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Présentation systémique d’une Unité
de Valorisation Énergétique
Rejets gazeux
Cendres volantes
MATIÈ
MATI
ÈRES
PREMIÈRES :
PREMIÈ
déchets à incin
inciné
érer
Comment ça marche ?
ENERGIE
UVE
Ou encore…
Rejets solides : mâchefers
Autre animation : http://www.rennesmetropole.fr/usine-d-incineration,69917/
Définition
La valorisation énergétique (au sens
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.
réglementaire)
La valorisation énergétique
pour quoi faire ?
- 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
Dans le cas des UVE ( ou UIOM) la
valorisation énergétique est une
OBLIGATION REGLEMENTAIRE
(logements ou industries)
1
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.
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.
Incinération
L’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.
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
PCS - PCI ?
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)
2
Définitions
Le pouvoir calorifique est l’enthalpie de
combustion changée de signe.
SUPERIEUR si l’eau est produite à l’état liquide
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 :
INFERIEUR si elle est sous forme de vapeur
Eau sous forme liquide issue d’une combustion?
ΔHo = ΣΔH f (produits) - ΣΔH f (réactifs)
Techniquement difficile à envisager : la définition
est purement thermodynamique
Et plus particulièrement pour l’eau :
Quelques valeurs de H°298
H°298 H20V= - 241,6 kJ mol-1
H°298 CO = - 110,4 kJ mol-1
H°298 CO2 = - 393,1 kJ mol-1
H°298 CH4 = - 74,8 kJ mol-1
H°298 C2H4 (éthylène) = + 52,2 kJ mol-1
H°298 C6H6 (benzène) = + 48,9 kJ mol-1
Récupérer toute ou partie de la chaleur latente de vaporisation
n’est pas chose aisée:but des chaudières dites à condensation
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…
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/kg
Relation de Vandralek :
PCS = 4,18× (85×C + 270×H + 26× (S − O)) en kJ/kg
3
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*O
attention : en MJ/kg
Dernière relation, notamment pour de la biomasse, en tenant compte de son humidité
initiale :
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
Rappel sur les unités
à titre de comparaison :
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)
Nom
symbole
Équivalence
Commentaires
Calorie
cal
4,1855J
Unité en principe interdite
Grande
calorie
Cal
1000 cal
C’est la « calorie » en
diététique
Thermie
Th
106 cal
Unité en désuétude, encore
parfois utilisée par les
thermiciens
Frigorie
Fg
- 1 cal
Unité en désuétude, encore
utilisée par les frigoristes
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 nécessité
d’éviter l’émission d’effluents polluants.
4
Composants élémentaires des déchets
Combustion de déchets
ménagers
Éléments combustibles :
C, H, Cl, S, N
CO2, H2O, HCl, SO x, NOx
L’eau se vaporise et passe à l’état de vapeur d’eau
Susceptible à son tour de jouer un rôle hydrolysant.
700 kg de gaz
Valeur classique
1T
de résultat de la combustion 300 kg de résidus solides
dont 30 kg de cendres
De déchets ménagers
Réactions chimiques des éléments majeurs
Réduction d’impact
Réduction 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 kg
Après valorisation : 1 tonnes => 50 kg
Mâchefers non valorisables, déchets « ultimes »
C  O 2  CO 2  94.05 mth/mole de carbone
• Carbone C  1 2 O 2  CO  26.41 mth/mole de carbone
CO  1 2 O 2  CO 2  67.64 mth/mole de carbone
• Hydrogène H 2  1 2 O 2  H 2O  5 7 .08 mth/mole d' hydrogene
• Soufre
• Azote
S  O 2  SO 2  71 mth/mole de soufre
SO 2  1 2 O 2  SO 3  2.7 mth/mole de soufre
N 2  O 2  2NO (oxyde azotique)
N 2  O  N .  NO
N .  O2  NO  O.
2 (CH 2 CHCl) n  5n O 2  4n CO 2  2n HCl  2n H 2 O
• Chlore 4 HCl  O 2  2 Cl 2  2 H 2O
2 NaCl  H 2 O  2 HCl  Na 2 O
4 HCl  O 2  2 Cl 2  2 H 2 O
Principe : écrire une molécule équivalente
Combustion d’un produit ne contenant QUE C, H et O :
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
CHx Oy + _____O2 
REMARQUE
___CO2 + ___H20 (L)
x et y sont des titres molaires
Rappel :
Titre : espèce concernée rapportée au total
Rapport : 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 ?
5
Réponse :
CHxOy + ( 1 + x/4 – Y/2)O2 CO2 + x/2H20 (L)
Exercice d’application
L’analyse chimique d’un déchet après
séchage donne les résultats suivants :
Une analyse calorimétrique a donné la
valeur du PCS : 12 000 kJ/kg
Écrire la formule de la molécule
équivalente de ce déchet.
C : 37 %
H:5%
O : 32 %
Autres (incombustibles) 26 %
(% massiques)
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 C
X= 5/1/37/12 =1,62
Y = O/C = 32/16/37/12 = 0,65
D’où :
Consommation d’air
Par définition, une combustion est une
oxydation, et une incinération est une
combustion en EXCES d’oxygène
Dans tous les autres cas (absence d’oxygène
ou simplement, défaut d’oxygène), on parlera
de PYROLYSE
CH 1,62 O 0,65 + 1,08O2 CO2 + 0,81H20 (L)
• 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) Kg d’air par kg de déchet
12 + x + 16y
NB : on considérera l’air comme composé à 21% de
dioxygène et à 79% de diazote
6
• 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
(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) kg d’air par kg de déchet sec combustible
12 + x + 16y
D’où x, le titre massique de l’air en O2 :
Poursuite de l’exercice
Solution
A.N. : calculer le besoin en air pour brûler 1kg de déchet
sec combustible
La molécule équivalente de déchet est :
Compte tenu de l’analyse réalisée par le laboratoire,
calculer le besoin en air pour brûler 1kg de déchet sec.
CH 1,62 O 0,65
A.N. : 137 (1 + x/4 – y/2)
12 + x + 16y
= 6,16
kg air/kg déchet sec combustible
6,16 * 0,74 = 4,55 kg d’air/ kg 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.
 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
Le déchet brut est en réalité à 30% d’humidité; calculer
le volume d’aire nécessaire pour brûler 1kg de déchet
brut.
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
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.
Règle des 3 T
Exemple:
 m
m

C n H m     n   O 2  nCO 2  H 2 O  Q cal
2

 4
7
Principes de fonctionnement : règle 3T
Température de combustion
de l’ordre de 1000ºC
Elle varie entre 500 ºC pour les déchets
«faciles» et 1400 ºC pour les composés
«difficiles»
Temps de séjour
Il varie entre plusieurs heures pour les
solides et quelques secondes pour les gaz
Turbulence
pour 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
Le Temps de séjour, ou plutôt, les temps de séjour
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
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’autoinflammation, 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
Installation d’incinération
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.
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.
- 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
 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)
8
Types d’incinérateurs
Le système de réception, de stockage, de
manutention et de chargement des déchets, faisant
partie des équipements auxiliaires
Le système d'alimentation, d’introduction ou
d’injection des déchets
le 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-combustion
Le système de brassage pour homogénéiser les
charges et parfaire la combustion
Le système d’ extraction et d’évacuation des cendres
air
Combustible
Solide en
containers
Dispositif
D’alimentation
soit juste au-dessus du foyer dans le cas de
chaudières brûlant directement les déchets,
soit plus en aval, après une chambre de postcombustion, 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.
Traitement
des fumées
Chambre de
post combustion
Cheminée
Four
Matériaux pâteux
et gras en vrac
Chaudière
Déchets solide
en vrac
Fuel
d’appoint
Cendre
Poussières
(eau du laveur)
Traitement
Schéma de principe d’usine d’incinération
Avantages
Le circulation de récupération: il peut être situé
Déchet
liquide
Déchet liquide
Inconvénients
Réduction des volume de 70%
Cendres, résidus polluants
Rapidité de traitement
Problème des seuils de rentabilité
pour les petites unités
Pas de prétraitement
Production d’énergie électrique peu
efficace dans la plupart des cas
Adaptation aux gros gisements
Investissement élevés
Ne produit pas de méthane
Coûts de fonctionnement en forte
croissance
Possibilité de récupérer et
valoriser l’énergie (économie
d’énergie possible)
Oppositions sociales croissantes
Possibilité de récupérer les
métaux
Garantie de long terme
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Types de fours :
À grille
Alternance de grilles fixes et de grilles mobiles
À rouleaux
Sous ensemble bloc
de grilles en cours
d’installation
Pour l’incinération de
déchets industriels :
Four à lit fluidisé
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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) :
Principes de décolmatage des filtres :
À manche
À bougies
céramique
La dangerosité des
cendres volantes :
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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 mâturation
les mâchefers
résiduels sont
utilisés en souscouche routière
12
Traitement des gaz avant rejet à l’atmosphère
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