_{THERMOLYSE
_______________________________________________________________________________________________________________}
 Description    Pour quels déchets?     Les avantages       Le procédé       
Où implanter?    Développement actuel   Adresses   Actualité   retour

Comment mettre en œuvre la technique de thermolyse au service du traitement des déchets*

André FONTANA, Prof. Dr.Ir.  et  C.Gisèle JUNG, Dr.Sc.

Université Libre de Bruxelles  
Faculté des Sciences Appliquées  
Faculté des Sciences Sociales, Politiques et Economiques, Ecole de Commerce Solvay  
50, av.F.D.Roosevelt, CP165/61, B1050 Bruxelles  
E-mail :  afontana@ulb.ac.be  et cgjung@ulb.ac.be

I. Introduction.

D’une manière générale, de nombreux types de déchets sont caractérisés par un contenu énergétique important. Pour des déchets ménagers, par exemple, le pouvoir calorifique inférieur (PCI) se situe entre 6 et 12 MJ/kg. Ce contenu énergétique varie sensiblement tout au cours de l’année ainsi que de région à région selon les directives de collecte sélective. Par ailleurs, il est fréquent d’associer d’autres flux de déchets (déchets municipaux et déchets industriels banals). La mise en place de centres de tri permet de diminuer considérablement ces flux de déchets. Par ailleurs, compte tenu de la séparation des emballages (métaux, plastiques, cartons, verre) ainsi que des papiers et cartons, cette diminution de la quantité de déchets à traiter s’accompagne d’une augmentation sensible de leur contenu énergétique.

Une étude récente publiée par la Commission Européenne fait clairement apparaître les voies actuelles d’élimination des déchets.

Si une part importante est toujours destinée à l’enfouissement technique, c’est essentiellement celle qui correspond aux déchets dispersés qu’il est difficile d’envoyer vers des gros centres d’incinération après regroupement et transport. Il est donc essentiel de promouvoir des techniques décentralisées de traitement de déchets qui puissent s’appliquer à ce type de gisements dispersés.    

II. Le gisement de déchets, filières de traitement.

Il est intéressant de rappeler l’ampleur du problème. La production d’ordures ménagères s’élève à environ 1kg par jour et par habitant, avec des variations de plus ou moins 20% en fonction de la localisation géographique, du type d’habitat, des habitudes régionales (collectes sélectives), de la saison, etc. Pour fixer les idées, à une population de 100.000 habitants correspond une production d’ordures d’environ 4 T/h, soit de l’ordre de 35.000 T/an. Pour des déchets municipaux, on peut atteindre de 45.000 à 50.000 T/an.

La composition de ces déchets est relativement variable selon la région (urbaine ou rurale), la saison et les habitudes locales (collectes sélectives, parcs à conteneurs), avec un PCI qui peut varier entre 6 et 12 MJ/kg :  de 35 à 55% de matières organiques, de 15 à 30% de papier et de carton, de 5 à 20% de verre, de l’ordre de 8% de matières plastiques, de 3 à 6% de métaux. A ces matières, il y a lieu d’ajouter des textiles et d’autres matières diverses à raison de 5 à 20%.

La valorisation matière d’un gisement de déchets peut être améliorée grâce à un tri efficace. Toutefois, les refus de tri contiennent encore des quantités appréciables de matières organiques et minérales avec un certain pouvoir calorifique.

Le potentiel énergétique d’un gisement de déchets ménagers correspondant à 100.000 habitants est donc de l’ordre de 360.000 GJ/an, soit 100.000 kWh thermiques.

De plus, les collectivités doivent gérer d’autres gisements de déchets, tels pneus usagés, huiles usées, boues de stations d’épuration, déchets d’emballage, etc. pour lesquels les contenus énergétiques potentiels peuvent être importants.

Les trois facteurs essentiels à prendre en considération pour le choix d’un procédé sont :

1.    le dimensionnement d’une unité de traitement de déchets en fonction du gisement (nature et quantité). Ce dimensionnement doit tenir compte du coût du transport du déchet rendu sur le site de traitement, fonction de la nature de l’habitat et de la densité de population.

Parmi les filières de traitement des déchets ménagers incluant à moyen terme un tri sélectif, on distingue :

Þ    l’incinération mieux adaptée aux tonnages élevés (de 100.000 à 600.000 T/an), et donc aux fortes concentrations d’habitat.

Þ    les voies mieux adaptées aux faibles tonnages (moins de 100.000 T/an), et donc aux petites agglomérations et habitat dispersé (mise en décharge contrôlée, compostage, biométhanisation, thermolyse, oxydation par voie humide).

La thermolyse, particulièrement bien adaptée aux faibles et moyens tonnages, occupe deux créneaux complémentaires,

•          un premier, la thermolyse seule, sous la forme d’un prétraitement, particulièrement bien adapté aux faibles tonnages (10.000 à 50.000 t/an), et qui nécessite la valorisation différée dans le temps et l’espace du combustible solide résiduel produit,

•          un second sous la forme d’une thermolyse intégrée occupant une tranche médiane entre 25.000 et 200.000 T/an.

2.    les aspects économiques qui dépendent de la technologie mise en œuvre et de la capacité de l’unité. Ces aspects doivent faire intervenir, outre les coûts d’investissements et d’amortissement, les frais fixes, coûts de maintenance et coûts de fonctionnement. Il y a lieu d’intégrer les perspectives d’accroissement de coûts de traitement afin de respecter à moyen terme les normes d’émissions en préparation, ainsi que les compensations liées à la valorisation de l’énergie produite et la récupération de matières recyclables.

3.    les incidences sur l’environnement qui concernent aussi bien les émissions des effluents liquides et gazeux que la nécessité de mettre en décharge les déchets ultimes.
La combustion régulière des produits de thermolyse permet de réduire très sensiblement le volume de fumées par rapport à l’incinération (environ 30%). Dans les procédés où la thermolyse et la récupération d’énergie sont séparés, la déchloration du combustible solide de thermolyse peut être effectuée aisément afin de réduire les risques au niveau des émissions de produits chlorés lors de la valorisation du CST. La qualité des matériaux récupérés après thermolyse est telle que leur valeur marchande est très élevée (on peut par exemple récupérer des mitrailles d’aluminium de qualité). On peut dès lors les recycler dans le circuit des matières premières secondaires.

Donc, selon les conditions locales, les technologies de traitement des déchets à mettre en oeuvre peuvent différer sensiblement et nous pensons que la thermolyse a dès lors une place à prendre aux côtés des autres voies d’élimination des déchets.          

III. Valorisation énergétique des déchets.

D’une manière générale, la valorisation énergétique des déchets peut se faire avec ou sans production d’électricité :

•          Soit par combustion directe (incinération) suivie de production d’électricité (génération de vapeur et détente dans une turbine),

•          Soit après un traitement qui conduit à la production de combustibles secondaires (Refuse Derived Fuel),

•          par biométhanisation avec production d’un gaz combustible riche en méthane,

•          par gazéification directe du déchet avec production d’un gaz de synthèse (combustible) riche en hydrogène et mono-oxyde de carbone,

•          par thermolyse avec production de combustibles solides, liquides et gazeux.

Dans le cas de la valorisation thermique (combustible de substitution), l’énergie produite est utilisée directement dans un processus industriel (four de cimenterie, briqueteries, …) ou par le biais de production de vapeur (stérilisation, conserverie, …). Les rendements énergétiques sont généralement compris entre 80 et 90%.

Dans le cas de production d’énergie électrique à partir de déchets, deux solutions se présentent :

•          La combustion directe du déchet et production de vapeur suivie d’une détente dans une turbine à vapeur raccordée à un alternateur (rendement énergétique global généralement inférieur à 20%) : c’est le cas des incinérateurs modernes,

•          La combustion de combustibles issus du traitement des déchets (biométhanisation, gazéification ou thermolyse) dans un moteur ou dans un turbo-réacteur raccordé à un alternateur (rendements de 30 %).

La cogénération consiste en une production simultanée d’électricité et de vapeur, les rendements globaux de récupération d’énergie pouvant atteindre 75%.        

IV. La thermolyse.

La thermolyse[1]^,[2],[3] consiste en un traitement thermique à température modérée (450 à 750 °C) en absence d’air[4] au cours duquel les matières organiques sont décomposées en une phase solide (semi-coke à 60 - 65% de cendres) et en une phase gazeuse. Cette phase gazeuse contient une fraction de non condensables (hydrogène, méthane, oxydes de carbone, hydrocarbures, etc.) et une fraction de condensables constituée essentiellement d’eau et d’huiles plus ou moins lourdes. Toutes les conditions sont réunies pour détruire les organo-chlorés et les dioxines éventuellement présents dans les déchets, typiquement entre 10 et 250 ng/kg. Les matières minérales conservent leurs intégrités physique et chimique du fait des conditions de fonctionnement des fours (ni oxydation, ni formation de conglomérats).

Pour une tonne de déchets ménagers bruts, après séchage (200 kg d’eau), on produit environ 400 kg de gaz et 400 kg de solide.

Le gaz de thermolyse (400kg) est caractérisé par un PCI de l’ordre de 13 MJ/kg, soit environ 5.000 MJ par tonne de déchets entrant. Compte tenu de sa composition, ce gaz doit être brûlé sur place dans des conditions satisfaisantes en ce qui concerne les émissions.

Le solide de thermolyse (400 kg) contient de 60 à 65% de cendres, le solde étant des matières minérales. Après lavage et déchloration éventuels[5]^,[6],[7], puis criblage, tamisage et séparation physique des verres et métaux, on obtient un “combustible solide de thermolyse (CST)” (240 kg) à 30 - 40 % de cendres. Ce CST s’apparente à un charbon de qualité médiocre (de 18 à 20 MJ/kg), avec un potentiel énergétique de l’ordre de 4.000 MJ par tonne déchet).

Le schéma qui suit présente un bilan caractéristique de la thermolyse d’un déchet ménager.

Exemple de bilan pour la thermolyse d’une tonne de déchets ménagers[8]

Compte tenu des principes physico-chimiques qui sont à la base de ce type de procédé ainsi que de la structure modulaire des procédés actuels, il est possible de traiter des déchets à haute valeur calorifique (tels pneus, déchets de peintures et solvants, huiles usées, résidus de shredder, ..) et des déchets à faible contenu énergétique (terres contaminées, boues d’épuration des eaux, …).

Les procédés de thermolyse sont particulièrement souples et permettent d’assurer une récupération d’énergie tout en assurant d’excellents rendements de recyclage et un minimum de résidus ultimes à mettre en décharge.

Le schéma qui suit fait clairement apparaître la variété des options offertes par les différents constructeurs et utilisateurs de ce type de procédé.

On peut noter la souplesse en ce qui concerne matières traitées ainsi que des différentes options de valorisation matière et énergétique.

Selon la nature des déchets traités, on peut donc opter soit pour une technologie simple (thermolyse seule) avec production de combustibles de substitution, soit une thermolyse avec post-traitement qui permet d’optimiser valorisations matière et énergétique.

V. Approches technologiques

1.      Introduction

L’émergence de la dernière génération de technologies de thermolyse en cette fin des années 90 est liée à deux facteurs essentiels :

Sur le plan économique, l’évolution des technologies d’incinération a considérablement évolué au cours de ces dix dernières années sur le plan du contrôle des émissions, avec une forte augmentation des coûts d’investissements. Un nouveau créneau s’ouvre dès lors pour les procédés alternatifs qui n’étaient pas compétitifs avec l’incinération il y a dix ans.

Sur le plan technique, une nouvelle approche est de ne plus considérer la thermolyse comme un procédé monobloc, mais au contraire comme prétraitement en tant qu’élément d’assemblage dans un contexte où l’aval est assuré par des technologies éprouvées.

Les procédés de thermolyse sont, parmi les traitements des déchets ménagers, ceux qui permettent le plus de souplesse pour la récupération d’énergie tout en assurant d’excellents rendements de recyclage et un minimum de résidus ultimes à mettre en décharge. Contrairement à l’incinération, ils permettent de traiter des déchets à haute valeur calorifique (tels pneus, déchets de peintures et solvants, huiles usées, résidus de shredder, ...) et des déchets à faible contenu énergétique (tels terres contaminées, boues d’épuration des eaux, …).

La thermolyse s’accompagne de la combustion des gaz émis et donc suivie d’une valorisation énergétique du résidu solide par combustion ou gazéification[9], soit directement sur le site, soit différée dans le temps et l’espace.

2.      Catégories de fours de thermolyse

On distingue deux grandes catégories de fours de thermolyse :

•          par chauffage indirect, les gaz et solides de thermolyse étant récupérés séparément des gaz de combustion, et donc valorisables en tant que tels,

•          par chauffage direct, une partie des produits de thermolyse (gaz et/ou solide) étant brûlés directement dans le four. Seul le solide peut être valorisé.

Pour ces deux catégories de fours, on peut classer les fours en fonction du mouvement de la charge (fours rotatifs, fours à lit mobile, fours à lit fixe et fours à lit fluidisé).

3.      Les procédés de thermolyse

Les procédés actuels de thermolyse sont constitués de quatre modules de base :

1)      La préparation de la charge,

2)      Le four de thermolyse qui fait appel à différents types de technologies,

3)      L’unité de combustion des gaz de thermolyse et le traitement des fumées associé.

Par ailleurs, certains procédés incluent un post-traitement qui permet de produire des produits à haute valeur ajoutée (noir de carbone, charbon actif, hydrocarbures spécifiques, …)

Ces diverses technologies sont développées à différentes échelles, de 500 kg/h à 6t/h.

Le gaz et le semi-coke de thermolyse peuvent être utilisés en tant que combustible de substitution dans des installations industrielles existantes (par exemple en cimenterie  ou four à chaux) ou comme agent réducteur (par exemple aux tuyères d’un haut-fourneau). Les modes de combustion et les traitements de fumées en place dans ces installations permettent de prévoir des taux d’émission conformes aux normes en vigueur.

L’installation de petites unités décentralisées de traitement thermique des déchets par thermolyse permet d’adapter les capacités de traitement en fonction de l’évolution du gisement moyennant des investissements qui peuvent être nettement inférieurs à ceux d’un incinérateur moderne[10]^,[11],[12]. De plus, la décentralisation du traitement des déchets permettrait de réaliser des économies sur les coûts de transport des déchets en réduisant les aires de collecte autour des centres de traitement.

VI. Conclusions.

Les procédés invoquant la thermolyse en tant que prétraitement permet d’assurer la destruction des déchets dans de bonnes conditions tout en garantissant une récupération de matériaux de qualité et de bons rendements énergétiques.

La thermolyse apparaît comme complémentaire à l’incinération pour les faibles capacités (moins de 50.000 t/an). En effet, la thermolyse peut se substituer progressivement à l’enfouissement technique, avec valorisation locale de l’énergie contenue dans les gaz. Outre des économies au niveau des investissements, la décentralisation du traitement des déchets permettrait de réaliser des économies sur les coûts de transport des déchets en réduisant les aires de collecte autour des centres de traitement. Cette approche pourrait se faire à moindre coût pour les collectivités, de sorte qu’il y a tout intérêt aujourd’hui à placer la thermolyse au même niveau que les autres procédés de traitement.

D’autre part, la technique de thermolyse permet de s’adapter avec souplesse à la nature des déchets et est capable d’absorber aussi bien des déchets à faible qu’à fort pouvoir calorifique. Il en résulte qu’il permet de traiter d’autres déchets dispersés tels que des pneus usagés, des huiles usées, des boues, des terres contaminées par des hydrocarbures, etc.

Compte tenu de la généralisation des collectes sélectives et la diversification les modes de traitement des déchets en fonction de l’efficacité des tris en amont, la thermolyse est parfaitement à même de s’adapter aux évolutions au niveau de la composition des déchets à traiter à l’avenir. En effet, la fraction organique des ordures est à la hausse (plastiques et organiques) alors que la fraction minérale est à la baisse, de sorte que leur PCI devrait s’accroître de manière significative.

La valorisation énergétique des déchets ménagers devrait s’imposer optimisant les rendements, de préférence selon le principe de proximité dans les petites agglomérations ou dans les zones à habitat dispersé. En outre, les quantités traitées dans les centres de tri augmenteront considérablement, entraînant une hausse des refus de tri, refus particulièrement riches en matières encore valorisables (verre, métaux et plastiques souillés).

La thermolyse apparaît donc comme une technique complémentaire à l’incinération avec de réelles perspectives de développement.

v v v  

                                                                                retour