dossier spécial multifilières valorisation maxi

EX MACHINA
LES COULISSES INDUSTRIELLES DE LA VALORISATION DES DÉCHETS
DOSSIER SPÉCIAL
MULTIFILIÈRES
VALORISATION MAXI
ÉDITION SPÉCIALE
À QUOI
SERVONSNOUS ?
Posée de cette manière, la question peut sembler brutale et étrange. Pourtant, lorsqu’on est un industriel, il
n’est pas inutile de sonder régulièrement sa capacité à
être toujours en phase avec les besoins de ses clients.
Cette synchronisation est compliquée. Nos métiers sont
technologiques. Complexes, les process que nous mettons au point doivent être simples à exploiter et extrêmement fiables pour satisfaire des enjeux essentiels :
augmenter les performances environnementales et les
bilans de valorisation, respecter des équilibres économiques... Les temps de développement sont forcément
longs. Il faut donc anticiper, prendre les bons caps, avec
la part de risque que cela comporte.
Se poser la question de son “utilité“ revient en réalité à
se poser celle de la pertinence de sa stratégie. Le multifilière est un excellent prétexte pour le faire.
Le multifilière connaît aujourd’hui un succès mérité.
VINCI Environnement ne l’a pas inventé ! En revanche,
nous y avons toujours cru, par anticipation. À notre
place de concepteur et de constructeur de process, nous
avons exploré toutes les pistes permettant de créer les
conditions techniques de son succès. La stratégie était
la bonne : nos ingénieurs ont identifié et développé les
adaptations nécessaires à une parfaite symbiose entre
les valorisations biologiques et thermiques.
Avec le multifilière, il ne suffit pas de “poser“ côte à
côte une unité de compostage ou de méthanisation et
une unité thermique. Ce serait trop simple, dommage
et risqué. Dommage parce que le multifilière permet
des synergies, si on sait les anticiper. Risqué parce que
le multifilière modifie certains paramètres importants
parmi lesquels la température de combustion des CSR
(Combustibles Solides de Récupération) et les caractéristiques des fumées. Quant à la valorisation biologique, elle nécessite d’aller le plus loin possible dans la
maîtrise des odeurs.
Ce magazine vous propose un tour d’horizon de ces
conditions techniques du succès du multifilière.
Didier HAEGEL
Directeur Général
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Dossier spécial multifilières
LE "MULTI"
C’EST
"MÉGA"!
Enfin
réunies !
PENDANT LONGTEMPS, LE MULTIFILIÈRE A CONSISTÉ À “INTERCALER“
UNE FORME DE VALORISATION ENTRE LE RECYCLAGE ET L’ENFOUISSEMENT :
SOIT L’INCINÉRATION, SOIT LE COMPOSTAGE. AVEC LE MULTIFILIÈRE NOUVELLE
GÉNÉRATION, PLUS BESOIN DE CHOISIR. TOUTES LES FORMES DE VALORISATION
SONT SOLLICITÉES POUR PARVENIR À UN SEUL OBJECTIF : EN FINIR AVEC
LES DÉCHETS “ULTIMES“.
V
alorisations biologiques et thermiques font bon ménage. Le contrat
établi par le multifilière est le suivant : la valorisation biologique est
servie la première. La matière organique lui revient de plein droit.
Elle en fait du compost et, dans le cas de la méthanisation, complète cette
valorisation matière par une production d’énergie. L’unité thermique s’occupe du reste qu’elle transforme en électricité, en chaleur et en mâchefers
recyclables en travaux publics. Symbiose parfaite : la valorisation biologique
se débarrasse des indésirables qui pollueraient son compost et offre en
échange, à la filière thermique, le “combustible roi“, le CSR (Combustible
Solide de Récupération).
L’idée du multifilière fait son chemin. Grenoble, Marseille, Clermont-Ferrand,
Rochefort l’ont déjà adoptée. La région parisienne et une importante collectivité du Sud de la France y pensent sérieusement. En Angleterre, le Comté de
North Yorkshire lui ouvre une avenue, avec une usine qui “multi valorisera“
350 000 tonnes de déchets par an ! Pourquoi cet engouement ?
“L’enjeu principal est de tendre vers le zéro déchet enfoui et la seule façon d’y parvenir consiste à presque tout valoriser“ souligne Hugues SEUTIN, Directeur du
Traitement Mécano-Biologique chez VINCI Environnement.
© photothèque VERNÉA
VERNEA, le futur pôle de valorisation du Valtom
(Clermont Ferrand) est le premier projet multifilières
entièrement réalisé par VINCI Environnement.
VERNEA traitera 230 000 tonnes de déchets, répartis en 4 flux : déchets verts, biodéchets collectés sélectivement (FFOM), Ordures Ménagères Résiduelles (OMr), Déchets
Industriels Banals (DIB), encombrants et refus de tri. Sa configuration est particulièrement globale et originale, combinant 4 filières :
• une unité de méthanisation de la FFOM (valorisation de biogaz en énergie et production de compost ),
• une plate-forme de compostage des déchets végétaux,
• une unité de traitement mécanique des OMr (récupération du CSR et stabilisation de la fraction humide résiduelle avant enfouissement. Cette stabilisation réduit d’environ
35% la masse des déchets biodégradables encore contenus dans les OMr. Elle diminue ainsi les volumes à enfouir et les nuisances générées par la matière organique dans
les CET : lixiviats, biogaz, odeurs),
• une unité thermique (production d’énergie à partir des CSR, des DIB et des encombrants broyés.
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Le futur centre multifilières du Syndicat
Intercommunautaire du Littoral en Charente Maritime
Cette installation verra le jour en 2015. Grâce à un mix de valorisation combinant pré-traitement mécanique, traitement biologique et traitement thermique, 97 % des ordures
ménagères résiduelles arrivant sur le site seront valorisés. La fraction fermentescible produira du compost valorisable en agriculture. La fraction non organique (CSR) sera transformée en énergie électrique en partie revendue à ERDF. De la chaleur sera également produite et alimentera le réseau de chaleur la base aérienne 721.
Le projet VERNÉA (Clermont-Ferrand) en est la parfaite illustration. La
capacité de l’unité de valorisation énergétique, initialement prévue à
170 000 tonnes par an, a ensuite été limitée par l’autorisation administrative à 150 000 tonnes. “La conception multifilières du projet a permis de
s’adapter à cette nouvelle contrainte sans modification majeure, en maintenant la capacité de traiter l’ensemble du gisement de 230.000 tonnes par an.
Elle offrait au VALTOM une solution qui lui permettait de valoriser beaucoup
plus et d’enfouir moins“. Faut-il pour autant faire une règle absolue d’un
arrêté d’exploitation taillé trop court ?
Enterrer l’enfouissement
et réhabliliter la filière énergie
“Si l’incinération permet à elle seule d’atteindre l’objectif du presque zéro déchet
enfoui, “ reconnaît Thierry TRINQUARD, Directeur du Traitement Thermique
chez VINCI Environnement, “elle se heurte au refus de la population. Ses opposants lui reprochent d’être un “aspirateur à déchets“ qui tuerait dans l’œuf toute
autre forme de valorisation matière. Ajouter à cela les fumées, pourtant traitées
au-delà de ce qu’exigent les normes européennes, et vous obtenez un cocktail qui
rend l’incinération indigeste pour certains“. Sauf si vous la diluez avec beaucoup de valorisation matière. Grâce à la valorisation biologique, le multifilière rendrait l’incinération plus “présentable“...
“Il est évident qu’il est absurde de brûler des déchets de cuisine humides tout
comme il est absurde d’essayer de composter du plastique“ rappelle Hugues
SEUTIN. “L’intelligence du multifilière réside dans le fait qu’il dédie à chaque
type de déchets une valorisation qui correspond à sa nature. Le traitement biologique est donc beaucoup plus qu’un prétexte pour permettre à la valorisation
thermique d’exister. D’abord, il conforte la légitimité de cette dernière, dans le
bouquet des énergies alternatives, en lui fournissant un combustible de meilleure qualité. En restituant aux sols la matière organique, il répond aussi à des
problématiques écologiques qui sont aussi cruciales et urgentes à gérer que le
réchauffement climatique“.
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Trop beau pour être vrai ?
Fin de l’enfouissement, production d’énergie alternative, sauvetage des
sols... Le multifilière est un concentré d’écologie. Presque trop beau pour
être vrai. Ou alors, à quel prix ?
“À quelques euros près, investissement et exploitation confondus, le multifilière
revient au même coût que la valorisation énergétique seule“ rectifie Thierry
TRINQUARD.“Dans une configuration multifilières, la production énergétique, par
tonne traitée dans l’unité thermique, est augmentée de 15 à 50% et le coefficient
d’efficacité énergétique imposé par l’Europe est plus facile à atteindre.
Avec la méthanisation, le bilan est encore plus fort et les recettes plus importantes.
Par ailleurs, l’unité thermique traite moins de déchets. Elle est plus petite, coûte
moins cher à construire et à exploiter“.
“Le multifilière ne consiste pas à juxtaposer les deux filières mais à travailler sur
toutes les synergies techniques et économiques qui découlent de leur assemblage“
ajoute Hugues SEUTIN. “Bien sûr, la condition est qu’elles cohabitent à proximité
immédiate l’une de l’autre. Des équipements, des infrastructures sont mutualisés.
Au-delà de ces économies, de vrais leviers d’optimisation peuvent être actionnés.
Sur VERNÉA, par exemple, les besoins énergétiques de la méthanisation sont satisfaits par l’unité thermique. Le biogaz issu de la méthanisation est valorisé par
l’unité thermique. Ces transferts se traduisent par des économies d’échelle, des
investissements mutualisés“.
Un dernier argument joue en la faveur du multifilière. “Grâce à la diversification des filières et à la souplesse combinée des traitements biologiques et thermiques, les collectivités disposent de marges de manoeuvre qui leur permettent de
jongler avec leurs déchets en fonction, par exemple, d’évolutions réglementaires“,
explique Thierry TRINQUARD. “Elles disposent d’une solution intégrée qui leur
permet de collecter sélectivement la FFOM ou de ne pas le faire, de traiter les
déchets végétaux avec les OMr. Il est aussi possible d’optimiser l’utilisation de
l’unité thermique spécialement adaptée aux forts pouvoirs calorifiques, en valorisant thermiquement des déchets commerciaux ou encombrants qui ne peuvent
être traités en grande quantité dans les installations traditionnelles...“
Un leadership naturel
Le futur centre de traitement des déchets multifilières du Comté de North Yorkshire
et de la ville de York entrera en service en 2016 .
Chez VINCI Environnement, on croît au multifilière. L’entreprise s’impose d’ailleurs sur ce terrain. Elle a remporté
plusieurs projets français et construira bientôt la composante énergétique de la référence britannique. Cela ne
l’empêche pas de rester modeste, considérant ses succès
comme normaux. “Nous sommes une des rares entreprises
qui maîtrisent à la fois et sans parti pris la valorisation biologique - compostage et méthanisation confondus - et la valorisation thermique,“ explique Thierry TRINQUARD. “Cette
maîtrise est rassurante pour les collectivités qui savent que les
synergies offertes par les deux filières sont optimisées et que
les contraintes sont anticipées. En nous confiant la réalisation
de l’unité biologique et de l’unité thermique, les collectivités
ne prennent aucun risque. En cas de problème de qualité des
CSR, par exemple, nous ne nous renverrons pas la balle à nousmêmes !“.
Aujourd’hui, un peu plus de la moitié des 520 000 tonnes de déchets produites par les habitants du Comté
du North Yorkshire est envoyée en décharge. En mixant successivement plusieurs modes de traitement,
le futur Waste Recovery Park contribuera à réduire de 90% minimum la quantité de déchets ménagers
destinée à l’enfouissement.
Construit entre York et Harrogate, à 350 km au nord de Londres, le centre traitera et valorisera 350 000
tonnes/an de déchets ménagers par tri mécano-biologique. 40 000 tonnes/an seront méthanisées afin
de récupérer l’énergie du biogaz. Environ 300 000 tonnes seront brûlées pour valoriser par cogénération
24 MW d’électricité soit la consommation de 40 000 foyers.
Casse-tête réglé !
DÉBUT 2013, VINCI Environnement
DÉMARRE LES TRAVAUX D’UNE
UNITÉ MULTIFILIÈRES D’UN GENRE
NOUVEAU. IL Y EST QUESTION DE
BOIS, DE BOUES, D’ÉLECTRICITÉ, DE
CIMENT ! LE DONNEUR D’ORDRE EST LA
COMMUNAUTÉ D’AGGLOMÉRATION DU
CENTRE DE LA MARTINIQUE (CACEM).
L’originalité du projet est qu’il utilise l’énergie de
“biomasse de récupération“ pour sécher des boues
d’épuration et produire de l’électricité. “Les enjeux
sont importants puisque l’unité traitera la grande partie des boues de la Martinique (15 000 tonnes par an)“,
précise Frédéric NOUGARÈDE, Directeur du Traite-
ment de l’Eau chez VINCI Environnement. “Avec une
siccité moyenne de 14%, ces boues sont trop liquides
pour être valorisées“. Elles seront centrifugées puis
séchées dans un sécheur alimenté avec un combustible 100% renouvelable : 18 000 tonnes de végétaux issus de décheteries et de déchets de bois
propres, broyées pour atteindre une granulométrie
idéale pour la chaudière biomasse. La combustion
génère de la vapeur qui alimente le sécheur et une
turbine électrique. “Le sécheur permet d’atteindre une
siccité de 85%. Toutes les formes de valorisation sont
ensuite possibles pour les boues : soit en énergie, dans
l’unité de traitement thermique voisine ou dans une cimenterie, soit en agriculture, sous la forme de granulés“.
La difficulté est que l’alimentation en boue n’étant
pas constante, il faudra faire fonctionner la chaudière et la turbine en continu alors que le sécheur
ne sera sollicité que 4 à 5 jours par semaine. L’exercice n’est pas simple a priori. “Toute machine est calibrée en fonction de paramètres qui doivent être les plus
stables possible. Ici, le cycle vapeur est très complexe
surtout au niveau de la turbine. Lorsque le sécheur est
à l’arrêt, elle cogénère 5822 kWh de vapeur contre 3161
lorsqu’il est en fonctionnement ! La seconde difficulté
concerne le sécheur. Cet équipement aussi a besoin
de stabilité. Or, les boues que nous traiterons ont des
niveaux de siccité très hétérogènes. Elles peuvent être
liquides, semi liquides ou pâteuses“.
À gagner sans se creuser la tête, on triomphe sans
gloire ! “Nous sommes très heureux d’avoir gagné ce
projet. Notre force a été de réussir à concilier le séchage
des boues et un rendement énergétique très optimisé“.
BAROUD
D’ODEURS
QUEL QUE SOIT LE MODE DE TRAITEMENT PRATIQUÉ, S’IL CONTIENT DE LA MATIÈRE ORGANIQUE,
LE DÉCHET EMPESTE... “LA FAUTE AUX BACTÉRIES !“ L’ENNEMI N’EST PAS FACILE À COMBATTRE D’AUTANT PLUS
QU’IL EST AUSSI L’ALLIÉ INDISPENSABLE POUR PRODUIRE DU BON COMPOST. LES INGÉNIEURS DE
VINCI Environnement EXPLORENT TOUTES LES PISTES POUR GÉRER LE DILEMME ET, ILS ONT EU LE NEZ CREUX...
La “métha“
en odeur de
sainteté
“La méthanisation est plus sophistiquée que le compostage. Elle coûte donc plus cher et
elle est plus compliquée. C’est pour cela que les collectivités hésitent à la retenir“.
On ne peut pas accuser Hugues SEUTIN, Directeur du Traitement MécanoBiologique chez VINCI Environnement, de pratiquer la langue de bois. Surtout
que lorsqu’il dit cela, c’est pour promouvoir cette filière, la plus “noble“ selon lui.
Quels sont les avantages de la
méthanisation ?
“L’intérêt est qu’elle associe valorisation matière et
valorisation énergétique. Le digestat, très hygiénisé,
constitue un amendement des sols intéressant sur le
plan agronomique. Grâce à son fort pouvoir calorifique,
le méthane produit de l’électricité 100% biologique,
dont la source ne compte pas dans le bilan effet de
serre puisqu’elle est issue de la biomasse. Dans un
schéma multifilières, la méthanisation complète parfaitement l’unité thermique et permet d’atteindre un
bilan de valorisation matière et énergétique global très
intéressant“.
Qui dit méthanisation pense
Montpellier...
L’unité de méthanisation de Montpellier est une référence. Elle a toujours fonctionné et est unanimement
reconnue comme une unité qui produit, depuis le début, beaucoup d’électricité. Son démarrage compliqué
ne remet pas en cause le procédé de méthanisation
mais pose seulement la question des odeurs. Les pionniers expérimentant pour les autres, cette unité nous a
permis d’innover sur le terrain des nuisances olfactives.
La fermentation de la matière organique sent mauvais.
La nature est ainsi faite et on n’y peut rien...
© Lætitia NOTARIANNI
Ce constat d’impuissance est
inquiétant...
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On ne peut pas changer le processus biologique naturel
qui conduit à la production des odeurs. On peut bien
sûr gérer ses conséquences, tout en gardant à l’esprit
que le zéro odeur absolu est une utopie. Montpellier
a révélé que l’essentiel du problème provenait des
odeurs parasites : des portes laissées ouvertes ou dé-
tériorées, des flux de camions de déchets stationnant
trop longtemps sur les voiries extérieures, de mauvais
réglages du système de mise en dépression des bâtiments... Quels que soient les procédés de captation et
de destruction des odeurs mis en place, les conditions
d’exploitation sont déterminantes. C’est vrai pour la
méthanisation comme pour tous les modes de traitement. Et quoi dire de l’enfouissement !
Les process peuvent-ils efficacement
traiter les odeurs de la méthanisation ?
Oui. Précisons que pendant la phase de méthanisation,
il y a peu d’odeurs puisque la matière organique est
confinée dans un digesteur totalement étanche et que
les biogaz sont aspirés et brûlés pour produire l’énergie.
Les principaux dégagements se produisent lorsque la
matière organique est en andains et qu’on la manipule.
À ce stade, nous sommes dans un cycle de compostage classique, non spécifique à la méthanisation.
Nous avons développé des solutions qui permettent
de gérer ces dégagements : confinements des halls et
des tunnels, mise en dépression renforcée, systèmes
d’aspiration très poussés de type “push and pull“, traitement de l’air en trois phases associant lavage de l’air,
biofiltration et charbon actif ... Nous poursuivons nos
développements. Notre département Recherche et Développement expérimente des procédés qui devraient
permettre de maîtriser plus finement les processus
chimiques qui conduisent à la formation et au dégagement des odeurs.
Ammoniac,
prêts, partez !
La direction de la R&D
de VINCI Environnement a décidé de
mettre une grosse claque aux plus
grosses odeurs, celles provoquées
indirectement par l’azote. Là où
Audiard “éparpille façon puzzle“,
chez VINCI Environnement,
on “volatilise et on strip“.
P
endant la phase de méthanisation, l’azote
contenu dans les déchets se décompose
en ammoniac (NH3). C’est lui le grand
responsable des odeurs. Il empoisonne la vie des
agents d’exploitation des unités de valorisation
biologique. Romain THIBAUT, Responsable de
la Recherche et du Développement de VINCI
Environnement a décidé de lui livrer une guerre
sans merci. La partie est difficile. “La chimie du
binôme eau-ammoniac est très complexe. À cette
complexité s’ajoutent des contraintes économiques et
techniques qui impliquent d’être inventif“.
“Dans le jus !“
La méthanisation consiste à “fermenter“ la matière organique dans un digesteur étanche, en
absence d’oxygène. Il en ressort trois flux : du
biogaz, des jus provenant essentiellement de
l’humidité des déchets organiques et un résidu
solide (le digestat) qui rejoint ensuite le procédé
de compostage classique. “Le digesteur a pour
effet d’accélérer la transformation de l’azote en NH3.
Ce dernier a beaucoup d’affinité avec l’eau. Dans le
Dégaze
de là !
Les process développés
par VINCI Environnement organisent
un arsenal très complet pour piéger
et traiter les odeurs. Ici des portes
sectionnelles, là des aspirateurs géants...
Tout est fait pour éviter qu’elles ne
sortent des bâtiments.
Alors forcément, on n’aime pas les
courants d’air. Sauf certains...
digesteur, il se mélange aux jus. S’il restait gazeux, il
serait détruit lors de la combustion du biogaz. Ce serait
simple“. L’objectif de Romain THIBAUT est donc de
récupérer le maximum d’ammoniac avant qu’il ne
puisse se libérer dans l’air. Mais voilà, c’est compliqué. “Idéalement, il faudrait distiller les jus. Ce n’est pas
réaliste. Nous avons donc opté pour la technologie bien
connue du stripping. Elle consiste à forcer l’extraction
de l’ammoniac en faisant passer le liquide à contrecourant d’un flux d’air chaud et en jouant sur le pH. La
combinaison de ces trois paramètres (air, pH et chaleur)
augmente le transfert du NH3 vers le gaz“. Tout est
pour le mieux, sauf que...“Le stripping fonctionne
très bien pour des liquides simples et nos jus n’en
sont pas ! Ils sont notamment chargés en micro-particules organiques qui perturbent considérablement
le système. Nous avons donc reconsidéré les procédés classiques et, avec des partenaires externes, avons
réussi à adapter cette technologie. Ce programme de
recherche sera terminé fin 2013“.
Eurêk’à moitié...
Romain THIBAUT ne se satisfait pas d’une demivictoire. “Une fois la phase de méthanisation achevée,
le digestat rejoint un cycle de compostage aérobie
c’est-à-dire en présence d’oxygène. Le problème est
qu’il n’est pas économiquement envisageable de l’essorer avant. Il contient encore 50% de jus. Lors du compostage à l’air libre, ce jus s’évaporera, libérera l’ammoniac
et ses odeurs“. Pour en finir une bonne fois pour
toute, la stratégie est d’aller vite d’autant plus que
la chimie de l’azote est devenue favorable. “L’avantage de la phase de méthanisation est qu’elle a accéléré
la transformation de la très grande partie de l’azote en
ammoniac. Dans un compostage classique, cette transformation est moins importante, lente et diffuse. Elle
s’étale sur une période plus longue avec d’autres objectifs de transformation de la matière organique, ce qui
rend l’action difficile“.
Grâce à la méthanisation, l’ennemi à donc regroupé ses forces. Tant mieux, une bonne bataille
rangée vaut toujours mieux qu’une guerre d’escarmouches. “La technologie que nous développons
consiste à forcer la volatilisation de l’ammoniac pour
Les techniciens de VINCI Environnement ont analysé
les comportements de l’air dans les bâtiments de
compostage. Ils ont observé que l’air se réchauffe
et monte au contact des déchets, entraînant avec
lui les composés volatils odorants. L’air finit par se
stratifier et les couches les plus chargées stagnent
sous le faîtage, saturant les bâtiments en odeurs
fortes.
Avec les dispositifs classiques de renouvellement
de l’air, ce dernier emprunte un chemin préférentiel
créé par le phénomène d’aspiration. Ce courant ne
circule pas partout et ne capte donc qu’une partie
des odeurs. La ventilation proposée par VINCI
Environnement est de type “double flux“. On ne se
contente pas d’aspirer l’air vicié. En même temps,
on pousse de l’air. Des jets inducteurs dirigent les
flux d’air renouvelé vers les bouches d’aspiration,
créant ainsi un plafond dynamique qui déstratifie
les couches d’air et “racle“ toutes les odeurs vers les
dispositifs de désodorisation.
le capter et l’éliminer immédiatement“. Le procédé
est une sorte de version aérienne du stripping. Il
consiste à insuffler de l’air chaud au cœur du digestat et de faire monter son pH, le tout dans un tunnel confiné permettant d’aspirer le NH3. Voilà pour
le principe ! La réalité n’est pas aussi simple. “Il est
essentiel de bien doser les différents paramètres de la
volatilisation, notamment l’humidité de l’air pour ne pas
assécher le digestat ce qui stopperait net le processus
de compostage“. En bon scientifique, Romain THIBAUT a voulu vérifier si la théorie fonctionne bien.
“Nous avons développé un pilote. Sur 2m3 de digestat,
nous testons différents modes de soufflage/aspiration
de l’air, différents pH, taux d’humidité ou températures.
Nous expérimentons l’impact d’un recyclage partiel ou
total de l’air ou encore la nécessité d’intégrer un structurant dans le digestat pour améliorer la circulation de
l’air... Sur le plan strictement physico-chimique, cela
fonctionne. L’objectif est de trouver l’équilibre technicoéconomique optimal pour que la volatilisation soit à
la fois efficace et rentable sur un andain de 600 m3 de
digestat.“
Dossier spécial multifilières
EFFETS
SECONDAIRES
LE MULTIFILIÈRE PRODUIT DU COMPOST DE QUALITÉ, DÉBARRASSÉ DE TOUS LES INDÉSIRABLES : PLASTIQUES,
POLLUANTS... CES REFUS SONT DESTINÉS À L’UNITÉ THERMIQUE QUI DISPOSE, POUR PRODUIRE SON ÉNERGIE, D’UN
COMBUSTIBLE AU POUVOIR CALORIFIQUE MERVEILLEUX. FORMIDABLE ! CHEZ VINCI Environnement, NOUS NOUS
SOMMES POSÉ LA QUESTION AVANT DE L’AFFIRMER. UN PRINCIPE DE PRÉCAUTION QUI S’EST AVÉRÉ JUDICIEUX POUR
ANTICIPER ET SURTOUT RÉSOUDRE LES EFFETS SECONDAIRES DE CE NOUVEAU COMBUSTIBLE.
Dénoxydable
La légitimité de la filière thermique
repose sur sa capacité à produire
toujours plus d’énergie. Le
rendement énergétique de 65%
imposé par la réglementation n’est
pas aussi facile à atteindre. Le choix
du mode de traitement des fumées
est primordial pour réduire au
maximum la quantité d’énergie dont
il a besoin pour fonctionner. Les
procédés de VINCI Environnement,
dès lors qu’ils impliquent un
traitement des NOx, font le choix
de la basse température, très
économe en énergie. Une vertu
précieuse avec l’arrivée du CSR, un
combustible potentiellement plus
chargé en polluants.
8|
S
ur nos installations thermiques, qu’elles soient
mono ou multifilières, notre procédé de traitement catalytique des NOx fonctionne à basse
température (180°C).. Ce choix est stratégique, chaque
degré gagné permet de produire des kW en plus“
précise Mouloud OUADHI, Directeur du Traitement des Fumées chez VINCI Environnement.
“En revanche, ce choix pose un problème car lorsque
la température des fumées descend sous la barre des
230°C, le SO2 se transforme en sulfate d’ammonium qui
colmate les pores du catalyseur et altère son efficacité.
Il faut alors le régénérer. Ce problème est accentué sur
une installation multifilières où le CSR présente des
teneurs en polluants potentiellement plus élevées que
les ordures ménagères.“
entre les polluants et le catalyseur, offrant une
surface active plus importante qui retarde l’étape
de régénération. C’est une vraie réponse à la très
basse température“.
La régénération du catalyseur est réalisée par injection d’une petite ponction de fumées “propres“
et chauffées avec un brûleur au gaz.
Les équipes de Mouloud OUADHI se sont donc
mises au travail pour concilier l’enjeu de la basse
température et les contraintes du SO2. Elles ont
finalement développé une solution plutôt paradoxale : un procédé qui permet de fonctionner à
des températures encore plus basses 165/175°C !
Une heureuse déconvenue
“Nous nous sommes affranchis des contraintes de
température en modifiant d’abord la conception du
catalyseur. Les nids d’abeille ont disparu au profit
d‘un catalyseur en granulés disposés en vrac. Cette
conception surmultiplie les surfaces d’échanges
Avec les catalyseurs classiques, la régénération
nécessite de faire fonctionner l’unité thermique
en sous régime. “Contrairement aux systèmes
classiques qui sont monoblocs, notre déNOx est
constituée de modules indépendants régénérables
de façon isolée, sans réduction de la charge du traitement des déchets et de la production d’énergie“.
Au cours de leurs travaux, les ingénieurs de VINCI
Environnement ont mis à jour un phénomène insoupçonné : à basse température, le SO2 forme un
autre type de sel, beaucoup plus stable que celui
d’ammonium. Conséquence : il fallait augmenter
la fréquence des régénérations, leur durée et injecter des fumées beaucoup plus chaudes et donc
plus énergivores. Du coup, le challenge se compliquait : comment chauffer plus et plus souvent tout
en consommant peu d’énergie ?
La première innovation consiste à “recupérer“ la chaleur des fumées qui viennent d’être utilisées pour régénérer le catalyseur.
“Grâce à un échangeur, ces fumées transmettent leur chaleur au flux de
fumées “propres “. Le brûleur au gaz ne sert plus qu’à faire l’appoint thermique. La consommation de gaz est divisée par quatre !“.
La seconde réponse a été de minimiser la quantité de fumées
“propres“ à réchauffer et à utiliser pour la régénération. La compensation se faisant par un recyclage continu sur le catalyseur des
fumées issues de la régénération. “Cette solution doit permettre de réduire par 15 la consommation de gaz. Nous avons engagé un programme
d’expérimentation en laboratoire pour savoir jusqu’à combien de fois ce
flux peut être recyclé“.
Toujours dans l’esprit de valoriser un maximum d’énergie, nous
avons développé en parallèle un outil de calcul prédictif de l’activité
catalytique du catalyseur en temps réel. Son but est de maîtriser la
fréquence et la durée des régénérations selon la composition des
fumées. Finalement, la découverte de ce second sel nous a permis
de déposer deux brevets et de positionner VINCI Environnement
à la pointe du traitement des oxydes d’azotes à très basse température.
Les économies sont énormes.
Avec ces solutions, VINCI Environnement ouvre des perspectives
nouvelles pour l’exploitation des unités thermiques. Il est désormais possible d’obtenir à basse température des performances environnementales très en dessous des normes et /ou d’augmenter
considérablement le rendement énergétique de l’unité thermique
par un traitement des fumées à ultra basse température (< 165°C).
les fumées vont dans la
bonne direction
C
hez VINCI Environnement, il existe une Direction du
Traitement des Fumées distincte de celle du Traitement
Thermique. Plutôt atypique ! “C’est un choix stratégique
essentiel“ précise Mouloud OUADHI, “Paradoxalement alors que
le traitement des fumées ne représente qu’une faible part du coût de
réalisation d’une usine, sa valeur est inestimable. La qualité des rejets
atmosphériques est la seule condition d’acceptabilité de la filière thermique par la population qui ne se soucie pas du débit vapeur ou de la
température de combustion“.
Le traitement des fumées a aussi un impact économique majeur.
Les rejets des usines sont analysés en continu. En cas de dépassement des seuils autorisés, les dispositifs d’auto-surveillance
bloquent automatiquement les grappins et arrêtent toute l’usine.
Les pertes d’exploitation sont potentiellement énormes. Les unités thermiques sont donc condamnées à l’excellence.
(y) être ou
ne pas (y) être ...
Au pays de Shakespeare, le seul réactif disponible sur le marché pour traiter les
fumées est une chaux basique présentant un faible pouvoir de neutralisation.
Qui veut construire une Unité Thermique outre-manche doit s’adapter à cette
contrainte. La Direction du Traitement des Fumées de VINCI Environnement a
relevé le défi et gagné trois commandes !
Le premier développement pour répondre à cette contrainte a consisté à étudier
une solution de recirculation des réfioms, en amont du traitement des fumées.
Ces réfioms contiennent en effet beaucoup de chaux encore disponible et des
chlorures de calcium, un élément très efficace pour piéger les polluants acides.
Ce recyclage est très intéressant compte tenu de la faible qualité neutralisante de la
chaux. Sans lui, il faudrait en consommer beaucoup. L’idée de VINCI Environnement
permet d’optimiser l’épuration des fumées, la consommation de la chaux et, en fin
de la chaîne, la production de réfiom. En marge des enjeux environnementaux, le
bilan économique est lui aussi très positif.
Le résultat est garanti sur le papier. La réalité est plus complexe. Pour que ce recyclage fonctionne et atteigne les objectifs recherchés pour la neutralisation des
polluants, il faut préalablement humidifier ces réfioms, avec le risque qu’ils se
transforment en “plâtre“.
Un pilote de recirculation sera mis en œuvre début 2013, sur une usine allemande.
A l’issue de ces tests VINCI Environnement proposera une technologie propre,
totalement adaptée au marché anglais.
La seconde innovation découle de la précédente. Il a fallu concevoir un nouveau
filtre à manches capable de fonctionner avec des concentrations en poussières
très élevées, conséquences directes de la recirculation des réfioms. Les calculs
et le design sont terminés. Le prototype est en phase de validation par simulation
numérique.
“Aujourd’hui, ces contraintes imposent de travailler sur des éléments
trace. Cela nécessite des ingénieurs ultra pointus et hyper spécialisés,
en génie chimique et génie des procédés. Ces disciplines sont très différentes de celles des thermiciens.
La création d’une direction spécialisée, avec des ingénieurs dédiés à
100% au traitement des fumées, est un atout formidable pour anticiper les normes et garantir la performance des installations que nous
construisons. Cette performance porte sur le plan environnemental
mais aussi économique. Nos programmes de recherche et de développement concilient ces deux impératifs indissociables : consommer
moins de réactif tout en améliorant les performances épuratoires, produire moins de réfiom tout en optimisant la performance énergétique,
tant en valorisation qu’en disponibilité des process...“
Création : S’Pace architecte
EFFETS
SECONDAIRES
(SUITE)
Le pouvoir calorifique inférieur
serait-il devenu trop supérieur ?
D
ans un four, les déchets avancent sur une
grille en mouvement. Elle malaxe les déchets, les retourne et homogénéise leur
combustion. Cette grille est au cœur du système
de combustion, là où il fait le plus chaud.“Les grilles
des usines d’incinération classiques sont conçues pour
les températures dégagées par des OMr. Dans le cadre
du multifilière, la matière organique a été extraite. Il
ne reste que du CSR, des plastiques et de la cellulose
principalement, soit un combustible qui dégage énormément de chaleur. Si vous brûlez ce CSR sur des grilles
inadaptées à ce combustible, vous risquez d’accélérer leur déformation et leur usure“, indique Thierry
TRINQUARD, Directeur du Traitement Thermique chez VINCI Environnement.
À cela s’ajoute un autre phénomène. Extraits lors
du procédé de compostage, les inertes (gravats,
morceaux de verre) ne sont plus présents dans
le CSR. Or, ces matériaux formaient un bouclier
thermique qui assurait une protection des grilles
contre les flammes chaudes et le rayonnement.
La grille à rouleaux proposée par VINCI Environnement
possède des aptitudes “naturelles“ pour répondre à
ces sollicitations. Chaque rouleau étant en rotation
lente, les barreaux de la grille passent la moitié du
temps sous le four. Ils échappent ainsi aux fortes températures et sont refroidis à l’air.
D’autre part, chacun des 6 rouleaux de la grille délimite une zone distincte pouvant être régulée automatiquement. Les agents d’exploitation peuvent
ainsi piloter finement la répartition de l’air et la
vitesse de rotation. Cette capacité de réglage leur
permet de contrôler et de maintenir des conditions
de combustion idéales, avec à la clé des mâchefers
de très bonne qualité et plus d’énergie produite.
10 |
Sec et homogène, le CSR est un combustible presque
parfait, au pouvoir calorifique inespéré. Il brûle beaucoup
mieux que les ordures ménagères. De quoi réjouir les
thermiciens ! “Oui, mais...“ou plus exactement “oui, si...“
Répond-on chez VINCI Environnement.
Chaud devant !
Ces dispositions “naturelles“ s’avèrent insuffisantes pour faire face aux PCI des CSR. Les barreaux des grilles doivent être remplacés plus fréquemment qu’avec les OMr. Les ingénieurs de
VINCI Environnement ont donc creusé la question
par deux voies parallèles et, cinq ans après, ils ont
apporté deux réponses.
Ils ont d’abord travaillé sur les métaux constitutifs des barreaux. “Divers essais nous ont permis de
trouver l’alliage optimum pour des CSR d’un PCI de de
11 à 13 500 kJ/kg. Les fréquences de renouvellement
redevenaient proches des OMr“ (Cf l’article “Barreaux
traumatisme“). Mais des phénomènes de vitesse
d’usure aléatoire ont été constatés. “Nos tests ont
mis en évidence que la vitesse d’usure n’est pas linéaire
mais qu’elle augmente de manière très rapide au-delà
de seuils de sollicitations (puissance énergétique principalement)“ indique Romain THIBAUT, Responsable
de la R & D. “Il fallait donc trouver une autre solution
pour couvrir les cas où le CSR est particulièrement
“riche“. Très innovante, cette solution greffe un refroidissement à l’eau sur notre grille rotative“.
Cette version de la grille rotative supporte des
combustibles pouvant atteindre un PCI de 17 000
kJ/kg : 2 fois celui des OMr, 1,5 fois celui des CSR
"classiques", les 2/3 de celui de la houille !
Une grille rotative et
refroidie à l’eau
Les rouleaux de la grille sont composés de barreaux creux, montés sur une ossature en rotation.
Ils sont reliés entre eux par des tubes en U qui forment une spirale continue d’un côté à l’autre du
rouleau. Dans ces U, circule de l’eau de refroidis-
sement qui maintient les barreaux à une température de seulement 200°C, alors qu’au dessus la
température dépasse les 900°C. “Notre technologie
prolonge la durée de vie des grilles de 5 ans minimum.
Sa simplicité mécanique, l’absence de pièce en mouvement ou de raccord flexible lui confèrent une grande fiabilité. Chaque barreau étant démontable depuis l’extérieur, la maintenance est simplifiée“.
Qui peut le plus peut le
beaucoup mieux
“Notre système présente un autre avantage. Lorsqu’elle
circule dans les rouleaux, l’eau se réchauffe. Par le biais
d’échangeurs, nous récupérons cette énergie et la restituons au cycle thermodynamique“. En clair, l’eau de
refroidissement augmente un peu plus la performance énergétique globale de l’unité thermique.
Mystère levé
Q
u’il s’agisse d’un déchet ou encore de bois, la
combustion se déroule en deux phases. La matière solide se décompose en gaz puis c’est ce
gaz qui brûle. Jusqu’à présent, aucun outil ne permettait
de simuler de manière fiable le passage du déchet au gaz.
C’est aujourd’hui chose faite. L’équipe R&D de VINCI Environnement vient de développer un outil révolutionnaire.
“Cet outil permet de modéliser la décomposition des déchets en
gaz, au cours de la combustion sur la grille“ explique Romain
THIBAUT, Responsable de la R&D.
“Nous obtenons ainsi une composition des gaz beaucoup plus
réaliste et surtout nous pouvons simuler les impacts, sur la formation de ces gaz, de changements de modes d’exploitation ou
encore d’introduction de nouveaux types de déchets“.
“Cette simulation permet de mieux maîtriser la combustion, la
formation de polluants comme les Nox ou le CO. Elle aide à réguler finement les procédés pour optimiser la production d’énergie
et l’épuration des fumées. Un autre enjeu est d’identifier, d’anticiper les points chauds susceptibles de dégrader les ouvrages et
donc de designer ces ouvrages en conséquence, pour qu’ils soient
plus résistants“.
Barreaux
traumatismes
A
u cours de la combustion, les barreaux des grilles
sont soumis à de multiples agressions et doivent
être régulièrement remplacés. Dès 2005, VINCI
Environnement démarre un programme de R&D. Objectif :
identifier le meilleur métal pour fabriquer ces barreaux.
Plusieurs alliages (nuances) sont testés, dans un four et
dans les conditions les plus sévères.
“Ces essais ont amélioré notre compréhension des mécanismes
de dégradation et révélé que ces phénomènes sont cycliques“
indique Romain THIBAUT, Responsable de la R&D.
D’abord, une couche d’oxydes superficielle se forme
et protège les barreaux d’une corrosion plus profonde.
Puis, assez vite, cette couche se décolle sous l’effet de
contraintes thermiques (dilatations, fusion de métaux
présents dans les déchets...) et de l’abrasion par les
pierres, métaux, bouts de verres.
“Nous avons exploré deux axes complémentaires. Le premier
était de renforcer la résistance du métal, en favorisant au
maximum la formation de la couche d’oxydes protecteurs. Le
second, de renforcer la dureté de cette couche et de celle du
barreau pour retarder l’abrasion“.
“Ce développement permet de préserver une durée de vie des
barreaux de l’ordre de 5 ans, pour du combustible dont le PCI
peut aller jusqu’à 13 500 kJ/kg. Au-delà de ces valeurs, la technologie de la grille refroidie à l’eau prend le relais.“
Le coût de ces barreaux est supérieur mais il est facilement
rentabilisé par l’allongement de leur durée de vie. Ils sont
d’ailleurs régulièrement proposés par VINCI Environnement
sur des installations neuves.
© Samuel MORAUD
Les travaux ont validé plusieurs paramètres clés dans la
composition des barreaux : la teneur en chrome, en carbone et en nickel. Restait à trouver le bon dosage. “Les
tests ont démontré qu’avec les nuances riches en Nickel, plus
résistantes à la corrosion, la couche d’oxydes superficiels résistait mal à l’abrasion. A l’opposé, nous avons observé une usure
tout aussi importante au-delà d’une certaine dureté, en relation avec la richesse en carbone. Au fil des tests, nous avons
trouvé l’optimum : une forte teneur en chrome couplée à une
teneur en carbone intermédiaire“.
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Concepteur et entrepreneur de l’environnement, notre entreprise
met au service de ses clients une expertise de plus de 50 ans dans
les métiers du traitement et de la valorisation des déchets, dans le
traitement de l’eau, des fumées et des émissions gazeuses.
Le modèle de VINCI Environnement, entreprise du groupe VINCI
leader mondial de la construction, est unique car il offre des
solutions de process variées, permettant d’apporter des réponses
appropriées à toutes les problématiques qui lui sont soumises.
L’écoute de nos clients, le dévouement et le professionnalisme
sont nos moteurs. La protection de l’environnement est notre foi.
www.vinci-environnement.com
EX MACHINA / Directrice de la rédaction : Pascale BISCAY (VINCI Environnement) / Comité de rédaction : Hugues SEUTIN, Thierry TRINQUARD, Romain THIBAUT, Mouloud OUADHI, Frédéric NOUGARÈDE (VINCI Environnement) /
Rédaction : Quartier Libre (Nantes) / Graphisme : Gildas JOULAIN / Imprimeur : JF Impression (Montpellier) / Crédits photos : Photèque VINCI Environnement - Fotolia