, Zn plus ou moins volatiles à 1 200°C)
en incorporant les matières minérales contenues dans le coke dans les
composants du ciment
Afin de répondre
aux besoins des zones faiblement urbanisées et par conséquent éloignées des
utilisateurs industriels potentiels de ce coke, il est aussi envisagé de l'utiliser
dans des petites ou moyennes chaudières qui en assureraient la fusion. Les métaux
lourds présents se retrouveront alors piégés dans une gangue vitreuse
totalement inerte vis à vis de l'environnement.
Le charbon peut
aussi subir une opération de désulfuration.
Informations sur
la charbon : Le charbon est un matériau très complexe formé de carbone,
d'eau (40%), d'huiles, de gaz (méthane), de cires et de composés inorganiques.
Bibliographie : Voir Chapitre X – S.V.
Vassilev – Behaviour, capture and inertization of some trace elements during
combustion of refuse-derived char from municipal solid waste - Fuel 1999 Vol
78 ; n° 10 ; pp. 1131-1145
VII.2 - Utilisation
comme matière première
Autres débouchés
du résidu carboné (en fonction de la nature des déchets entrants et des
opérations de purification réalisées) : a) Noir de carbone
semi-renforçant pour la fabrication des caoutchoucs industriels ; b) Charbons
actifs après traitement à la vapeur à 980°C (voir paragraphe suivant) ; c) Agent
d'épuration des effluents aqueux ; d) Noir de carbone pour la
fabrication de cires ou d'encres.
VII.3 - Fabrication
de charbon actif
Le charbon actif
est obtenu en carbonisant à l'abri de l'air des composés carbonés à forte
teneur en oxygène : charbons bitumineux, lignite, bois, coques de noix de coco,
etc. Le charbon actif peut être obtenu par activation chimique (par
imprégnation avec un composé déshydratant comme l'acide phosphorique ou le chlorure
de zinc à 500-800°C) , le charbon actif ainsi fabriqué ayant des pores très
larges, idéal pour l'adsorption de composés de haut poids moléculaire.
L'activation par la vapeur à 800-1 100°C permet d'obtenir un charbon actif
avec des pores plus petits pour l'adsorption de nombreux composés présents dans
les gaz et les liquides. Le charbon peut être fabriqué sous forme de granulés
(0,2 à 5 mm) ou de poudre (< 0,18 mm ou 80 mesh).
La réaction
endothermique (-175 440 kJ/kg mol) de la vapeur sur le charbon est connue sous
le nom de réaction de Water-Gas :
C + H2O -> CO + H2
CO et H2 formés
sont brûlés par addition d'air pour augmenter le rendement de la
réaction :
2 CO + O2 -> 2 CO2
(393 790 kJ/kg mol)
2 H2 + O2 -> 2 H2O
(396 650 kJ/kg mol)
(Données CPL
Carbon)
Le terme
“activation” du charbon fait référence au développement de ses propriétés
d'adsorption exceptionnelles. L'adsorption est due à la création de forces de
dispersion de London entre les molécules adsorbée et le charbon. De nombreux
composés peuvent être adsorbés, mais le charbon actif est avant tout utilisé
pour adsorbé de nombreux composés organiques (en particuliers les composés
halogénés très toxiques) et des composés inorganiques comme le mercure,
l'iode ou l'argent (et dans une moindre mesure les métaux lourds).
L'origine du charbon actif a une grande influence sur ses caractéristiques et
ses performances.
Le charbon actif
peut être réactivé, c'est à dire retrouver toutes ses capacités d'adsorption,
soit par traitement dans un four spécial à 800°C, soit par lavage au CO2
supercritique.
Bibliographie :
J.C. Morell – Structural activated carbon and process for the production
thereof -- Brevet GB445342 (1936)
Le principe de base de l'extraction par CO2
supercritique réside dans le fait que les gaz condensés sous forme liquide, du
fait de vitesses de diffusion très grandes et d'une faible viscosité, sont
capables de pénétrer facilement à l'intérieur de solides et de dissoudre
d'importantes quantités de produits apolaires. Cette technique offre en outre
l'avantage d'éviter la contamination par des solvants.
Exemple d'une extraction supercritique en
batch (W.K. Rice et al.) : a) 1,1 kg de farine de blé est
placée dans un cylindre de hauteur 71,8 cm, diamètre interne 13,3 cm ; b) La
base du cylindre est recouverte de coton et d'une plaque perforée ; c) Le
cylindre est chargé avec 1,1 kg de farine de blé, sur lequel on place du coton
et une plaque perforée ; d) La valve supérieure est ouverte
pour permettre l'évacuation des gaz ; e) Un piston de25,4 cm
de long est introduit à l'intérieur du cylindre ; f) Le cylindre
est chauffé à 90°C et la vanne supérieure est refermé ; g) La
vanne inférieure est alors ouverte pour permettre l'entrée de CO2
jusqu'à une pression de 1 100 psi, soit environ 100 g de gaz ; h) La
valve inférieure est alors refermée et le piston est descendu jusqu'à ce que la
pression dans le cylindre atteigne 1 200 psi ; i) La
vanne supérieure est réouverte pour permettre l'évacuation du CO2
chargé des huiles extraites tandis que le piston est descendu pour maintenir la
pression.
Le gaz CO2
est pressurisé au moyen d'une pompe (> 74 bars), chauffé (>31°C) et
transféré à un extracteur dans lequel se trouve le composé à extraire. A la
sortie de l'extracteur la diminution de la pression et de la température
favorisent la précipitation du composé extrait et le gaz peut alors être
recyclé.
Différentes sociétés se proposent de fournir
des systèmes d'extraction supercritique du petit modèle analytique pour le
laboratoire, à l'extracteur industriel. Citons par exemple Separex (France),
Accudyne Systems inc. (USA) ou Chemac Inc. (USA)
Bibliographie :
J. Artozoul et M. Bernard – Extraction
à l'anhydride carbonique : Les problèmes d'équipement industriel –
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par CO2 supercritique : Application au traitement des composés volatils
organiques – Thèse doctorat Institut Polytechnique de Lorraine INPL047N
Bilan matière et PCI1 selon les déchets traités
en thermolyse
|
|
Ordures ménagères
|
Pneus
|
RBA2
|
Plastiques
|
Boues
|
|
Gaz (kilos/tonne)
|
480
|
560
|
450
|
680
|
660
|
|
Potentiel énergétique PCI
|
4 063 kCal/kg
|
9 560 kCal/kg
|
2 868 kCal/kg
|
6 692 kCal/kg
|
n.p.
|
|
Semi-coke (kg/tonne)
|
300
|
330
|
300
|
280
|
340
|
|
Métaux/inertes (kg/tonne)
|
100 :120
|
150
|
100 :150
|
40
|
--
|
|
Potentiel énergétique du
semi-coke
|
4 302 kCal/kg
|
6 931kCal/kg
|
1 673 kCal/kg
|
1 195 kCal/kg
|
1 673kCal/kg
|
1 PCI de 1 kg de charbon = 7170
kCal/kg - PCI de 1 kg de fuel = 9082 kCal/kg
PCI : Pouvoir Calorifique
Inférieur
2 RBA = résidus de broyage
automobile
Source :
Université libre de Bruxelles
Le bilan matière
et énergie varie nettement selon la nature des déchets. Ainsi la quantité de
semi-coke sera de 280 kg/tonne pour les plastiques et 340 kg/tonne pour les
boues. Le pouvoir calorifique inférieur (PCI) sera dans le cas des pneus usagés
de l'ordre de 6 900 kCal/kg contre seulement 1 200 kCal/kg pour les
plastiques. La quantité de métaux et inertes sera de l'ordre de 150 kg/tonne de
pneus usagés traités pour seulement 40 kg/tonne de plastiques. L'émission de
gaz, quant à elle, peut varier de 480 kg/tonne pour les ordures ménagères à 680
kg/tonne pour les boues.
Exemple de
résultats obtenus sur deux types de déchets traités avec le procédé
Biolyse décrit dans ce document : a) Déchets broyés, séchés,
triés, débarrassés de leur refus compostable appelés “Déchets 1” ; b) Déchets
broyés, séchés, triés, avec leur refus compostable appelés “Déchets 2”.
|
Bilan
matière ordures ménagères
|
|
Bilan
matière dû à la réaction de thermolyse
|
|
|
Déchets
1
|
Déchets
2
|
|
|
Déchets
1
|
Déchets
2
|
|
Humidité
|
25
%
|
27
%
|
|
Solides carbonés
|
39
à 40 %
|
44
à 46 %
|
|
Vrac sec
|
38
%
|
37
%
|
|
Gaz sec
|
28
à 30 %
|
21
à 23 %
|
|
Matière compostable
|
23
%
|
22
%
|
|
Goudrons
|
5 à
7 %
|
5 à
7 %
|
|
Verre
|
6 %
|
6 %
|
|
Eau
|
24
à 26 %
|
26
à 28 %
|
|
Divers lourd
|
8 %
|
8 %
|
|
|
|
|
|
|
100
%
|
100
%
|
|
|
|
|
|
Bilan
matière ordures ménagères
|
|
Bilan
matière dû à la réaction de thermolyse
|
|
|
Solides
carbonés
|
|
|
%
Volume
|
|
Carbone
|
31
à 35 %
|
|
H2
|
11,7
|
|
Verre
|
14
et 18 %
|
|
CH4
|
15.4
|
|
Aluminium
|
2
et 3 %
|
|
CO
|
20,7
|
|
Cendre / inerte
|
48
à 52 %
|
|
CO2
|
29,2
|
|
|
|
|
C2 H4
|
5,8
|
|
|
|
|
C3+
|
12,5
|
|
|
|
Ces valeurs moyennes ont été
déduites d'essais faisant varier les débits de chargement du four
|
Pouvoirs
calorifiques des différents constituants
Gaz
sec : 4 990 < PCI < 5 165 Kcal/Kg ; valeur moyenne
adoptée : 5 080 Kcal/Kg
Goudrons :
6 000 < PCI <6 390 Kcal/Kg ; valeur moyenne adoptée
6 200 Kcal/Kg
PCI Moyen de
la phase gazeuse y compris eau de thermolyse : 2 700 Kcal/Kg
Solides
carbonés en sortie de thermolyse après séparation des verres et des aluminiums
à 55 % de cendres et inertes : PCI = 3 370 Kcal/Kg
Plusieurs
techniques ont été développées depuis quelques années par des sociétés
allemandes (PKA, Siemens, Thermoselect) ou françaises (Nexus, Thide,
Traidec). Si le principe est le même, les différences importantes portent sur
la conception, le fonctionnement, les modalités plus ou moins complexes
d'utilisation des gaz et du solide.
IX.1 - Les
différences sur la conception et le fonctionnement.
Fours fixes ou tournants.
Dans le premier
cas, les déchets sont versés dans une sorte de wagonnet mobile de 15 m3
qui avance à l'intérieur du four fixe, et en ressort à l'issue de la
thermolyse. Les durées de chauffage sont plus longues afin que les températures
soient atteintes et permettent les réactions attendues dans les déchets qui se
trouvent au centre du tas (procédé Softer).
Dans le second
cas (four tournant), les déchets sont introduits dans un réacteur tournant,
horizontal ou légèrement incliné, d'une vingtaine de mètres de long. La rotation
et l'effet de la chaleur font “avancer”
les déchets. La durée de réaction est inférieure à une heure. Le four est “alimenté”
en continu (procédés Noell, PKA, Thermoselect, Eddith,).
Le procédé décrit
dans ce document est basé sur le confinement des déchets à l'intérieur de
containers, ce qui a pour avantages : a) La maîtrise parfaite
des déchets traités ; b) L'augmentation de la durée de vie du
four de thermolyse par la suppression des dépôts sur les parois ; c) La
parfaite homogénéisation des déchets par un phénomène de rotation continue des
containers ;d) L'évacuation de gaz plus propres, moins contaminés
par les poussières de combustion ; e) La possibilité d'éliminer facilement les sels et en particulier
le chlore (halogènes), lors de l'étape de déchloration ; f) La
possibilité d'automatiser toutes les phases de thermolyse, depuis le séchage,
jusqu'à la déchloration.
IX.2 - Les
différences sur l'utilisation des composants solides
et gazeux de thermolyse.
On distingue les
“procédés intégrés” et les procédés non intégrés, ou “thermolyse simple”.
Dans la
thermolyse seule, il n'y a pas de combustion immédiate du résidu solide. Ce
dernier est stocké pour une valorisation ultérieure. On parle de “procédé
intégré” lorsque des procédés de combustion ou de gazéification du résidu
solide sont ajoutés après la thermolyse, qui ne constitue qu'un traitement
partiel du déchet. On a vu en effet que la phase de thermolyse conduit à deux
produits à valeurs énergétiques distinctes : le gaz dont l'utilisation ne
peut être différée et qui sert pour la production d'énergie utilisée
directement sur le site (le gaz non utilisé ne peut être stocké et doit être
brûlé), le charbon qui constitue une source d'énergie stockable.
On dit que
l'usine est intégrée lorsque le solide issu de thermolyse est brûlé ou gazéifié
dans l'usine, ce qui a pour effet d'accroître sensiblement le rendement énergétique
de l'installation. Un premier procédé consiste dans la gazéification du
combustible solide (technologie Thermoselect, PKA intégrée). Le résidu est
introduit dans un four à très haute température (1 300/1 500°), ce
qui entraîne une gazéification. A cette température, le résidu (cendres) est
vitrifié. Il peut aussi y avoir une combustion directe du semi-coke, soit avec
le gaz de thermolyse (Siemens), soit sans le gaz de thermolyse (Nexus).
Le procédé
Biolyse décrit dans ce document est basé sur l'utilisation optimale des gaz et
résidus solides : a) Les éffluents gazeux issus du séchage
sont récupérés pour servir de comburant lors de l'incinération des gaz de
thermolyse ; b) Après passage sur charbon actif
(éventuellement fabriqué lors du processus), les gaz sont incinérés et
l'énergie thermique libérée sert à produire de l'énergie électrique par
l'intermédiaire d'un moteur de “Stirling” ; c) L'électricité
produite est utilisée pour assurer les besoins énergétiques de l'ensemble des
installations, le surplus étant vendu ; d) Le coke produit est
traité afin d'être utilisé comme combustible ou comme matière première industrielle ;
e) Une partie du coke sert à la fabrication du charbon actif à
haute valeur ajoutée.
Présentation des
différents procédés de thermolyse
|
|
Thide (Thermolyse seule)
|
Softer (Thermolyse seule)
|
PKA (Thermolyse seule)
|
PKA (Thermolyse intégrée)
|
Siemens (Thermolyse intégrée)
|
|
Préparation
|
|
|
|
|
|
|
Séchage
|
oui
|
non
|
non
|
non
|
non
|
|
Température
|
450/600°
|
450/600°
|
450/600°
|
450/600°
|
450/600°
|
|
Durée
|
30 mn/1 heure
|
4 ou 5 heures
|
1 heure
|
1 heure
|
1 heure
|
|
Utilisation des gaz
|
|
|
|
|
|
|
Masse
|
390 kg
|
640 kg
|
650 kg
|
650 kg
|
650 kg
|
|
Mode de valorisation
|
Combustion
sur site
|
Séparation huiles/gaz
|
Cracking 1300°
|
Cracking 1300°
|
Combustion 1300°
|
|
Valorisation énergétique totale
|
1195 kCal/kg
|
|
1816 kCal/kg
|
1816 kCal/kg
|
|
|
Résidu solide
|
|
|
|
|
|
|
Masse en sortie de four
|
410 kg
|
360 kg
|
350 kg
|
350 kg
|
350 kg
|
|
Résidu carboné
|
240 kg
|
255 kg
|
255 kg
|
255 kg
|
255 kg
|
|
Mode de valorisation
|
Combustion
hors site
|
Mélange avec
les huiles Combustion sur site
|
|
Gazéification à
1 300° mixage avec gaz
|
Combustion
avec gaz
|
|
Valorisation énergétique
|
956 kCal/kg
|
2390 kCal/kg
|
956 kCal/kg
|
1816 kCal/kg
|
|
Sources : Université libre de
Bruxelles, sociétés correspondantes, Traitement OPECST
IX.3 - Les
différences sur la nature des déchets traités
Les unités de
thermolyse peuvent traiter une très grande variété de déchets, mais quelques
sociétés se sont spécialisées dans le traitement de déchets spéciaux ou difficiles
à traiter par les moyens conventionnels. C'est notamment le cas de la société
Traidec qui, avec son procédé DTV (dissociation thermique et valorisation),
traite essentiellement les déchets animaux (produits d'équarrissage, farines
animales), les déchets hospitaliers (qui doivent subir des traitements
spécifiques, isolés des déchets ménagers) et certains déchets industriels
spéciaux (déchets papetiers, pneumatiques...). Des perspectives
s'ouvrent sur le premier créneau, car les cendres produites peuvent être
valorisées en amendements agricoles, mais le second reste, en France, encore
inaccessible à la thermolyse, puisque la réglementation impose de traiter les
déchets hospitaliers à une température minimum de 900° (soit une température
supérieure à celle de la thermolyse).
Le procédé
Biolyse décrit dans ce document devra permettre d'éliminer différents types de
déchets : a) Les déchets ménagers et industriels banaux ;
b) Les déchets spéciaux ; c) Les
pneumatiques ; d) …
A noter aussi
d'autres sociétés proposant des systèmes de thermolyse, comme la société Conrad
Industries Inc. qui propose la thermolyse de pneus (40% d'huile, 20% de gaz
et 40% de carbone), de plastiques (70% d'huile, 25% de gaz et 5% de
carbone), d'huiles chlorées usagées.
X.1 - Une
composition complexe et variable
Compte-tenu des
contraintes mécaniques et thermiques auxquelles il est soumis et du rôle
primordial qu'il doit jouer dans un véhicule, le pneumatique est un objet particulièrement
complexe tant par la nature de ses constituants que par son procédé de fabrication.
Sa composition
varie selon l'usage auquel il est destiné (ainsi les pneus de poids lourds
contiennent une importante proportion de caoutchouc naturel alors que le
caoutchouc “styrène-butadiène”, produit de synthèse, est le principal
constituant des pneus de tourisme).
Les pneumatiques
sont renforcés avec une carcasse de fibres (métalliques généralement)
noyée dans la masse du polymère. Ainsi dans un pneu de tourisme, la proportion
d'acier est de l'ordre de 15%. Cette proportion est plus élevée pour un pneu
usé puisque l'usure se fait uniquement au dépend de la bande de roulement en
caoutchouc.
Il ne s'agit pas
d'acier “pur” mais d'un acier revêtu de laiton qui permet la lubrification lors
du tréfilage et sert d'agent de liaison avec le caoutchouc par formation d'un
complexe sulfuré du cuivre.
En dehors du
soufre utilisé pour la vulcanisation, le caoutchouc des pneumatiques contient
également comme substances minérales de l'oxyde de zinc utilisé comme catalyseur
de vulcanisation (2 à 6 % selon le type de caoutchouc) et
éventuellement de la silice précipitée utilisée comme charge renforçante.
X.2 - Les
résidus issus de la thermolyse
Les produits
issus de la pyrolyse varient en fonction de la nature des pneus mais aussi en
fonction des conditions opératoires notamment de la température et de la durée
de réaction.
On obtient :
a) un résidu solide ; b) un liquide composé d'un
mélange de divers hydrocarbures ; c) un gaz contenant divers
hydrocarbures de très faible poids moléculaire, C02, CO, H2S,
...
Lorsque la
température de thermolyse augmente, le pourcentage de liquide et de gaz
augmente aux dépens du résidu solide. Isabel de Marco Rodriguez et ses collaborateurs
étudiant la pyrolyse de pneus de tourisme ont montré qu'on obtenait pratiquement
le maximum de rendement en liquide et en gaz à partir de 500°C. Dans les conditions
de l'étude menée sur une installation pilote de laboratoire avec des morceaux
de pneus de 2 à 3cm de large, un temps de séjour de 30 minutes permet d'obtenir
une pyrolyse complète.
A 500°C, les
pourcentages en poids des différentes fractions sont les suivantes : a) résidu
solide : 44,8 (résidu carboné 3-4%) ; b) liquide :
38,0 ; c) gaz : 17,2.
Résidu solide :
Le résidu solide
de pyrolyse est un morceau de dimensions et de forme similaire au fragment de
pneus soumis à la pyrolyse. Il se désintègre facilement en une poudre noire, en
fils d'aciers et filaments.
Fraction liquide :
Cette fraction est obtenue par condensation du gaz lors de son
passage sur des échangeurs de chaleur. C'est un liquide brun foncé d'aspect
huileux qui ressemble à une fraction de pétrole. Son pouvoir calorifique est
assez élevé, environ 10038 kCal/Kg et peut être considéré comme un fuel de
chauffage d'assez bonne qualité compte-tenu de sa faible charge en soufre.
Pour une pyrolyse
à 500°C, les proportions des différents types de composés sont les
suivantes : a) Aromatiques : 62,4 % ; b) Aliphatiques :
31,6 % ; c) Composés azotés : 4,2 % ; d) Benzothiazol (Ce composé est utilisé dans la fabrication des pneus comme
accélérateur de vulcanisation.) : 1,8 %.
30% de ce liquide
est aisément distillable avec un point d'ébullition compris entre 70 et 210°C
ce qui correspond à un pétrole commercial. La fraction restante a un point
d'ébullition compris entre 210 et 370°C (70%). Si on n'utilise pas de
condenseur, il est probable qu'on ne recueillera sous forme de liquide que
cette fraction lourde et que la fraction légère partira sous forme de gaz vers
l'incinérateur.
Fraction gazeuse :
Elle est composée
principalement d'hydrocarbures légers, saturés ou monoinsaturés, du méthane à
l'hexane, de l'éthylène à l'hexène. Sa composition est la suivante pour une
température de pyrolyse de 500°C dans les conditions de l'expérience :
|
|
% en volume
|
% en poids
|
|
|
% en volume
|
% en poids
|
|
Méthane
|
19,8
|
8,1
|
|
Butane
|
3,8
|
5,5
|
|
Ethène
|
9,4
|
6,6
|
|
Pentène
|
2,8
|
4,9
|
|
Ethane
|
9,1
|
6,8
|
|
Pentane
|
4,8
|
8,6
|
|
Propène
|
6,4
|
6,7
|
|
Hexène
|
1,1
|
2,3
|
|
Propane
|
4,4
|
4,5
|
|
Hexane
|
1,7
|
3,7
|
|
Butène
|
17,5
|
24,4
|
|
CO
|
4,8
|
3,3
|
(* =
% en vol x PM )
La pyrolyse se
déroulant en absence d'oxygène, on peut considérer que le poids de l'ensemble
des composés formés est identique à celui de l'échantillon soumis à l'essai.
X.3 - Valorisation
L'oxyde de zinc a
été transformé au cours de la pyrolyse en sulfure de zinc qui se retrouve avec
la silice dans le résidu carboné. Cela explique la teneur élevée en cendres du
noir de carbone obtenu au cours de la pyrolyse et la nécessité de le purifier
pour qu'il puisse être réutilisé.
Le noir de
carbone obtenu peut être utilisé comme charge semi-renforçante pour des
articles en caoutchouc soumis à des contraintes mécaniques moins sévères que
les pneumatiques (tapis de roulement, semelles de chaussures, ...).
La fraction
gazeuse est incinérée pour produire de l'énergie. Le pouvoir calorifique PCI de
la fraction gazeuse est de 18 044 kCal/m3 soit 9 966 kCal/Kg (densité
du gaz 1,81 Kg/m3).
Si la fraction
lourde de l'huile est également brûlée dans l'incinérateur, l'énergie libérée
pour 100 kg de matériau est alors égale à :
(17 x 9 966)
+ (38 x 10 038) = 550 866 kCal/100 kg soit environ 5 500 kCal/kg
X.4 - Procédés
de thermolyse de pneus existants
Depuis une
dizaine d'années, face aux problèmes liés à la pollution et à la crise de
l'énergie, de nombreuses études ont été menées par des industriels et des
instituts gouvernementaux pour valoriser les pneus usés non rechapables (PUNR).
Les procédés
développés sont :
1) Le
procédé Herbold (RFA) : Broyage des pneus (30-40 mm), alimentation du four
par une vis d'Archimède, parois du four en graphite, refroidissement des
effluents gazeux, incinération des gaz pour la production d'énergie thermique.
On obtient 35-40% d'huile chargée en soufre, 45-50% de résidus charbonneux valorisé
comme noir de carbone et 10% de carcasses métalliques recyclables.
2) Le
procédé Tosco-Goodyear (UK) : Broyage des pneus (30 mm), four tournant à
450-550°C en présence de billes en céramique chauffées séparément. On obtient
25-50% d'huile, 14-32% de résidus charbonneux et 2% de carcasses métalliques.
3) Le
procédé du Bureau américain des Mines (USA) : Broyage des pneus (0,5-70
mm), four 8-12 heures à 500-900°C et à la pression de 150kg/cm2,
refroidissement des effluents gazeux, élimination de l'ammoniaque, du CO2
et du H2S formés, On obtient 30-50% de résidus charbonneux.
4) Le
procédé Reprox (Japon) : Broyage des pneus (100 mm), four à lit fluidisé
par l'air pour favoriser les échanges thermiques. On obtient 50-55% d'huile,
30-37% de résidus charbonneux et 10-15% de carcasses métalliques.
5) Le
procédé Kobe Steel ltd (Japon) : Broyage des pneus (150 mm), four rotatif
à 550-750°C, On obtient 37-55% d'huile, 38-40% de résidus charbonneux et 8-28%
de gaz.
X.5 - Références bibliographiques
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Pyrolysis of polychloroprene rubber in a fluidized-bed reactor : Product
composition with focus on chlorinated aromatic compounds - Polym. Degrad. & stab. 2001 Vol 71 ; n° 1 ; pp. 39-51
XI.1 - Le
marché
Si les
groupements intercommunaux autour des grandes métropoles régionales plaident en
faveur d'une filière adaptée aux forts tonnages telle que l'incinération, la
fédération d'un grand nombre de communes reste très délicate en zone rurale. En
effet, la forte responsabilisation des élus, tant politique qu'économique ou pénale,
et la forte décentralisation géographique des déchets à traiter favorisent les
filières d'élimination de “proximité”.
Dès aujourd'hui
et par obligation, nombreuses sont les communes rurales qui sont à la recherche
d'une solution à leurs problèmes de déchets et qui présentent des tonnages de
15 000 à 50 000 t/an pour lesquels l'incinération classique n'est pas
rentable, voire impossible techniquement. Le marché de la thermolyse permet
donc de délester les décharges sans recourir au transport vers de grosses
unités d'incinération lui même source de pollution.
L'échéance de
2002 qui rend illicite les décharges comme moyen de traitement des déchets, fait
de la thermolyse une solution efficace et raisonnable lorsque l'incinération
n'est pas adaptée. Le marché privilégié pour la thermolyse est donc celui de
petites unités pour des gisements de faible tonnage,
XI.2 - La
souplesse d'utilisation
La technique de
la thermolyse se caractérise par une grande souplesse de fonctionnement : a) d'une
part, la thermolyse permet de traiter, comme nous l'avons vu, des déchets
organiques variés, tant industriels que ménagers (pneus usagés, plastiques, déchets
dangereux, peintures, boues des stations d'épuration...) ; c) d'autre
part, contrairement à l'incinération qui a un seuil d'efficacité en deçà duquel
la rentabilité financière et le fonctionnement technique sont compromis, un
four de thermolyse peut très bien fonctionner à moins de 50 % de sa capacité
maximale de charge sans difficulté.
XI.3 - La
valorisation des résidus
Les métaux :
Comme on l'a vu, la thermolyse est réalisée sans oxygène et à
température moyenne, ce qui évite l'oxydation ou/et la volatilisation des
métaux lourds dans les fumées.
Les déchets
métalliques qui sont récupérés dans les déchets solides sont nettoyés de toute
pollution comme les peintures, les vernis ou d'autres matières organiques, et
n'ont pas été oxydés par le traitement thermique. Ils peuvent être ainsi très
bien valorisés dans les circuits de recyclage des métaux.
Les gaz :
Les gaz produits
sont exempts de dioxines et contiennent peu de composés chlorés, ce qui permet
leur incinération propre pour la production d'énergie électrique.
Le charbon :
Le charbon
produit contient relativement peu de métaux lourds et de chlore, ce qui permet
une valorisation comme combustible ou matière première
La partie condensable des gaz :
La partie condensable des gaz possède des propriétés proches du
fuel domestique en termes de combustible pour le chauffage.
XI.4 - Une
technique propre
Les métaux lourds :
Les métaux lourds
sont présents en quantités plus ou moins importantes dans tous les types de
déchets et en particulier dans les déchets industriels issus de la métallurgie,
de la chimie, des tanneries (Hg), du textile (Cd), des pneumatiques (Cd) et
dans les huiles (Cd, Pb), les peintures, les rebus d'usinage …
Les métaux lourds
(Pb, Cd, Hg, As) sont aussi présents dans les déchets ménagers.
Au cours d'une
incinération classique des métaux lourds sont toujours dégagés sous forme
gazeuse (Hg), sous forme solide dans les cendres volantes (Cd, Zn, Pb) et sous
forme solide dans le mâchefer (Fe, Cu, Al, Zn, Pb). les mâchefers sont
récupérés en sortie de four, après extinction à l'eau. Ils représentent à peu
près 10% du volume des ordures incinérées et jusqu'à 30% en poids. La présence
d'imbrûlés de nature très variée (matières organiques...) est
constatée ; ceux-ci peuvent provenir de fractions combustibles n'ayant pas
été brûlées ou ayant été protégées de la flamme par d'autres constituants (3 à
5% en masse). Ces mâchefers contiennent également par leur mode d'extinction 20
à 30% d'eau. Cette eau s'écoule peu a peu en stockage par ruissellement et peut
entraîner par lixiviation des quantités non négligeables de métaux dans le sol,
voire dans la nappe phréatique, Un traitement avant rejet (décantation,
neutralisation) est donc indispensable.
La présence de
métaux lourds et de sels conduira certainement à court terme à une
réglementation plus contraignante imposant un conditionnement préalable (par
exemple un lavage des mâchefers avec une solution acide afin de solubiliser les
chlorures et les sulfates ainsi que les sels de métaux puis un envoi de ces
effluents en station de traitement des eaux pour stabilisation).
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|
Traitement
par incinération
|
|
|
|
Déchet
initial
|
Répartition
entre les produits de l'incinération (%)
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mg/kg
|
Mâchefer
|
Cendres volantes
|
Gaz
|
|
Chlore
|
7000
|
10
|
20
|
70
|
|
Cuivre
|
400
|
90
|
10
|
|
|
Zinc
|
1000
|
50
|
50
|
|
|
Plomb
|
800
|
60
|
40
|
|
|
Cadmium
|
10
|
10
|
90
|
|
|
Mercure
|
4
|
|
25
|
75
|
|
|
|
|
|
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D'après E. PONCELET, P. LEGER d'ANRED
et A. PERRIER ROSSET du Ministère de l'environnement (Revue TMS 03/1989).
La fumée :
La température
plus faible et le volume moins important (50%) des fumées générées par la
thermolyse, par rapport à l'incinération, permettent d'utiliser des cheminées
de taille modeste (12/15 mètres) s'intégrant mieux dans le paysage urbain.
La fumée émise
lors de la thermolyse est par ailleurs exempte de métaux lourds volatilisés et
de dioxines, alors que celle émise lors de l'incinération doit être rigoureusement
traitée et fait l'objet de contrôles particulièrement sévères.
Le chlore et la dioxine :
Le chlore est
présent dans les déchets entrants sous forme minérale (sels) ou organique
(plastiques). Lors de la thermolyse le chlore est capté par le carbone du
résidu solide ou par le gaz sous forme d'acide chlorhydrique. La répartition
entre le gaz et le solide est de l'ordre de 70/30 et peut être modifiée par
l'adjonction de matériaux inertants comme le calcaire jusqu'à obtenir un
rapport 2/98.
L'opération de
déchloration permet, par simple lavage, de purger le résidu solide du chlore
dissout dans l'eau qui est ensuite traitée sans difficulté.
Les composés
chlorés (dioxines, furanes, PCB, …) éventuellement présents dans les déchets
entrant sont en grande partie détruits par la chaleur du four. La faible fraction
qui pourrait subsister est captée par le charbon actif lors du traitement des
gaz émis, et par le résidu solide.
Le procédé de
thermolyse, contrairement à l'incinération, ne génère pas de dioxines puisque
se déroulant en l'absence d'oxygène.
XI.5 - Coût
de traitement
Pour de faibles
tonnages la thermolyse s'impose avec des coûts de traitement parfaitement
compétitifs.
Comparaison des
coûts de traitement selon Prof. André Fontana, Université libre de Bruxelles
Comparaison des coûts de traitement
|
|
Incinération
200 000 t
|
Thermolyse
200 000 t
|
Incinération
50 000 t2
|
Thermolyse
intégrée 50 000 t
|
Thermolyse
non intégrée 50 000 t3
|
|
Investissement
MF1
|
790
|
630 - 730
|
130
|
240
|
100
|
200
|
|
Amortissement
F /t
|
330
|
275 - 290
|
300
|
380
|
130
|
300
|
|
Coût
opérations F/t
|
220
|
140 - 240
|
270
|
310
|
200
|
275
|
|
Coût
traitement F/t
|
