Brevet FR2821084A1 — publié le 20020823

La présente invention concerne un procédé de production d'énergie à un coût avantageux, à partir de substances considérées comme des déchets industriels. La production d'énergie, notamment d'énergie électrique, est sans cesse croissante et elle est réalisée principalement à partir de combustible nucléaire ou à partir de combustible d'origine fossile. Compte tenu de l'épuisement de ces ressources et des déchets qu'elles génèrent, d'autres filières de production d'énergie se développent, notamment éolienne et solaire. Cependant, l'énergie produite avec ces procédés est coûteuse et pose de nombreux problèmes esthétiques. Parallèlement à ces nouvelles voies de production d'énergie, des efforts considérables d'économie des ressources des filières précités ont été réalisés. Ces économies consistent essentiellement à optimiser, à la fois le rendement de la production de l'énergie et le rendement à la consommation. Ainsi, le rendement des centrales thermiques a été amélioré et par exemple, les habitations ont été mieux isolées de façon à limiter le transfert thermique entre l'intérieur et l'extérieur pour diminuer la consommation d'énergie électrique destinée au chauffage. D'autres voies, conduisant à économiser les ressources, ont été empruntées et notamment l'utilisation comme combustible de matériaux originellement considérés comme des déchets industriels. En effet, de nombreux déchets industriels contiennent des matériaux organiques et présentent donc un potentiel énergétique. Cependant, ces matériaux organiques sont généralement associés à des composés nocifs que la combustion, par exemple dans une centrale thermique, ne permet pas de détruire et que l'on ne peut rejeter dans l'atmosphère. Les mélanges de déchets contenant des hydrocarbures, dont le retraitement est coûteux, constituent des déchets industriels particulièrement intéressants pour leur potentiel énergétique, mais ils contiennent de nombreux métaux et additifs qui ne peuvent être évacués dans l'atmosphère ou dans le sol. Un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention, est alors de produire de l'énergie à partir d'un mélange de déchets contenant des hydrocarbures qui non seulement évite la pollution de l'atmosphère ou du sol par les composés nocifs qu'il contient, mais aussi, qui soit produite à un coût avantageux. A cet effet, la présente invention propose un procédé de production d'énergie comprenant les étapes suivantes : on fournit un mélange de déchets contenant des hydrocarbures ; on traite ledit mélange de déchets pour au moins retirer au moins une partie des métaux qu'il contient de façon à obtenir un produit utilisable ; et, on alimente un moteur thermique avec ledit produit utilisable de façon à produire de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique utilisables, par quoi une partie substantielle de l'énergie que ledit mélange de déchets est susceptible de fournir est récupérée. Ainsi, une caractéristique du procédé de production d'énergie conforme à l'invention réside dans le traitement du mélange de déchets contenant des hydrocarbures pour éliminer au moins une partie des métaux de façon à pouvoir utiliser ledit mélange comme combustible dans un moteur thermique. De la sorte, le mélange, débarrassé de ces métaux, ne risque plus d'endommager le moteur lors de la combustion. En outre, on récupère à la fois l'énergie thermique et l'énergie mécanique produite par le moteur de manière à optimiser le bilan énergétique global du procédé et à fournir de l'énergie à un coût avantageux. Selon un mode particulièrement avantageux de mise en oeuvre de l'invention, ledit mélange de déchets contenant des hydrocarbures est constitué d'huile lubrifiante usée. Ces huiles usées constituent une ressource bon marché en hydrocarbures, mais elles contiennent, notamment des métaux qui constituent un obstacle à leur utilisation comme combustible dans un moteur. En revanche, après avoir été traitées selon le procédé conforme à l'invention, elles constituent une source de combustible économiquement intéressante. De façon particulièrement avantageuse, le traitement dudit mélange de déchets comprend le retrait de l'eau et le retrait du chlore. Ainsi, les mélanges de déchets qui contiennent généralement des proportions importantes d'eau, en sont débarrassés afin de ne pas perturber le procédé général de traitement ; l'eau n'étant pas énergétiquement intéressante. En outre, le chlore est également éliminé, car il constitue, à certaines doses un agent corrosif important de l'installation de traitement. Préférentiellement, le traitement dudit mélange de déchets comprend le retrait des composés de haut poids moléculaire. De la sorte, ces composés, qui sont généralement des additifs pour les huiles lubrifiantes, sont éliminés de façon à ne pas gêner la combustion du mélange ainsi traité. Selon un premier mode particulier de réalisation, le traitement dudit mélange de déchets comprend les étapes suivantes : on traite ledit mélange de déchets avec un réactif basique et on retire l'eau qu'il contient de façon à obtenir un produit traité ; et, on distille ledit produit traité pour en retirer au moins lesdits composés de haut poids moléculaire et lesdits métaux et recueillir un produit de transformation formant ledit produit utilisable. Ainsi, la première étape du procédé de traitement permet d'isoler le chlore du mélange de déchets par réaction du réactif basique sur lui, et d'éliminer l'eau. Comme on l'expliquera plus en détails dans la suite de la description, le réactif basique permet également d'éliminer d'autres composés. La deuxième étape du procédé consiste essentiellement en une distillation, qui permet de séparer les composés présentant un point d'ébullition plus faible des composés présentant un point d'ébullition plus élevé. De la sorte, on récupère, en tête du dispositif de distillation, un produit de transformation qui est susceptible de constituer un combustible pour ledit moteur thermique, et en queue du dispositif de distillation, les composés de haut poids moléculaire et les métaux que l'on peut éventuellement recycler dans une autre filière. Selon un deuxième mode particulier de réalisation, le traitement dudit mélange de déchets comprend les étapes suivantes : on élève la température dudit mélange de déchets de façon à en retirer l'eau qu'il contient, par quoi on obtient un mélange de déchets déshydraté ; et, on chauffe ledit mélange de déchets déshydraté à une température supérieure à 400 C de façon à le cokéfier pour obtenir un premier produit de transformation susceptible de former ledit produit utilisable. La première étape de ce deuxième mode particulier de réalisation consiste essentiellement à retirer dudit mélange de déchets l'eau qu'il contient ; la deuxième étape consistant en un craquage des constituants du mélange de déchets de façon à obtenir des particules solides en suspension dans un mélange liquide de composés craqués pour isoler les métaux qui sont concentrés dans ces particules solides. Ainsi, le mélange liquide de composés craqués assimilé audit premier produit, est susceptible d'être utilisé pour alimenter le moteur thermique conforme à l'invention. De façon préférentielle, le traitement dudit mélange de déchets comprend en outre une étape de distillation dudit premier produit de transformation pour obtenir un deuxième produit de transformation formant ledit produit utilisable. De la sorte, lorsque le mélange de déchets est tel, que le mélange liquide de composés craqués, ou premier produit de transformation, n'est pas utilisable directement comme combustible, soit parce qu'il contient encore des métaux ou soit parce qu'il comporte des composés de haut poids moléculaire, on le distille pour obtenir un deuxième produit de transformation susceptible d'alimenter le moteur thermique conforme à l'invention. Selon une caractéristique avantageuse, ledit produit utilisable présente une viscosité comprise entre 4 et 40 mm2/s à 50 C. Ainsi, il est transportable au moyen de pompes et de canalisations. De plus, il présente les caractéristiques nécessaires à sa combustion dans le moteur thermique conforme à l'invention. Selon une autre caractéristique avantageuse, ledit produit utilisable présente une densité comprise entre 0.80 et 0.95. Selon un premier mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, on alimente un moteur à combustion interne avec ledit produit utilisable de façon à fournir de l'énergie mécanique susceptible d'entraîner un alternateur et de fournir de l'énergie thermique échangée avec ledit moteur. Ainsi, le moteur à combustion interne qui peut être un moteur à piston, produit de l'énergie mécanique qui entraîne un alternateur produisant du courant électrique, ledit moteur produisant également de l'énergie thermique que l'on récupère. Bien entendu, l'énergie thermique est susceptible d'être récupérée, non seulement par échange de chaleur avec le corps du moteur, mais aussi par échange de chaleur avec les gaz chauds issus de la combustion. Selon un deuxième mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, on alimente une turbomachine avec ledit produit utilisable de façon à fournir de l'énergie mécanique susceptible d'entraîner un alternateur et de fournir de l'énergie thermique échangée avec ladite turbomachine. De la sorte, on produit également, à la fois du courant électrique et de l'énergie thermique provenant, dans ce cas, essentiellement des gaz chauds de combustion. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif. Le procédé conforme à l'invention comprend essentiellement, une étape de traitement d'un mélange de déchets contenant des hydrocarbures et une étape de combustion dudit mélange de déchets ainsi traités dans un moteur thermique produisant de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique pour produire du courant électrique. Le mélange de déchets est susceptible de contenir différents types d'hydrocarbures, provenant d'origines différentes ou non. Ainsi, les huiles lubrifiantes usées constituent une matière première privilégiée, car elles sont disponibles en quantités importantes, leurs coûts de collecte et d'acheminement sur le lieu de production de l'énergie est avantageux et elles présentent un fort potentiel énergétique puisqu'elles sont essentiellement constituées d'hydrocarbures. En revanche, ces huiles lubrifiantes usées, essentiellement constituées d'huile de vidange moteur, contiennent des métaux provenant en majorité de l'usure des pièces du moteur, des additifs que l'huile contient, des halogènes et du soufre. Les additifs sont destinés à modifier les propriétés mécaniques de l'huile, notamment à chaud, et sont constitués de composés à haut poids moléculaire. Bien évidemment, les métaux, notamment le plomb, le zinc ou l'aluminium que l'huile usée peut contenir dans des concentrations, pour certains, de l'ordre du millier de ppm, sont susceptibles d'endommager le moteur thermique de manière très importante s'il s'agit d'un moteur à piston. Les halogènes, en particulier le chlore, présentent des propriétés corrosives qui endommagent fortement les installations que l'huile usée traverse, et de façon plus aiguë encore, à haute température. Les additifs de haut poids moléculaires sont également préjudiciables aux moteurs lorsqu'ils sont dans la chambre de combustion et le soufre génère des problèmes de pollutions atmosphériques. En conséquence, ces éléments, indésirables pour le bon fonctionnement des moteurs, lorsqu'ils sont introduits dans leur chambre de combustion, doivent être retirés et c'est le but du traitement que l'on décrira plus en détails dans la suite de la description. D'autres mélanges de déchets contenant des hydrocarbures sont envisageables et en particulier les résidus provenant du lavage et du déballastage des citernes des navires pétroliers. Ces résidus, seuls ou en mélange avec des huiles lubrifiantes usées sont susceptibles d'être utilisées dans le procédé de production d'énergie conforme à l'invention. La présente invention n'est nullement limitée à l'utilisation des mélanges de déchets contenant des hydrocarbures tels que précités et d'autres mélanges pourraient être envisagés, notamment, les huiles moteurs de boîte de vitesse, les hydrocarbures de fond de cale ou le contenu de séparateurs eau/hydrocarbures. La première étape essentielle du procédé de production d'énergie selon l'invention consiste à traiter le mélange de déchets. Selon un premier mode particulier de réalisation, le traitement du mélange de déchets comporte deux étapes essentielles. La première étape consiste à faire réagir une base sur le mélange et à en retirer l'eau ; puis, la seconde étape consiste essentiellement à distiller le mélange. Le réactif basique, préférentiellement de la soude, contribue à saponifier les acides gras et à favoriser leur précipitation, ainsi qu'à neutraliser le chlore. Avantageusement, dans cette première étape, le mélange subit un traitement de prédétente après avoir été chauffé de façon à retirer l'eau qu'il contient. Ensuite, le mélange ainsi déshydraté est dirigé vers le dispositif de distillation. Ledit dispositif est constitué d'une colonne présentant, éventuellement plusieurs plateaux de façon à réaliser une distillation fractionnée. Le mélange qui est introduit dans la colonne, se divise en plusieurs fractions selon le point d'ébullition des fractions respectives. Ainsi, on récupère à la base de la colonne de fractionnement les composés de haut poids moléculaire et les métaux que l'on décharge de façon séquentielle, et on obtient, en tête de colonne, une ou plusieurs fractions d'hydrocarbures aptes à constituer un mélange combustible ou produit utilisable. Bien évidemment, le fractionnement en plusieurs coupes est envisagé lorsque le distillat obtenu ne présente pas toutes les caractéristiques souhaitées, et qu'il y a lieu, de retirer les constituants d'au moins une coupe pour obtenir ledit produit utilisable. On expliquera plus en détails, dans la suite de la description, les caractéristiques dudit produit utilisable conformément au procédé selon l'invention. Selon un second mode particulier de réalisation, le traitement du mélange de déchets comporte également deux étapes essentielles, la première consistant à retirer l'eau qu'il contient, et la seconde qui diffère du premier mode particulier de réalisation en ce qu'on chauffe le mélange déshydraté à une température supérieure à 400 C, par exemple 460 C, pour cokéfier ledit mélange. Selon la première étape, le mélange de déchets est porté à une température supérieure à 100C à la pression atmosphérique, par exemple 150C, pour vaporiser et retirer l'eau contenue dans ledit mélange. Ensuite, le mélange ainsi déshydraté est introduit dans un four pour être cokéfié. A la sortie du four, le mélange de déchets est transformé en un mélange de particules solides en suspension dans un liquide constitué de composés craqués. Les particules solides, qui renferment des métaux, des composés de haut poids moléculaire et du chlore sont alors séparées du liquide aisément, de sorte que l'on obtient un premier produit de transformation susceptible d'être utilisé comme combustible, ou produit utilisable conformément au procédé de l'invention. Cependant, de façon avantageuse, ledit premier produit de transformation est distillé dans une colonne pour retirer éventuellement les métaux et les composés de haut poids moléculaire qui n'auraient pas été éliminés dans l'étape précédente et/ou pour fractionner ledit premier produit de transformation et obtenir un deuxième produit de transformation apte à former ledit produit utilisable. Les deux modes particuliers de réalisation, à partir d'un mélange de déchets contenant des hydrocarbures, de couleur noirâtre, sont susceptibles de conduire à un mélange traité contenant des hydrocarbures présentant sensiblement les mêmes propriétés physiques et chimiques dont la couleur est également sensiblement noirâtre. A titre d'exemple non limitatif, les huiles lubrifiantes usées traitées conformément à l'invention selon l'un ou l'autre des deux modes de réalisation ci-dessus décrit, présente les caractéristiques suivantes : densité : entre 0.80 et 0.95, par exemple 0.85 ; viscosité à 50 C, entre 4 et 40 mm2/s, par exemple 10 mm2/s ; pouvoir calorifique, entre 40 et 47 MJ/Kg, par exemple 46 MJ/Kg ; indice de cétane, entre 40 et 65, par exemple 50 ; point éclair, entre 50 et 70, par exemple 60. Le procédé, conformément à l'invention, consiste à utiliser le mélange traité, ou produit utilisable, comme combustible dans un moteur thermique de façon à produire de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique, ces deux formes d'énergie étant utilisables, de façon à optimiser le rendement énergétique du procédé de production. Selon un premier mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, on alimente un moteur à combustion interne, du type moteur diesel lent. Ce type de moteur, à piston, présente un régime compris entre 750 et 1000 tr/mn. L'arbre du moteur entraîne un alternateur susceptible de fournir un courant électrique alternatif. En outre, une caractéristique du procédé conforme à l'invention réside dans la récupération, à deux niveaux, de l'énergie thermique générée par le moteur. Pour un bon fonctionnement ce dernier doit être refroidi et l'énergie thermique échangée, lors de ce refroidissement, est récupérée par un fluide caloporteur qui circule au contact des parois du moteur. Ce premier niveau de représente, entre 25 et 35% de l'énergie thermique récupérable. La combustion génère des gaz chauds et l'énergie thermique qu'ils présentent est également échangée pour être récupérée et elle représente, entre 75 et 65% de l'énergie thermique récupérable. Selon un second mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, on alimente, avec ledit produit utilisable, une turbomachine fournissant à la fois de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique apte à entraîner un alternateur. La combustion dudit produit utilisable génère des gaz qui entraîne une turbine dont l'arbre est relié à l'alternateur, l'essentielle de l'énergie thermique étant contenue dans les gaz chaud. Un échangeur thermique que traversent ces gaz chauds permet de récupérer cette énergie. On décrira maintenant une installation de mise en oeuvre du procédé, conforme à l'invention susceptible de produire de l'énergie avec 20.000 tonnes d'huiles lubrifiantes usagées par an. Cette dernière comporte des réservoirs de stockage aptes à recevoir les huiles de lubrification usées, une unité de traitement des huiles pour obtenir ledit produit utilisable et une unité de production de l'énergie. Cette dernière comporte deux moteurs thermiques entraînant chacun un alternateur produisant 12 MW d'énergie électrique et générant 12 MW d'énergie sous forme d'un fluide chaud. Ainsi, l'installation produit sensiblement 24 MW d'énergie électrique et sensiblement 24 MW d'énergie thermique. Il va de soi qu'au moins une partie de l'énergie produite pourrait être transformée directement en liquide caloporteur réfrigérant, sans que l'on ne sorte du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'énergie, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - on fournit un mélange de déchets contenant des hydrocarbures ; - on traite ledit mélange de déchets pour au moins retirer au moins une partie des métaux qu'il contient de façon à obtenir un produit utilisable ; et, - on alimente un moteur thermique avec ledit produit utilisable de façon à produire de l'énergie thermique et de l'énergie mécanique utilisables, par quoi une partie substantielle de l'énergie que ledit mélange de déchets est susceptible de fournir est récupérée. 2. Procédé de production d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit mélange de déchets contenant des hydrocarbures est constitué d'huile lubrifiante usée. 3. Procédé de production d'énergie selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le traitement dudit mélange de déchets comprend le retrait de l'eau et le retrait du chlore. 4. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le traitement dudit mélange de déchets comprend le retrait des composés de haut poids moléculaire. 5. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement dudit mélange de déchets comprend les étapes suivantes : - on traite ledit mélange de déchets avec un réactif basique et on retire l'eau qu'il contient de façon à obtenir un produit traité ; et, - on distille ledit produit traité pour en retirer au moins lesdits composés de haut poids moléculaire et lesdits métaux et recueillir un produit de transformation formant ledit produit utilisable. 6 Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le traitement dudit mélange de déchets comprend les étapes suivantes : - on élève la température dudit mélange de déchets de façon à en retirer l'eau qu'il contient, par quoi on obtient un mélange de déchets déshydraté ; et, - on chauffe ledit mélange de déchets déshydraté à une température supérieure à 400 C de façon à le cokéfier pour obtenir un premier produit de transformation susceptible de former ledit produit utilisable. 7. Procédé de production d'énergie selon la revendication 5, caractérisé en ce que le traitement dudit mélange de déchets comprend en outre une étape de distillation dudit premier produit de transformation pour obtenir un deuxième produit de transformation formant ledit produit utilisable. 8. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit produit utilisable présente une viscosité comprise entre 4 et 40 mm2/s à 50 C. 9. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit produit utilisable présente une densité comprise entre 0.80 et 0.95 10. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'on alimente un moteur à combustion interne avec ledit produit utilisable de façon à fournir de l'énergie mécanique susceptible d'entraîner un alternateur et de fournir de l'énergie thermique échangée avec ledit moteur. 11. Procédé de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on alimente une turbomachine avec ledit produit utilisable de façon à fournir de l'énergie mécanique susceptible d'entraîner un alternateur et de fournir de l'énergie thermique échangée avec ladite turbomachine.