Les nouvelles techniques de recyclage et de valorisation des déchets ménagers et des déchets industriels banals

II. L'INCINÉRATION

A. SITUATION

1. Présentation générale

a) Données de base

" Incinération : action de réduire en cendres, de détruire par le feu " . Appliquée aux déchets, on appelle " installation d'incinération ", selon les termes de la proposition de directive du Conseil sur l'incinération des déchets, " tout équipement ou unité technique, fixe ou mobile, affecté au traitement thermique de déchets, avec ou sans récupération de la chaleur produite par la combustion. (...) La présente définition couvre le site et l'ensemble constitué par les installations d'incinération, de réception, de stockage et de traitement préalable des déchets sur le site même ; ses systèmes d'alimentation en déchets, en combustible et en air ; la chaudière ; les installations de traitement ou de stockage des résidus, des gaz de combustion et des eaux usées ; la cheminée ; les appareils et dispositifs de commande des opérations d'incinération et les systèmes d'enregistrement et de surveillance des conditions d'incinération. "

On appelle aussi " installation de co-incinération ", une installation dont l'objectif essentiel est de produire de l'énergie ou des produits matériels (ciment), et qui utilise les déchets comme combustible habituel ou d'appoint.

L'incinération est un mode d'élimination des déchets ménagers, en les brûlant à haute température. La première unité a été implantée au Royaume Uni en 1876. La valorisation énergétique est venue beaucoup plus tard, et reste partielle. Elle n'est d'ailleurs qu'une conséquence -utile- de l'incinération, mais pas son but.

C'est aujourd'hui, en France et en Europe, le deuxième mode de traitement des déchets ménagers, après la mise en décharge. L'abandon de la mise en décharge comme mode de traitement ordinaire des déchets ménagers devrait renforcer le poids de l'incinération, mais les implantations de nouvelles unités se heurtent à des difficultés croissantes. En effet, en dépit des améliorations techniques depuis vingt-cinq ans, cette option est devenue controversée, notamment en raison des risques sur la santé et l'environnement, liés notamment aux émissions de dioxine ^{47( * )} . Les risques sont aujourd'hui totalement maîtrisés -pour les nouvelles installations et au vu des connaissances scientifiques du moment-, mais l'image demeure suspecte. Mauvaise image, que les contrôles sur les installations anciennes n'ont pas contribué à atténuer.

Encadré n° 12

L'incinération : syndromes et contradictions

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L'image de l'incinération est mauvaise. Plusieurs syndromes se développent, entraînant parfois quelques contradictions.

Il y a d'abord le syndrome NIMBY, acronyme de " not in my back yard " (pas dans mon arrière cour). Personne ne veut avoir un incinérateur près de chez soi (derrière sa cour), par crainte des émissions toxiques. Ces nuisances étant d'autant plus mal acceptées que les incinérateurs sont de grandes installations, particulièrement visibles (même si le panache blanc est surtout de la vapeur d'eau), qui récupèrent les déchets " des autres " (pour atteindre des seuils de rentabilité acceptables, il faut traiter de grosses quantités, qui viennent d'autres communes, parfois éloignées).

Ce premier syndrome est doublé du syndrome NIMEY " Not in my election year " (pas dans l'année de ma (ré)élection). Il est, en effet, extrêmement difficile pour un élu local de s'engager dans un projet aussi controversé, en particulier l'année qui précède une échéance électorale.

Les mêmes syndromes s'appliquent aux autres installations ou modes de traitement, notamment les décharges, mais dans le cas des incinérateurs, ces oppositions et ces freins conduisent à quelques paradoxes.

Tout d'abord, la difficulté d'ouvrir de nouvelles installations, modernes et moins polluantes peut contribuer à conserver les anciennes, certes plus polluantes, mais qui ont le mérite d'exister.

Ensuite, les fermetures d'usines hors normes peuvent aussi conduire - au moins dans un premier temps- à augmenter la mise en décharge...

Dans ces débats, l'important est de mettre les citoyens consommateurs devant leurs responsabilités. Le mode de vie choisi a des conséquences sur les déchets. A plus de 500 kg de déchets par habitant et par an en zone urbaine, lorsque les bornes d'apport volontaire sont détruites, et que les efforts de collecte sélective sont vains, il faut, malgré tout, trouver une solution pour traiter les déchets.

Dans tous les cas, une communication complète, adaptée, permet parfois de mieux accepter les nuisances. Même si cela ne suffit pas toujours.

b) Les données techniques

L'incinérateur n'est pas seulement un four de combustion, c'est une installation industrielle complète , comprenant :

le stockage des déchets entrants,

l'alimentation du four,

le chauffage du four,

la combustion des déchets, avec apport d'oxygène,

la récupération de chaleur sous forme de vapeur et d'électricité,

le traitement des résidus solides (les mâchefers),

le contrôle et l'élimination des pollutions (les REFIOM).

Les conditions d'exploitation sont étroitement réglementées ^{48( * )} . Les gaz résultant de l'incinération doivent être portés à une température de 850° minimum pendant au moins deux secondes. Les installations doivent donc être munies de brûleurs auxiliaires au gaz ou au gazole qui servent soit au démarrage du four, soit lorsque la température tombe en dessous de 850°.

Les installations sont de tailles extrêmement variables qui peuvent aller de 50 tonnes à plus de 1.000 tonnes par jour, soit entre 2 et 50 (voire 80) tonnes/heure. Dans le cas de ces très grands tonnages, les installations sont divisées en ligne. Chaque ligne correspondant à un four. Les évaluations les plus courantes sont données en capacité (en tonnage), par heure ou par an. Une capacité exprimée en tonnes/an est égale à la capacité en tonnes/heure x 7500 heures/an (exemple : 6 tonnes/heure = 45.000 tonnes/an).

Les technologies habituelles sont celles du four à grille ou du four tournant . Dans le four à grille, les déchets sont introduits dans le four et brûlés pendant une durée de deux à trois heures à une température de 750° à 1000°. On utilise une grille pour permettre le passage de l'air à travers la couche en ignition. Les technologies diffèrent selon la grille (grille fixe ou mobile), le mélange des déchets et de l'air pour parvenir à une meilleure combustion (injection latérale d'air...), et, par conséquent, la production d'imbrûlés et de cendres.

On utilise les fours tournants, notamment pour les déchets industriels. Les métaux détérioreraient la grille en fondant, et les déchets sont donc introduits dans un four tournant avec une aération longitudinale, ce qui permet d'optimiser les mélanges (déchets/air), et des températures supérieures (1.200°).

2. L'incinération, mode majeur de traitement des déchets

a) L'importance de l'incinération dans le traitement des ordures ménagères

40 % des ordures ménagères ont été incinérés en 1995, contre 48 % mises en décharges. Il s'agit donc du second mode de traitement des ordures ménagères, après la mise en décharge. Quelque soit l'évolution du mode de traitement, l'incinération conservera une place majeure dans les procédés de traitement. En raison de l'histoire (il faut partir de ce qui existe, et le parc existe, même s'il doit être restructuré), de son adaptation à traiter certains gisements (gros gisements urbains), ou certains produits (petits déchets ménagers souillés, résidus de bois, de peintures...), de sa technique éprouvée de récupération de l'énergie (qui peut encore être étendue à de nouveaux sites), et surtout, parce que la mise en décharge cessera dans moins de trois ans d'être un mode de gestion des déchets, alors que dans le même temps, la masse des déchets à traiter continuera à progresser. Ce phénomène est général en Europe. Selon une étude britannique, 57 % des opérateurs s'attendent à voir leurs capacités augmenter dans les sept ans à venir (horizon 2005), 27 % pensent qu'elles seront constantes, 18 % seulement qu'elles diminueront.

A l'inverse, l'augmentation des coûts, les risques de pollution, les problèmes posés par les résidus, et surtout l'acceptation sociale, peuvent freiner ce mouvement. Ces différents éléments peuvent se résumer comme suit.

Encadré n° 13 Avantages et inconvénients de l'incinération ___
AVANTAGES	INCONVÉNIENTS
Réduction des volumes de 90 %	Cendres, résidus polluants
Rapidité de traitement	Problème des seuils de rentabilité pour les petites unités
Pas de prétraitement	Production d'énergie électrique peu efficace dans la plupart des cas
Adaptation aux gros gisements	Investissements élevés
Ne produit pas de méthane	Coûts de fonctionnement en forte croissance
Possibilité de récupérer et valoriser l'énergie (économie d'énergie possible)	Empêche toute inflexion de la politique des déchets
Possibilité de récupérer les métaux	Oppositions sociales croissantes
Garantie de long terme

b) État du parc d'incinération

La France compte 303 unités traitant 11,4 millions de tonnes de déchets. 70 % sont à faible capacité (inférieure à 3 tonnes/heure, soit 22.500 tonnes/an). Le quart des incinérateurs traite plus des trois quarts des déchets traités en incinération. Près des trois quarts de l'ensemble du parc ne disposent pas de récupération d'énergie.

Le parc d'incinérateurs (1997)
	1 t/h	entre 1 et  3 t/h	entre 3 et 6 t/h	6 t/h	Total
Avec récupération d'énergie	4	13	20	42	79
Sans récupération d'énergie	135	62	15	10	224
Total	139	75	35	54	303
Source : ministère de l'Environnement

La France fait partie du peloton de tête des pays équipés en incinérateurs, mais, contrairement aux idées reçues, n'est pas leader . Elle est derrière la Suède (45 %), le Danemark (56 %), la Suisse (60 %), et surtout le Japon, où l'incinération (faute de place pour les décharges) est le mode ultra dominant du traitement des déchets (75 % des déchets sont incinérés, dans près de 800 unités).

On compte également 22 cimenteries (sur un total de 42) utilisant des déchets comme combustible de substitution.

Encadré n° 14

La co-incinération en cimenterie

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On parle de co-incinération lorsque les déchets sont incinérés avec d'autres matériaux. C'est notamment le cas des sidérurgistes et surtout des cimenteries qui sont de très gros consommateurs d'énergie.

La production de ciment consiste à chauffer à haute température (1.450°, ce qui exige une flamme à 2000°) des matières broyées composées principalement de calcaire, d'argile et de schistes pour obtenir un clinker . Le clinker est ensuite mélangé avec du gypse pour faire du ciment.

Les cimenteries ont d'abord utilisé massivement le charbon comme source d'énergie, puis se sont tournées vers des combustibles de substitution susceptibles de dégager une énergie thermique comparable.

Les déchets sont utilisés comme combustible de substitution depuis une douzaine d'années, et leur importance ne fait que croître. Les déchets utilisés sont surtout les huiles usées, les pneus usagés et, dans une moindre mesure, les résidus de bois, de boues de curage, de plastique... Les composés organiques sont détruits par la combustion, et les métaux sont fixés et intégrés au clinker .

La part des déchets dans le combustible de cimenterie ne cesse de progresser : 1 % en 1985, 5 % en 1989, 10 % en 1992 et près de 20 % en 1997 (+ 7 points en deux ans). 50 % des déchets utilisés sont constitués d'huile et de pneus usagés, non seulement à cause de leur très haut pouvoir calorifique, mais aussi à cause de la régularité de la matière et de l'approvisionnement, éléments importants dans les choix industriels.

A noter que la répartition entre sources d'énergie est extrêmement variable selon les années et même les mois. Il y a en permanence un examen comparatif des coûts de chaque source potentielle, charbon, gaz, coke de pétrole... et les choix se font en conséquence.

Sur les quarante-deux cimenteries françaises, vingt-deux brûlent des déchets.

3. Les nouvelles techniques d'incinération. l'incinération en four à " lit fluidisé "

a) Présentation

Le principe

Le principe de la technique dite du " lit fluidisé " est d'effectuer la combustion des produits solides dans un lit de matériaux inertes mis en suspension par une injection d'air chaud. Il s'agit, le plus souvent, d'un mélange de sable auquel on ajoute une petite fraction de déchets (5%) qui forment la base du " lit ". L'ensemble est rendu fluide par injection d'air (vertical, horizontal, à la base ou en parois du four...). La technique du lit fluidisé a été mise au point pour brûler le charbon. Elle a été adaptée depuis quelques années au traitement des déchets ménagers.

Même si plusieurs techniques sont proposées, le principe est le même. Le lit fluidisé peut être concentré à la base du four (lit fluidisé dense), ou être réparti dans l'ensemble de la chambre de combustion. Les déchets sont ajoutés progressivement et versés dans la chambre à mi hauteur. Sous l'effet de la turbulence et de la chaleur, les déchets se séparent en deux fractions ; une, solide, qui se consume d'autant mieux que le lit est fluide, et l'autre, gazeuse, dont une partie se consume également grâce à l'apport d'air. Dans la plupart des cas, les déchets doivent cependant être préalablement triés (élimination des éléments lourds par séparateurs aérauliques), déferraillés (par séparateurs magnétiques), broyés (pour parvenir à une certaine granulométrie, variable selon les techniques), avant injection dans le four. Une fois la combustion opérée, les gaz et les particules minérales sont évacuées en partie haute, puis traitées (récupération des gaz de combustion en chaudières et traitement des fumées).

Les techniques

Il existe trois techniques différentes.

Le four à " lit fluidisé dense ". Dans cette technique, les particules minérales et l'air sont injectés à la base du four. Le mélange avec les déchets, préalablement broyés avec une granulométrie de 150 mm, est concentré en partie inférieure. Les déchets sont portés à 700°. La combustion est très bonne. Il s'agit de la technologie la plus simple techniquement, adaptée à des installations de petites capacités (2 à 10 tonnes/heure), et à une large gamme de déchets (après broyage), avec une plage de PCI comprise entre 1500 kcal/kg et 6000 kcal/kg.

Cette technologie est notamment développée par la société TMC (four dit " L4F "). Elle a été choisie par les SITCOM de Mantes-la-Jolie et Doulens.

Le four à " lit fluidisé rotatif ". Le principe est le même que dans le cas précédent, avec deux modifications. D'une part, à la différence du procédé classique où l'air suit un mouvement ascendant, le lit fluidisé rotatif opère avec des injections d'air latérales réparties sur la hauteur du four. L'écart de densité du lit entre la zone centrale et les zones extérieures crée des mouvement rotatifs. D'autre part, la géométrie du four présente une sorte de goulot d'étranglement en son milieu qui accélère la circulation du lit. Ces deux modifications permettent d'avoir un meilleur brassage et, par conséquent, une meilleure combustion. La température de combustion est d'ailleurs un peu plus faible que dans le four classique de l'ordre de 650 à 700°. Cette technique est spécialement adaptée aux déchets. Tous les types de déchets peuvent être traités (ordures ménagères, déchets industriels banals, boues, pneumatiques...). Le déferraillage et le broyage sont moins exigeants (la préparation est ramenée à une granulométrie de 300 mm). En revanche, les performances concernant les gaz polluants sont moins bonnes, et l'économie sur le prétraitement des déchets est compensée par une dépense plus importante sur le traitement des gaz.

Cette technique est notamment développée par la société ABT. Elle a été mise en oeuvre au Japon et dans plusieurs pays d'Europe, et a été choisie par les SITCOM de Gien et de Mulhouse.

Le four à " lit fluidisé circulant ". Ce troisième procédé, dit aussi " lit ascendant " présente deux caractéristiques. D'une part, l'injection d'air à la base du four se fait à une vitesse supérieure, de façon à ce que les particules soient en suspension sur l'ensemble de la hauteur du four. D'autre part, les particules de sable (auxquelles est ajoutée une injection de calcaire -carbonate de calcium- afin de traiter en même temps le SO ₂ et le HCl) qui sont évacuées avec les gaz de combustion en partie haute du four, sont récupérées dans un cyclone, puis réinjectées dans le foyer de combustion jusqu'à ce que tous les déchets soient brûlés. Cette technologie nécessite un déferraillage et un broyage fin (50 à 100 mm), ainsi qu'une extraction du verre (pour limiter l'érosion) et une température élevée (850°). Elle est adaptée aux installations d'assez forte capacité (10 à 15 tonnes/heure). Le rendement est cependant élevé avec une bonne production d'électricité, et il y a peu de mâchefers (10 %) et d'imbrûlés (3 %).

Cette technologie est notamment développée par la société CNIM (procédé dit " Pyroflow "). Les réalisations sont surtout à l'étranger, notamment à Londres (trois usines pour une capacité de 480.000 tonnes/an).

b) Appréciation

Les avantages

Par rapport à la technique traditionnelle des fours à grille, les fours à lits fluidisés présentent un certain nombre d'avantages.

Les coûts d'entretien et de maintenance sont réduits (il n'y a pas de démontage et d'entretien des grilles, les températures sont plus faibles).

Les gammes de produits traités sont plus larges . La combustion est définie par la règle des " trois T " : température, turbulence, temps de réponse. Le lit fluidisé a sur chacun un avantage. La turbulence est au fondement même du procédé, la température et le temps de réponse sont inférieurs.

Le lit fluidisé accepte aussi une humidité plus élevée , ce qui est intéressant pour le traitement des boues. Il est également intéressant pour les déchets spéciaux, les déchets industriels banals et les déchets hospitaliers. Il prend en charge des déchets dans une fourchette plus large de PCI de 1500 à 3500 kcal/kg, contre un maximum de 2500 à 2800 kcal/kg pour un four à grille.

Le rendement énergétique est meilleur . Grâce au mélange de sable et d'air pulsé, les températures sont homogènes, la combustion est meilleure, malgré des températures inférieures à celles requises par l'incinération en four à grille (de l'ordre de 650 à 800° selon les techniques contre 1100 à 1200° en four à grille), les taux d'imbrûlés sont réduits, la récupération d'énergie est supérieure (de l'ordre de 85 à 90 % au lieu de 70 % environ), la qualité des gaz de combustion est améliorée (avec une diminution de production d'oxydes d'azote de moitié -environ 200 mg/Nm ³ comparés aux 300 à 400 mg/Nm ³ observés en four à grille).

Les sous-produits sont différents, avec une diminution sensible des mâchefers. Alors que 90 % des résidus d'une incinération à grille sont constitués de mâchefers, cette proportion tombe à 40 % dans le cas de fours à lit fluidisé. Le mâchefer est, en outre, de meilleure qualité. Tandis que le mâchefer issu du four à grille subit un traitement de plusieurs semaines (tri et maturation), avant d'être éventuellement valorisé en sous-couches de revêtement routier, les mâchefers issus des lits fluidisés ne demandent pas de maturation.

Interrogations et limites

On observera, tout d'abord, que le " retour d'expérience " est encore limité, et que si les projets et les débuts de réalisation sont nombreux, les unités en fonctionnement sont encore rares.  Seul le suivi de ces opérations permettra de tirer les enseignements nécessaires sur la tenue industrielle de ces équipements . Aujourd'hui, la seule certitude concerne le coût d'investissements, supérieur de 10 à 20 % à un four à grilles.

Le problème principal concerne les sous-produits obtenus. Dans une incinération en four à grille, 90 % à 95 % des résidus sont des mâchefers (soit 220 à 230 kg/tonne) et 5 à 10 % des REFIOM (20 à 30 kg/tonne). Dans une incinération à lit fluidisé, le taux d'envol est très supérieur, et la répartition entre mâchefers et cendres volantes est de 40 / 60 %. Ainsi, les sous-produits d'incinération en lit fluidisé ont des caractéristiques très différentes de celles de l'incinération classique.

Pour encourager le développement des fours à lits fluidisés pour l'incinération des déchets ménagers, le ministère de l'Environnement avait établi à titre provisoire des règles de classification dérogatoires facilitant les utilisations des résidus d'incinération de déchets ménagers en four à lit fluidisé ^{49( * )} . Ces règles distinguaient d'une part les cendres sous foyer et les résidus de l'épuration des gaz, considérés comme des mâchefers et des REFIOM identiques à ceux de l'incinération sous grille et devant donc être traitées et utilisées dans les mêmes conditions (stabilisation avant enfouissement en centre de stockage ou valorisation), et d'autre part  les résidus intermédiaires pour lesquels un régime particulier avait été adopté.

Ces résidus sont les cendres sous chaudière et les cendres de pré-dépoussiérage, filtrés en sortie haute du four (les cendres sont très importantes dans la technique du four à lit circulant). Contrairement au régime normal des fours à grille, il était convenu que ces résidus ne soient pas mis automatiquement en décharge de classe I, mais puissent être considérés comme des produits spécifiques qui obéissent à des contrôles spécifiques : analyse des teneurs en métaux lourds, test de lixiviation. Ce n'est qu'au vu des résultats que ces résidus étaient dirigés sur trois voies : classe I, classe II, ou valorisation.

Aussi, tandis que les cendres volantes produites par les fours à grille ou les fours de thermolyse- devaient aller en classe I, la destination des cendres volantes produites par les lits fluidisés était ouverte,.

Cette initiative, heureuse pour les lits fluidisés, pénalisait les autres procédés et a été attaquée puis annulée fin 1998. Les fumées et résidus de fours à lits fluidisés obéissent désormais aux mêmes règles que les autres. Il s'agit certainement d'un coup dur pour cette technique, mais cette expérience pourrit être mise à profit pour l'avenir. Si un régime dérogatoire n'est en effet pas justifié et pas défendable, comme l'observe M. Jean-Claude Oppeneau, conseiller à l'ADEME, " il serait souhaitable d'éviter de qualifier de " déchets " tout ce qui reste à l'issue d'un procédé de traitement ; il faut chercher davantage à les classer en fonction de leur toxicité, de leur potentiel de lixiviation et de l'utilisation qu'on pourra en faire " .