Les nouvelles techniques de recyclage et de valorisation des déchets ménagers et des déchets industriels banals

III. LA THERMOLYSE89( * )

A. PRÉSENTATION

1. Description

La thermolyse est un procédé de traitement thermique des déchets en l'absence d'air. Les déchets ne sont pas brûlés, mais sont mis dans un four hermétique chauffé à moyenne température (450 à 750°). La chaleur et l'absence d'air entraînent une décomposition des matières organiques en deux parties : un composant solide (formé de cendres, de matières minérales et de carbone) et un gaz chaud.

a) Le composant solide

Le solide contient des cendres, des matières minérales qui n'ont pas été détruites par la chaleur du four (métaux ferreux et non ferreux, inertes ou infusibles, verre, céramiques, cailloux...), et surtout du carbone, composant fondamental de toute matière vivante végétale ou animale. Après séparation physique du verre et des métaux, on obtient un composant solide de thermolyse constitué de 30 à 40 % de cendres, qui s'apparente à un charbon de qualité médiocre. La thermolyse n'est, en fait, qu'une application adaptée aux déchets, de la technique ancestrale de la fabrication du charbon de bois ^{90( * )} .

b) Les gaz

Un dégagement de gaz a lieu pendant la première phase de thermolyse, c'est-à-dire avant que le carbone ne soit formé. Ce gaz est constitué d'une fraction condensable, c'est-à-dire qui peut être liquéfiée, se transformer en huile (vapeurs d'essence, vapeurs d'eau) et d'une fraction non condensable, c'est-à-dire qui reste à l'état gazeux (hydrogène, méthane, oxyde de carbone, hydrocarbures...).

Le gaz qui s'échappe par le haut du four, mélangé aux poussières, peut ensuite être traité de façon classique : dépoussiérage et combustion. Dans certains cas, le déchet doit être prétraité pour améliorer la thermolyse : le déchet entrant est auparavant séché, " déferraillé " et broyé pour obtenir un déchet plus homogène. Ainsi, peut-on décomposer le processus et le bilan matière comme suit.

Bilan matière de thermolyse d'ordures ménagères

Cas général ^91( * )		Procédé Eddith de Thide ^92( * )		Procédé Softer de Nexus ^93( * )
1 tonne entrant		1 tonne entrant		1 tonne entrant
		Déferraillage : 40 kg
		Inertes : 60 kg
200 kg eau - séchage		Séchage : 200 kg
Déchets à traiter : 800 kg		Déchets à traiter : 700 kg		Déchets à traiter : 1000 kg
Solides carbonés : 400 kg	Gaz de thermolyse : 400 kg	Solides carbonés : 310 kg	Gaz de thermolyse : 390 kg (13 MJ/kg)	Solides carbonés : 360 kg	Gaz de thermolyse : 640 kg (14 MJ/kg)
Résidus solides minéraux 95 kg		Résidus solides		Métaux ferreux : 45 kg
Métaux ferreux : 45 kg		minéraux : 60 kg		Métaux non ferreux : 5 kg
Métaux non ferreux : 5 kg				Verre :70 kg
Inertes, verre, pierres : 45 kg		sels (déchloration) 10 kg
Résidus carbonés : 255 kg dont 40  % de cendres (17/18/MJ/kg)		Résidus carbonés : 240 kg (18 MJ/kg)		Résidus carbonés : 240 kg (9,5 MJ/kg) dont 40 % de cendres
Résidus ultimes (cendres) : 120 kg		Résidus ultimes (cendres) : 120 kg		Résidus ultimes (cendres) : 100 kg

Nota : les chiffres en italique représentent le pouvoir calorifique des gaz et matières par kilo

2. Les traitements complémentaires

Chacun des sous-produits de la thermolyse est traité dans les conditions suivantes.

a) Le traitement des gaz

Les différents procédés industriels se distinguent par le mode de combustion et d'utilisation des gaz issus de la thermolyse. Il peut y avoir une combustion seule, une combustion après craquage ^{94( * )} , une combustion mixte (combustion du gaz issu de la thermolyse et du gaz issu de la gazéification du résidu carboné).

Dans le cas le plus simple (Thide), le gaz de thermolyse (environ 400 kg) est caractérisé par un PCI ^{95( * )} de l'ordre de 13 MJ/kg, de sorte qu'il correspond à un contenu énergétique d'environ 5.000 MJ/tonne de déchets entrants ^{96( * )} .

La combustion du gaz (à 1200/1400°) peut être utilisée pour chauffer les parois du four à 550/600° (le chauffage du four à cette température n'exige que 1.000 MJ par tonne de déchets entrants). Les utilisations complémentaires concernent les chaufferies annexes, le séchage des déchets ou des boues, et, éventuellement, la co-génération...

b) Les premiers traitements du résidu carboné en fin de thermolyse

En sortie de réacteur, apparaît un résidu carboné qui doit subir un premier traitement constitué par un lavage qui améliore la déchloration et un triage qui permet une valorisation matière.

Lavage et refroidissement. Le résidu sort du four à 450°, et doit être refroidi. Le refroidissement peut avoir lieu sous azote ou, plus généralement, par l'eau. L'eau permet de capter une partie du chlore. Le chlore peut à son tour être aisément retiré (déchloration) par dissolution dans l'eau, suivie d'une évaporation de l'eau. Une tonne de déchets entrants donne dix kilogrammes de chlore en solution (chlorure de sodium et chlorure de calcium) qui va, par la suite, en décharge de classe I. Une valorisation serait encore théoriquement possible à ce stade (utilisation en sel de déneigement...), mais dépend des conditions locales (proximité...).

L'élimination du chlore en sortie de four n'est pas effectuée par tous les procédés industriels. Les Japonais, par exemple, brûlent le résidu, et éliminent le chlore dans les fumées.

Tri et valorisation matière. Après lavage, le résidu est grossièrement trié pour éliminer les éléments indésirables. Un premier tri, par grille, peut être opéré pour éliminer le verre et les inertes (graviers, céramiques). Le lavage permet de séparer le coke des métaux et inertes. Le coke de carbone (ou semi-coke), léger, reste en suspension dans l'eau, tandis que les inertes (graviers, verre, céramique) et les métaux sont récupérés par gravité. Un deuxième tri peut être retenu pour améliorer la valorisation matière. En effet, les métaux ferreux et non ferreux qui n'ont pas été brûlés sortent de thermolyse non oxydés et, par conséquent, avec un très grand degré de pureté. Ainsi les feuilles d'aluminium ménager sont-elles récupérées pratiquement intactes. Les procédés habituels de tri (tri magnétique pour les métaux ferreux ou par courant de Foucault pour l'aluminium) sont parfaitement adaptés, en fonction de l'importance du gisement (en quantité et en qualité). Un mélange approprié de déchets ménagers et de déchets industriels banals permet d'obtenir des quantités suffisantes pour que le tri soit alors rentable.

Débarrassé d'une partie des matières minérales (verre, cailloux) et des métaux, le résidu est uniquement constitué de carbone et de cendres, et s'apparente à un charbon de mauvaise qualité.

L'utilisation de ce résidu ultime carboné [appelé aussi " semi-coke ", " combustible solide de thermolyse " (CST), " char ", ou encore " Carbor ", marque déposée par Thide, ou " Combuster ", marque déposée par Nexus] fait toutefois l'objet d'un débat, car, en dépit de son pouvoir énergétique réel, des discussions sont en cours pour l'accepter comme combustible de substitution, notamment en cimenterie (voir ci-après).

3. Les différents procédés

Plusieurs techniques ont été développées depuis quelques années par des sociétés allemandes (PKA, Siemens, Thermoselect) ou françaises (Nexus, Thide, Traidec). Si le principe est le même, les différences importantes portent sur la conception, le fonctionnement, les modalités plus ou moins complexes d'utilisation des gaz et du solide.

Les différences sur la conception et le fonctionnement. Les fours de thermolyse peuvent être fixes ou tournants. Dans le premier cas, les déchets sont versés dans une sorte de wagonnet mobile de 15 m ³ qui avance à l'intérieur du four fixe, et en ressort à l'issue de la thermolyse. Les durées de chauffage sont plus longues afin que les températures soient atteintes et permettent les réactions attendues dans les déchets qui se trouvent au centre du tas (procédé Softer , en pilote en France, à Châteaurenard. Ce procédé a été choisi par le SITCOM de la Loupe à Digny en Eure-et-Loir). Dans le second cas (four tournant), les déchets sont introduits dans un réacteur tournant, horizontal ou légèrement incliné, d'une vingtaine de mètres de long. La rotation et l'effet de la chaleur font " avancer " les déchets. La durée de réaction est inférieure à une heure. Le four est " alimenté " en continu -procédés Noell , PKA , Thermoselect , en fonctionnement en Allemagne, et procédé Eddith , en pilote en France à Vernouillet-. Le procédé a de bonnes chances d'être retenu par la communauté urbaine d'Arras.

Les différences sur l'utilisation des composants solides et gazeux de thermolyse. On distingue alors les " procédés intégrés " et les procédés non intégrés, ou " thermolyse simple ".

Dans la thermolyse seule, il n'y a pas de combustion immédiate du résidu solide. Ce dernier est stocké pour une valorisation ultérieure. On parle de " procédé intégré " lorsque des procédés de combustion ou de gazéification du résidu solide sont ajoutés après la thermolyse, qui ne constitue qu'un traitement partiel du déchet. On a vu en effet que la phase de thermolyse conduit à deux produits à valeurs énergétiques distinctes. L'un réel, et dont l'usage est obligatoire sur le site (le gaz ne peut être stocké et doit être brûlé), l'autre, potentiel, qui est le résidu carboné. On dit que l'usine est intégrée lorsque le solide issu de thermolyse est brûlé ou gazéifié dans l'usine, ce qui a pour effet d'accroître sensiblement le rendement énergétique de l'installation. Un premier procédé consiste dans la gazéification du combustible solide (technologie Thermoselect, PKA intégrée). Le résidu est introduit dans un four à très haute température (1300/1500°), ce qui entraîne une gazéification. A cette température, le résidu (cendres) est vitrifié. Il peut aussi y avoir une combustion directe du semi-coke, soit avec le gaz de thermolyse (Siemens), soit sans le gaz de thermolyse (Nexus).

Les différences sur la nature des déchets traités

Les unités de thermolyse peuvent traiter une très grande variété de déchets, mais quelques sociétés se sont spécialisées dans le traitement de déchets spéciaux ou difficiles à traiter par les moyens conventionnels. C'est notamment le cas de la société Traidec qui, avec son procédé DTV (dissociation thermique et valorisation), traite essentiellement les déchets animaux (produits d'équarrissage, farines animales), les déchets hospitaliers (qui doivent subir des traitements spécifiques, isolés des déchets ménagers) et certains déchets industriels spéciaux (déchets papetiers, pneumatiques...). Des perspectives s'ouvrent sur le premier créneau, car les cendres produites peuvent être valorisées en amendements agricoles, mais le second reste, en France, encore inaccessible à la thermolyse, puisque la réglementation impose de traiter les déchets hospitaliers à une température minimum de 900°(soit une température supérieure à celle de la thermolyse). La société vient cependant d'emporter un marché en France sur les tissus biologiques provenant de l'Institut Pasteur et sur les déchets d'un hôpital au Mexique.

Présentation des différents procédés de thermolyse

		Thide (Thermolyse seule)			Softer (Thermolyse seule)	PKA (Thermolyse seule)			PKA (Thermolyse intégrée)	Siemens (Thermolyse intégrée)
Préparation
Séchage		oui			non	non			non	non
Température		450/600°			450/600°	450/600°			450/600°	450/600°
Durée		30 mn/1 heure			4 ou 5 heures	1 heure			1 heure	1 heure
Utilisation des gaz
Masse		390 kg			640 kg	650 kg			650 kg	650 kg
Mode de valorisation		Combustion sur site			Séparation huiles/gaz	Cracking 1300°			Cracking 1300°	Combustion 1300°
Valorisation énergétique totale		5.000 MJ				7.600 MJ			7.600 MJ
Résidu solide
Masse en sortie de four		410 kg			360 kg	350 kg			350 kg	350 kg
Résidu carboné		240 kg			255 kg	255 kg			255 kg	255 kg
Mode de valorisation		Combustion hors site			Mélange avec les huiles Combustion sur site				Gazéification à 1300° mixage avec gaz	Combustion avec gaz
Valorisation énergétique		4000 MJ			10.000 MJ	4.000 MJ			7.600 MJ
					Source : Université libre de Bruxelles, sociétés correspondantes, Traitement OPECST
	Les procédés français de thermolyse
	Le procédé Softer			Le procédé Eddith
	Société Nexus technologies			Société Thide Environnement
	Constructeur (exploitation confiée à partenaires, notamment Cogema, filiale Bouygues)			Constructeur/Exploitant
	Pilote à Châteaurenard (13)			Pilote à Vernouillet (28)
				Prétraitement : déchiquetage/déferraillage/séchage
	Thermolyse en four fixe			Thermolyse en four tournant
	Gaz de thermolyse			Gaz de thermolyse
	Résidu solide : le " Combuster "			Résidu solide : le " Carbor "
	Combustion sur place			Vente du " Carbor " en cimenteries
	Marché 1997 : contrat de fourniture à Digny (28) : 100 MF Démarrage des travaux (septembre 1999)			Marché 1998 : Vente de licence à Hitachi (Japon)
	Nouveau contrat en perspective pour fin 1999			Perspectives : sélection sur appel d'offres 1999 d'Arras (110/130 MF) Présélection en Belgique