Valorisation des déchets par thermolyse, pyrolyse ou gazéification: état des lieux. C.Gisèle JUNG, Dr.Sc. Chercheur qualifié de l Université

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1 Valorisation des déchets par thermolyse, pyrolyse ou gazéification: état des lieux C.Gisèle JUNG, Dr.Sc. Chercheur qualifié de l Université Innovation et Technologie de la transformation des déchets en énergie Liège - 24 mai 2007 Les acteurs Le politique qui doit trouver des solutions Adaptées aux contraintes locales Avec l accord des collectivités Les opérateurs qui doivent assurer le traitement Avec valorisation des sous-produits (matière et énergie) Une technologie qui doit être adaptée Classique ou innovante Les collectivités doivent accepter et participer au projet 2 1

2 Problématique européenne Alors que les Centres d Enfouissement Technique (CET) sont encore largement utilisés Nouvelles directives Européennes CET limité aux déchets ultimes Besoin d outils de gestion des déchets au plan: Technologique Economique Environnemental Social 3 Echelle des priorités 1. Eviter la production de déchets 2. Minimiser la production de déchets 3. Réutiliser les déchets Ex: vidanges consignées 4. Recycler la matière contenue Ex: vidanges perdues, métaux, plastiques recyclables, 5. Valoriser l énergie contenue Ex: plastiques non recyclables, matières organiques,.. 6. Eliminer les résidus ultimes 4 2

3 Techniques de traitement des déchets Enfouissement technique (CET) Bio-méthanisation Compostage Oxydation par voie humide (OVH) Incinération et co-combustion Thermolyse (pyrolyse) Gazéification 5 Valorisation thermique Flux de Déchets Tri Valorisation matière Procédés de traitement Produits primaires Valorisation thermique (Th) électrique (E TV ) électrique (E T/MG ) Incinération gazéification thermolyse Vapeur Gaz Gaz+solide E TV E T/MG E T/MG outv E TV +Th E T/MG +Th Rendements 20% 75% 35% 75% B Meth Gaz E T/MG Th-Combustible de substitution 6 3

4 Origine des déchets Déchets ménagers Déchets municipaux Déchets hospitaliers TRI Refus de tri Boues Pneus usagés Huiles usagées Déchets industriels Résidus de broyage automobile Déchets dangereux P r o c é d é s Valorisation matière Valorisation énergie Résidu ultime (CET) 7 Analyse immédiate du déchet Eau Déchet Matière Organique Matières Minérales 8 4

5 Composition de certains déchets Nature du déchet eau (%) MS (%) MO (% MS) Biodégrad. stables MM M (%MS) Pneus usagés Boue de STEP brute Boue de STEP séchée Bois Sciures de bois RBA Refus de tri plast Analyse immédiate d un déchet Eau (W) % Matière Organique (MO) (100-Y)% de la MS Matière Volatile C Fixe % % Matière Minérale (MM) Y% de la MS Matière Sèche MS Valorisation matière ou énergie? PCI =?

6 Voies de valorisation des déchets VALORISATION DE DECHETS MATIERE ENERGIE Recyclage mat. Feedstock recycling Combustion directe Combustibles substitution Hydrocarbures Carbone Reprocessing Compostage Thermolyse Thermolyse Incineration Bio méth. Thermolyse 11 Gazéification Voies de conversions thermiques Coke,huile, Gaz combustible riche Gaz combustible pauvre H 2 O + CO 2 Thermolyse Gazéification Incinération (combustion) 0 Débit d air 1 (Stoechiométrie)

7 Voies de conversions thermiques INCINERATION Chauffage Direct par combustion directe Production: énergie GAZEIFICATION Chauffage Direct par combustion partielle (ou totale) du gaz de thermolyse et/ou du char Production : gaz pauvre THERMOLYSE Chauffage Indirect par fioul, fumées ou électricité Production: gaz de thermolyse riche et char ALIMENTATION ALIMENTATION AIR AIR Excès d air Défaut d air ALIMENTATION Absence d air Fumées CENDRES GAZ CENDRES GAZ HUILES CHAR + énergie 0 Débit d air 1 13 Incinération Technologies modernes au point pour des capacités supérieures à t/an (?) Problématique des résidus ultimes 250 kg/t de mâchefers traitement de récupération des métaux inertage : génie civil CET classe II 30 kg/t de refioms : CET classe I Production d énergie via turbine à vapeur

8 Limites de l incinération Q [MW] Puissance thermique Refroid t à eau PCI = 30 MJ/kg Grille à rouleaux Lit Fluidisé Circulant 6 25 Grille à contre retour Lit Fluidisé Dense (LFR ) PCI +/- 0 MJ/kg Grille à avancement Débit [t/h] 15 Limites d acceptabilité des déchets humidité cendres volatiles

9 Principe de la thermolyse Chauffage INDIRECT à l abri de l air sous atmosphère réductrice décomposition des matières organiques décapage des matières minérales et métaux à température modérée ( C) prétraitement donnant des gaz chauds (H 2, CH 4, C x H y, huiles, H 2 O, ) une phase solide (semi-coke) 17 Comportement d un déchet - en thermolyse DECHET Eau Fraction organique Matières minérales THERMOLYSE Eau Gaz de thermolyse Solide carboné Matières minérales GAZ SOLIDE

10 Paramètres déterminants Température Temps de séjour Vitesse de chauffe Transfert de chaleur Préparation du déchet (taille selon nature) Hauteur du lit Vitesse de chauffe Vitesse de rotation Brassage interne Importance du type de technologies de four 19 Technologies de fours Fours de thermolyse Chauffés indirectement par fioul, fumées ou électricité valorisation possible des gaz et du solide de thermolyse par post-traitement Fours tournants Fours à lit mobile cylindriques fixes - à axe vertical, - à axe horizontal, - munis d une vis d Archimède - de racloirs. à chauffage indirect

11 Four tournant (Babcock-Noell) Échaugeur de chaleur Générateur de vapeur gaz air poussières fumées 21 Babcock (Burgau)

12 Mitsui (Siemens) 23 Modes de valorisation Thermolyse gaz Semi-coke M et M VALORISATION ENERGIE VALORISATION MATIERE Conditionnement Up-grading Mecanique ou chimique Combustibles subst. Produits carbonés

13 Produits de thermolyse de pneus Pneus usagés ~54% caoutchouc ~26% Noir de C ~2,2% ZnO ~1,4% S ~15% acier 76% C, 7% H PCI=34GJ/t T H E R M O L Y S E 15 % 9-25 % % % Acier GAZ PCI ~35 GJ/t HUILES PCI ~40 GJ/t H 2, CO, CO 2, C x H y légers ~ 1% S Aromatiques C x H y lourds ~ 0.3-1% S ~15%Cendres SEMI-COKE m 2 /g PCI ~28 GJ/t ~ 3-5% S 25 Qualité des produits issus du procédé Gaz pyrolytiques chauds De 400 à 750kg/t déchet PCI de 5 à 40 MJ/kg. (PCI dépend de la nature du déchet et sa teneur en MV) Les gaz produits contiennent généralement une fraction condensables, des goudrons et des fines particules (donc à épurer). Solide semi-coke (PCI de 5 à 30 MJ/kg selon la teneur en cendres) Matières minérales et métaux

14 Principe de la gazéification Chauffage DIRECT en défaut d air sous atmosphère réductrice ( C) Décomposition des matières organiques Production d un gaz de synthèse À l air gaz à l air (CO + N 2 ) À l oxygène gaz CO À l eau gaz à l eau (CO + H 2 ou CO 2 + H 2 ) Mixte gaz (CO + CO 2 + H 2 ) prétraitement donnant un gaz de synthèse (H 2, CO, N 2, H 2 O, ) cendres 27 Comportement d un déchet - en gazéification DECHET Thermolyse Gazéification Eau Eau AIR Fraction organique Matières minérales Gaz de thermolyse Solide carboné Matières minérales Gaz à l air AIR Gaz pauvre

15 Technologies de fours à chauffage direct Fours de gazéification chauffés par gaz de combustion partielle des gaz de thermolyse À l air four tournant four à soles multiples four à lit fixe À la vapeur d eau four à coupole A l oxygène 29 Four tournant (BUDAPEST) Déchets VOLET air chaudière VALORISATION ENERGETIQUE TREMIE Gaz chauds (CO + N2 ) POUSSOIR Zone de thermolyse Zone de combustion AIR DE PROCESS cendres

16 Basse Sambre ERI-ALC 31 Four à soles multiples Four à étages

17 Four à coupole (Grüssing) alimentation séchage Gaz+O 2 Gaz+O 2 Gaz pyrolyse gazéification O 2 (défaut) O 2 réduction (CO) Métal Scorie 33 Qualité du gaz issu du procédé PCI du gaz de synthèse obtenu par gazéification à l air: 4 à 12 MJ/kg (faible car dilution par l azote) à l oxygène: 10 à 20 MJ/kg. à la vapeur d eau: 16 à 22 MJ/kg. (PCI dépend de la nature du déchet et sa teneur en MV) Les gaz produits contiennent généralement des goudrons et des fines particules (donc à épurer)

18 Conclusions Solidarité Détenteurs de déchets < > collectivités Synergie OM - DIB - DH - Boues - Pneus - RBA - huiles... Efficicacité Traitement de proximité avec opérateurs industriels Valorisations matière et énergie <>contraintes locales Capacité installée <> dimension du gisement Efficacité environnementale: diminution des émissions et des résidus ultimes 35 Quelle technologie choisir? La mieux adaptée au gisement et au marché Recettes: redevance payée par la collectivité revenus de la vente d énergie et de produits Coûts: de transport de préparation des déchets (broyage, ) de traitement (investissement, fonctionnement) d élimination des résidus ultimes

19 Critères de choix d un procédé de traitement de déchets Amont Gisement nature quantité dispersion CHOIX Capacité Procédé lieu de traitement Aval Valorisation: matière énergie 37 Université Libre de Bruxelles (ULB) C.Gisèle Jung Chercheur qualifié de la Communauté Française cgjung@ulb.ac.be Innovation et Technologie de la transformation des déchets en énergie Liège - 24 mai

20 Comparaison des coûts de traitement Installation Incinérationen versus amont thermolyse d un four et gazéification industriel Incinération Thermolyse (F) t/an Gazéification (B) t/an t/an Investissements (mio ) ,5 7,5 Investissements ( /t/an) Charges financières ( /t) ,5 Coûts opératoires ( /t) Coût de traitement ( /t) ,