Réacteur de conversion des déchets: pyrolyse, gazéification et méthodes hydrothermiques

Réacteur de conversion des déchets : voies de pyrolyse, de gazéification et hydrothermale

Qu'est-ce qu'un réacteur de conversion des déchets ? Un réacteur de conversion des déchets est un récipient qui transforme des déchets, de la biomasse, du plastique ou des boues de faible valeur ou dangereux en énergie ou en produits chimiques, et il est défini par la voie qu'il utilise parmi quatre : la pyrolyse, le chauffage en l'absence d'oxygène à 400-700°C pour produire de l'huile de pyrolyse, du gaz et du charbon de bois ; la gazéification à 700-1200°C pour produire du gaz de synthèse de 10 à 30 MJ par mètre cube normal ; la carbonisation hydrothermale à 180-250°C et 20-40 bar pour produire de l'hydrochar à partir de biomasse humide ; ou la digestion anaérobie à 35-38°C pour produire du biogaz. Le principal défi d'ingénierie est l'hétérogénéité de l'alimentation, car les déchets solides municipaux, la biomasse et les boues varient en humidité, en pouvoir calorifique et en contaminants d'un lot à l'autre, de sorte que le réacteur doit tolérer ce qui arrive plutôt qu'une alimentation fixe. Les matériaux et les internes sont choisis pour leur résistance à l'abrasion, au goudron, aux cendres et à la corrosion plutôt que pour la chimie de base.

1. Les voies de conversion et leurs réacteurs

Chaque voie convient à un déchet différent et produit un produit différent :

• Pyrolyse et gazéification des déchets solides : La pyrolyse chauffe des déchets triés ou du plastique en l'absence d'oxygène à 400-700°C, les décomposant en huile de pyrolyse, un gaz combustible et du charbon de bois, avec des rendements en huile de 30 à 60 % en poids selon l'alimentation. La gazéification va plus loin, en oxydant partiellement l'alimentation à 700-1200°C pour obtenir un gaz de synthèse de monoxyde de carbone et d'hydrogène à 10-30 MJ par mètre cube normal qui peut être brûlé ou converti chimiquement. Les réacteurs sont généralement des fours rotatifs, des lits fluidisés ou des vis chauffées indirectement, et les problèmes centraux sont la formation de goudron, qui encrasse et désactive les équipements en aval, et l'abrasion par les cendres et le charbon de bois qui usent les internes. La préparation, le séchage et le tri de l'alimentation sont aussi importants que le réacteur, car une humidité supérieure à environ 30-40 % et les inertes détruisent le bilan énergétique du processus.
• Conversion hydrothermale de la biomasse humide : Pour les alimentations humides telles que les boues d'épuration, les déchets alimentaires et le fumier, le séchage est l'étape coûteuse, de sorte que les voies hydrothermales traitent le matériau à son humidité naturelle. La carbonisation hydrothermale fonctionne à 180-250°C et 20-40 bar pendant 5-30 minutes pour convertir la fraction organique en hydrochar, un solide semblable au charbon avec une manipulation et une densité énergétique améliorées. Le réacteur est un récipient sous pression agité ou à flux piston résistant à la phase aqueuse corrosive à haute température et aux graviers et fibres de l'alimentation. Cette voie évite la pénalité de séchage de la pyrolyse et convient bien aux boues et aux résidus agricoles, où l'objectif est la réduction du volume, la stabilisation et la récupération d'énergie plutôt qu'un produit liquide de haute valeur. La frontière de pression et le chemin mouillé résistant à la corrosion sont les éléments clés de la conception.
• Digestion anaérobie pour l'énergie et la stabilisation : Pour les déchets à haute teneur organique, la digestion anaérobie dans un réacteur scellé à 35-38°C convertit les matières organiques en biogaz, environ 60 % de méthane, à 0,3-0,6 m3 par kg de DCO sur une rétention de 15 à 30 jours. Le réacteur est généralement un réservoir en acier vitrifié ou en béton de milliers à 30 000 m3, agité à 10-40 W/m3, avec un espace de tête contrôlé pour atmosphère explosive. C'est la voie de conversion la plus douce thermiquement, mais la plus grande volumétriquement, car la biologie est lente et le volume est déterminé par le temps de rétention. Le réacteur doit gérer les graviers qui se déposent et s'usent, la force variable de l'alimentation, et le digestat qui doit être déshydraté, et sa corrosion est due aux traces de sulfures et à toute phase acide si la biologie est perturbée. C'est le cheval de bataille de la conversion des déchets municipaux et agricoles.

2. Ingénierie pour une alimentation hétérogène et abrasive

La conversion des déchets vit ou meurt en fonction de la manière dont le réacteur gère une alimentation hostile et variable :

• Gestion de l'usure des matériaux et des internes : Chaque réacteur de conversion des déchets combat simultanément l'abrasion et la corrosion. Les réacteurs de pyrolyse et de gazéification voient des cendres et du charbon de bois chauds qui érodent les internes du four ou du lit fluidisé, de sorte que les revêtements réfractaires, les barres de vol durcies et les plaques d'usure remplaçables sont standard, et le matériau du lit dans un lit fluidisé est choisi pour sa réactivité et sa résistance à l'attrition. Les réacteurs hydrothermaux et anaérobies combattent la corrosion de la phase aqueuse, des traces de sulfures et de chlorures, de sorte que le 316L, le duplex ou un revêtement en acier vitrifié est utilisé lorsque la chimie le permet. La philosophie de conception est de rendre les points d'usure bon marché et accessibles, le nez du four, le lit, la vanne de fond, car quelque chose sera remplacé à temps, quel que soit l'alliage. Spécifier contre une alimentation moyenne sous-estime le devoir ; la conception doit survivre à l'arrivée granuleuse, salée et humide.
• Manutention, mélange et débit de l'alimentation : Contrairement à un réacteur chimique alimenté avec des réactifs purs, un réacteur à déchets reçoit une alimentation imprévisible de 50 à 1000 tonnes par jour, de sorte que la préparation, le tri, le déchiquetage, le séchage et le dosage de l'alimentation dominent l'installation. Le réacteur lui-même a besoin d'un mélange robuste qui maintient les solides en mouvement sans usure excessive, d'une vis ou d'un mécanisme rotatif pour les solides, d'un tube de tirage ou d'une turbine à faible cisaillement pour les boues, et d'une décharge qui ne se bouche pas avec des chiffons, des pierres ou du plastique non fondu. Le débit est déterminé par le jour de la pire alimentation, pas par la moyenne, et par le bilan thermique, car une humidité élevée et des inertes consomment l'énergie que le processus est censé produire. Un réacteur de conversion qui ne peut pas être alimenté et vidé de manière fiable est un passif, quelle que soit l'élégance de sa chimie.
• Nettoyage des produits, sécurité et émissions : Le produit du réacteur est rarement l'article final vendable ; il nécessite un nettoyage. L'huile de pyrolyse est acide, instable et aqueuse et doit être améliorée ; le gaz de synthèse transporte du goudron, des particules et des gaz acides qui encrassent les moteurs et doivent être épurés ; le biogaz transporte du sulfure d'hydrogène et des siloxanes qui endommagent les générateurs. Le réacteur est donc spécifié avec son nettoyage de gaz ou de liquide, et avec des systèmes de sécurité pour les produits inflammables, des contrôles d'atmosphère explosive sur les espaces de tête des digesteurs, et un décharge pour tout gaz d'échappement. Les permis d'émission dictent une grande partie de la conception, du contrôle des NOx et des dioxines dans la combustion à la gestion des odeurs et des lixiviats dans la digestion. Le réacteur est le cœur d'une usine de conversion des déchets en énergie ou en produits chimiques, mais son acceptation dépend du nettoyage et du contrôle des émissions qui l'entourent.

Matrice de comparaison des voies de conversion des déchets

Questions fréquemment posées (FAQ)

Q : Quelle est la différence entre la pyrolyse et la gazéification dans la conversion des déchets ?

R : Les deux décomposent thermiquement les déchets sans combustion complète, mais à des degrés et avec des produits différents. La pyrolyse chauffe l'alimentation en l'absence d'oxygène à 400-700°C, la décomposant en huile de pyrolyse, un gaz combustible et du charbon de bois, avec des rendements en huile de 30 à 60 % en poids. La gazéification admet une quantité limitée d'oxygène ou de vapeur et pousse la réaction à 700-1200°C, convertissant l'alimentation en grande partie en gaz de synthèse, monoxyde de carbone et hydrogène, à 10-30 MJ par mètre cube normal, qui peut être brûlé ou amélioré chimiquement. La pyrolyse est meilleure pour la récupération de liquides à partir de plastiques et de biomasse ; la gazéification est meilleure pour un combustible gazeux propre et pour les alimentations qui se gazéifient facilement. Les deux luttent contre le goudron et les cendres, et les deux nécessitent un séchage et un tri de l'alimentation, car l'humidité et les inertes ruinent le bilan énergétique.

Q : Pourquoi l'hétérogénéité de l'alimentation est-elle le plus grand défi dans les réacteurs de conversion des déchets ?

R : Parce que les déchets solides municipaux, la biomasse et les boues varient en humidité, en pouvoir calorifique, en taille de particules et en contaminants d'un lot à l'autre, tandis qu'un réacteur est conçu autour d'une hypothèse d'alimentation. Une humidité élevée, supérieure à 30-40 %, et les inertes consomment l'énergie même que le processus est censé produire, le chlore et les métaux corrodent et encrassent, et les pierres ou le plastique non fondu bloquent la décharge. Contrairement à un réacteur chimique alimenté avec des réactifs purs à un débit fixe, un réacteur à déchets doit tolérer ce qui arrive, de sorte que son acceptation dépend de la préparation, du tri, du déchiquetage, du séchage et du dosage de l'alimentation, d'un mélange robuste qui ne s'usera pas ou ne se bloquera pas, et de matériaux choisis pour le pire cas granuleux, salé et humide plutôt que pour la moyenne. La chimie du réacteur est souvent la partie facile ; survivre à l'alimentation est la partie difficile.

Q : Quels matériaux sont utilisés dans les réacteurs de conversion des déchets ?

R : Cela dépend de la voie et de la pire alimentation crédible. Les réacteurs de pyrolyse et de gazéification voient l'abrasion par les cendres et le charbon de bois chauds, ils utilisent donc des revêtements réfractaires, des barres de vol durcies et des plaques d'usure remplaçables, avec un matériau de lit fluidisé choisi pour sa résistance à l'attrition. Les réacteurs hydrothermaux et anaérobies combattent la corrosion de la phase aqueuse, des traces de sulfures et de chlorures, de sorte que le 316L, le duplex ou un revêtement en acier vitrifié est utilisé lorsque la chimie le permet, et les digesteurs anaérobies sont couramment de grands réservoirs en acier vitrifié. La conception rend les points d'usure bon marché et accessibles, le nez du four, le lit, la vanne de fond, car le remplacement à temps est attendu. L'alliage est choisi pour le pic, pas pour la moyenne, car la composition des déchets fluctue.

Q : Comment un réacteur de conversion des déchets soutient-il les objectifs de l'économie circulaire ?

R : En faisant monter les matériaux dans la chaîne de valeur, de l'élimination à la ressource. Au lieu de mettre en décharge ou d'incinérer des déchets, de la biomasse ou des boues, le réacteur récupère l'énergie sous forme de gaz de synthèse, de biogaz ou d'huile de pyrolyse, récupère des matériaux sous forme de charbon de bois ou d'hydrochar qui peuvent être utilisés comme combustible ou amendement du sol, et réduit le volume et le danger du résidu qui doit être mis en décharge. La carbonisation hydrothermale et la digestion anaérobie stabilisent en outre les déchets organiques humides et réduisent leur fardeau de transport et d'odeur. Le réacteur est le pivot technique d'une usine de valorisation énergétique ou chimique des déchets, et son cas économique et environnemental repose sur la conversion fiable d'une alimentation variable en un produit constant et vendable, c'est pourquoi la manutention de l'alimentation et le nettoyage des produits sont conçus comme faisant partie du même système.