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LA PYROLYSE A LIT
GENERALITES
Elle concerne des déchets de type boues de station d'épuration, boues de peinture, vernis, colle, les laitiers, scories, réfractaires usés, les sables de fonderie usagés...
Le procédé rejette :
des gaz :
Les gaz issus de la pyrolyse sont des gaz valorisables (monoxyde de carbone, hydrogène, hydrocarbures légers), mais peuvent nécessiter une épuration avant utilisation (présences de SO2...).
des liquides :
Les liquides obtenus peuvent aussi être valorisables : essences, huiles...
des solides :
Coke, granulats.
Quatre technologies sont aujourd'hui disponibles :
les pyrolyseurs à lits fixes,
les pyrolyseurs à lit en suspension,
les pyrolyseurs à lit fluidisé,
les pyrolyseurs à four tournant.
LA TECHNIQUE
exemple de l'entreprise allemande Veba
La pyrolyse en fours rotatifs chauffés est un processus de valorisation en continu des hydrocarbures.
Ce procédé a été utilisé en Allemagne dès 1930 pour ennoblir les résidus de l'hydrogénation de l'huile lourde.Voici le fonctionnement d'une unité pilote de l'entreprise Veba.
Le four est alimenté en déchets solides par une vis sans fin. La pyrolyse se déroule dans un four rotatif chauffé directement par des brûleurs à gaz, sous une légère surpression (10 mbars), en l'absence d'oxygène.
La température de pyrolyse et la durée de séjour du produit dans le four sont réglables en fonction des charges. La température de pyrolyse se règle en ajustant la température sur les parois du four (650 °C en général).
On module la durée de séjour du produit en modifiant l'inclinaison du four ainsi que sa vitesse de rotation.
La décomposition thermique des déchets liquides et pâteux peut produire des dépots sur les parois du four qui réduisent la conductivité thermique. Un dispositif de nettoyage des parois est prévu à cet effet.
Les résidus solides produits pendant le craquage thermique sont déchargés du tambour puis refroidis.
Les vapeurs pyrolytiques engendrées dans le four rotatif sont envoyées à contre-courant vers le coke pyrolytique puis extraites du côté alimentation du four.
Les vapeurs passent ensuite par deux étapes de condensation :
A la première, elles sont refroidies à 300 °C et simultanément les particules de coke contenues dans ces vapeurs sont éliminées par lavage. L'huile pyrolytique obtenue a un point d'ébullition élevé et contient des solides. Elle peut être recyclée dans le four rotatif en vue de sa conversion en hydrocabures plus légers aussi bien qu'en coke, ou valorisée par une hydrogénation sous haute pression pour donner des produits de raffinerie de haute qualité.
A la seconde, les vapeurs pyrolytiques sont ramenées à environ 35 °C. Les hydrocarbures légers et la vapeur d'eau sont alors condensés. On obtient trois phases : huile, eau, gaz.
L'eau condensée doit être traitée dans une station d'épuration d'eaux usées.
La fraction huileuse peut être valorisée en produit de raffinerie de qualité ou transformée par gazéification en gaz de synthèse.
Les gaz pyrolytiques non condensables sont récupérés et débarrassés des substances nocives afin de produire le combustible nécessaire au chauffage du four pyrolytique.
La composition et la qualité des produits issus de la pyrolyse (gaz, huile et coke) peuvent varier de façon notable selon le type de charge introduite.
L'exploitation de l'installation pilote de Veba a montré que la pyrolyse en four rotatif pouvait servir à l'élimination à grande échelle des résidus de distillation issus du traitement des huiles minérales et des brais de goudron. Une installation pyrolytique débitant 9t/h, avec calcination en aval du coke pyrolytique, est actuellement construite dans la région de la Ruhr.
DES DONNEES
exemple de Peignage Amédée (Roubaix)
Installation mise en service en 1980
Pyrolyse du concentrat d'eaux de lavage de laine
Prétraitement :
centrifugation (élimination de 10,2 t/j de matières oxydables),
déterrage (production de 700 m3/j d'eau déterrée),
concentration par évaporation par CMV.
Débit d'alimentation : 3 750 kg/h de concentrats
Pyrolysat : contient 15 à 20% d'oxyde de potassium valorisé comme engrais après refroidissement et granulation.
Gaz de pyrolyse : valorisé par post-combustion en chaudière pour la production de vapeur d'eau.
Température : 450 °C
Technologie utilisée : four tournant PILLARD
Consommation : 80 kg/h de gaz naturel, 11 600 kg/h d'air de combustion
Investissement : 40 MF (1980)
Coût d'exploitation : 2,5 à 30 MF/an (?)
PRINCIPAUX FOURNISSEURS
(liste non exhaustive)
EGCI PILLARD :
13, rue Raymond Teissère
13 272 Marseille cedex 8
France
tel : 91 80 90 21
fax : 91 25 72 71
CGCE :
28, rue Kleber
92 320 Chatillon
France
tel : (1) 42 31 52 75
fax (1) 40 92 08 71 (?)
INSTITUT PYROVAC INC :
1560, av du Parc Beauvoir
Sillery
Québec
GIT2M4
tel : 418 656 7406
fax : 418 656 5993
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LA PYROLYSE EN BAINS FONDUS
La pyrolyse en bains fondus permet principalement de traiter les solvants, les déchets organiques huileux, et les résidus d'opérations de chimie organique (synthèses, distillations...).
Trois types de procédés peuvent être définis comme des traitements des déchets par pyrolyse en bains fondus.
BAIN DE VERRE FONDU
La fonction première des procédés de vitrification de déchets est de détruire les composants organiques et les nitrates, et d'immobiliser la partie restante sous forme d'un verre géologiquement stable. Ce verre doit avoir des comportements à la lixiviation conformes aux normes en vigueur.
Selon la nature des composants à traiter, il est souvent nécessaire d'additionner des composants minéraux afin de former le verre proprement dit. Cette addition de matière (silicates, aluminates, carbonates...) doit être dosée en fonction de la composition des déchets.
La technologie n'a pas encore atteint le stade industriel. Les fours pilotes verticaux ont des capacités de l'ordre de 100 kg/h. Le four pilote horizontal (Penberthy Electromelt Inc.) a déjà traité plus de 1000 tonnes de déchets divers. Aucun type de four n'a été encore été commercialisé au jour du 4 novembre 1993.
BAINS DE SELS FONDUS
Les traitements des déchets par immersion dans des bains de sels fondus comprennent les phases suivantes :
introduction en batch ou en continu des déchets sous la surface du bain,
Combustion/pyrolyse des déchets à la température du bain,
réaction éventuelle des produits de combustion/pyrolyse avec le sel ou le mélange de sels,
combustion des gaz de pyrolyse en présence d'un excès d'air,
séparation des cendres éventuelles (solides) du bain de sel,
recyclage du sel.
Nombreux travaux à l'échelle laboratoire et pilote (semi-industriel).
La plus grande unité construite est celle de Rockwell, traitant 130 kg/h d'hexachlorobenzène (1000 t/an).
Aucune unité industrille n'a été construite au jour du 4 novembre 1993.
BAIN DE METAL FONDU
La plupart des essais ont été réalisés par des convertisseurs de l'industrie métallurgique utilisés pour la transformation du fer en acier ou en fonte. Les déchets combustibles sont oxydés, les sels rejoignent le laitier naturellement présent dans le convertisseur et les composés métalliques sont solubilisés dans le bain de fer fondu.
Des essais ont été réalisés sur des convertisseurs industriels aux Etats-Unis. A la connaissance de l'ADEME au 4 novembre 1993, aucun contrat officiel n'avait encore été conclu à ce jour entre un producteur de déchet et un aciériste.
LABORATOIRES de recherche, centres techniques et syndicats relatifs au procédé
Bains de verre fondu:
U.S. EPA
Risk Reduction Engineering Laboratory
26, West Martin Luther King Drive
Cincinnati, Ohio 45268
USA
Bains de sels fondus:
Comissariat de l'Energie Atomique
BP n° 6
92 260 Fontenay aux Roses
France
Aston University
Dept. of chemical engineering
Birmingham, B47ET
England
Bains de métal fondu
L'Air Liquide
Centre de recherche Claude Delorme
Les Loges en Josas
BP 126
78 350 Jouy en Josas
France
GRETH
Grenoble.
FOURNISSEURS
(liste non exhaustive)
Penberthy Electomelt Inc.
631 S. 96th Street
WA 98 108 Seattle
USA
FERRO Corp.
7500 East Pleasant Valley Road
OH 44131 Independance
USA
ROCKWELL Int. Corp.
8900 DeSoto Ave.
CA 91304 Canoga Park
USA
MOLTEN MELT TECHNOLOGY
25 First Street
MA 02141 Cambridge
USA
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LE VAPOCRAQUAGE
INTERET
Le développement des produits de la chimie organique requiert chaque année des quantités plus importantes de matières premières hydrocarbonées. Par vapocraquage, il est possible d'obtenir des hydrocarbures insaturés, de nature aliphatique ou aromatique, qui en raison de leur nombreuses possibilités réactionnelles présentent sur le plan de la synthèse organique une souplesse d'emploi remarquable.
Par une suite de réactions endothermiques, les hydrocarbures, soumis à l'intérieur de tubes à une température de 800-850 °C en présence de vapeur d'eau dans un rapport voisin de 0,5 en poids, sont transformés en un mélange complexe de produits. On les sépare et les purifie par des méthodes physiques ou chimiques.
Les produits sont refroidis à la sortie du four par des chaudières qui récupèrent environ 50% de la chaleur contenue, ce qui évitent que la composition du produit n'évolue par une succession de réactions parasites.
Le mélange est alors envoyé dans une section de fractionnement à basse température (17 à 100 °C), où s'opère la séparation des principaux constituants. Pour le butadiène, le benzène et le toluène, on doit faire appel à des méthodes de séparation de haute sélectivité : distillation extractive pour le butadiène, extraction par solvant pour les deux autres.
Certaines impuretés sont éliminées par des méthodes particulières :
traitement à la soude pour l'hydrogène sulfuré et le CO2,
hydrogénation pour les acétyléniques,
absorption sur alumine pour l'eau.
L'ensemble des opérations permet d'obtenir, avec des matières premières liquides et suivant les conditions opératoires utilisées (en % du poids de la charge) :
éthylène (25 à 30%),
propylène (14 à 18%),
butadiène (3,5 à 4,2%),
benzène (6 à 7,5%),
toluène (3 à 4,5%).
Les autres produits sont utilisés pour la chauffe (hydrogène, méthane, résidus lourds) ou soumis à de nouvelles purifications pour en extraire les constituants (isobutène, but-1-ène, but-2-ène, cyclopentadiène et isopropène).
Les produits principaux du craquage à la vapeur sont utilisés soit directement dans les polymérisations (éthylène, propylène; butadiène), soit dans de nouvelles réactions (oxydation, chloration, alkylation...).
TECHNIQUE DE GAZEIFICATION
exemple de deux installations de gazéification de l'entreprise allemande Veba.
Exploitée depuis 1972, la raffinerie de Geselkirchen comprend 4 lignes de gazéification d'huiles lourdes qui assurent le traitement de 60 t/h de résidus de distillation sous vide. Le gaz de synthèse (160 000 m3/h) subit d'autres étapes de traitement pour être transformé en méthanol, ammoniac et hydrogène.
Une installation pilote a été construite à la fin des années 70 pour mettre au point un procédé d'alimentation en combustibles solides (coke de charbon et de pétrole) donnant une alternative au système d'alimentation en eaux boueuses et à l'alimentation pneumatique. Il se compose d'une extrudeuse à vis sans fin.
Les particules solides finement broyées (<0,3 mm) sont dosées dans l'extrudeuse à la pression atmosphérique. Pour minimiser les forces de friction à l'intérieur de l'extrudeuse, on ajoute une faible quantité d'agent liquide (selon le type de particules solide et leur granulométrie). Le mélange obtenu est ensuite comprimé à une pression supérieure à celle régnant dans le réacteur.
Le combustible ainsi comprimé sort de l'extrudeuse. Le débit maximal de l'extrudeuse s'élève à 2,5 t/h.La charge est atomisée au moyen d'un jet de vapeur et amenée au sommet du réacteur de gazéification.
Afin de gazéifier également les boues solides/huileuses, l'installation pilote a été pourvue d'un système d'alimentation en boues.
Dans le brûleur, le combustible est mélangé à l'oxygène nécessaire à la gazéification. Le réacteur comporte un chemisage en brique et a été conçu pour une pression de gazéification maximum de 60 bars.
La gazéification se produit à 1 500 °C environ. Cette température étant supérieure aux points de fusion des composants inorganiques des charges, cela produit des scories vitreuses.
Une fois sorti de la zone de réaction, le gaz de synthèse chaud subi une trempe à l'eau jusqu'à environ 600 °C, tandis que les scories liquides se solidifient.
Dans le laveur, le gaz de synthèse est lavé avec de l'eau et refroidi à 50 °C environ. Simultanément, la poussière restante est enlevée par lavage. Le gaz de synthèse est dépoussiéré et dépressurisé puis envoyé à la centrale électrique de la raffinerie.
Résultats obtenus pour des boues urbaines + huile :
H2 (vol. %)
CO (vol. %)
CO2 (vol. %)
H2S (vol. %)
N2+CH4 (vol. %)
rapport H2/CO (mole/mole)
: 38,6
: 30,8
: 1,25
: 28,6
: 0,6
: 1,4
L'association pyrolyse en four rotatif / gazéification
Le procédé de gazéification à flux entrainé ne peut fonctionner qu'avec des matières finement broyées (<0,5 mm) et dosées de manière précise dans le réacteur haute pression.
Or le broyage fin des matières plastiques et des bourres de déchiquetage des voitures, par exemple, exigerait une procédure à la fois très complèxe et très coûteuse.
D'où l'intérêt d'associer cette technique à la pyrolyse en four rotatif.
En effet, La pyrolyse dans des tambours rotatifs à chauffage indirect est opérationnelle avec des matériaux grossiers pouvant atteindre jusqu'à 200 mm. La période de séjour en phase solide s'élevant à 30 mn environ, il n'est pas nécessaire de doser exactement la charge , et sa composition peut varier fortement.
Pour cette raison, Veba propose dans un premier temps la technologie pyrolytique pour homogénéiser les matières plastiques et les pneus, et en réduire la taille; et dans un deuxième temps, la gazéification de l'huile et du coke produit par la pyrolyse. Cette méthode permet de réaliser des économies sur l'opération de broyage.
TECHNIQUE
Exemple des déchets ménagers ou des plastiques
Les déchets sont d'abord déchiquetés puis chargés dans le tambour de pyrolyse et les vapeurs d'huile issues du gaz pyrolytique sont refroidies.
Les gaz non condensables comprennent principalement de l'hydrogène, du méthane, de l'éthane, et de l'éthylène, ainsi qu'un faible pourcentage d'hydrocarbures C3 à C4. Contenant des substances polluantes comme le NH3, le HCl et le H2S, ils doivent être épurés. Le HCl et le NH3 sont lavés dans un simple épurateur à eau.
Le HCl dissout est neutralisé en NaCl par addition de soude. Les substances polluantes à base de H2S recquièrent un procédé d'épuration spécial pour convertir le H2S en soufre élémentaire. Après épuration, les gaz non condensables servent pour le chauffage du tambour ou comme gaz combustible supplémentaire en cas d'excédent. Les gaz chauds issus du chauffage du tambour servent à produire de la vapeur dans un récupérateur conventionnel de chaleur/générateur de vapeur.
Après séparation des métaux, le coke pyrolytique est finement broyé puis gazéifié avec l'huile de pyrolyse.
La gazéification se déroule à une pression de 25 bars et à une température de 1450 °C. Les substances inorganiques restantes sous forme de scories vitrifiées sont évacuées. L'excédent de chaleur dans le gaz de synthèse sert à produire de la vapeur.
La poussière en suspension dans le gaz de synthèse est filtrée. En aval suit un nettoyage du gaz en deux temps, similaire à celui des gaz pyrolytiques non condensables. Le HCl est d'abord lavé dans un épurateur à eau puis converti en NaCl par adjonction de soude. Le H2S contenu dans le gaz de synthèse et le gaz pyrolytique est converti en soufre élémentaire.
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Distillation continue
Les déchets concernés par ce traitement
Liste des déchets traités
Les déchets qui sont traités par cette technique sont les suivants :
Les solvants et déchets contenant des solvants,
parmi les déchets de synthèse et autres opérations de chimie organique :
Les eaux mères de fabrication salines et non salines,
Les eaux de lavage de matériel d'industrie chimique ou parachimique.
Secteurs industriels générateurs de ces déchets
Les différents déchets énumérés dans le paragraphe précédent peuvent être produits principalement dans les industries suivantes :
Le raffinage de pétrole, carburants et lubrifiants,
L'usinage,
La fabrication d'encres, de vernis, de colles et de mastics,
La fabrication de produits de parfumerie,
La régénération d'huiles et de solvants.
Principe
Principe général de la distillation
La distillation consiste à séparer des liquides dont la température d'ébullition sont différentes. L'appareillage vraiment spécifique de la distillation est une colonne verticale appelée colonne à distiller. Celle-ci est garnie (plateaux ou garnitures diverses) qui permettent un contact intime entre les phases vapeur et le liquide qui y circule. Dans cette colonne, il y a équilibre thermodynamique entre les deux phases, en fonction de la température et des compositions respectives.
On chauffe le mélange et suivant les températures d'ébullition des différents produits, le produit dont la température d'ébullition est la plus faible est évacué en haut de la colonne, alors que les autres restent dans la partie basse du système. Le chauffage est appliqué en bas de la colonne (bouilleur).
Principe de la distillation continue
En distillation continue, le système est en équilibre massique et thermique permanent. Le mélange à traiter est introduit sur le plateau d'alimentation de la colonne.
Les composés les plus volatils se vaporisent à partir du liquide contenu dans la colonne et atteignent un plateau supérieur.
En montant, les vapeurs s'enrichissent en composés volatils. La phase vapeur ainsi enrichie est collectée en haut de la colonne, puis condensée pour fournir un distillat léger.
La phase liquide tombe en cascade vers le bas, s'enrichit en éléments lourds et perd ses éléments légers.
Plus le nombre de plateaux ou la hauteur de la colonne est important, meilleure est la séparation. Le but étant de trouver un compromis entre le rendement et le coût de l'opération.
Il est très difficile de donner une estimation du coût de ce procédé du fait de la variété des produits traités. Il faut noter qu'avec cette technique il est difficile de séparer des produits dont l'écart de températures d'ébullition est inférieur à 1 degré, ainsi que des produits donnant un mélange azéotrope.
En ce qui concerne les rejets générés par ce procédé, la partie non récupérable est généralement incinérée dans un centre de traitement cependant dans le cas où elle est fortement aqueuse, elle est envoyée dans un réseau de traitement biologique.
Cette technique est utilisée par exemple dans un usine de fabrication du caoutchouc "butyle". Les eaux de lavage et les condensats qui sont traitées, sont chargées en alcool butylique tertiaire. La distillation permet de récupérer 350 tonnes de cet alcool par an.
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Distillation discontinue
Les déchets concernés par ce traitement
Liste des déchets traités
Les déchets qui sont traités par cette technique sont :
Les solvants et déchets contenant des solvants,
Les eaux mères de fabrication salines et non salines.
Secteurs industriels générateurs de ces déchets
Les différents déchets énumérés dans le paragraphe précédent peuvent principalement produits dans les industries suivantes :
Le raffinage de pétrole, carburants et lubrifiants,
L'usinage,
La fabrication d'encres, de vernis, de colles et de mastics,
La fabrication de produits de parfumerie,
La régénération d'huiles et de solvants.
Principe de la distillation discontinue
En distillation discontinue, le chauffage est appliqué dans un réservoir en fond de colonne (bouilleur), où le mélange est introduit. Les produits les plus légers sont recueillis en premier au condenseur qui se trouve en tête de colonne. Lors du passage des différents composés légers, la température en tête de colonne s'accroît. En fin d'opération, il ne reste plus que le résidu lourd en bas de colonne.
Il est très difficile de donner une estimation du coût de ce procédé du fait de la variété des produits traités. Il faut noter qu'avec cette technique il est difficile de séparer des produits dont l'écart de températures d'ébullition est inférieur à 1 degré.
En ce qui concerne les rejets générés par ce procédé, la partie non récupérable est généralement incinérée dans un centre de traitement ; cependant dans le cas où elle est fortement aqueuse, elle est envoyée dans un réseau de traitement biologique.
Des milliers d'unités utilisant ce procédé existent, elles sont aussi bien appliquées pour le traitement d'effluents, qu'en récupération de solvants (ou régénération).
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Concentration par évaporation
Les déchets concernés par ce traitement
Liste des déchets traités
Les déchets qui sont traités par cette technique sont :
Parmi les déchets minéraux contenant des métaux en solution ;
Les liquides, bains, et boues acides non chromiques,
alcalins non chromiques,
non cyanurés,
cadmiés.
Parmi les déchets de synthèse et autres opérations de chimie organique :
Les eaux mères de fabrication salines,
Les eaux de lavage de matériel d'industrie chimique ou parachimique.
Parmi les déchets minéraux liquides et boueux de traitements chimiques :
Les acides minéraux résiduaires de traitements chimiques,
Ainsi que tous les autres solutions salines (sauf les bases minérales, le carbonate de calcium, le sulfate de calcium souillé et les autres boues de neutralisation d'effluents acides),
Certaines boues de régénération de résines échangeuses d'ions.
Secteurs industriels générateurs de ces déchets
Les différents déchets énumérés dans le paragraphe précédent peuvent principalement produits dans les industries suivantes :
La Fabrication de la pâte à papier,
L'industrie de régénération de résines échangeuses d'ions,
Le peignage, le cardage des fibres textiles,
La tannerie, la mégisserie,
Le blanchiment, la teinture et l'impression.
Principe
Concentration par évaporation avec compression mécanique de vapeur
Lorsque la température d'ébullition à pression atmosphérique de la solution est trop élevée, il est possible de faire fonctionner l'évaporateur sous vide afin de baisser les températures de fonctionnement La mise en place d'un compresseur mécanique de vapeur permet d'utiliser les buées issues d'un évaporateur comme vapeur de chauffage de cet évaporateur.
Ces buées d'évaporation peuvent alors suffire à chauffer, en régime stable, l'évaporateur dont elles sont issues.
Les rejets générés par ce procédé sont des solutions concentrées en polluants ainsi que des condensats. Il existe environ 200 installations de ce type en France.
Une telle installation a été réalisée dans une usine de peignage, qui générée des eaux chargées de terre et de graisse. Cette installation a une capacité de 18 tonnes d'eau par heure, pour une puissance électrique de 500 kW et pour un coût d'investissement de 9 M F.
Concentration par évaporation avec pompe à chaleur
Une pompe à chaleur est une machine permettant un transfert de chaleur d'un milieu à basse température vers un milieu à température plus élevée. C'est un fluide, appelé fluide frigorigène, qui permet cet échange de chaleur. Elle comprend un compresseur, un évaporateur et un condensateur. La condensation des buées d'évaporation réchauffe le fluide frigorigène. Après compression, ce fluide permet la vaporisation d'eau. La vapeur ainsi obtenue est utilisée comme vapeur de chauffage de l'évaporateur.
Les rejets générés par ce procédé sont des solutions concentrées en polluants ainsi que des condensats.
La consommation électrique de ce type d'installation est de 30 à 100 kWh/tonne d'eau évaporée. Une telle installation est utilisée dans une société des Etats Unis afin d'éliminer du sélénium. L'économie réalisée sur les coûts de destruction est d'environ 200 kF par an pour cette société.
Concentration par évaporation par chauffage à la vapeur de chaufferie
Lorsque la solution est thermosensible, il est possible de faire fonctionner l'évaporateur sous vide afin de baisser les températures de fonctionnement. Ainsi si l'on ajuste les températures de fonctionnement, la vapeur issue du premier évaporateur peut servir de vapeur de chauffage au deuxième évaporateur. L'ensemble est alors appelé évaporateur à double effet. La vapeur sortant du second évaporateur peut servir à en chauffer un troisième et ainsi de suite, tant que la température de la vapeur reste suffisante pour assurer l'ébullition de la solution de plus en plus concentrée. Le système complet est alors un système à multiples effets.
Les rejets générés par ce procédé sont des solutions concentrées en polluants.
La consommation d'énergie de cette installation est de 640 kWh par tonne de solution traitée.
Une telle installation est par exemple utilisée pour concentrée des effluents salins.
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Séchage à portance mécanique
Les déchets concernés par ce traitement
Liste des déchets traités
Les déchets qui sont traités par cette technique sont :
Les boues de peinture, vernis, colle avec phase organique ou aqueuse,
Parmi les déchets minéraux liquides et boueux de traitements chimiques :
Le carbonate de calcium résiduaire,
Le sulfate de calcium résiduaire souillé (phosphogypses...),
Les autres boues de neutralisation d'effluents acides.
Parmi les déchets de traitement de dépollution et de préparation d'eau :
Boues d'hydroxyde métalliques ayant ou non subi un traitement de déshydratation,
Boues de station d'épuration biologique,
Boues de décarbonatation.
Les absorbants, adsorbants, matériaux souillés de produits organiques ou inorganiques.
Secteurs industriels générateurs de ces déchets
Les différents déchets énumérés dans le paragraphe précédent peuvent principalement produits dans les industries suivantes :
L'extraction de minerais métalliques ou non,
La sidérurgie,
La métallurgie des métaux non ferreux,
La fabrication d'encres et de peintures,
La fabrication de la pâte à papier,
La dépollution par traitements physico-chimiques et biologiques.
Principe
Le séchage est un procédé thermique d'élimination de solvant, d'un mélange difficilement pompable. Le séchage élimine le solvant en l'évaporant.
Il exige :
un apport d'énergie pour compenser la chaleur latente de vaporisation du solvant : c'est le chauffage,
des conditions de température ou d'écoulement gazeux autour du produit qui évitent la saturation en solvant de la couche limite.
Ces conditions peuvent être réalisées par :
"entraînement" : on maintient la pression partielle du solvant en-dessous de la pression de vapeur à la température de travail. Ceci est obtenu en faisant un balayage de l'atmosphère au contact du produit. Le gaz utilisé pour ce balayage est appelé gaz de balayage, en général il s'agit de l'air ou d'un gaz inerte. Il peut être aussi de la vapeur de solvant, on parle alors de séchage à la vapeur.
"ébullition" : le produit est chauffé à une température supérieure à la température d'ébullition du solvant à la pression de travail.
Pour les sécheurs à portance mécanique, le temps de séjour est de plusieurs minutes.
Les installations sont de toute taille, jusqu'à plusieurs dizaines de tonnes à l'heure dans les usines d'engrais avec des appareils jusqu'à trois mètres de diamètre.
Le solvant évaporé peut être confiné dans une boucle fermée soit pour le récupérer, soit pour éviter les risques d'inflammation ou d'explosion.
La capacité évaporatoire peut aller dans certaines applications jusqu'à 40 tonnes par heures ou 30 MW en puissance thermique.
Les investissements sont fonction de la capacité évaporatoire, de la consistance du produit à sécher et du caractère d'envolement du produit sec.
L'investissement d'une unité de séchage en acier inoxydable évaporatoire de 2 tonnes par heure est estimée à 2,5 millions de francs environ.
Ces sécheurs rejettent des gaz comportant le solvant et le fluide de séchage. Dans le cas où le solvant est un composé organique, il y a lieu de le condenser pour ne pas le disperser dans l'atmosphère.
Ce type de matériel est très utilisé en incinération d'effluents, en séchage de produits marchands (sécheurs d'engrais), en séchage de déchets agro-industriels (pulpe de betterave). En déchets industriels, cette technique est utilisée sur les boues de stations d'épuration industrielles, les boues de peinture et sur les boues de papeterie.
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La pervaporation
Domaine d'utilisation
Elle concerne tous les déchets contenant des solvants ou encore des eaux issues de lavages de pièces usinées. Les secteurs les plus concernés sont donc le traitement de surface, les fabricants de vernis ou encore les industries chimiques produisant des composés organiques. Les principales utilisations sont la déshydratation des solvants et mélanges organiques ainsi que l'extraction d'un composé organique d'une solution aqueuse.
La pervaporation
Ce procédé comporte plusieurs étapes qui sont l'adsorption, la diffusion et la désorption. En effet, la pervaporation fractionne les mélanges liquides (elle les vaporise à travers une membrane dense placée en surface). La phase d'adsorption consiste à partager à l'interface amont les composants (l'adsorption dépend de l'affinité produit / membrane).
La deuxième phase est une diffusion à travers la membrane alors que la désorption consiste en la vaporisation au niveau de la face aval de la membrane maintenue sous basse pression (ce qui permet d'assurer le transfert de matière).
Ce perméat qui est diffusé puis vaporisé dépend de la nature de la membrane. En effet, si la membrane est hydrophile, elle permettra une déshydratation des solutions organiques alors qu'une membrane hydrophobe permettra plutôt d'extraire des composants organiques.
Après récupération, le perméat est condensé sur un groupe frigorifique.
Il est aussi récupéré un perméat gazeux appelé pervaporat qui dépend de trois facteurs :
La composition du liquide dissous dans la membrane,
les vitesses de diffusion des composants dans le corps de la membrane,
les valeurs des pressions partielles des constituants en aval.
Les technologies utilisées
Les membranes hydrophiles sont industrialisées.
Les matériaux utilisés sont de type cellulose, alcool polyvinylique ou encore polyphosphates. Ceu i favorisent l'extraction de l'eau et des constituants polaires.
Les matériaux hydrophobes (non encore industrialisés car en cours de développement) sont quant à eux, à base de silicones et favorisent l'extraction de composés organiques ou non polaires (utilisation pour le traitement des effluents).
Le flux de pervaporat se situe alors entre 0,5 et 5 kg/m2/h. Caractéristiques Les différentes membranes que cette technique utilise coûtent de 5000 à 7000 f/m2.
Par rapport à la cryoconcentration et à la congélation qui ne sont pas fort industrialisés, elle présente des exemples d'applications développement dans le monde entier (Allemagne, Etats Unis, France et Japon pour la déshydratation des solvants).
Deux exemples
CEBAL impression de feuilles d'aluminium pour l'industrie alimentaire en France.
Cette usine consomme 1400 tonnes de solvants par an. Sa capacité est de 23000 Nm3/h d'effluents à une concentration de 5 à 12 g/Nm3 à un coût de 250 à 300 F/h. La récupération est d'environ 220 kg/h, ce qui correspond à une économie de 2,5 millions.
BASF fabricant de produits chimiques aux Etats Unis.
Elle consomme 1800 kg/h de solvant organique. La surface de la membrane est de 60 m2 et elle consomme 5 kWh. La concentration en entrée est de 55 % alors qu'en sortie elle atteint 98%.
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La cryoconcentration
Domaine d'utilisation
La cryoconcentration est utilisée dans les secteurs liés à la chimie et sert au traitement des déchets liquides issus des procédés (carbonate de calcium, solutions salines...).
La cryoconcentration
Elle désigne l'ensemble des techniques qui consistent à former des fractions cristallisées d'un solvant (séparé par la suite) en abaissant la température. La cryoconcentration est donc la concaténation de deux techniques inspirées de la cristallisation (séparation moléculaire) et de la séparation de phases (décantation, centrifugation...).
Le paramètre prépondérant jouant sur l'efficacité de la technique est la température de cristallisation, qui dépend du solvant, du soluté et de sa concentration. Le seuil limite de cryoconcentration est aussi appelé point eutectique.
Il existe deux types de procédés :
La cryoconcentration directe ; le réfrigérant est au contacte de la solution,
la cryoconcentration indirecte ; le réfrigérant est séparé de la solution par une surface d'échange.
Pour le traitement des eaux, le but est d'obtenir un solvant le plus pur possible.
Il existe actuellement deux types de procédés utilisés : Le HPD et le PROABD.
Le procédé HPD consiste à refroidir les eaux à traiter avec le produit final (eau "lavée") et le concentrât. Ces eaux sont alors passées dans un freezer à contact indirect. Les cristaux de glace en suspension sont alors séparés et lavés. C'est un procédé continu.
Caractéristiques et exemple d'utilisation
La consommation en électricité est moins élevée que pour une congélation (13 à 20 kWh/t contre 30 kWh/t).
Le coût de réalisation est 2 à 3 fois supérieur à celui d'une unité d'évaporation classique.
Il ne s'utilise que pour des concentrations d'environ 1 à 2 g/l pour le soluté et 10 à 20 g/l pour le concentrât. Il est extrêmement efficace avec 10 % du débit d'entrée sortant sous forme de concentrât de polluants, et 90 % sous forme d'eau pure.
Un exemple d'utilisation se trouve aux Etats Unis dans une entreprise de fabrique de pâte à papier.
Les caractéristiques sont :
Coût, 80 millions de francs car elle était la première en son genre,
débit de traitement d'eaux résiduaires (en forte concentration), 220 m3/h,
production de 198 m3/h d'eau à moins de 5 ppm en charge polluante,
consommation d'énergie, 18 kWh/t d'eau épurée qui est recyclée alors que les concentrâts sont incinérés.
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La congélation des boues
Domaine d'utilisation
Il concerne surtout des boues contenant des métaux (métaux dangereux non précipités) ou encore des boues chromiques, et aussi, certaines boues issues de neutralisation d'effluents acides dans l'industrie chimique. D'autres secteurs où cette technique peut être utilisée sont des secteurs traitant de la dépollution de l'eau (production de l'eau) ou encore dans la métallurgie des non ferreux.
La congélation
Elle consiste en la déshydratation des boues (phase intervenant après la décantation et la stabilisation). Les principales boues traitées par la congélation sont formées à 95 ù d'eau et ont des teneurs non négligeables en précipités contenant de l'aluminium, du fer ou du titane.
Le principe général est de séparer l'eau et les particules citées ci-avant, qui forment des grains lors de la congélation et ne sont plus stables en terme de décantation. Lors de la phase de décongélation, cette structure en grain (amas de particules) persiste et facilite donc la séparation (pour le traitement des boues). En raison de son principe, les facteurs prépondérants sont : La conductivité thermique, l'épaisseur de la couche à traiter, la durée de la congélation. Un temps entre les deux phases de congélation et décongélation améliore son efficacité (avec un optimum de 15 minutes).
Il existe actuellement deux types de technologies :
La congélation naturelle,
Elle est perceptible dans les régions où les variations de températures sont importantes. Pendant la période des basses températures, les boues sont introduites dans des bassins en fines couches. Lorsque la température remonte, les boues sont retirées et filtrées.
La congélation non naturelle,
La congélation et la décongélation sont obtenues par l'utilisation de groupes frigorifiques (il peut y avoir utilisation de l'énergie apportée par les boues en phase de congélation pour la décongélation d'une autre unité de traitement).
La congélation permet une réduction de la D.C.O. de plus de 60 %, mais elle oblige un prétraitement (décantation) et un post-traitement (affinage de l'effluent). Pour ce qui est des contraintes thermiques, la congélation s'obtient entre -10 et -20 °C. Cette technique demande un apport énergétique important (environ 120 kWh/m3) toutefois, il est possible d'en récupérer 90 en recyclage ce qui améliore le rendement thermique. Les temps de congélation varient de 1 à 4 heures.
Les sous produits sont : De l'eau plus ou moins épurée nécessitant un affinage, et des boues de faible concentration en eau (25 à 30 %).
Cette technique est encore en développement et reste peu répandue (d'après l'ADEME catalogue des techniques de traitement des déchets, 1994) une usine de traitement des eaux en Angleterre serait une des rares enseignes à l'utiliser.
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VITRIFICATION
INTRODUCTION
La vitrification est un traitement de fusion à haute température permettant d'obtenir un solide non cristallin. Les éléments polluants des déchets, métaux lourds essentiellement, sont oxydés avec la matrice. Le verre obtenu doit avoir une stabilité à long terme. Les déchets concernés sont les résidus des incinérateurs (cendres volantes, boues de traitement de gaz), ainsi que l'amiante et les gravats amiantés, la laine de verre et la laine de roche. Des projets sont également développés pour les mâchefers de déchets hospitaliers et de déchets industriels spéciaux.
La vitrification est également appliquée pour le traitement des déchets radioactifs, mais il ne s'agit pas du même procédé.
PRINCIPE PHYSICO-CHIMIQUE
Les techniques utilisées permettent d'atteindre des températures de l'ordre de 1000 à 1400°C. On répertorie plusieurs types de fours : des fours à arc, à oxyfuel, à arc plasma, four oxygaz ou chauffage par induction en spires directes.
Un certain nombre de procédés sont issus des techniques verrières, et les différences principales portent sur :
la température atteinte (plus élevée pour le four à arc plasma),
les effets induits sur la pollution (four oxyfuel) ou sur la taille de l'équipement de traitement de gaz (four oxygaz ou oxyfuel > four à arc plasma > four à arc électrique),
le coût (arc plasma >> autres technologies),
la capacité maximale (arc électrique > arc plasma)la capacité maximale (arc électrique > arc plasma),
le mode de chauffage :
soit électrique (arc électrique, arc plasma avec utilisation d'un gaz parcouru par un courant électrique entre deux électrodes),
soit thermique (oxyfuel avec flamme au fuel dopée en O2 ou oxygaz avec flamme au gaz dopée en O2).
Les rejets générés par ce type de procédés sont identiques à ceux d'une incinération classique. Le problème de volatilisation d'une fraction des métaux lourds durant le traitement pose un frein au développement de cette technique.
On peut citer comme exemple d'installation l'une des unités de Tokyo Ohta : on y utilise un four à arc submergé permettant de traiter des mâchefers d'UIOM (250 tonnes/jour en 2 unités). Un autre exemple est un équipement mobile de destruction des déchets d'amiante par torche à plasma (Aérospatiale) à haute température (4500 °C). La température du four est de 1600 °C et celle de la chambre de postcombustion de 1200 °C, pour une capacité d'une tonne par heure.
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La décontamination par micro-ondes.
Principe de fonctionnement
Le procédé de décontamination par micro-ondes est basé sur le même principe que les fours à micro-ondes domestiques. Il s'agit d'exciter les molécules et les atomes du corps à traiter par l'onde électromagnétique délivrée par le four (qui correspond à une source énergétique), ce qui conduit à un échauffement. De même dans le cas d'un procédé industriel, le but est de chauffer à forte température et de manière homogène un corps afin de tuer sous l'effet de la chaleur, les micro-organismes pouvant s'y trouver. Le problème à résoudre est celui du dimensionnement des installations, par rapport à un four domestique.
Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques dont les fréquences autorisées pour les installations industrielles sont 915 MHz et 2450 MHz. L'intérêt de ces ondes est leur capacité à pénétrer les corps à traiter à une profondeur de 5 cm à 12 cm suivant la nature de ces derniers.
Les produits doivent donc être de faible taille de manière à être atteints par l'onde et donc chauffer en leur sein. Par contre leur forme importe peu.
L'inertage par micro-onde est principalement utilisé aujourd'hui pour le traitement des déchets hospitaliers. Son but est principalement d'éliminer tout risque de contamination bactériologique à partir de déchets anatomiques
Par ailleurs, l'eau étant particulièrement réactive (diélectriquement parlant) à l'action des micro-ondes, les déchets seront mouillés afin d'effectuer une montée en température plus rapide et plus facile.
Technologie, caractéristiques
Le procédé de traitement des déchets par micro-ondes nécessite d'être intégré dans un processus dissocié en quatre étapes.
1° étape : Le broyage
Après pesage, les déchets à traiter passent dans un broyeur d'une capacité théorique de 250 kg/h. Ils sont alors réduits en morceaux de 2 cm par 2 cm environ, ce qui permettra aux micro-ondes de les pénétrer totalement et donc de les traiter efficacement.
Au cours de cette phase, un premier jet de vapeur est pulvérisé à l'intérieur de la trémie de chargement. Cette trémie est régulièrement désinfectée.
2° étape : La vaporisation
Le granulat est alors entrainé par une vis sans fin vers des jets de vapeur à 150°C opérant une mise en température des déchets broyés avant l'action des fours à micro-ondes.
3° étape : La désinfection par micro-ondes
Les déchets passent dans la zone à micro-ondes composés de 6 générateurs et qui maintiennent une température de 95°C. La mise en marche des fours est déclenchée automatiquement au passage des déchets.
4° étape : L'évacuation
Une seconde vis sans fin permet l'évacuation du broyat désinfecté dans un conteneur à ordures. Dès lors les déchets sont assimilables à des ordures ménagères et peuvent être mis en décharge ou incinérés.
L'ensemble de ces opérations est contrôlé informatiquement. Les moyens informatiques garantissent l'adéquation temps de passage / puissance des générateurs micro-ondes, contrôlent la température de fonctionnement et le degré d'humidité des déchets. Enfin ils permettent la détection de problèmes de sécurité et commandent l'arrêt automatique du processus. En outre, le traitement des déchets hospitaliers étant étroitement contôlé, de nombreux tests d'efficacité de la décontamination sont effectués par la DDASS. Le coût de traitement hors collecte, transport et ammortissement pour le procédé est de 600 F/tonne.
Avantages et inconvénients
L'avantage est un traitement rapide et sûr des déchets hospitaliers. Par ailleurs, l'appareil décrit précédemment est confiné dans un container transportable dont les dimensions sont 6060x2438x3250 mm pour le procédé commercialisé par la société Esys.
Les inconvénients sont ceux communément connus en ce qui concerne les micro-ondes, c'est à dire un certains nombre de déchets interdits :
les sels d'argent, produits chimiques utilisés pour les opérations de développement, les clichés radiographiques périmés,
les produits chimiques explosifs, à fort pouvoir oxydant,
les produits mercuriels,
les déchets radioactifs,
les pièces anatomiques,
les pièces métalliques.
Application
La société Esys située au Puy en Velay (43) commercialise un procédé d'inertage des déchets hospitaliers comme celui décrit auparavant. Un appareil fonctionne actuellement à l'hôpital Emile Roux du Puy. L'étude préalable à la commercialisation de l'appareil a été menée par l'Institut Pasteur pendant 6 mois en 1990 et, en juillet 1991 les ministères de la santé et de l'environnement autorisent le procédé de traitement par micro-ondes dénommé Sthemos, comme alternative à l'incinération des déchets hospitaliers.
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http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich4.htm
Traitements par voie microbiologique
Opérations procédés
Aérobie -
Culture fixe Lits bactériens
Disques biologiques
Biofiltration
Aérobie -
Culture libre
Lagunage
Boues activées
Compostage
Anaérobie
Digestion
Fermentation
Alcoolique
Méthanisation
Biolixiviation
Lagunage
à approndir ...
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http://www.emse.fr/~brodhag/TRAITEME/fich11_4.htm
INCINERATION EN FOUR A ARC
INTRODUCTION
L'arc électrique est la manifestation du passage du courant entre 2 électrodes dans un milieu gazeux ionisé à la pression atmosphérique ou à une pression différente. Il permet de mettre en oeuvre des puissances très élevées et d'atteindre des températures de 3 000 °C.
Il y a différent types de fours selon les mécanismes de conversion de la puissance en chaleur et selon le transfert de la chaleur libérée à la charge : l'énergie est soit libérée dans le bain pour les four à électrodes submergées, soit elle est libérée par rayonnement de l'arc pour les fours à arc ouvert.
Le four à arc est une technique qui peut être envisagée pour la vitrification ou la fusion de déchets.
LES FOUR A ELECTRODES SUBMERGEES
L'extrémité des électrodes est immergée, et l'énergie électrique est libérée dans le bain en fusion par effet Joule.
Les scories (SLAG) sont surchauffées au niveau de la pointe des électrodes, ce qui induit des forces convectives qui déplacent le slag des électrodes vers la paroi de l'enceinte.
La charge fond au contact de ce bain en fusion. Il faut donc une surface de contact suffisante entre la charge et le bain.
LES FOURS A ARC OUVERT
L'énergie électrique est ici majoritairement libérée au niveau de l'arc. On peut donc travailler avec des puissances supérieures au cas présenté précédemment sans avoir de surchauffe au niveau du bain.
L'énergie libérée par l'arc rayonne sur le bain et les réfractaires qui réfléchissent cette chaleur sur le bain. Dans ce type de four, le rendement énergétique est moins bon que lorsque la chaleur est produite directement au sein du bain.
Comme une part importante de l'énergie est transférée par le rayonnement de l'arc, ces fours sont généralement utilisés pour des matériaux qui présentent une résistance limitée, ou pour des matériaux qui génèrent un fort volume de gaz.
APPLICATION AU TRAITEMENT DES DECHETS
Les fours à arc sont généralement utilisés dans l'industrie métallurgique pour l'élaboration d'électrofondus ou pour l'élaboration de laine de roche.
Cependant, des essais ont été effectués pour traiter des déchets industriels ou ménagers :
Traitement des crasses d'aluminium :
HYDRO-QUEBEC (Canada) a mis au point un four rotatif chauffé par un arc établi entre 2 électrodes en graphite.
Son procédé lui permet de récupérer 95% de l'aluminium présent dans ses crasses.
Traitement de REFIOM, de boues, de mâchefers :
DAIDO (Japon) propose un four étanche à arc submergé pour la vitrification de boues de station d'épuration et des mâchefers.
HITACHI ZOSEN (Japon) utilise un procédé arc électrique pour la fusion de cendres d'incinération obtenues par incinération et pyrolyse de déchets banals produits par la ville de Tokyo.
STEINMULLER (Allemagne) a développé le procédé RedMelt : des conditions réductrices sont obtenues par l'utilisation d'électrodes graphites ce qui conduit à l'obtention d'un composé présentant peu de sels et de métaux lourds.
Le BUREAU of MINES (USA) propose une installation à arc submergé ou non, pour la fusion de résidus de combustion de déchets municipaux.
EDF a mené des expériences sur la vitrification de REFIOM dans un four à arc alimenté en courant continu (électrode et contre-électrode en graphite).
AVANTAGES, INCONVENIENTS
AVANTAGES
Minimum d'effluents gazeux ,
Possibilité de travailler avec des parois froides,
Faible inertie,
Températures élevées,
Souplesse de conduite,
Maîtrise indépendante de l'intensité et de la tension,
Possibilité de travailler avec une voûte froide (arc submergé),
Taille modulable.
INCONVENIENTS
Consommation d'électrodes,
Vaporisation en surface (arc rayonnant),
Erosion des réfractaires,
Initier la fusion lorsque le bain n'est pas conducteur à froid,
Influence de la résistivité du bain (arc submergé).
CONCLUSION
Les fours à arc sont surtout développés pour l'industrie métallurgique et pour l'élaboration d'électrofondus.
Il existe donc de très nombreux types de fours. Cependant, peu d'études ont été menées pour leur utilisation potentielle pour le traitement des déchets (vitrification ou fusion).
Toutefois, des études menées par certains industriels (Hydro- Quebec, Mintek et Clecim) semblent privilégier l'emploi de l'arc plutôt que la torche à plasma pour la vitrification des déchets.
Modifié il y a 8 ans, le vendredi 15 janvier 2016 à 23:12
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