# Présence des matériaux non ferreux dans les mâchefers d'incinération d'ordures ménagères

François Pruvost, Marie-Madeleine Fanget, Robert Guillermet, Serge Terroni

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François Pruvost, Marie-Madeleine Fanget, Robert Guillermet, Serge Terroni. Présence des matériaux non ferreux dans les mâchefers d'incinération d'ordures ménagères. Environnement, Ingénierie & Développement, 2002, N°26 - 2ème Trimestre 2002, pp.3-6. 10.4267/dechets-sciences-techniques.2357. hal-03178408

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Submitted on 23 Mar 2021

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# PRÉSENCE DES MATÉRIAUX NON FERREUX DANS LES MÂCHEFERS D'INCINÉRATION D'ORDURES MÉNAGÈRES

GISEMENT, CARACTÉRISATION ET EXPLOITATION

François Pruvost*, Marie-Madeleine Fanget **, Robert Guillermet **, Serge Terroni **,
*France Aluminium Recyclage, **Pechiney Centre de recherches de Voreppe

L'exploitation des matériaux métalliques non ferreux et surtout de l'aluminium à partir des matériaux d'incinération des ordures ménagères est une opération indispensable dans la chaîne de valorisation des mâchefers d'incinération ordures ménagères (MIOM). Si elle est optimisée, elle peut participer de manière positive au bilan de l'exploitation de Miom par un gain de trésorerie, une économie des matières premières, de l'énergie nécessaire à la fabrication de l'aluminium primaire et à l'amélioration de la qualité géotechnique des matériaux valorisés en travaux publics. Le présent article a pour but de faire le point sur le principe d'extraction, le gisement actuel, et les moyens mis à disposition.

The extraction of aluminium nodules from incinerator bottom ash is a profitable operation and provides "demetallized" bottom ash fit for various uses, such as road ballast. The aluminium particles, generally from 5 to 60 microns in size, are ejected by an eddy current machine (ECM), of which 44 units had been installed in France by the end of 2001, producing altogether 12,400 tonnes of nodules. The French "aluminium-scrap mine" has a potential of 30,000 t/year ; with an extraction yield of 70 %, this should lead to a production of over 20,000 t/year in the medium term. The non-ferrous content of bottom ashes ranges from 0.5 to 1.5 % with a 1 % average. For a proper optimization of aluminium-nodules extraction on a specific platform, experts from France Aluminium Recyclage provide technical assistance through : (1) analysis of the grain size distribution of the nodules ; (2) estimates of the aluminium content of each fraction ; (3) guidelines for the configuration of the ECM to be installed, depending on the objective (maximum aluminium extraction or production of a specific road-ballast quality). In all cases, the technical solution will be financially self-supporting for the range of contents mentioned, thanks to the value of aluminium scrap.

## INTRODUCTION

Les effets du gonflement pour les Miom sont surtout à mettre sur le compte de l'aluminium non combiné avec les silicates [Al°, Al(OH)₃] et les diverses espèces aqueuses présentes dans les lixiviats basiques avec, à terme, la formation d'ettringite [Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂.26H₂O]. Les gonflements ont pour conséquence une mise sous contrainte des ouvrages pouvant se traduire par des déformations et des ruptures, pour les chaussées notamment et les radiers [1]. Le gonflement entraîne également un effritement du matériau dont les conséquences peuvent être nombreuses : formation de particules fines et perte de perméabilité, tassements différents, augmentation du gonflement en présence d'eau. Ainsi une extraction optimisée des métaux non ferreux, dont l'aluminium, offrirait pour ce résidu de procédé thermique une garantie quand à son utilisation comme matériau.

## LES MÉTAUX NON FERREUX (NF) DANS LES MÂCHEFERS SUR LE TERRITOIRE FRANÇAIS

### Procédé d'extraction dans les mâchefers : la machine à courants de Foucault (MCF)

Les matériaux non ferreux (NF) se présentent sous la forme de nodules de taille généralement comprise entre 5 et 60 mm. Ils sont composés principalement d'aluminium, et de métaux denses (cuivre, laiton). Leur extraction est basée sur le principe d'éjection par courant de Foucault dont le fonctionnement est le suivant (figure 1) :

- une roue polaire, constituée par un cylindre garni d'aimants alternés pôle sud et pôle nord, génère lors de sa rotation un champ électromagnétique alternatif ;

- tout objet en aluminium porté par un tapis au dessus de la roue et traversant le champ magnétique, développe des courants « vagabonds » dits de Foucault qui créent un champ opposé ;

- la roue étant fixée et l'objet en aluminium ne l'étant pas, la répulsion des champs éjecte l'objet mobile au-delà du volet de séparation ;

- les objets non métalliques ne développent pas de courants vagabonds et tombent grâce à leur masse avant le volet ;
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1 : Principe d'éjection des NF par cou- rants de Foucault</figcaption></figure>

– les objets en acier, quant à eux, doivent être supprimés par un double déferraillage, sinon, ils restent collés sur le tapis au niveau de la roue polaire. Leur présence en grand nombre peut provoquer un échauffement de la roue polaire et faire fondre son enveloppe de protection (composite). Les NF extraits sont ensuite purifiés des inertes pouvant être entraînés lors de l'éjection. L'aluminium sera séparé des métaux denses tel que le cuivre et l'étain par tri densimé- trique. Il sera ensuite refondu et permettra la production d'al- liages de deuxième fusion. Le mâchefer valorisé, constitué par les inertes ôtés de l'aluminium, sera ensuite utilisé en grave routière. Ses qualités géotechniques seront améliorées par la suppression de l'aluminium, considéré comme indé- sirable dans ce cas.

### Gisement exploitable

En France, la quantité de mâchefers dont les nodules d'alu- minium peuvent être extraits dans des conditions écono- miques acceptables est actuellement proche de 3 Mt/an en France. Ce qui correspond à la production d'ordures ména- gères, traitées par incinération, de 30 millions d'habitants.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2 : Progression du nombre de sites fran- çais équipés en MCF sur les 7 dernières années</figcaption></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Projection des gains de production en prenant en compte les mises en exploitation des nouvelles MCF et la mise à niveau des anciennes.</figcaption></figure>

Le gisement théorique en NF de 30 000 tonnes, calculé à par- tir de la teneur moyenne sur le territoire français de 1 %, implique avec un taux d'extraction moyen de 70 %, un gise- ment exploitable voisin de 20 000 tonnes. La teneur en NF varie selon les sites de 0,5 % à 1,5 %, avec une moyenne vers 1 % composée de 0,6 % d'aluminium, 0,25 % de cuivreux et de 0,15 % de fraction non métallique associée.

### Gisement exploité

Actuellement, la progression régulière des sites optant pour un équipement d'extraction des NF est en constante pro- gression, comme l'indique la figure 2.
La quantité réelle de NF contenue dans le mâchefer sur les sites équipés étant de l'ordre de 16 000 tonnes par an, pour un taux d'extraction moyen de l'ordre de 70 %, on peut esti- mer, que la quantité extraite sur le territoire français en 2001 était d'environ 12 000 tonnes. L'installation de nouvelles MCF sur l'année en cours permet d'espérer un gain de 5 000 tonnes pour 2002. Il en est de même pour la mise à niveau de l'extraction en termes de réglage, qui permettrait à terme un accroissement de 5 000 tonnes supplémentaires. Ainsi, on peut prévoir une exploitation des NF en forte progres- sion et présentant une grande marge de manœuvre (figure 3). Actuellement, cette extraction est principalement assurée par des plates-formes de maturation et de production de grave routière (80 %) et en sortie d'incinérateurs pour une plus faible portion (20 %).

## MÉTHODOLOGIE DE CARACTÉRISATION DES NON FERREUX

Les NF sont caractérisés sur le terrain par France Aluminium Recyclage et complétés par une analyse chimique effectuée par le laboratoire d'analyse chimique de Pechiney - Centre de recherches de Voreppe.

### Répartition granulométrique

Un échantillonnage rigoureux du mâchefer d'incinération
<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : Exemple de répartition granulométrique du mâchefer d'incinération d'ordures ménagères</figcaption></figure>

d'ordures ménagères est réalisé sur place par quartage en tas et prélèvement par pelleteuse pour les grosses quantités (100 t) et/ou par pelletage alterné, pour les plus faibles quantités (100 kg). Le lot final est ensuite tamisé en 6 fractions granulométriques : < 5 mm, 5 à 10 mm, 10 à 15 mm, 15 à 20 mm, 20 à 25 mm, > 25 mm.

Dans chaque fraction la quantité de NF est comptabilisée. Les NF sont représentés par l'aluminium, les cuivreux, le plomb, etc... A l'issue de cette démarche, des graphes de répartition

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : Exemple de distribution des NF dans les tranches granulométriques des Miom</figcaption></figure>

granulométrique du mâchefer (figure 4) et de répartition des NF (NF) par tranche granulométrique sont obtenus (figure 5). La distribution granulométrique des mâchefer d'incinération d'ordures ménagères et la teneur en matériaux NF des fractions dépendent de plusieurs facteurs : (1) le type de fours utilisés, (2) la température de combustion, (3) le temps de séjour dans les fours ainsi que leur saturation, (4) le type de déchets incinérés.

## Fractions pouvant être valorisées et teneur en métaux NF

Les NF sont actuellement valorisés à partir de la fraction supérieure à 5 mm. Bien que fine, la tranche 5 à 10 mm est valorisable et présente le même intérêt économique que les tranches granulométriques supérieures. De plus son exploitation est sans obstacle technique.

La teneur métallique (tous métaux confondus), présente dans

<table><caption>Tableau 1 : Estimation de la teneur métallique par fraction de taille d'échantillon</caption><thead><tr><td>Granulométrie de l'échantillon</td><td>Métal (%)</td></tr></thead><tbody><tr><td>5 - 10 mm</td><td>82</td></tr><tr><td>10 - 15 mm</td><td>75</td></tr><tr><td>15 - 20 mm</td><td>83</td></tr><tr><td>20 - 25 mm</td><td>86</td></tr><tr><td>> 25 mm</td><td>90</td></tr></tbody></table>

chaque fraction granulométrique, est estimée à partir d'analyses chimiques. Les résultats sont présentés dans le tableau 1.

Au travers de ces données, on constate que la teneur en métal valorisable n'est pas directement liée à la taille des nodules de métaux NF et que le pourcentage en métaux NF dans la granulométrie de 5 à 10 mm est comparable à celle des granulométries supérieures. De ce fait, elle mérite tout autant d'être valorisée.

## OBJECTIFS ET CONTRAINTES DE L'EXPLOITATION DES NON FERREUX

La démarche de la valorisation des NF est complémentaire dans les deux cas (valorisation en grave routière ou valorisation des NF) et participe à l'économie des matières premières et de l'énergie nécessaire à la fabrication de l'aluminium primaire. De plus l'extraction de l'aluminium améliore la qualité géotechnique du mâchefer lors d'une utilisation en travaux publics.

### Valorisation des non ferreux

L'extraction des NF est valorisée par une vente ultérieure à la filière dans le respect des prescriptions techniques minimales des contrats Eco-Emballages, des normes environnementales et avec un prix minimum garanti. Elle se fera en essayant de limiter au maximum la pollution par les inertes (verre, cailloux). A cet effet, la MCF sera réglée (rôle du volet séparateur) pour éliminer toutes les particules mixtes, ce qui peut amener à perdre, volontairement, une fraction des métaux NF présents.

### Valorisation routière

L'aluminium doit être extrait au maximum pour répondre aux spécifications de grave routière et remédier aux inconvénients induits par la présence d'aluminium. Il y aura donc une certaine pollution par les inertes : on extraira alors le maximum de métaux NF, avec un entraînement d'inertes. La fraction métallique étant toutefois valorisable mais d'une qualité et d'un prix plus faibles (le but de cette opération est la valorisation du mâchefer et non des métaux NF). Ceci sera obtenu grâce à un réglage de la MCF permettant d'ôter la quasi totalité des métaux NF avec toutefois l'extraction simultanée des inertes dont la trajectoire recouvre celle des NF. Il est, de fait, impossible de séparer la trajectoire des inertes et des métaux NF en dessous d'une certaine tranche granulométrique. Le prix de reprise sera moindre.

Dans ce contexte, optimiser l'extraction nécessitera, en fonction des résultats obtenus lors de la caractérisation du mâchefer à valoriser (taux d'inertes, taux d'imbrûlés, indice de colmatage), l'établissement d'un cahier technique des éléments nécessaires à une bonne extraction. Avec l'accroissement de l'expérience, celle-ci
pourrait être présentée sous la
forme d'un livret de recom-
mandations à l'usage de la pro-
fession comme cela existe pour
les Miom en utilisation routière.
Il pourrait en être de même lors
de l'installation d'une machine à
courants de Foucault, mais ces
spécifications font souvent par-
tie du savoir-faire de l'entrepri-
se et dépendent du bon vouloir
des industriels qui promulguent
ces technologies.

CONCLUSION

Dans les conditions françaises,
où une part prépondérante des
emballages aluminium se retrou-
ve dans les ordures ménagères,
l'extraction de l'aluminium et des
NF des mâchefers d'incinération
est a priori une opération éco-
nomiquement rentable qui doit
être envisagée dans toute plani-
fication de centre de valorisa-
tion de Miom. Les petits inciné-
rateurs peuvent regrouper leur
mâchefer sur une plate-forme
commune de traitement afin de
profiter des économies d'échel-
le. Dans tous les cas, l'aluminium
extrait à partir de la fraction gra-
nulométrique de 5 mm connaî-
tra une valorisation sous forme
d'alliages de moulage qui per-
mettront de fabriquer de nom-
breuses pièces destinées notam-
ment à la construction automo-
bile (blocs moteurs, carters, etc).

* **François Pruvost,**
France Aluminium Recyclage C/O
Pechiney - 7 place du Chancelier
Adenauer, 75218 Paris Cedex

**Marie-Madeleine Fanget,
Robert Guillermet et Serge
Terroni,
Pechiney Centre de recherches de
Voreppe - BP 27, 38341 Voreppe
Cedex

Bibliographie

[1] Goacolou H., Seigneurie C., Jozon C., Pascual C., Drouaine I., Troesch O (1995) - SCORCIM pour la valorisation des mâchefers en travaux routiers, Revue Générale des Routes et Aérodromes, 729, p. 39-42.

RECYCLAGE DE MÂCHEFERS
PAR FUSION RÉDUCTRICE

Luc George, Jean Sünnen
Sünnen Technologies

Le recyclage de mâchefers par fusion réductrice sous laitier électroconducteur permet, dans une optique de zéro déchets, avec une dépense d'énergie de 300 kWh/t et pour un coût de 68 €/t de récupérer environ 800 kg de laitier propre, 80 kg de fonte et 20 à 30 kg de résidus d'épuration de fumées (REF) : résidus d'épuration de fumées. Le laitier liquide peut être transformé en matériaux de base d'applications en génie civil : fibres de renforcement ou matériaux poreux tandis que la fonte est recyclable en fonderie. Les différents sels contenus dans les REF peuvent être récupérés comme sels purs par un procédé de séparation chimique traditionnel.

Recycling of bottom ashes by mel-
ting under reducing conditions by
the electroslag process allows us,
in a zero waste policy, with an
energy expense of 300 kWh/t on
hot ashes and for a total cost of 68
€/t to recuperate around 800 kg of
a clean slag, 80 kg of iron and 20 to
30 kg of fly ash. The liquid slag can
easily be transformed in raw mate-
rials for the building industry: rein-
forcement filaments or porous
materials for light weight concre-
te. The iron can be recycled in
foundries. The different heavy
metal compounds of the fly ashes
can be separated by conventional
processes and recycled as pure
metallic salts in the non ferrous
industry.

INTRODUCTION

Divers procédés ont été proposés pour
obtenir par fusion de mâchefers ou de
refiom un vitrifiat présentant un bon com-
portement à la lixiviation. Les procédés

de fusion par plasma ou arc électrique pré-
sentent, par suite des températures très
élevées mises en œuvre, l'inconvénient
d'une consommation d'énergie électrique
très élevée, induisant un dégagement
important de fumées, donc de résidus
d'épuration de fumées (REF), la production
de NOx et une faible durée de vie des
réfractaires soumis au rayonnement de
l'arc ou du plasma. Il semblerait par ailleurs
que certaines municipalités japonaises uti-
lisent des fours à arc triphasés traditionnels.
On dispose de très peu de renseignements
sur ces installations mais à première vue les
mêmes problèmes de réfractaires, de
consommation d'énergie, de volatilisation
et de production de REF et de NOx
devraient se poser.

Un autre procédé [1] a été proposé, il
consiste à mettre les mâchefers en fusion
à environ 1 500 °C en présence d'un excès
d'oxygène. Les résidus ferreux sont ainsi
oxydés, et les métaux lourds, aisément
volatilisés, évaporés. Suite à l'étape de
fusion, le liquide est placé en conditions
réductrices. Pendant cette phase, des
métaux lourds natifs se forment et sédi-
mentent par gravité, laissant en surface
des scories silicatées, ces dernières devant
être valorisées comme additifs au ciment.
Bien que ce procédé semble à priori inté-
ressant du point de vue énergétique et
économique, l'utilisateur reste confronté
au problème majeur de la durée de vie
des réfractaires du four, au volume de
fumées produites ainsi qu'à la teneur en
oxydes de chrome et fer (FeCr₂O₄) des
scories si celles-ci sont destinées à être
valorisées comme additifs au ciment.

Le procédé électroslag de fusion réductri-
ce sous laitier est innovant sur plusieurs
plans :

– la consommation spécifique est d'environ
300 kWh/t de mâchefers chargés chauds ;