1

Rejets gazeuxRejets gazeux

ENERGIEENERGIE

MATIMATIÈÈRES RES PREMIPREMIÈÈRES : RES :

ddééchets chets àà incinincinéérerrer

U V EU V E

Rejets solides : mâchefersRejets solides : mâchefers

Cendres volantesCendres volantes

Présentation systémique d’une Unitéde Valorisation Énergétique

Comment ça marche ?

Ou encore…

Autre animation : http://www.rennes-metropole.fr/usine-d-incineration,69917/

Définition

La valorisation énergétique (au sens réglementaire) consiste à utiliser l’énergie thermique contenue dans les déchets, en les brûlant et en récupérant l'énergie ainsi produite pour, par exemple, chauffer des immeubles ou produire de l'électricité.

- C’est une source d’énergie “renouvelable”…

tant que nous produirons des déchets !- C’est une énergie dont le coût est

faible….pour l’instant !- Et aussi parce que, en principe, elle est

produite à proximité des consommateurs (logements ou industries)

La valorisation énergétique pour quoi faire ?

Dans le cas des UVE ( ou UIOM) la valorisation énergétique est une OBLIGATION REGLEMENTAIRE

2

Techniques de valorisation

Incinération, pyrolyse, oxydation en voie humide, gazéification….

Les techniques les plus utilisées aujourd’hui reposent sur le principe de la récupération de chaleur à partir des gaz de combustion des déchets.

IncinérationL’incinération est la méthode la plus classique de valorisation. Mais pas seulement de déchets ménagers et assimilés :

Ex: les cimenteries (incinération de pneumatiques ou de farines animales…)

Principe : brûler les déchets dans des foyers en excès d’air et récupérer l’énergie contenue dans les gaz de combustion.

La récupération de chaleur se fait généralement par échange thermique entre les gaz de combustion et un circuit d’eau ou de vapeur.

NB : d’où l’utilisation des connaissances acquises en cours de transfert de chaleur !

Utilisation (valorisation) :VAPEUR :

- soit au minimum dans l’usine au chauffage des locaux (en réalité, jamais : le rayonnement des fours suffit !)

- soit être vendue à une usine voisine ou à une société de chauffage urbain

ELECTRICITE : On obtient de l’électricité par entraînement de turbines à vapeur, elles-mêmes entrainant des alternateurs.

SEULE l’utilisation en série de la vapeur pour entraîner un turbo-alternateur puis, détendue, dans un réseau de chaleur peut porter le nom de cogénération

Mais l’utilisation de la vapeur pour produire de l’électricité ou de la chaleur peut aussi se faire en parallèle (voir Chambéry) en fonction des besoins (notamment saisonniers)

Une UVE (ou UIOM) n’incinère que 2 types de déchets :

Des déchets solides issus de la collecte (particuliers ou entreprises) qui ne sont en aucun cas des déchets classés dangereux

Donc uniquement des DMA ou des DIB

Éventuellement des boues de station d’épuration (voir exemple de Chambéry)

Tout autre type de déchet sera incinéré dans une installation spécifique pour déchets industriels, déchets dangereux ( ex : TREDI à Saint Vulbas)

PCS - PCI ?

3

DéfinitionsLe pouvoir calorifique est l’enthalpie de combustion changée de signe.

SUPERIEUR si l’eau est produite à l’état liquide

INFERIEUR si elle est sous forme de vapeur

Eau sous forme liquide issue d’une combustion?

Techniquement difficile à envisager : la définition est purement thermodynamique

La variation d’enthalpie lors d’une transformation peut se calculer par la différence entre les enthalpies standard de formation des produits de réaction et celle des réactifs :

ΔHo = ΣΔH f (produits) - ΣΔH f (réactifs)

Quelques valeurs de H°298

H°298 CO = - 110,4 kJ mol-1H°298 CO2 = - 393,1 kJ mol-1

H°298 CH4 = - 74,8 kJ mol-1H°298 C2H4 (éthylène) = + 52,2 kJ mol-1H°298 C6H6 (benzène) = + 48,9 kJ mol-1

Et plus particulièrement pour l’eau :

H°298 H20V= - 241,6 kJ mol-1

H°298 H20L = - 285,5 kJ mol-1

D’où H H20LV VL = +- 44,03 kJ mol-1

Chaque fois qu’une molécule d’eau est formée, ~40 kJ son emportés …

Chaque fois que l’on condense 18 grammes d’eau, ~40 kJ sont récupérés…

Récupérer toute ou partie de la chaleur latente de vaporisation n’est pas chose aisée:but des chaudières dites à condensation

Pour ne pas prendre de risque dans le dimensionnement, on effectue les calculs à partir du PCI : toute énergie supplémentaire récupérée ne peut être que bénéfice.

On le calcule à partir des enthalpies standard de formation, et notamment si le produit est un produit carboné « simple ».

Le PCS et le PCI peuvent se calculer approximativement par quelques relations simples :

PCS = 418C – 1672 en kJ/kg avec C, teneur en carbone en % massique

Relation de Vondracek : PCS = [328,9 + 11,7(100-C)0,25]C+899,7(H-0,1*O)+104,6*S

en kJ/kgRelation de Vandralek :PCS = 4,18× (85×C + 270×H + 26× (S − O)) en kJ/kg

4

Avec C, H, O et S les teneurs en % massique respectivement du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène et du soufre

Une formule approchée assez simple est :PCS = 389*C en kJ.kg-1

Calcul du PCI :PCI = PCS – 6(9H + E) en kcal/kg

Avec E l’humidité initiale (en % massique)

PCI = 34,03*C + 121,64 -12,54*Oattention : en MJ/kg

Dernière relation, notamment pour de la biomasse, en tenant compte de son humiditéinitiale :

PCI = 18,4(100-MM/100+H) – 2,5(H/100+H)attention : en MJ/kg

Avec MM la fraction massique en matière minérale dans la matière organique

Pour des précisions sur ces relations et leurs domaines d’application, On se reportera au document « CRITT-ADEME_Mesurecombustible.pdf » disponible sur l’EAD

à titre de comparaison : Rappel sur les unités

Unité en désuétude, encore utilisée par les frigoristes

- 1 calFgFrigorie

Unité en désuétude, encore parfois utilisée par les thermiciens

106 calThThermie

C’est la « calorie » en diététique

1000 calCalGrande calorie

Unité en principe interdite4,1855JcalCalorie

CommentairesÉquivalencesymboleNom

L’unité légale de l’énergie est le Joule.1 kJ vaut 239,005736 calories, et 1 calorie vaut 4,1855 joules. On définit cette unité comme étant le travail d'une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dans la direction de la force :1 J = 1 N.m = 1 kg . m² . s-²

Les déchets à faible pouvoir calorifique sont des déchets solides contenant peu de matières organiques, des effluents gazeux organiques mais très dilués dans un gaz inerte ou dans l’air (gaz de stripping, gaz de soufflage…) ou des effluents liquides essentiellement composés d’eau et de faibles quantités de produits polluants combustibles (eaux de purges ou de lavages, eaux résiduaires…)

A l’autre extrême, les déchets à pouvoir calorifique élevé sont riches en matières organiques : déchets cellulosiques (bois, papier, carton, textiles…), matières plastiques (PVC, ABS, polystyrène, polyéthylène…), déchets liquides (huiles, résidus de produits lourds de raffinerie, solvants… ), déchets gazeux peu dilués (gaz de four à coke, gaz de raffinerie)

Les caractéristiques importantes pour la valorisation énergétique sont : 1. l’état physique : solide, liquide, gazeux,

pulvérulent ou en suspension dans un liquide de support ou dans un gaz : csq sur le choix du type de four

2. Le degré d’homogénéité : par leur nature les déchets sont souvent souillés ou mélangés

3. La composition chimique : contraintes résultant de l’agressivité des fumées sur les parois de l’incinérateur, de l’encrassement des parois de l’échangeur thermique ou de la nécessitéd’éviter l’émission d’effluents polluants.

5

Combustion de déchets ménagers

Composants élémentaires des déchets

L’eau se vaporise et passe à l’état de vapeur d’eau Susceptible à son tour de jouer un rôle hydrolysant.

Éléments combustibles :C, H, Cl, S, N CO2, H2O, HCl, SOx, NOx

Valeur classique 1 Tde résultat de la combustion De déchets ménagers

700 kg de gaz300 kg de résidus solides

dont 30 kg de cendres

Réduction d’impactRéduction en volume : Hors valorisation : 1 m3 => 0,1 m3

Après valorisation : 1 m3 => 0,02 m3

Valorisation des mâchefers, recyclage des ferrailles etc…

• Réduction en masse :Hors valorisation : 1 tonne => 300 kgAprès valorisation : 1 tonnes => 50 kg

Mâchefers non valorisables, déchets « ultimes »

Réactions chimiques des éléments majeurs

• Carbonecarbone de mth/mole 67.64COO 21CO

carbone de mth/mole 26.41COO 21Ccarbone de mth/mole 94.05COOC

22

2

22

• Hydrogène hydrogened' mth/mole .0875OHO21H 222

• Soufresoufre de mth/mole 2.7 SOO 21SO

soufre de mth/mole 17OO

322

22

SS

• Azote..

.Nazotique) (oxyde 2NOON

2

2

22

ONOONNONO

• Chlore

OH 2Cl 2OHCl 4ONaHCl 2OHNaCl 2

OH 2Cl 2OHCl 4OH2n HCl2n CO4n O5n CHCl)(CH 2

222

22

222

222n2

Quid d’un déchet réel ?Problème : on ne connaît jamais la composition exacte d’un déchet, qui par définition est un mélange

Solution : équation de la combustion

Principe : écrire une molécule équivalenteCombustion d’un produit ne contenant QUE C, H et O :

CHxOy + _____O2 ___CO2 + ___H20 (L)

REMARQUE x et y sont des titres molaires

Rappel :Titre : espèce concernée rapportée au totalRapport : dans un mélange binaire, espèce concernée rapportée à l’autre espèce

Tires et rapports peuvent aussi bien être massiques, volumiques, molaires etc… Seules les valeurs en molaire permettent de comparer des quantités de matière mises en jeu lors de réactions chimiques

Question : de quel type est le « % VOL » indiqué sur les bouteilles de boissons alcoolisées ?

6

Exercice d’applicationL’analyse chimique d’un déchet après

séchage donne les résultats suivants :

C : 37 %H : 5 %O : 32 %

Autres (incombustibles) 26 %(% massiques)

Réponse : CHxOy + ( 1 + x/4 – Y/2)O2 CO2 + x/2H20 (L) Une analyse calorimétrique a donné la

valeur du PCS : 12 000 kJ/kg

Écrire la formule de la molécule équivalente de ce déchet.

Solution de l’exercice :

CHxOy + ( 1 + x/4 – Y/2)O2 CO2 + x/2H20 (L)

X = %H/%C pour convertir en molaire :

x = %H/MM H / %C/MM CX= 5/1/37/12 =1,62Y = O/C = 32/16/37/12 = 0,65D’où :

CH 1,62 O 0,65 + 1,08O2 CO2 + 0,81H20 (L)

Consommation d’airPar définition, une combustion est une oxydation, et une incinération est une combustion en EXCES d’oxygèneDans tous les autres cas (absence d’oxygène ou simplement, défaut d’oxygène), on parlera de PYROLYSE

• ATTENTION : excès d’air ne veut pas dire que la combustion soit PARFAITE

• La réalité n’est jamais idéale, il peut donc y avoir production de CO même en excès d’O2 : on retrouvera d’ailleurs systématiquement du CO en sortie de cheminée

• Retour sur l’exercice :

• Montrer que la quantité d’air nécessaire pour la combustion du déchet s’écrit :

137 (1 + x/4 – y/2)12 + x + 16y

Kg d’air par kg de déchet

NB : on considérera l’air comme composé à 21% de dioxygène et à 79% de diazote

7

• Quantité d’air nécessaire à la combustion:

(1 + x /4 – y /2) moles, soit *32 kg d’O2 pour brûler

12 + x + 16 y ) kg de déchets

137 ?Passage des kg d’O2 au kg d’air :

Titre molaire de l’air en O2 0,21 (x )MM : 32

Tite molaire de l’air en N2 : 0,79 (y )MM : 28

D’où x, le titre massique de l’air en O2 :

(32 * 0,21) / ( 32 * 0,21 + 28 * 0,79) =23,3%

D’où 32/0,233 = 137

D’où le résultat :

137 (1 + x/4 – y/2)12 + x + 16y

kg d’air par kg de déchet sec combustible

Poursuite de l’exerciceA.N. : calculer le besoin en air pour brûler 1kg de déchet sec combustible

Compte tenu de l’analyse réalisée par le laboratoire, calculer le besoin en air pour brûler 1kg de déchet sec.

L’air étant aspiré à extérieur à une température moyenne de 15°C et à pression atmosphérique, calculer le volume d’air nécessaire pour brûler 1kg de déchet sec.

Le déchet brut est en réalité à 30% d’humidité; calculer le volume d’aire nécessaire pour brûler 1kg de déchet brut.

SolutionLa molécule équivalente de déchet est : CH 1,62 O 0,65A.N. :

= 6,16 kg air/kg déchet sec combustible

6,16 * 0,74 = 4,55 kg d’air/ kg de déchet sec

de l’air ? Gaz parfait. PV = RT R ? R = 287 J.kg-1 K-1

(voir rappel sur les gaz parfaits)

D’où = 1,225 kg . m-3

D’où 3,71 m3 d’air / Kg de déchet sec

Le déchet brut est à 30% d’humidité : donc 2,597 m3 d’air / Kg de déchet brut

137 (1 + x/4 – y/2)12 + x + 16y

Température de combustion

• La quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l’unité de masse ne dépend que de la composition chimique du combustible

• Une combustion peut se définir comme une réaction exothermique d’oxydation en phase gazeuse des composés élémentaires du produit à incinérer.

Exemple:

cal QOH2mnCOO n

4mHC 222mn

Règle des 3 T

8

Principes de fonctionnement : règle 3T

Température de combustionde l’ordre de 1000ºC Elle varie entre 500 ºC pour les déchets «faciles» et 1400 ºC pour les composés «difficiles»Temps de séjourIl varie entre plusieurs heures pour les solides et quelques secondes pour les gazTurbulencepour maintenir l’homogénéité du mélange entre le combustible et l’air

La Température est définie à la fois par des aspects :

Thermodynamiques : être suffisante pour assurer l’oxydation la plus complète possible des déchets dans le four et aussi parfaire la post combustion des gaz produits

Matériaux : la température ne doit pas être trop élevée pour ne pas dégrader les matériaux constitutifs du four

Réglementaires : une température minimale afin de s’assurer d’une bonne combustion

En pratique, réglementairement, la température minimale à atteindre AVANT d’introduire des déchets dans un four est de 850°C

Une température supérieure à 1200 °C nécessiterait l’usage de matériaux réfractaires du type céramiques

En conséquence, la température est généralement comprise entre 900 et 1100°C

Le Temps de séjour, ou plutôt, les temps de séjour

Temps de séjour des solides :

Temps de séjour des déchets solides dans le four pour être brûlés : 0.5h < t < 3h, 1h en moyenne. C’est le temps passé entre la trémie d’entrée et la « disparition » des déchets, ou alors, leur sortie sous forme de mâchefer pour ceux qui ne brûleront pas.

Pour des déchets liquides, le temps de séjour sera influencé par la qualité de la pulvérisation, la chaleur latente d’ évaporation et la température d’auto-inflammation, mais il sera en moyenne de l’ordre de quelques secondes

Temps de séjour des gaz :

Les gaz de combustion doivent rester suffisamment longtemps pour que leur combustion soit la plus complète possible. Il est de l’ordre de 1 à 2 secondes.

La Turbulence

La turbulence permet le mélange intime des combustibles et de l’air comburant. Elle peut être réalisée :

- Soit directement dans les brûleurs, les effluents injectés vont des solvants légers aux goudrons lourds, en passant par des produits dont les pouvoirs calorifiques sont très différents.

- Soit dans les fours par différents aménagements tels que des changements de vitesse par des restrictions ou des nids d’abeilles jouant également le rôle d’accumulateurs de chaleur, des inversions de parcours de fumées

Un système d’incinération avec récupération de chaleur se compose d’un dispositif d’alimentation, d’un four, d’une chambre de post-combustion, d’un système d’évacuation des cendres, d’une chaudière de récupération de chaleur, d’un système de traitement des fumées et d’une cheminée.

Dans plupart des cas, une température de combustion de l’ordre de 800 à 900°C est suffisante pour assurer une destruction satisfaisante des déchets. (certaine produits nécessitent T >1200°C, comme des phénols et du chlore)

Installation d’incinération

9

Types d’incinérateursLe système de réception, de stockage, de manutention et de chargement des déchets, faisant partie des équipements auxiliairesLe système d'alimentation, d’introduction ou d’injection des déchetsle système de transit des déchets à travers le four, depuis la sortie de la trémie d’alimentation jusqu’ au puits d’ évacuation des cendres.Le système d’allumage des déchets, de maintien de la combustion de soufflage en air de combustion et post-combustionLe système de brassage pour homogénéiser les charges et parfaire la combustionLe système d’ extraction et d’évacuation des cendres

Déchet liquide

Combustible Solide en containers

Matériaux pâteuxet gras en vrac

Déchets solide en vrac

DispositifD’alimentation

Four

air

Fuel d’appoint

Chambre de post combustion

CendrePoussières

(eau du laveur)

Traitement

Traitement des fumées Cheminée

Déchetliquide

Schéma de principe d’usine d’incinération

Chaudière

Le circulation de récupération: il peut être situésoit juste au-dessus du foyer dans le cas de chaudières brûlant directement les déchets, soit plus en aval, après une chambre de post-combustion, dans le cas d’échangeurs de chaleur ou de chaudières de récupération.

Eéquipements annexes :prétraitement : broyage des déchets volumineux, préchauffage : des déchets liquides pour diminuer leur viscosité, filtration : avant l’injection dans un brûleur. antipollution : par voie sèche (dépoussiéreur, électrofiltre, filtre à manche) ou par voie humide.

Garantie de long terme

Possibilité de récupérer les métaux

Oppositions sociales croissantesPossibilité de récupérer et valoriser l’énergie (économie d’énergie possible)

Coûts de fonctionnement en forte croissance

Ne produit pas de méthaneInvestissement élevésAdaptation aux gros gisements

Production d’énergie électrique peu efficace dans la plupart des cas

Pas de prétraitement

Problème des seuils de rentabilitépour les petites unités

Rapidité de traitementCendres, résidus polluantsRéduction des volume de 70%

InconvénientsAvantages

10

Types de fours :

À grille À rouleaux

Alternance de grilles fixes et de grilles mobiles

Sous ensemble bloc de grilles en cours d’installation

Pour l’incinération de déchets industriels :

Four à lit fluidisé

11

Récupération et valorisation de l’énergie par cogénération

Roues à aubes de turbine de turbo alternateur

Traitement des fumées :

Principe d’un électrofiltre

On dit aussi : "dépoussiéreurs électrostatiques"

Autres types de filtres (ou dépoussiéreurs) :

À manche

Principes de décolmatage des filtres :

À bougies céramique

La dangerosité des cendres volantes :

12

Devenir des mâchefers :

Les ferreux incinérés sont séparés par électroaimant Les non ferreux incinérés (essentiellement aluminium) sont séparés par machines à courant de Foucault

Après mâturationles mâchefers résiduels sont utilisés en sous-couche routière

13

Traitement des gaz avant rejet à l’atmosphère