Les décharges, méthode traditionnelle d'élimination des déchets, débordent. Ces sites occupent un espace considérable et peuvent polluer l'environnement lors de la décomposition des déchets. En 2009, l'Agence européenne pour l'environnement a publié un rapport préconisant le passage de la mise en décharge à des solutions plus durables [1]. L'une des solutions viables consiste à utiliser un processus de traitement thermique pour brûler les déchets et produire de l'énergie. Si l'incinération permet de réduire les déchets mis en décharge et de produire de l'énergie, il est important de comprendre comment fonctionne le processus d'incinération des déchets et quelles sont les étapes nécessaires pour le faire fonctionner de manière sûre et respectueuse de l'environnement.
Tout d'abord, les déchets solides municipaux arrivent par camion et sont stockés en vue de leur traitement (figure 1).
Ensuite, les déchets sont introduits dans un four à haute température où ils sont brûlés. Le processus de combustion génère des gaz de combustion - un mélange de gaz chauds et de sous-produits - qui doivent être soigneusement nettoyés avant d'être rejetés.
Enfin, la chaleur générée dans le four joue un rôle clé dans la production d'électricité. Cette chaleur captée crée de la vapeur qui actionne une turbine, générant ainsi de l'électricité.
Dans la suite de cet article, les éléments les plus importants de l'analyse des incinérateurs de déchets sont abordés, en mettant l'accent sur la manière dont les analyseurs de processus sont utilisés pour contrôler les émissions telles que l'ammoniac, le sulfate et les métaux lourds.
L'incinération est une stratégie de gestion des déchets qui permet de réduire les déchets solides (c'est-à-dire la mise en décharge) tout en convertissant de l'énergie. Une projection du PNUE indique que la production de déchets solides municipaux passera de 2,3 milliards de tonnes en 2023 à 3,8 milliards de tonnes en 2050 [2]. Il est donc primordial de garantir le fonctionnement efficace et conforme de ces usines d'incinération, ce qui peut être réalisé grâce à une surveillance méticuleuse et à des mesures d'atténuation.
La technologie de l'incinération a évolué, offrant diverses options adaptées à des types de déchets spécifiques. Il existe différents types d'incinérateurs : les incinérateurs simples, les incinérateurs à grille fixe ou mobile, les incinérateurs à four rotatif et les incinérateurs à lit fluidisé [3]. Chaque type présente des avantages uniques en termes de capacité, d'efficacité et de contrôle des émissions.
Dans une usine d'incinération des déchets, le voyage commence par la livraison des déchets par des véhicules de collecte (figure 1). Un mécanisme de préhension (figure 2) soulève les déchets et les dépose dans un four à haute température.
C'est là que se produit la combustion, qui décompose les déchets et libère de l'énergie thermique et des gaz de combustion - essentiellement des gaz d'échappement chauds contenant des sous-produits de la combustion. Il est important de noter que cette chaleur issue du processus de combustion est utilisée pour générer de la vapeur et produire de l'électricité dans la centrale thermique adjacente.
L'incinération génère des gaz de combustion contenant des polluants tels que des gaz acides, des métaux lourds et des particules. L'épurateur (figure 3) agit comme une barrière, capturant ces polluants avant qu'ils n'atteignent l'atmosphère.
Les gaz de combustion ne sont pas rejetés directement dans l'atmosphère. Au lieu de cela, il passe par plusieurs étapes de contrôle des émissions (par exemple, des laveurs et des filtres) afin d'éliminer divers composants indésirables qui ne peuvent pas être rejetés dans l'environnement. Les laveurs utilisent de l'eau ou des solutions chimiques spécifiques pour capturer les polluants, notamment les particules, les métaux lourds et les gaz acides.
Enfin, les cendres résiduelles du four et les eaux usées générées au cours du processus de nettoyage font l'objet d'une analyse rigoureuse avant d'être mises au rebut. Cela permet de s'assurer que ces matériaux sont correctement traités et éliminés dans le respect de l'environnement.
Ces installations ne se contentent pas d'éliminer les déchets, elles utilisent également la chaleur produite pour générer de l'énergie.
Les usines d'incinération des déchets offrent donc un double avantage : une réduction significative du volume des déchets dans les décharges et la production d'énergie.
Les laveurs, essentiellement des unités de contrôle de la pollution de l'air au sein du processus d'incinération des déchets, jouent un rôle important dans le maintien des niveaux d'émissions en piégeant les polluants dans des liquides (Figure 4) ou des matériaux secs spécialisés.
Les laveurs réduisent les émissions de polluants tels que le dioxyde de soufre (SO2), les oxydes d'azote (NOx), les métaux lourds et les particules. Cela permet aux usines d'incinération de déchets de se conformer à des réglementations environnementales strictes.
En neutralisant les gaz acides, les épurateurs empêchent la formation de pluies acides, préservant ainsi la fertilité des sols et les écosystèmes aquatiques dans les zones proches de l'incinérateur.
Les épurateurs contribuent à la santé publique en réduisant les rejets de substances dangereuses susceptibles de provoquer des maladies respiratoires et d'autres complications sanitaires.
Les eaux usées non traitées (ou insuffisamment traitées) provenant des usines d'incinération des déchets menacent l'environnement et la santé publique. Un contrôle précis permet de s'assurer que les différents effluents répondent aux exigences des réglementations en matière de rejets et qu'ils ne sont pas nocifs.
Les analyseurs de process permettent de minimiser les erreurs qui peuvent survenir lors de la collecte d'échantillons et de l'analyse en laboratoire. Ils fournissent une image en temps réel des conditions de l'usine, ce qui permet de procéder à des ajustements proactifs pour optimiser les performances. En outre, les analyseurs de processus en ligne éliminent la nécessité de manipuler manuellement des produits chimiques potentiellement dangereux, ce qui renforce la sécurité des opérateurs et du personnel de l'usine.
Bien qu'ils soient entièrement automatisés, les analyseurs process en ligne offrent une précision de niveau laboratoire, garantissant des données fiables pour la prise de décisions critiques.
Le tableau 1 présente quelques segments du processus d'incinération des déchets où des analyseurs de processus en ligne peuvent être installés à des fins de surveillance. Metrohm Process Analytics propose une gamme complète de solutions pour la surveillance des paramètres critiques dans les installations d'incinération des déchets et les centrales électriques. Ces solutions sont décrites plus en détail dans la suite de l'article.
| Paramètres | Technique d'analyse | |
|---|---|---|
| Gaz de combustion / Furnace | Acides et métaux lourds | VA / XRF |
| Calcium et sulfate | Titration | |
| Sulfate | Titration / Photométrie | |
| Laveur | Métaux lourds | VA / XRF |
| Ammoniac (NH3) dans les cendres de l'épurateur | ISE | |
| Hydroxyde de sodium, carbonate de calcium, sulfate | Titration | |
| Eau de refroidissement | Sodium, ammoniac (NH3) | Titration |
| Inhibiteurs de corrosion du cuivre | IC | |
| Métaux lourds | VA | |
| Turbine | Corrosion accélérée par l'écoulement (CAE) | IC / VA |
| Effluent de la station d'épuration des eaux usées (STEP) | Zinc, cadmium, plomb, mercure | VA |
| Manganèse, fer (Fe2+/Fe3+), chrome (Cr6+), silice (Si4+) | Titration / Photométrie | |
| Ammonium (NH4+) | ISE |
Quand faut-il choisir l'analyse des procédés plutôt que les mesures traditionnelles en laboratoire ? Lisez notre article de blog pour savoir quels sont les facteurs les plus importants à prendre en compte lors de cette décision.
Analyse de laboratoire ou de process : Facteurs clés pour une prise de décision éclairée
L'analyse voltampérométrique est une technique puissante pour quantifier les traces de métaux lourds dans les émissions des incinérateurs. Une méthode d'analyse sensible est nécessaire car les réglementations environnementales relatives aux rejets de ces polluants sont généralement de l'ordre du µg/L (parties par milliard, ppb). En s'appuyant sur les principes électrochimiques, la voltampérométrie offre une sensibilité et une sélectivité élevées, permettant une détection et une quantification précises des polluants.
La voltampérométrie consiste à mesurer le courant électrique produit par un échantillon lorsqu'il est soumis à une tension variable. Cela permet de détecter et de quantifier divers métaux, anions et cations dissous dans une solution.
Dans les centrales électriques et les installations d'incinération, la voltampérométrie s'avère précieuse pour. :
Optimisation de l'épurateur. VA permet de surveiller les métaux lourds tels que le plomb et le cadmium dans l'effluent de l'épurateur, ce qui garantit une performance optimale de l'épurateur et empêche ces contaminants d'atteindre l'environnement.
Note d'Application : Analyse en ligne du cadmium dans les laveurs de gaz humides des usines d'incinération
Analyse de l'eau de refroidissement. Les systèmes d'eau de refroidissement sont sensibles à la corrosion et à la contamination par les métaux lourds. La voltampérométrie facilite la détection de ces polluants, ce qui permet de prendre des mesures préventives et de préserver l'intégrité des infrastructures critiques (échangeurs de chaleur, tours de refroidissement et turbines, par exemple).
Efficacité du traitement des eaux usées. Les effluents des centrales électriques doivent être traités correctement avant d'être rejetés. La voltampérométrie permet de contrôler les métaux lourds tels que le zinc, le cadmium, le mercure et le plomb dans le flux d'eaux usées, garantissant ainsi une élimination efficace et le respect des réglementations environnementales.
Traditionnellement, le titrage repose sur la collecte et l'analyse manuelles d'échantillons en laboratoire, ce qui présente un risque d'erreur humaine. Le titrage en ligne (figure 6) révolutionne ce processus en offrant plusieurs avantages clés mentionnés ci-dessus.
Le titrage joue un rôle essentiel dans diverses applications au sein des centrales électriques et des installations d'incinération des déchets :
Protéger les actifs. La surveillance de la concentration d'ammoniac (NH3) dans l'eau de refroidissement protège les tuyaux, les chaudières et d'autres équipements coûteux contre la corrosion.
Note d'Application : Ammoniac dans l'eau de refroidissement des centrales thermiques
Lutte contre la corrosion. La mesure régulière du "nombre m" (alcalinité) de l'eau de refroidissement permet de prévenir la corrosion dans le système.
Note d'Application : Production d'électricité : analyse du nombre m (alcalinité) dans l'eau de refroidissement
Détection précoce des problèmes. L'analyse ultratrace du fer et du cuivre dans l'eau des centrales électriques permet de détecter rapidement les problèmes de corrosion potentiels.
Note d'Application : Surveillance de la corrosion dans les centrales électriques grâce à l'analyse en ligne des processus - Mesures ultratraces plus rapides du fer (Fe) et du cuivre (Cu)
Santé des chaudières. La surveillance continue des niveaux de silice dans l'eau d'alimentation des chaudières garantit le bon fonctionnement de ces dernières et évite des temps d'arrêt coûteux.
Note d'Application : Analyse en ligne de la silice dans l'eau d'alimentation des chaudières des centrales électriques
Pour en savoir plus sur les principes du titrage, consultez notre article de blog.
L'IC excelle dans la séparation et la quantification des ions dans les échantillons aqueux. Lorsqu'il est utilisé en ligne dans les centrales électriques, l'IC est idéal pour surveiller les niveaux de traces de divers analytes, ce qui aide à.. :
Contrôle de la corrosion. Les systèmes d'eau de refroidissement sont sensibles à la corrosion, ce qui peut avoir un impact négatif sur l'efficacité de l'usine et la sécurité du personnel. Le contrôle en ligne de la concentration des inhibiteurs de corrosion du cuivre dans l'eau de refroidissement par chromatographie ionique (figure 7) permet d'effectuer une maintenance proactive et d'éviter des dommages coûteux aux équipements.
Note d'Application : Contrôle en ligne des inhibiteurs de corrosion du cuivre dans l'eau de refroidissement
Optimisation des centrales électriques. L'analyse des amines, même à l'état de traces, dans le circuit alcalin eau-vapeur des centrales électriques permet d'optimiser les performances du système et de minimiser les problèmes potentiels.
Note d'Application : Analyse en ligne des traces d'amines dans le circuit d'eau alcaline et de vapeur des centrales électriques
[1] Diverting waste from landfill - Effectiveness of waste-management policies in the European Union — European Environment Agency. https://www.eea.europa.eu/publications/diverting-waste-from-landfill-effectiveness-of-waste-management-policies-in-the-european-union (accessed 2024-05-01).
[2] Environment, U. N. Global Waste Management Outlook 2024. UNEP - UN Environment Programme. http://www.unep.org/resources/global-waste-management-outlook-2024 (accessed 2024-04-24).
[3] Incinerator - an overview | ScienceDirect Topics. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/incinerator (accessed 2024-04-23).
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