Un gisement d'énergie inépuisable : les déchets industriels

Août 1973, dans une petite ville du centre de la Suède, Jönköpping, un congrès international, AVFALL 73 (Déchets 73), réunit une assemblée plus attachée à détruire les déchets qu’à en tirer profit. Dans ce concert, les Scandinaves présentent une idée nouvelle qui ne fait pas encore l’unanimité : la valorisation des déchets.

Le témoin que j’étais, étonné de l’audace et de l’ingéniosité de nos hôtes, n’imaginait pas l’aspect prémonitoire des techniques proposées. Il fallut bien se rendre à l’évidence quelques mois plus tard : il faudrait aller encore plus loin dans les économies. Les années ont passé ; passées les techniques les plus géniales, voire les plus farfelues, nous n’avions pas de pétrole mais des idées. Après des oscillations parfois inquiétantes, le prix de l’énergie tend à se stabiliser ou tout au moins en donne l’impression, jusqu’au prochain choc pétrolier que les experts s’accordent à situer en 1990 ou 1995… À ce jeu de yo-yo, les plus entreprenants n’ont guère pu donner la pleine mesure de leur talent en matière d’innovation. Il n’en reste pas moins que dans bien des cas, quel que soit le prix de l’énergie, la récupération a été et reste encore une très bonne opération financière.

LES MOYENS DE VALORISATION DIRECTE

Récupération en l’état

À maintes reprises, on a déclaré que les déchets constituaient un « gisement » de matières premières : métaux, papier, verre, matières plastiques. Les meilleures volontés se sont brisées devant l’effondrement des cours des produits de récupération (papier, matières plastiques). Le recyclage du verre ou des huiles usagées fait exception, car il y a eu une volonté délibérée des collectivités locales ou de certaines associations (Recherche sur le cancer, par exemple), de mettre à la disposition du public des moyens de collecte pratiques.

La récupération des métaux constitue un marché, sinon florissant, du moins capable de faire vivre très convenablement de petites entreprises familiales où ni l’effort, ni le temps ne sont comptés.

Le papier est encore récupérable lorsque le « gisement » est important : retours de presse, services administratifs et informatiques, emballages du secteur tertiaire. Après désencrage par flottation, on peut produire un papier de qualité moyenne, légèrement gris, qui est largement utilisé par le ministère chargé de l’Environnement. Un recyclage sans traitement particulier est utilisé pour la production de carton ondulé.

En ce qui concerne les matières plastiques, bien des idées ont été émises pour leur recyclage. Le « grand public » considère, à tort, que ces produits sont très proches et finit par les classer sous le terme générique de « plastiques ». Pour le chimiste il y a autant de points communs entre un P.V.C. et un polyéthylène qu’entre le fer et le cuivre (ce sont tous deux des métaux et il ne viendrait pourtant à personne l’idée de les confondre). En outre, dans une même catégorie de « plastiques », certaines différences physiques ou chimiques (additifs, traitement, etc.) ne permettent pas de produire un mélange aboutissant à une matière homogène. Enfin beaucoup de produits subissent, lors de leur mise en œuvre, des modifications irréversibles qui excluent tout retour à la matière première d’origine.

Le recyclage, à la source, de certains déchets de production, est envisageable chez le fabricant et constitue un certain profit. Les plasturgistes peuvent souvent remettre dans le circuit de fabrication, après broyage, les « carottes » d’injection et découpes diverses. De même, les verriers, les producteurs de graphite ou d’abrasifs, les tanneurs, recyclent-ils les chutes et les produits hors normes ou inutilisables. Le P.V.C. peut être récupéré par tri mécanique des ordures ménagères (procédé Revalord). On peut alors le granuler pour servir de base de fabrication de gaines isolantes électriques, de tuyauteries pour le bâtiment ou pour la confection.

de semelles de chaussures. Les pneumatiques usagés ou les refus de fabrication sont broyés à température ambiante ou à très basse température pour donner de la « poudrette ».

Récupération « physique »

Certains liquides ou vapeurs sont susceptibles d’être traités par des moyens purement physiques. Pour les liquides il faut citer l’ultrafiltration, l’osmose inverse, l’électrodialyse, l’échange d’ions, l’entraînement à la vapeur, l’évaporation et enfin la distillation. Les vapeurs sont récupérables par adsorption ou par absorption.

La fabrication de certains engrais produit des buées chargées en ammoniac. Un lavage de ces buées à l’acide nitrique les épure et permet la production de nitrate d’ammonium, commercialisé comme engrais.

L’Université de technologie de Compiègne puis l’Institut français du pétrole ont mis au point un procédé de « dépolymérisation » des caoutchoucs de pneumatiques. L’opération se fait à 380 °C dans du fuel lourd. Après dissolution, on extrait du fuel lourd, des essences légères, du gaz, des condensats que l’on recycle comme solvants et le métal de structure des pneumatiques.

Ces modes de récupération nécessitent des opérations de tri, de transport et de préparation parfois coûteuses.

Quelques exemples de récupération

Régénération des solvants : cette opération se fait en général dans l’entreprise productrice de déchets. Le « strippage » ou entraînement à la vapeur est d’un coût peu élevé, tant à l’investissement qu’à l’exploitation. Il n’est pas utilisable pour les solvants miscibles à l’eau. On estime la durée d’amortissement d’un équipement de strippage à cinq ans. La distillation fractionnée, plus coûteuse et difficile à maîtriser, produit des solvants purs sauf lorsque des azéotropes se forment.

Régénération des huiles : la régénération des huiles étant devenue une nécessité économique, leur collecte et leur traitement est confié à des entreprises spécialisées. Actuellement, le coût du retraitement dépasse celui de la production d’huile vierge, mais leur brûlage « sauvage » reste passible de poursuites, car à l’intérêt économique s’ajoute la limitation d’émission de polluants toxiques (métaux lourds en particulier).

Valorisation des déchets organiques : les industries agro-alimentaires rejettent des effluents riches en matières organiques et minérales. Les impuretés séparées des jus de betteraves sont utilisables après traitement comme aliments pour le bétail et comme engrais. La suintine, sous-produit du lavage des laines, est extraite pour produire de la lanoline, utilisée en maroquinerie et en cosmétologie.

Valorisation des déchets en agriculture : deux grandes utilisations agricoles sont possibles : en agent de texture des sols, les déchets minéraux non solubles tels que mâchefers, scories, briques concassées, sables de fonderie et matériaux plastiques broyés ; en amendement, les cendres, les boues de décantation calciques (industrie sucrière), les boues de l’industrie du papier et les résidus végétaux compostés.

Récupération des métaux : les bains de traitement de surface sont des minerais concentrés de métaux. Cuivre, nickel, cadmium, zinc, étain y sont récupérables, selon le cas, par électrolyse, traitement chimique, évaporation ou séparation sur membrane. L’argent se récupère aisément dans les films radiologiques et les bains de développement photographiques. Des sociétés spécialisées traitent les composants électroniques des systèmes informatiques ou électroniques démodés, pour en extraire des éléments précieux : or, argent, palladium, sélénium, gallium, etc. Le vanadium, présent dans les crasses vanadifères, dans les résidus pétroliers et leurs produits de combustion (suies…) est récupéré par microcristallisation (procédé Bernardy). Le cobalt et le molybdène sont extraits des catalyseurs usagés par pyrométallurgie ou par hydrométallurgie (Bernardy).

LES MOYENS DE VALORISATIONS ÉNERGÉTIQUES

La récupération énergétique est souvent moins contraignante et plus universelle.

L’énergie est récupérable sous forme de chaleur ou de base chimique. La récupération thermique, souvent assimilée, à tort, à la seule incinération, peut être directe ou indirecte, selon que l’on incinère le déchet ou que l’on élabore un combustible solide ou liquide de substitution.

Valorisation thermique : l’incinération

L’incinération des déchets avec récupération de chaleur est couramment utilisée. Elle permet de produire de l’eau chaude, de la vapeur ou de chauffer un fluide caloporteur, selon les besoins requis et la taille de l’installation. Le procédé paraît élémentaire, mais dans la réalité on se heurte à des problèmes de tous ordres : pollution, accompagnée parfois des risques d’émission de composés dangereux (CO, HCN, hydrocarbures aromatiques polycycliques, acides halogénés, dioxine, etc.), corrosion des échangeurs par les acides lorsque la température se situe en dessous du point de rosée, corrosion par la volatilisation de composés métalliques tels que les chlorures, formés à partir des métaux des échangeurs, fluctuation de la charge thermique, dégradation des réfractaires, etc. Le tableau paraît sombre et peu incitatif. En fait, les études menées au cours des années précédentes ont montré que l’on connaissait, la plupart du temps, les causes de ces incidents possibles et que des remèdes existaient souvent. Dès lors, l’industriel peut espérer trouver dans ses déchets une double source de bénéfice : réduire ou supprimer le coût de l’élimination par une entreprise spécialisée et diminuer sa facture énergétique ; toutefois, de nombreux déchets ne peuvent pas être incinérés sans précaution, ni autorisation des pouvoirs publics.

Que peut-on incinérer ?

Dans la catégorie des solides, on trouve tous les produits proches des ordures ménagères : bois, carton, papier, textiles, caoutchouc, matières plastiques. Les résidus de la biomasse constituent eux aussi des combustibles de choix : bagasse, rafles de maïs, marc de raisin, paille, etc. Les agriculteurs brûlent d’ailleurs souvent des balles de paille dans des foyers conçus pour cet usage, pour le chauffage des locaux d’habitation. Les liquides à incinérer sont très fréquemment des solvants non régénérables, des peintures, des goudrons ou des boues de station d’épuration.

Les moyens d’incinération sont nombreux. Ils utilisent des fours spécifiques ou des installations ayant une autre vocation, mais dans lesquels les déchets viennent en substitution de tout ou partie du combustible.

Moyens spécifiques d’incinération

Parmi les fours d’incinération, les fours à grille, dérivés des chaudières à charbon, sont utilisés lorsque les déchets sont assez grossiers, assimilables à des ordures ménagères et ne fondent pas. Certaines grilles, à forte perte de charge (pour permettre un passage de l’air uniforme au travers de la masse en combustion) telles les grilles « Martin », sont particulièrement bien adaptées aux résidus urbains, dont le bas pouvoir calorifique impose le maintien sur la grille d’une couche épaisse qui a tendance à présenter des passages préférentiels. La majorité des incinérateurs de résidus urbains, avec ou sans récupérateur de chaleur, sont conçus sur ce modèle. Les risques de blocage et de rupture de la grille sont à prendre en considération.

Polyvalents, les fours tournants et leurs proches parents, les fours oscillants, sont mieux adaptés aux produits pâteux ou fusibles. Un brassage constant de la masse en combustion permet un bon épuisement du carbone des cendres. Ces fours sont, eux aussi, capables de traiter des déchets solides classiques purs ou mélangés à des déchets pâteux, voire liquides. Ce sont des installations plus coûteuses que les précédentes, tant à l’investissement qu’à l'entretien, dans la mesure où les réfractaires peuvent être soumis à des conditions sévères de fonctionnement.

Les incinérateurs à lit fluidisé ou circulant utilisent un lit de matériaux inertes rendu turbulent par une injection d’air à grande vitesse. Le transfert thermique entre le lit, dans lequel brûlent les déchets, et l’échangeur immergé, est excellent. Les avantages de cette technologie sont sa relative simplicité d'utilisation et la possibilité de combiner destruction, récupération thermique et dépollution. La combustion de produits soufrés au sein d’un lit de calcaire s’opère avec une rétention de près de 90 % de la quantité de soufre pouvant être émise.

La destruction des combustibles liquides est réalisée par atomisation dans une chambre de combustion garnie de réfractaires, en général disposée verticalement. La résistance de ce revêtement au contact des cendres est un point déterminant de la conception de ces fours. Il arrive fréquemment que des sels de métaux alcalins, Na ou K, dissous dans les liquides que l'on injecte, agissent comme fondants et détériorent les revêtements réfractaires.

Nous avons ainsi vu, dans un four horizontal, un tel garnissage se transformer en une journée en un « lac de lave ». Ces fours sont utilisés de manière classique pour la destruction des organochlorés en général et des P.C.B. en particulier.

Des systèmes de pulvérisation de liquides peuvent être placés en façade des fours tournants ou dans leurs chambres de post-combustion, en complément des dispositifs d’alimentation classiques.

Enfin les fours à soles étagées, conçus pour la destruction des boues, représentent un investissement important et sont mal adaptés à la récupération de chaleur.

Moyens d’incinération non spécifiques

Ce sont des installations dont la vocation première n’est pas l’élimination de déchets. Ainsi des chaudières à fuel lourd, équipées de préférence d'un brûleur à coupelle tournante, sont, elles, utilisables pour l’élimination de résidus pétroliers, comme par exemple des boues de fond de bac de stockage.

Une partie importante du cycle de fabrication du ciment s’opère aux alentours de 1450 °C, dans des fours tournants de grande dimension. Le temps de séjour y est de l’ordre de six secondes. Le clinker agissant comme un piège vis-à-vis de nombreux polluants, les gaz de combustion sortent de ces fours exempts de dioxyde de soufre et d’acide chlorhydrique. Des essais de combustion de P.C.B. y ont été couronnés de succès au Canada, en Suède et aux U.S.A. Des démonstrations de combustion de goudrons sulfurés, résultant de la régénération des huiles et contenant jusqu’à 70 % de H2SO4, ont également été réussies. Gros consommateurs d’énergie, les cimentiers voient de tels procédés de récupération avec intérêt, d’autant que, comme nous l’avons dit, aucun dispositif épurateur supplémentaire n'est nécessaire. L’économie réalisée par four représente environ 35 à 40 millions de thermies par an. Toutefois, certains polluants (S, Cl, etc.) peuvent provoquer des difficultés dans l’exploitation des fours de cimenterie ; ils ne doivent donc y être introduits qu’en quantité limitée.

Depuis 1972, la centrale électrique de Courrières (Charbonnages de France) détruit des résidus liquides. D’environ 2 000 tonnes par an en 1972, la quantité traitée est passée à 103 000 tonnes en 1986. Associant à présent Charbonnages de France à la S.A.R.P., la Sotrenor-Courrières (Société de Traitement des effluents du Nord) est un exemple dans la valorisation énergétique des déchets.

Valorisation thermo-chimique

Dans certains cas particuliers, le volume des gaz résultant de la destruction doit être le plus faible possible, en raison de la nécessité de les épurer. Il faut alors recourir à des procédés de pyrolyse ou de gazéification. Le volume de gaz sortant du réacteur est de 4 à 6 fois plus faible que celui émis par un incinérateur. On peut filtrer ce gaz avant de le brûler et son plus faible volume, par rapport aux gaz de combustion, permet l’utilisation de filtres plus réduits. De tels procédés autorisent la destruction de déchets dont la combustion libérerait des poussières nocives (amiante, par exemple) dans un volume de fumées trop important.

Ces procédés permettent de produire des gaz combustibles formés pour l’essentiel de molécules simples dans le cas de gazogènes (CO, CO2, CH4, H2, etc.) et de produits plus légers que le déchet d’origine (monomère, polymères simples ou goudrons) dans les pyrolyseurs.

Les réacteurs de pyrolyse ou de gazéification, vapo ou oxyvapo-gazéification, à bain de sels (à 900 °C) ou à métaux fondus (à 1 500 °C), ont fait l’objet de nombreuses recherches et ont donné naissance à des procédés tels que Rockwell international. Cette technique a été plus développée dans son application au charbon.

Un procédé de pyrolyse des plastiques et des pneumatiques exploité à Ingolstadt, en RFA, aurait permis de produire des combustibles liquides et gazeux.

Valorisation énergétique indirecte

La méthanisation des résidus organiques (sang, déchets d’abattoirs, rejets de l’industrie agro-alimentaire) dans des réacteurs spécialisés, comme c’est le cas dans les stations d’épuration biologiques et dans certaines exploitations agricoles, ou encore dans des décharges, peut être con-

… considérée comme une récupération thermique ; en outre, les gaz sont souvent utilisés pour entraîner une génératrice électrique avant de fournir, en plus, de la chaleur. Le procédé Valorga propose, à l’échelle industrielle, la production de biogaz à partir de résidus urbains.

D’anciennes décharges de résidus urbains ont été mises en exploitation comme sources de méthane (Montaubert — 91, Arnouville-les-Mantes — 78, Saint-Étienne — 42). Cette valorisation des décharges, après leur exploitation, est, de surcroît, une manière de réduire les nuisances secondaires dues aux émanations gazeuses provenant de la fermentation des résidus accumulés depuis plusieurs années.

LA RECHERCHE AU CERCHAREN MATIÈRE DE VALORISATION

La récupération de certaines catégories de déchets et leur mise en valeur ne nécessitent parfois que du bon sens et une solide dose de persévérance ; par contre, d’autres ne peuvent être valorisées sans une recherche technologique prenant en compte l’aspect économique du projet et les risques de déplacement de la pollution.

Depuis 1970, le Cerchar a consacré une part importante de son potentiel humain et technique à résoudre ces sortes de problèmes. Les moyens matériels dans le domaine de l’incinération sont constitués de

foyers expérimentaux de taille semi-industrielle (0,6 à 2 MW) (figures 3 et 4). Les modes de combustion les plus variés y sont utilisés : lit fluidisé, grille cheminante, four tournant et foyer à solides pulvérisés.

Des études y ont été réalisées dans des domaines aussi variés que la récupération des calories potentielles dans les schistes houillers constituant les terrils du nord de la France, ou les déchets de l’industrie agro-alimentaire et les résidus de fabrication de l’industrie chimique. Ces installations permettent de faire simultanément un bilan thermique et économique de l’opération et un bilan pollution (air, eaux et sols).

La destruction des huiles usagées et des déchets de peinture (produits hors normes et boues de cabines de peinture) peut être une source d’émission de métaux lourds et d’hydrocarbures toxiques ; des recherches ont été faites pour mesurer l’impact d’une incinération mal contrôlée sur l’environnement. Les conclusions, transmises aux administrations commanditaires, ont servi à l’établissement de réglementations ou de recommandations.

Le domaine des prestations s’étend au secteur nucléaire : cette industrie produit des déchets combustibles radio-contaminés (vêtements, gants, produits d’essuyage, films de P.V.C.). Leur destruction nécessite une parfaite connaissance des phases de la combustion : pyrolyse, gazéification des solides, craquage et oxydation des gaz. La maîtrise des étapes du traitement permet de réduire la formation de noir de carbone, de goudrons et autres résidus capables de colmater les filtres absolus destinés à épurer les gaz avant rejet à l’atmosphère. Les essais de réception d’appareils d’incinération ou d’installations ont tout naturellement bénéficié des connaissances acquises sur les pilotes et des équipements métrologiques sans cesse renouvelés pour apporter plus de fiabilité et de précision aux mesures.

À l’échelle du laboratoire, le Cerchar a aussi mené de nombreuses recherches dans le domaine de la pyrolyse ou de la gazéification des déchets végétaux, chimiques et minéraux combustibles, pour en extraire une matière première noble à l’état de gaz, d’huiles ou de solides carbonés. Des voies nouvelles restent encore à explorer, souvent plus prometteuses que l’incinération. Ces nouveaux procédés pourraient encore réduire les émissions secondaires de polluants, et augmenter la rentabilité de la valorisation, du fait de la simplification des opérations d’épuration des gaz.

CONCLUSION

Comment choisir une méthode de traitement ? Dans tous les cas, on mettra l’accent sur l’aspect dépollution. Le procédé ne devra produire aucune nouvelle nuisance et seulement après que cette condition aura été remplie, on pourra rechercher une valorisation du déchet qui sera le bonus de l’élimination. Cette condition ne doit pas paraître insurmontable car, nous l’avons vu, on dispose d’un choix de techniques variées et adaptées à beaucoup de cas particuliers.

La liste des procédés n’est pas exhaustive ; elle évolue sans cesse, fort heureusement, dans le sens d’un enrichissement. Les procédés actuels servent, en premier lieu, à réduire les volumes et la toxicité de déchets courants. Les nouvelles techniques seront surtout destinées aux déchets dangereux ou difficiles à éliminer. Les lieux dont nous disposons encore pour stocker nos résidus vont se raréfier et des solutions devront être trouvées pour éviter les coûts d’enlèvement prohibitifs. Un calcul sera effectué dans chaque cas, afin de rechercher la solution optimale d’élimination et de réduction de la facture énergétique.

BIBLIOGRAPHIE

Ministère de l’Environnement : « Guide pour l’élimination et la valorisation des déchets industriels », 2ᵉ édition. N° 8, 1984. ANRED — Agences financières de Bassin.

C. Cwiklinski : « Valorisation thermique des déchets végétaux par un procédé de pyrolyse-gazéification en milieu fondu » Cerchar, aide Comes n° 80-75-412.

H.M. Freeman et al. : « Thermal destruction of hazardous waste — A state-of-the-art review » Journal of hazardous materials, 14, 1987, Elsevier, Amsterdam.

H.M. Freeman : « Innovative thermal process for the destruction of wastes », Aiche annual meeting, San Francisco, novembre 1984, Aiche symp. Ser. 243, Vol. 81, 1985.

R.E. Mournighan : « Hazardous waste in industrial processes. Cement and lime kilns ». First Int. Conf. on New frontiers of hazardous waste manag. Sep. 1985 Pittsburg, EPA report n° 600-9-85-065.

W.S. Rickman et al. : « Circulating bed incineration of hazardous wastes », CEP mars 1985.

Le Goff et al. : « Captage et valorisation du biogaz d’une décharge d’ordures ménagères », Revue de l’Agriculture (Belgique) 38, n° 5, 1985.