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Document technique sur l'incinération en discontinu de matières résiduelles

2.0 Le processus d'incinération des matières résiduelles

La présente section fournit une information de base sur le processus d'incinération des matières résiduelles, afin de permettre une meilleure compréhension des recommandations qui seront présentées par la suite. On y aborde le contrôle de la combustion et des émissions, les technologies d'incinération des matières résiduelles ainsi que des considérations générales sur la conception et l'opération.

2.1 Contrôle de la combustion

2.1.1 Aperçu du processus d'incinération des matières résiduelles

Les gaz, les liquides et les solides contenant du carbone et de l'hydrogène peuvent être brûlés. Chaque état de la matière brûle de façon différente. Aux fins du présent document, les matières résiduelles brûlées sont principalement sous forme solide, plutôt que liquide ou gazeuse.

La plupart des combustibles solides contiennent des matières volatiles et du carbone fixe. Deux processus se déroulent durant la combustion : les matières volatiles gazeuses sont émises et oxydées, alors que le carbone fixe est oxydé.

Dans le premier processus, les matières volatiles sont émises par des réactions de pyrolyse qui convertissent les matières résiduelles en gaz constitué d'hydrogène, de monoxyde de carbone (CO), d'hydrocarbures légers et de goudrons. L'hydrogène émis dans un milieu à température élevé réagit instantanément avec l'oxygène pour former de la vapeur d'eau. Le CO oxyde pour former du dioxyde de carbone (CO2) à un taux légèrement inférieur. Les hydrocarbures et les goudrons réagissent pour former de l'hydrogène et du carbone qui, en retour, sont oxydés. Les réactions nécessitent de l'oxygène et une température élevée. Si les gaz et l'air ne sont pas bien mélangés, les réactions ne seront pas toutes complétées, de sorte que des goudrons et d'autres produits provenant d'une combustion incomplète comme des dioxines/furanes, peuvent être rejetés dans le conduit de cheminée. Dans ces conditions, les gaz de combustion seront moins chauds et des goudrons et autres produits de combustion incomplète vont condenser sur les parois de la cheminée sous forme de suie ou de dépôts de goudron.

Dans le second processus, le carbone fixe restant oxyde et produit du CO. Cette réaction prend plus de temps que le rejet des gaz volatils, étant donné que l'oxygène doit se diffuser sur la surface de la matière pour réagir. Le taux de cette réaction est proportionnel à l'étendue de la surface exposée.

Tout au long du processus de combustion, le CO et le CO2 sont oxydés par des réactions avec des hydroxyles. Si une trop grande quantité d'air est présente dans la zone de combustion, la température de combustion et la concentration d'hydroxyles seront réduites, ce qui empêchera la réaction d'oxydation du CO. Ces conditions font que le CO est en forte concentration dans les gaz de combustion. Une quantité d'air insuffisante peut aussi faire augmenter la concentration de CO, puisque la quantité d'oxygène ne suffira pas à oxyder le carbone.

Brûler des matières résiduelles dans un incinérateur consiste essentiellement en une oxydation rapide qui génère de la chaleur et convertit les matières résiduelles en produits de combustion gazeux – dioxyde de carbone et vapeur d'eau – qui sont libérés dans l'atmosphère. Le processus de combustion peut aussi laisser des résidus et de la cendre qui ne peuvent pas être brûlés.

2.1.2 Contrôle de la combustion

Il est très important de contrôler la combustion au cours de l'incinération des matières résiduelles afin de réduire le plus possible la formation et le rejet de produits de combustion incomplète comme les dioxines et les furanes. Le but est de faire en sorte que le processus de combustion soit le plus complet possible, afin que les cendres contiennent peu de carbone et que les gaz de combustion ne contiennent que du dioxyde de carbone et de la vapeur d'eau.

Les matières résiduelles sont généralement hétérogènes, regroupant des matières qui présentent différents taux de combustion. Le taux de combustion est déterminé par la quantité d'air ajouté aux matières résiduelles. Dans un incinérateur bien conçu, la circulation d'air est contrôlée de manière à fournir des températures élevées et une combustion propre.

La combustion est une réaction d'oxydation nécessitant qu'une quantité d'oxygène précise soit mélangée à la matière à brûler; c'est qu'on appelle le besoin d'oxygène stœchiométrique. Les molécules d'oxygène doivent être en quantité juste suffisante pour que, combinées au carbone et à l'hydrogène produites par les matières résiduelles, elles créent du dioxyde de carbone et de l'eau. Si la quantité d'oxygène est juste suffisante, la température générée par la réaction atteindra son maximum. Si la quantité d'oxygène est trop élevée ou trop faible, la température sera plus basse dans le système.

Dans les incinérateurs à fonctionnement discontinu, les matières résiduelles restent immobiles sur une surface solide appelée « foyer ». Le mélange hétérogène des matières résiduelles placé sur le foyer change à mesure que les matières résiduelles sont réduites en cendres par les réactions de gazéification et d'oxydation. La chaleur initiale requise pour enflammer les matières résiduelles est fournie par un brûleur au propane, au gaz naturel ou au pétrole. Le brûleur pourrait demeurer actif indéfiniment durant le cycle de combustion; cependant, cela augmenterait les coûts d'opération et donc les mécanismes de contrôle éteignent le brûleur lorsque les matières résiduelles placées sur le foyer ont généré suffisamment de chaleur pour que les réactions se poursuivent de façon autonome.

L'air est nécessaire pour maintenir le processus de combustion. Dans les incinérateurs à fonctionnement discontinu, l'approvisionnement d'air s'effectue par des orifices aménagés à la base de l'incinérateur. Ces orifices sont placés de façon à ce que l'air soit dirigé à la base de la base du foyer. Dans les plus grands incinérateurs à fonctionnement continu, les orifices sont placés sous le foyer. Dans l'un ou l'autre cas, on dit que l'air introduit de cette manière est l'« air sous le foyer », pour indiquer la façon dont il est introduit. De l'air doit aussi être introduit au-dessus du foyer pour brûler les gaz volatils produits. Dans les incinérateurs à deux chambres, cet air est introduit dans la chambre secondaire par des orifices. Ajouter de l'air ne suffit pas : l'air doit aussi être bien mélangé aux gaz volatils pour permettre une bonne combustion. Ce mélange s'effectue généralement par le passage des gaz volatils dans un passage étroit, de dimensions plus petites que la chambre primaire. L'air peut être ajouté dans le passage étroit ou immédiatement après. Le passage étroit augmente la vélocité des gaz et introduit de la turbulence dans le flux gazeux pour favoriser le mélange.

Les réactions d'oxydation s'effectuent dans un temps déterminé, signifiant que la durée d'exposition à des températures élevées doit être contrôlée. Étant donné que les incinérateurs à fonctionnement discontinu ne sont généralement pas munis d'un mécanisme d'agitation des matières résiduelles, la température dans le système doit être maintenue en redémarrant le brûleur primaire. Le cycle de combustion d'un incinérateur à fonctionnement discontinu est donc déterminé de manière à permettre une réduction optimale du carbone dans la matière disposée dans le foyer de combustion.

Le type de matières résiduelles incinéré peut avoir un effet important sur le contrôle de la combustion. Le papier et le plastique ont une puissance calorifique supérieure requérant une plus grande quantité d'air pour achever le processus de combustion. Avec les déchets de cuisine, qui ont une valeur calorifique moins élevé, une moindre quantité d'air sera nécessaire pour achever le processus de combustion. Cependant, l'humidité des déchets de cuisine doit être évaporée avant que le carbone puisse soutenir la combustion. Par conséquent, les déchets de cuisine doivent être chauffés plus longtemps avant que ne commence le processus de combustion et que le brûleur principal puisse être éteint.

Dans un incinérateur à deux chambres, la combustion dans la chambre secondaire variera selon la quantité de gaz volatils présents. La température dans la chambre secondaire diminuera avec le taux de rejets de gaz volatils. Pour contrer ce problème, la plupart des incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu sont munis de brûleurs auxiliaires pour la chambre secondaire. Ces brûleurs maintiennent la température désirée dans la chambre secondaire et aident à chauffer l'incinérateur lors de son démarrage. En général, la taille de la chambre secondaire est établie pour assurer un temps de résidence de 1 seconde à une température de 1 000°C.

2.1.3 Réduction des émissions de dioxines et de furanes

Les émissions de contaminants atmosphériques produits par les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu sont une fonction de la conception et de l'opération de l'équipement et les caractéristiques des matières incinérées. Les métaux lourds présents dans les matières résiduelles seront rejetés dans les gaz de combustion. Par exemple, s'il y a du mercure présent dans les matières résiduelles du mercure se retrouvera dans les émissions. Si les matières chargées dans l'incinérateur ne contiennent pas de mercure, les gaz de combustion ne contiendront pas de mercure. Cependant, le même principe ne s'applique pas pour réduire les émissions de POP et en particulier les dioxines et les furanes (PCDD/F).

Il est connu qu'à une température de plus de 600°C, tous les PCDD/F présents seront détruits. Cependant, même dans un incinérateur offrant une bonne combustion, des PCDD/F peuvent se former en raison des réactions de synthèse de novo. Les réactions de novo se produisent dans un écart de températures allant de 250 à 450°C, lorsque les gaz de combustion et les cendres volantes sont en contact pendant plus de quelques secondes. On suppose que le carbone résiduel des cendres volantes réagit avec des composantes des gaz de combustion pour former des PCDD/F. Compte tenu de ce phénomène, on peut comprendre pourquoi les installations où les températures sont inférieures sont celles qui produisent le plus d'émissions de PCDD/F.

Les réactions chimiques sont déclenchées par gradients de concentration, de sorte que plus les concentrations de carbone et de cendres volantes sont élevées, plus la réaction est susceptible de produire de fortes émissions. De même, on peut prévoir que les incinérateurs présentant des concentrations supérieures de cendres volantes dans des zones où les températures sont moindres produiront un niveau sensiblement plus élevé de réactions de novo.

Les concentrations de monoxyde de carbone (CO) dans les gaz d'échappement sont un bon indicateur de l'efficacité de la combustion. La plupart des incinérateurs peuvent être ajustés pour produire la plus faible concentration de CO possible. Dans le cas des incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu, les concentrations de CO devraient être de moins de 50 ppm. Si l'incinérateur n'est pas opéré correctement (par exemple, si l'approvisionnement en air ne suffit pas à consommer entièrement des matières résiduelles de valeur calorifique élevée), les niveaux de CO vont augmenter et de la fumée noire sera rejetée. Cette fumée contiendra de grandes quantités de carbone, qui peut réagir et augmenter les émissions de PCDD/F. À l'inverse, si les matières résiduelles ne peuvent générer suffisamment de chaleur dans la chambre primaire pour atteindre les températures cibles (par exemple si une trop grande quantité d'air pénètre dans l'incinérateur) la température de certaines zones de l'incinérateur pourrait se situer dans l'écart de réaction de novo. Le surplus d'air peut aussi entraîner des matières particulaires provenant du foyer, qui vont hausser les concentrations de cendres volantes dans le flux gazeux. Il en résultera des concentrations de PCDD/F supérieures à celles qui pourraient se trouver dans un système fonctionnant correctement.

2.2 Technologies d'incinération des matières résiduelles

Un incinérateur est un système conçu pour soumettre les matières résiduelles à un traitement thermique (c.-à-d. combustion ou pyrolyse) afin d'en réduire le volume ou de détruire des substances dangereuses ou des pathogènes qui y sont présents. Il existe deux grands types d'incinérateurs de matières résiduelles : à fonctionnement discontinu et à fonctionnement continu. Les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu sont ceux qui sont chargés avec les matières résiduelles avant que le cycle de combustion ne soit initié, la porte restant fermée jusqu'à ce que les résidus de combustion dans la chambre primaire se refroidissent. La durée du cycle d'un incinérateur de matières résiduelles à fonctionnement discontinu se mesure en heures. En comparaison, un incinérateur à fonctionnement continu reçoit de nouvelles matières résiduelles et rejette des cendres de façon périodique tout au long de son utilisation, qui peut durer des semaines à des mois. Le présent document technique porte sur la réduction des émissions de dioxines/furanes et de mercure des incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu d'une capacité allant de 50 kg à 3 000 kg/charge.

Un incinérateur à air contrôlé, avec double chambre, est recommandé pour les installations traitant plus de 26 tonnes de matières résiduelles par année. Ce type d'incinérateur comporte deux chambres, chacune d'elles étant munie d'orifices permettant de contrôler la quantité d'air ajoutée aux différentes zones de l'incinérateur. Ces incinérateurs peuvent atteindre les températures de fonctionnement supérieures nécessaires pour réduire le plus possible les émissions de POP, en particulier les dioxines/furanes. Les Figures 2.2 et 2.3 illustrent la configuration typique d'un incinérateur à air contrôlé à deux chambres.

Les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu ont une zone où les matières résiduelles sont enflammées et mélangées avec de l'air pour faciliter la combustion et une seconde zone où l'air est ajouté pour compléter le processus de combustion. Dans les grands incinérateurs à fonctionnement continu, l'énergie disponible dans les gaz de combustion peut être récupérée dans un générateur de vapeur à récupération de chaleur ou une chaudière à eau chaude. La vapeur générée peut servir à produire de l'électricité, comme source de chaleur industrielle ou pour chauffer des locaux. La récupération de la chaleur n'est pas recommandée pour les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu puisque ce processus diminue la température des gaz dans le système et peut mener à la formation de PCDD/F par synthèse de novo.

Les grands incinérateurs à fonctionnement continu sont munis de systèmes d'antipollution d'air qui traitent les gaz chauds sortant du système de récupération de la chaleur. Ces gaz sont refroidis par une fine bruine d'eau afin de réduire la taille du système d'antipollution d'air nécessaire et pour protéger l'incinérateur contre les gaz à haute température. Dans un grand incinérateur à fonctionnement continu non muni d'un système de récupération de la chaleur, un système de refroidissement rapide par eau est utilisé pour atteindre la température de gaz désirée. Cela limite la possibilité de synthèse de novo des PCDD/F, puisque les gaz ne demeurent pas dans l'écart de températures critique assez longtemps pour permettre les réactions de novo de procéder.

Les systèmes d'antipollution d'air sont déconseillés pour contrôler les émissions de PCDD/F dans les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu. Les gaz de la cheminée devraient être émis directement à l'atmosphère à des températures en excès de 700°C afin d'éviter la formation non-intentionnelle de PCDD/F par le processus de synthèse de novo.

Après que les matières résiduelles ont été oxydées dans la chambre primaire, les résidus, souvent appelés « cendres résiduelles », doivent être enlevés. Les cendres résiduelles d'incinérateurs opérés correctement contiennent de faibles concentrations de PCDD/F (<20 pg ETI/g de cendres résiduelles). Les résidus solides déposés dans le système de récupération de chaleur des grands incinérateurs à fonctionnement continu ont typiquement <50 pg  ETI/g de PCDD/F, alors que les résidus des systèmes antipollution ont typiquement <300 pg ETI/g de PCDD/F. Les dépôts provenant du système de récupération de chaleur et du système d'antipollution d'air sont généralement appelés « cendres volantes » puisque les cendres se sont déplacées en suspension dans les gaz de combustion. En raison de la faible vélocité des gaz dans les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu, ces systèmes produisent beaucoup moins de cendres volantes que les grands incinérateurs à fonctionnement continu.

Figure 2.2. Photo d'un incinérateur à air contrôlé à double chambre. Voir description ci-dessous.

Figure 2.2 Modèle type d'incinérateur à air contrôlé à double chambre

Figure 2.2. Photo d'un incinérateur à air contrôlé à double chambre. L'incinérateur est dehors, sur un terrain recouvert de neige. Il est composé de deux chambres cylindriques vertes, une par-dessus l'autre. La porte menant à la chambre primaire est ouverte afin de charger des matières résiduelles. La chambre secondaire, située au dessus de la chambre primaire est fermée. Une longue cheminée en sort.

Figure 2.3 Schéma d'un modèle type d'incinérateur à air contrôlé à double chambre. Voir description ci-dessous.

Figure 2.3 Schéma d'un modèle type d'incinérateur à air contrôlé à double chambre (Source: Eco Waste Solutions)

2.3 Considérations générales sur la conception et l'opération

2.3.1 Conception et opération

Les particularités techniques discutées ci-dessous sont considérées les plus importantes à considérer dans le processus d'acquérir un incinérateur à air contrôlé et à double chambre fonctionnant en discontinu. Tel qu'indiqué, le présent document porte essentiellement sur les incinérateurs pouvant éliminer jusqu'à 3 000 kg / cycle.

La mesure dans laquelle le processus de combustion sera complet dépend des paramètres suivants :

  • la température atteinte par les gaz de combustion;
  • la période durant laquelle les gaz demeurent à des températures élevées;
  • la mesure dans laquelle l'air et les gaz sont bien mélangés, et
  • un apport d'oxygène suffisant pour permettre une combustion complète.

Souvent, les règlements précisent les températures de combustion en aval de la chambre primaire ainsi que la durée de résidence des gaz à ces températures. En Ontario, par exemple, les incinérateurs de matières résiduelles doivent permettre un temps de résidence des gaz de 1 seconde à 1 000°CNote de bas de page 12. Dans l'Union européenne, le temps de résidence est de 2 secondes à 850°CNote de bas de page 13. Ces valeurs reflètent les conditions d'opération des incinérateurs à faibles émissions.

Les concepteurs d'incinérateurs ont plus de latitude dans l'établissement des températures dans la chambre primaire. Les chambres primaires sont conçues en fonction des matières résiduelles qui seront éliminées. Les matières plus difficiles à brûler vont nécessiter des températures de fonctionnement plus élevées. La température est déterminée en fonction du débit calorifique volumique cible, exprimé en MJ/m³/heure. Cette valeur est fondée sur le pouvoir calorifique de la matière résiduelle, exprimée en MJ/kg, la quantité de matières à charger dans l'incinérateur en kg/charge et le volume de la chambre primaire en mètres cubes. La température de fonctionnement d'un système fournit une limite au débit calorifique volumique. Dans un incinérateur à deux chambres typique, la chambre primaire devrait être opérée à une température variant entre 500 et 800°C.

Les températures obtenues dans une chambre primaire donnée étant une fonction du débit calorifique et de la masse des matières résiduelles, il importe que l'incinérateur soit chargé de matières résiduelles qui correspondent aux spécifications techniques du système. Par leur conception, les incinérateurs sont des appareils limités quant au débit calorifique. Si la chaleur n'est pas suffisante, les matières résiduelles ne brûleront pas correctement; inversement, une chaleur trop élevée pourra endommager l'incinérateur. Lorsque la quantité d'énergie appropriée est chargée dans la chambre primaire d'un incinérateur de matières résiduelles à fonctionnement discontinu, la température peut y être contrôlée principalement par l'ajustement du ratio air/carburant.

L'ajout d'air dans les chambres primaire et secondaire d'un incinérateur de matières résiduelles à fonctionnement discontinu produit une concentration d'oxygène dans les gaz de combustion variant entre 6 et 12 %. L'opération du système dans cet écart réduit au minimum les émissions de CO et, par conséquent, les rejets de POP. En menant des tests sur un système donné, il est possible maintenir les niveaux de CO les plus bas possibles. Le maintien de l'oxygène dans l'écart recommandé par le fabricant garantit que le système fonctionne de manière optimale.

Tel qu'indiqué auparavant, le contrôle de la température passe par la régulation du ratio air/carburant. Afin de baisser la température on ajoute de l'air jusqu'au débit maximum. Autrement, le débit de carburant d'appoint peut être réduit. La chambre primaire d'un incinérateur de matières résiduelles à fonctionnement discontinu est conçue en fonction d'une masse de matières résiduelles présentant une certaine valeur calorifique. La taille du système d'approvisionnement en air est établie de manière à fournir un niveau adéquat d'excès d'air nécessaire pour maintenir la température au niveau souhaité, même si l'apport de chaleur varie de celui prévu dans la conception du système.

Introduire des matières résiduelles qui se situent à l'une ou l'autre extrémité des valeurs calorifiques n'est pas une pratique offrant une bonne combustion. Pour empêcher que la température n'endommage la chambre primaire, la quantité de matières résiduelles présentant un pouvoir calorifique élevé dans une charge doit être limitée. Les matières résiduelles devraient être mélangées pour produire une chaleur de combustion relativement uniforme approchant le point établi dans la conception du système. Si l'opérateur contrôle la qualité des matières résiduelles chargées, les écarts dans le taux de combustion peuvent généralement être contrôlés par les systèmes de l'incinérateur.

2.3.2 Récupération de chaleur

Dans la plupart des cas, les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu ne devraient pas être dotés de systèmes de récupération de chaleur, étant donné que cela peut abaisser les températures et mener à la formation de PCDD/F par synthèse de novo.

2.3.3 Systèmes d'antipollution d'air

Les systèmes d'antipollution d'air utilisant des tours de refroidissement par évaporation et épurateurs à sec sont rarement recommandés pour les petits incinérateurs à fonctionnement en discontinu pour deux raisons principales:

  • Étant donné que les incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu sont utilisés de manière intermittente, les températures des gaz présentent des écarts entre les niveaux ambiants et les niveaux de fonctionnement pouvant aller jusqu'à 1 200°C chaque fois que le système est utilisé. Lorsque la température n'est pas élevée, de la condensation peut se former et causer la corrosion du système. De plus, les dépôts qui restent dans les gaines et les conduits d'air au cours de la phase de refroidissement passent par la température de synthèse de novo et peuvent hausser la production de PCDD/F.
  • Puisque l'utilisation intermittente des incinérateurs de matières résiduelles à fonctionnement discontinu rend impraticable l'installation d'un système de récupération de la chaleur, il n'y aura pas de refroidissement préalable des gaz de combustion, de sorte qu'ils pénètreraient dans le système antipollution à des températures élevées. Un dispositif permettant de refroidir rapidement les gaz deviendrait donc nécessaire pour éviter d'endommager l'équipement. Ce dispositif nécessiterait des volumes d'eau importants, dont une partie recueillerait du gaz chlorhydrique et d'autres gaz acides et devrait être traitée ou au moins être recirculée dans le système. Dans certaines parties du pays, l'approvisionnement en eau et le traitement pourraient poser des difficultés considérables.

L'addition d'un système d'antipollution d'air à un incinérateur à fonctionnement discontinu accentuerait aussi la perte de pression dans le système. Il serait donc nécessaire d'installer des ventilateurs de tirage induit pour faire sortir les gaz de combustion. Les ventilateurs de tirage induit et le système d'antipollution d'air augmenteraient les besoins en énergie de l'incinérateur.

Dans le plupart des cas, les systèmes d'antipollution d'air ne sont pas recommandés pour contrôler les émissions de PCDD/F dans les incinérateurs à fonctionnement discontinu. Avec un bon contrôle de la combustion et le maintien des températures des gaz à plus de 700°C, il y aura peu de possibilités de formation de PCDD/F par synthèse de novo.

Cependant, dans certaines juridictions et dans des conditions d'utilisation particulières, il peut être nécessaire d'utiliser un système d'antipollution d'air. Les propriétaires et les opérateurs doivent s'informer de ces exigences auprès du fabricant et des organismes de réglementation en question.

Notes de bas de page

Note de bas de page 12

Ministère de l'Environnement de l'Ontario, 2004. GUIDELINE A-7 Combustion and Air Pollution Control Requirements for New Municipal Solid Waste Incinerators.

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Note de bas de page 13

Directive 2000/76/CE du Parlement européen et du Conseil du 4 décembre 2000 sur l'incinération des déchets, 2000.

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