Production d’énergie thermique

Conformément à la hiérarchie des déchets, qui établit le type et la priorité du traitement que doit recevoir un déchet, lorsque la réutilisation ou le recyclage ne sont pas possibles, il faut envisager la valorisation.

La “valorisation” consiste en n’importe quelle opération ayant comme résultat principal que le déchet serve à une finalité utile, en remplaçant d’autres matériaux qui auraient été utilisés, le cas échéant, pour remplir une fonction particulière, ou que le déchet soit préparé pour remplir cette fonction, dans l’installation ou dans l’économie en général.

Pour la valorisation énergétique, la principale utilisation du déchet sera comme combustible ou pour un autre mode de production d’énergie.

À travers la valorisation énergétique on réduit drastiquement le volume des déchets, tout en générant de l’énergie, en général de l’énergie électrique et thermique.

L’énergie s’autoconsomme dans l’activité elle-même, ainsi aux économies découlant de la gestion des déchets s’ajoutent les économies sur l’achat d’électricité.

Il existe différents traitements des déchets à travers lesquels on peut réaliser la valorisation énergétique. Le traitement le plus adapté dépend directement du type de déchet et de sa composition chimique. Ainsi, en général, les procédés utilisés par Condorchem Envitech sont:

Biométhanisation

La biométhanisation est un procédé biologique dans lequel, en l’absence d’oxygène et tout au long de plusieurs étapes où intervient une population hétérogène de microorganismes, on réussit à transformer la fraction la plus dégradable de la matière organique en biogaz, un mélange de gaz formé essentiellement par du méthane et du dioxyde de carbone et par d’autres gaz dans une moindre proportion (vapeur d’eau, CO, N₂, H₂, H₂S, etc.).

Le biogaz est une source d’énergie, car c’est un gaz combustible à haute capacité calorifique (5.750 kcal/m3), ce qui permet son utilisation énergétique dans des moteurs de cogénération, des chaudières et des turbines (en générant de l’électricité, de la chaleur ou comme bio-carburant).

Le type de matériau à digérer influence en grande partie le rendement et la composition du biogaz obtenu. Pour une production optimale il est préférable d’utiliser des déchets riches en graisses, protéines et hydrates de carbone, car leur dégradation entraîne la formation de quantités importantes d’acides gras volatiles, précurseurs du méthane.

La biométhanisation est un procédé apte pour le traitement et la valorisation des déchets agricoles, de l’élevage et urbains, ainsi qu’à la stabilisation des boues provenant du traitement des eaux usées urbaines.

Pyrolyse

La pyrolyse est la dégradation thermique d’un matériau en l’absence d’oxygène rajouté. La décomposition se produit ainsi à travers la chaleur, sans la production de réactions dues à la combustion. Les caractéristiques essentielles de ce procédé sont détaillées ci-après:

• Le seul oxygène présent est celui contenu dans le déchet à traiter.
• Les températures de travail, oscillent entre 300º C et 800º C.
• Le résultat du procédé est l’obtention de:
  • Gaz de synthèse, dont les principaux composants sont le CO, CO₂, H₂, CH₄et des composés plus volatiles provenant du cracking des molécules organiques, conjointement à celles existantes dans les déchets.
  • Déchet liquide, composé essentiellement d’hydrocarbures à chaînes longues, comme les goudrons, les huiles, les phénols ou les cires, formés par condensation à température ambiante.
  • Déchet solide, composé par tous les matériaux non combustibles, qui, soit ont été transformés, ou bien proviennent d’une condensation moléculaire à haut contenu en carbone, métaux lourds et autres composants inertes des déchets.
• En l’absence de réaction d’oxydation des composés plus volatiles, le pouvoir calorifique du gaz de synthèse provenant du procédé de pyrolyse arrive à osciller entre 10 et 20 MJ/Nm³.

Les basses températures de travail provoquent une volatilisation inférieure du carbone et d’autres polluants précurseurs dans le courant gazeux, comme les métaux lourds et les dioxines. Pour cela, les gaz de combustion ont besoin théoriquement de moins de traitement pour atteindre les limites minimums des émissions fixées par la Directive incinération. Les composés qui ne se volatilisent pas, demeurent dans les déchets de la pyrolyse et devront être gérés correctement.

Afin de pouvoir traiter les déchets par la pyrolyse, il faut remplir une série de conditions. Cependant, il est difficile de définir la typologie des déchets considérés comme appropriés ou non appropriés, car c’est étroitement lié au type du réacteur utilisé et aux conditions d’opération. On considère essentiellement comme des déchets plus aptes : le papier, les cartons, les copeaux de bois, les déchets de jardin et certains plastiques sélectionnés. Les déchets volumineux, les métaux, les matériaux de construction, les déchets dangereux, le verre et quelques plastiques comme le PVC, ne sont pas aptes.

Gazéification

La gazéification est un procédé d’oxydation partielle de la matière, en présence de quantités d’oxygène inférieures à celles requises de manière stœchiométrique. En termes généraux, les caractéristiques pour le procédé de gazéification d’un courant de déchets, sont les suivantes:

• On utilise de l’air, de l’oxygène ou de la vapeur, comme source d’oxygène et, parfois, comme porteur dans l’élimination des produits de la réaction.
• La température de travail est en général supérieure à 750º C.
• Les réactions chimiques produites par ce procédé sont de deux types : le cracking moléculaire, la température provoque la rupture des liens moléculaires plus faibles en générant des molécules plus petites, en général des hydrocarbures volatiles, et une reformation de gaz, ces réactions sont spécifiques aux procédés de gazéification et la vapeur d’eau intervient généralement comme réactif.
• Le résultat du procédé de gazéification est l’obtention de:
  • Gaz de synthèse, composé essentiellement de CO, H₂, CO₂ and N₂ (si on emploi de l’air comme gazéifiant) et du CH4 en moindre proportion. Les produits secondaires sont les goudrons, les composés halogénés et les particules.
  • Déchet solide, composé de matériaux non combustibles et inertes présents dans le déchet alimenté ; en général, il contient une partie du carbone non gazéifiée. Les caractéristiques de ce déchet sont similaires aux scories des fours des usines d’incinération.
  • La quantité, composition et pouvoir calorifique des gaz provenant de la gazéification dépendra de la composition des déchets, de la température et des quantités d’air et de vapeur utilisées.

Le gaz de synthèse obtenu à travers le procédé de gazéification a potentiellement plusieurs utilisations:

• Comme matière première pour la production de composés organiques, comme la synthèse directe du méthanol, de l’ammoniaque ou pour sa transformation en hydrogène, à travers la reformation de vapeur ou la reformation catalytique.
• Comme combustible dans les procédés de production d’énergie électrique à travers des cycles thermiques différents à ceux de la vapeur d’eau, que ce soit des cycles combinés ou simples, dans des turbines à gaz ou des moteurs à combustion interne.
• Comme combustibles dans des chaudières traditionnelles ou dans des fours.

En ce qui concerne les déchets les plus appropriés, la gazéification est également restreinte uniquement au traitement de quelques matériaux spécifiques. Les caractéristiques du combustible alimenté doivent garantir qu’il contienne le minimum de gaz inertes et de composants très humides, qu’il ait une particule d’une dimension comprise entre 80 et 300 mm, qu’il contienne une quantité de carbone suffisante afin que les réactions du procédé de gazéification puissent avoir lieu, ne pas contenir de substances dangereuses et, si possible, avoir un pouvoir calorifique élevé.

Incinération

Dans l’incinération a lieu la combustion, une réaction chimique fondée sur une oxydation thermique totale avec excès d’oxygène. Les caractéristiques générales de l’incinération des déchets sont:

• Il faut un excès d’oxygène, par rapport au mode stœchiométrique pendant la combustion, afin de garantir une oxydation complète.
• La température de combustion est, en général, comprise entre 850º C et 1.100º C après la dernière injection d’air secondaire, en fonction de la composition en composés halogénés du déchet à traiter.
• Le résultat du procédé d’incinération est l’obtention de:
  • Gaz de combustion, composés essentiellement de CO₂, H₂O, O₂ non réagi, N₂ de l’air utilisé pour la combustion et d’autres composés dans de moindres proportions provenant des différents éléments qui faisaient partie des déchets. Les composants minoritaires présents dépendront de la composition des déchets traités. Ainsi donc, ils peuvent contenir des gaz acides découlant des réactions des halogènes, soufre, métaux volatiles ou composés organiques non oxydés. Finalement, les gaz de combustion contiendront des particules, qui seront entraînées par les gaz.
  • Déchet solide, composé essentiellement de scories inertes, de cendres et de déchets du système d’épuration des gaz de combustion.

Le procédé global transforme pratiquement toute l’énergie chimique contenue dans le combustible en énergie thermique, en laissant une partie de l’énergie chimique sans transformer en gaz de combustion et une plus petite partie d’énergie chimique non transformée dans les cendres. L’utilisation de la chaleur de ce procédé se fait à travers la génération de vapeur d’eau réchauffée, avec des performances thermiques de l’ordre de 80%, à cause des pertes calorifiques à la fois dans le four et dans la chaudière et de la température minimum de sortie des gaz de combustion de la chaudière de récupération.

Les procédés d’incinération sont très souples en ce qui concerne les combustibles hétérogènes, par conséquent ils peuvent traiter des déchets solides urbains (RSU), des déchets industriels, des déchets dangereux, des boues des stations d’épuration ou des déchets hospitaliers.

Génération de plasma

Le plasma est un état de la matière, formé à partir d’un gaz soumis à hautes températures et dans lequel pratiquement tous les atomes ont été ionisés. Le résultat est un fluide formé par un mélange d’électrons, ions et particules neutres libres, dont l’ensemble est électriquement neutre, mais conducteur d’électricité.

Les caractéristiques qui définissent ce procédé sont:

• La génération de plasma se fait par le flux d’un gaz inerte à travers un champ électrique existant entre deux électrodes, en formant ce que l’on appelle l’arc de plasma.
• Les températures de travail varient entre 5 000º C et 15 000º C.
• Au sein du gaz se produisent les réactions suivantes : dissociation des atomes, perte d’électrons des couches externes et formation de particules chargées positivement.
• Le fondement du procédé est le suivant : si un gaz se trouve dans les conditions indiquées ci-avant et qu’il est introduit dans un champ électrique, un courant électrique sera généré, formé par les électrons libres dirigés vers le pôle positif du champ électrique et les particules positives vers le négatif. Ce courant électrique détermine une résistivité et, par conséquent, une transformation en chaleur qui dépend de l’intensité électrique. Ainsi, en augmentant l’intensité du champ électrique on augmente l’intensité électronique et cationique, la transformation en chaleur et la température du gaz.
• Ce procédé a comme limite pratique la résistance mécanique et thermique des électrodes.

Le plasma, comme méthode thermique pour le traitement des déchets, présente trois possibilités:

• Traitement des gaz dangereux, qui sont soumis aux températures de travail, en détruisant ainsi leur structure moléculaire. Un clair exemple, en est l’application pour la destruction des PCB, dioxines, furanne, pesticides, etc.
• Vitrification de déchets dangereux, à la fois pour les déchets organiques, en détruisant leur structure moléculaire, et les inorganiques, à travers leur fusion dans une masse vitrée. Après le refroidissement et la solidification de la masse fondue, les déchets demeurent physiquement capturés dans la masse vitrée, et par conséquent ils deviennent un solide inerte, en minimisant leurs possibilités de lixiviation.
• Gazéification par plasma, dans laquelle on utilise comme source de chaleur l’énergie thermique contenue dans le plasma lui-même à partir de l’énergie (normalement électrique) consommée pour sa propre génération. On obtient ainsi les produits finis suivants : un gaz, composé essentiellement de monoxyde de carbone et d’hydrogène, et un déchet solide, consistant en une scorie inerte généralement vitrifiée.

D’après le résultat des essais réalisés dans l’usine pilote, cette technologie pourrait parvenir à traiter une large diversité de déchets, comme les déchets solides urbains (RSU), les déchets industriels, la biomasse, les déchets sanitaires, ceux provenant de casses de véhicules, pneumatiques, plastiques, déchets spéciaux, etc.