Patrick Jeulin ~ Dossier “Biolyse” 1999 - 2003

OPIC ~ 477405 du 27 mai 1999

Patrick Jeulin

Dossier Biolyse©

Extrait du PICB ~ Passeport Intellectuel Copyright-Business N° 3368

Email : maillot.jeulin@wanadoo.fr - site : www.biolyse.fr

Ets MAILLOT – 14, bd de l'Industrie – 28500 VERNOUILLET – FRANCE

 

Introduction

La Biolyse, procédé développé dans mon livre, permet le traitement des déchets urbains ou industriels banaux (DIB), afin de les gérer, les stocker, les valoriser et les éliminer sans polluer, grâce à la thermolyse basse température, qui s'appuie principalement sur des réactions physico-chimiques.

 

En quoi le procédé de Biolyse est-il moins polluant que les autres procédés de traitement des déchets ?

Pour répondre à cette question il faut commencer par caractériser la pollution pouvant être causée par le traitement des déchets qui peut être : a) Emission de fumées et cendres volantes pouvant contenir des composés chlorés comme les dioxines, les métaux lourds toxiques (Plomb, Chrome, Zinc, Cadmium, Mercure, Arsenic), les métaux faiblement toxiques (Aluminium et Fer) ou l'acide chlorhydrique ; b) Présence de mâchefer et de cendres riches en métaux lourds ; c) Présence de déchets ultimes (non valorisables) pouvant contenir des composés chlorés et des métaux lourds toxiques ; d) Pollution des sols et des nappes phréatiques ; e) Nuisances dues à la présence de hautes cheminées défigurant le paysage urbain.

Emission de fumée :

Le volume des fumées émises au cours de la Biolyse est deux fois moins important qu'avec l'incinération. Ces fumées sont par ailleurs exemptes de métaux lourds volatilisés et de dioxines, alors que celles émises lors de l'incinération doivent être rigoureusement traitées et font l'objet de contrôles particulièrement sévères.

Les gaz produits par la Biolyse© sont exempts de dioxines et contiennent peu de composés chlorés, ce qui permet leur incinération propre pour la production d'énergie électrique utilisée pour le fonctionnement. de l'unité (PCI : 5 080 Kcal/Kg). La partie condensable des gaz (goudron) possède des propriétés proches du fuel domestique en termes de combustible pour le chauffage (PCI : 6 200 Kcal/Kg).

Production de CO2 et NOx :

La Biolyse produit moins de CO2 que la mise en décharge. Les températures relativement faibles diminuent la quantité d'oxydes d'azote émis.

Métaux lourds et mâchefers : Pollution de l'air et du sol

Les métaux lourds sont présents en quantités plus ou moins importantes dans tous les types de déchets. Dans le cas de la mise en décharge, ces polluants vont être entraînés par les eaux de ruissellement pour polluer les sols et la nappe phréatique.

Au cours d'une incinération classique des métaux lourds sont toujours dégagés sous forme gazeuse, sous forme solide dans les cendres volantes et sous forme solide dans le mâchefer. Les 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.

Comme on l'a vu, la Biolyse 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. (en particulier l'aluminium).

Charbon & cendres

Le charbon produit par la Biolyse contient relativement peu de métaux lourds et de chlore, ce qui permet une valorisation comme combustible ou matière première (PCI = 3 370 Kcal/Kg).

Ces charbons sont peu chargés en soufre (diminution des émissions d'anhydride sulfureux responsable en partie des pluies acides)

Produits chlorés et dioxines

Le chlore est présent dans les déchets entrants sous forme minérale (sels) ou organique (plastiques). Lors de la Biolyse le chlore est capté par le carbone du résidu solide. 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. De plus, le procédé de Biolyse, contrairement à l'incinération, ne génère pas de dioxines puisque se déroulant en l'absence d'oxygène.

Intégration dans le paysage

La température plus faible et le volume moins important 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.

 

 

Exemple Bilan matière de la Biolyse

 

 

 

Bilan matière des solides carbonés

 

Solides carbonés

39 à 46 %

 

Carbone

31 à 35 %

Production d'énergie

Gaz sec

21 à 30 %

Production d'énergie

 

Verre

14 et 18 %

Recyclage

Goudrons

5 à 7 %

Production d'énergie

 

Aluminium

2 et 3 %

Recyclage

Eau

24 à 28 %

 

 

Cendre / inerte

48 à 52 %

Inertage ou combustible de cimenterie avec le résidu carboné

 

 

Tableau récapitulatif : Procédé de Biolyse

Production de CO, CO2 et NOx

Faible

Production de dioxines, PCB, furanes …

NON

Acides chlorhydrique dans les fumées

NON

Métaux lourds dans les fumées

NON

Fumées abondantes devant être traitées

NON

Mâchefers

NON

Métaux lourds dans les résidus solides (cendres)

Faible, voire très faible

Récupération des métaux ferreux et non-ferreux à l'état non oxydé et non "mélangés" aux déchets

OUI – Excellente qualité

Récupération de l'aluminium métallique

OUI – Excellente qualité

Récupération du verre

OUI

Pollution des sols et nappes phréatiques

NON

Besoins énergétiques (source de pollution)

Co-génération d'électricité et de chaleur

Déchets ultimes

Faible, voire très faible

Cheminées imposantes 20/25 m

NON

Transport (source de pollution)

Diminué (unités locales)

 

 

Procédé de Biolyse pour le traitement des déchets

 

I - Introduction à la thermolyse

La thermolyse (ou pyrolyse) est un procédé thermique de traitement des déchets organiques à température moyennement élevée et en l'absence d'oxygène. La thermolyse n'est en fait qu'une application adaptée aux déchets, de la technique ancestrale de la fabrication du charbon de bois. Concrètement, les déchets sont mis dans un four hermétique chauffé entre 450°C et 750°C. En l'absence d'air (et donc d'oxygène) et sous l'effet de la chaleur les déchets entrants se décomposent en deux parties : Un résidu solide et un gaz.

Le résidu solide contient à la fois des cendres (30 à 40 %) et des matières minérales non altérées par le traitement (principalement des métaux ferreux et non ferreux, du verre, des céramiques et des cailloux). Après séparation physique des métaux et des autres composés inertes on obtient un composant solide qui s'apparente à un charbon qui peut être valorisé comme combustible ou matière première pour l'industrie.

Le gaz issu de la thermolyse est constitué d'une fraction condensable (pouvant être liquéfiée) et d'une fraction non-condensable à température ambiante (hydrogène, méthane, oxyde de carbone, hydrocarbures volatils) utilisée comme combustible après dépoussiérage et passage sur charbon actif. La thermolyse génère moins de résidus ultimes et moins de pollution. Le volume des fumées est deux fois moins important qu'avec l'incinération. Ces fumées ne contiennent ni dioxines (absence d'oxygène et fixation du chlore sur le résidu solide) ni métaux lourds volatilisés (températures relativement modestes.

Cette technique permet une grande souplesse de fonctionnement au niveau des matériaux (pneus usagés, plastiques, ordures ménagères, peintures, boues de stations d'épuration, déchets de l'industrie agroalimentaire, déchets de l'industrie du papier, refus de compostage ou de traitement mécano-biologique, résidus de broyage automobile, …). De plus une unité de thermolyse peut fonctionner sans difficulté à moins de 50% de ses capacités.

Les connaissances accumulées à partir de nos travaux et le savoir disponible ont permis de développer un nouveau procédé de thermolyse prenant en compte toutes les innovations et permettant d'augmenter considérablement les rendements tout en diminuant les sources de pollution. En tant inventeur de ce procédé, je lui ai donné le nom de Biolyse. Compte-tenu de notre expérience et de nos calculs, l'unité de traitement que nous proposons est dimensionnée autour d'un réacteur de thermolyse capable de traiter deux tonnes de déchets à l'heure.

 


 

II - Nature des déchets

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.

 

III - BIOLYSEâ : Etape “Broyage & séchage”

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.

IV - BIOLYSE : Etape Thermolyse

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 - BIOLYSEâ : Etape Traitement des gaz

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 - BIOLYSEâ : Etape Traitement des résidus solides

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 - BIOLYSEâ : Etape “Valorisation du résidu carbone”

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)

 

L'extraction au CO2 supercritique

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 – Parfums, cosmétiques, arômes 1987 n°75 ; pp.89-94

J. Artozoul – Production de café soluble aromatisé : procédé et appareil pour ce faire – Brevet France 1 252 055 (1959) PV 809 623

C.M. Wai -- Supercritical fluid extraction -- US patent 5356538 (1994)

M.N. Dadashev --The technological aspects of supercritical extraction (a review) -- Russ. Chem. Ind. 1995 Vol 27 ; n° 6 ; pp. 26-37

W.K. Rice -- Mass separation of liquid or soluble components from solid materials utilizing supercritical fluids -- US Patent 5169968 (1992)

P. Mengal -- Procédé d'extraction par fluide supercritique – Brevet WOFR0002790 (2000)

V. Camel – Extraction par le dioxyde de carbone supercritique de polluants contenus dans les solides – Thèse doctorat 94 Université Paris II - PA066335

J. benkhedda – Etude de la régénération d'un charbon actif par CO2 supercritique : Application au traitement des composés volatils organiques – Thèse doctorat Institut Polytechnique de Lorraine INPL047N

 

VIII - Bilan matière & bilan énergétique

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

 

IX - Comparaison de la BIOLYSEâ avec d'autres procédés de thermolyse

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 - Cas particulier : Thermolyse des pneus

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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C. Roy et al. - Carbon blacks recovered from rubber waste by vacuum pyrolysis : Comparison with commercial grades - Plastics rubber & composites processing & Applications 1998 Vol 27; n° 7 ; pp. 341-345

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XI - Thermolyse ou incinération ?

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).

 

 

Traitement par incinération

 

 

Déchet initial

Répartition entre les produits de l'incinération (%)

 

 

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

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