Gazéification et pyrolyse. Technologies innovantes pour la valorisation énergétique des déchets

Le coût économique de la production d’énergie à partir de combustibles fossiles a désormais atteint des valeurs insoutenables, ce qui rend nécessaire la recherche de nouveaux combustibles et le développement de processus et d’alternatives technologiques véritablement durables.

Parmi les « nouveaux » combustibles qui, après prétraitement et/ou transformation, peuvent intégrer les combustibles traditionnels, on distingue différentes catégories de déchets d'origines diverses (urbaines ou industrielles). Le développement de procédés dans ce sens découle de la nécessité de combiner une production d’énergie plus durable avec la nécessité d’une gestion plus efficace des déchets.

Les objectifs de la recherche appliquée actuelle

Ces dernières années, la recherche de nouvelles solutions technologiques est devenue de plus en plus forte qui, en utilisant différents procédés, même en combinaison les uns avec les autres, visent à garantir une transformation efficace des déchets tout en favorisant une récupération maximale de matière et d'énergie et une réduction maximale des émissions gazeuses, liquides et solides. émissions.

Gestion éco-durable des déchets

La valorisation des déchets comme matière première pour produire des carburants de valeur, comme le méthanol et l'hydrogène , est l'objectif de la recherche appliquée dans tous les pays les plus industrialisés.

L'utilisation des déchets non pas comme combustible « tels quels », mais comme matériaux à transformer en produits de plus grande qualité ou valeur nous permet de gravir les échelons de la « pyramide de l'éco-durabilité ».

La poussée vers une économie énergétique basée sur la conversion des combustibles gazeux ou tout au plus liquides (méthane, hydrocarbures légers, huiles) et de l'hydrogène est liée à la possibilité de parvenir, grâce à eux, à une combustion plus propre et plus efficace.

La transformation des déchets en ces combustibles est possible grâce à des processus thermochimiques tels que la pyrolyse et la gazéification, qui induisent une modification de la structure chimique de la matière sous l'action de la chaleur.

Il ne s'agit donc pas de réaliser des procédés de « sélection et prétraitement » comme la production de combustibles solides comme le RDF mais de mettre en œuvre de véritables procédés chimiques dont la fiabilité, l'efficacité et le coût doivent être soigneusement évalués.

Processus thermochimiques

Pyrolyse : dans laquelle une dégradation thermique du matériau a lieu en l'absence totale d'air/oxygène par apport direct ou indirect de chaleur. Le pouvoir calorifique des produits obtenus est donc très élevé.

Gazéification : dans laquelle une oxydation partielle des déchets se produit dans un environnement pauvre en oxygène. Les produits finaux ne sont pas complètement oxydés et ont donc un pouvoir calorifique inférieur à celui des déchets initiaux.

Combustion : dans laquelle on réalise l'oxydation complète de la fraction organique des déchets/combustibles, en présence d'un excès adéquat d'oxygène et avec pour résultat l'obtention de produits complètement oxydés et sans valeur calorifique.

Production d'énergie

« Il permet d'obtenir une oxydation totale et très rapide de la fraction combustible alimentée, en présence d'un excès d'air d'autant plus important que le contact comburant-carburant est difficile.

La réaction est exothermique et s’accompagne donc d’un dégagement de chaleur qui dépend du pouvoir calorifique inférieur (PCI) du carburant et de l’efficacité de la combustion.

Procédés thermochimiques alternatifs à la combustion :

Pyrolyse

Il s'agit d'un processus qui se déroule en l'absence d'oxygène et à des températures supérieures à 400°C, atteint grâce à l'apport direct ou indirect de chaleur, au cours duquel se produit exclusivement une dégradation thermique de la matière organique, éventuellement favorisée par l'action de catalyseurs. .

Les principaux produits du procédé sont des gaz combustibles de pyrolyse, des liquides organiques et un résidu solide non vitrifié contenant le charbon et la fraction inorganique des déchets.

Pyrolyse des déchets plastiques

La composition des produits de pyrolyse est extrêmement variable avec la température du procédé et avec la présence de catalyseurs tels que les métaux de transition et les matériaux contenant des sites acides tels que les silico-aluminates, les zéolites, les argiles.

Les catalyseurs peuvent, outre l'augmentation de la température, favoriser la déshydrogénation, c'est-à-dire la perte d'hydrogène intramoléculaire de la chaîne polymère avec pour conséquence une augmentation du degré d'insaturation des radicaux obtenus.

La déshydrogénation s'accompagne inévitablement d'une production élevée de composés insaturés et aromatiques (benzène, toluène, xylène, etc.) et de solides carbonés amorphes ou cristallins (graphite, micro et nanofibres).

La possibilité de rompre les liaisons moléculaires des polymères par l'action de la chaleur (thermolyse) ou par attaque chimique (solvolyse) a ouvert la voie à l'utilisation du produit de décomposition comme matière première pour l'industrie pétrochimique (recyclage des matières premières).

Pyrolyse de la biomasse

La pyrolyse de la biomasse peut être différenciée en fonction du temps de séjour : un temps de séjour élevé conduit à la production de charbon de bois ; un faible temps de séjour conduit à la formation de liquides avec des rendements élevés.

La production de biohuiles (comme on appelle normalement les liquides de pyrolyse de la biomasse) s'effectue à des températures modérées, c'est-à-dire inférieures à 600°C.

Pyrolyse plasma de déchets dangereux

La pyrolyse du plasma se produit à très haute température (environ 20 000°C) grâce à l'action de l'arc électrique qui se forme entre deux électrodes.

L'énergie de l'arc est si élevée que le gaz présent entre les électrodes s'ionise. Le procédé de « déstructuration » d'un pyrolyseur à plasma repose sur ce principe.

En fait, dans ce système, l'arc est généré à l'intérieur d'une chambre où la chaleur intense générée par l'arc dégrade les molécules organiques les plus résistantes (huiles, peintures, solvants) jusqu'à obtenir les atomes individuels (plasma).

Dans un processus ultérieur , les atomes se recombinent pour former des composés gazeux non dangereux (dioxyde de carbone et eau produits par oxydation dans un lit de matériau céramique) ou des solides.

Ces derniers sont totalement vitrifiés et intègrent les métaux qui ne sont plus lessivables : ils sont donc réutilisables comme matériau de construction.

Les électrodes utilisées sont en carbone et sont insérées en continu sans qu'il soit nécessaire d'arrêter le processus pour maintenance.

Pyrolyse des déchets solides municipaux

Les déchets hétérogènes sont composés de différentes catégories de produits combustibles qui, cependant, selon un processus extrêmement schématisé, remontent aux polymères (plastiques, caoutchoucs, résines) et à la biomasse (papier, carton, bois, fraction organique, textiles).

Technologies de pyrolyse

L'application de la pyrolyse des déchets municipaux en Europe est encore à un stade de développement et n'a donc pas atteint sa maturité commerciale même si la volonté de se conformer aux dispositions du protocole de Kyoto a donné lieu à de nombreux projets de démonstration.

Si l'utilisation de la pyrolyse comme procédé de production de produits chimiques est encore très limitée, la pyrolyse destinée à servir d'étape préalable à une étape ultérieure de combustion ou de gazéification est déjà appliquée à grande échelle.

Parmi les procédés les plus intéressants qui utilisent la pyrolyse comme processus de transformation de divers déchets (plastiques mélangés, résidus de démolition de voitures, déchets électroniques, déchets solides municipaux et spéciaux), nous pouvons souligner ceux réalisés par WasteGen (UK), Texaco, Compact Power et Ébara.

Conclusions

La plupart des procédés de pyrolyse commerciaux se déroulent à basse température, c'est-à-dire entre 450 et 600°C afin d'éviter d'avoir à payer un coût énergétique (et économique) excessif, même si cela implique une augmentation du temps de séjour dans le réacteur (ce qui peut même durer 2 heures) et la réduction de la fraction de déchets complètement dégradée à l'intérieur du four.

Pour améliorer l'efficacité énergétique globale du procédé, le gaz de pyrolyse, et éventuellement aussi le charbon , sont envoyés vers un procédé de combustion qui permet, si celui-ci est réalisé à des températures supérieures à 1200°C, d'exploiter pleinement la température de flamme adiabatique de le gaz de pyrolyse.

Les charbons issus d'un processus de pyrolyse peuvent :

• être mis en décharge après avoir été débarrassé des métaux qui, à l'issue du procédé, sont récupérables sous forme non oxydée

• être envoyé à la combustion éventuellement avec le gaz de pyrolyse ; dans ce cas il ne sera pas possible de récupérer les métaux (qui sont ainsi oxydés)

• être envoyé à la gazéification (une option qui permet de récupérer les métaux sous une forme non oxydée et d'augmenter le CCE du système global en transformant le carbone fixé du charbon en gaz de synthèse supplémentaire).

Catégorie : actualités - technologie - plastique - recyclage - pyrolyse - déchets

Maria Laura Mastellone et Umberto Arena

Deuxième Université de Naples Département des Sciences de l'Environnement