Dépolymérisation thermique

La dépolymérisation thermique (TDP) est un processus de dépolymérisation utilisant la pyrolyse hydratée pour la réduction de matières organiques complexes (généralement des déchets de différentes sortes, souvent de la biomasse et du plastique) en pétrole brut léger. Il imite les processus géologiques naturels supposés être impliqués dans la production de combustibles fossiles. Sous pression et chaleur, les polymères à longue chaîne d’hydrogène, d’oxygène et de carbone se décomposent en hydrocarbures de pétrole à chaîne courte d’une longueur maximale d’environ 18 atomes de carbone.

Les manières possibles de dégrader un polymère sont les suivantes:

Thermique: temps de séchage long, temps de séjour prolongé dans l’extrudeuse ou le transfert de carburant
Mécanique: broyage, frottement dans le traitement
Photochimie
Rayonnement chimique
Biologique: microorganismes
Chimie: agents hydrolytiques, hydrolyse
La dépolymérisation est une catégorie spéciale de dégradation, est le processus qui convertit le polymère en un monomère, un mélange de monomères ou d’oligomères. La démolymérisation est un processus de décomposition de la chaîne polymère en ses monomères ou oligomères. Il est généralement obtenu avec des agents à haute température (thermiques) ou hydrolytiques (chimiques).

Généralement, la dépolymérisation thermique est classée dans la réaction chimique dans laquelle la chaîne de polymère est convertie en monomères à haute température.

La dépolymérisation se produit lors de la décomposition thermique du polimetilmetactilato (PMMA), du polystyrène (PS) et de certaines résines du méthacrylate. En général, les polymères générés par addition peuvent être dépolymérisés à haute température, tandis que les polymères de condensation tels que le polyamide (PA) et les polyesters (PET, PBT) ne se dépolymérisent pas thermiquement.

La dépolymérisation chimique signifie que les composés chimiques contenant des atomes d’hydrogène actifs réagissent avec les groupes polaires des chaînes principales du polymère de condensation. Habituellement, cette réaction est une hydrolyse acide ou basique (rupture de la liaison hydrogène) des liaisons de l’amide, de l’ester ou de l’uréthane.

Théorie et processus
Les techniques précédentes de clivage de polymères d’hydrocarbures ont nécessité beaucoup d’énergie pour éliminer les excès d’eau. La dépolymérisation thermique, par contre, utilise de l’eau pour améliorer le processus de chauffage. L’eau fournit également de l’hydrogène provenant de ses molécules aux réactions.

La matière première est d’abord broyée et mélangée à de l’eau si elle est trop sèche. Il est ensuite chauffé à 250 ° C et soumis à une pression de 4 MPa pendant environ 15 minutes. Ensuite, la pression chute rapidement, provoquant l’évaporation de la majeure partie de l’eau. Le résultat est un mélange d’hydrocarbures et de solides qui sont séparés. Les hydrocarbures sont à nouveau chauffés à 500 ° C, ce qui provoque le clivage de molécules supplémentaires. Le mélange d’hydrocarbures liquides résultant est distillé de la même manière que l’huile conventionnelle.

La société affirme que l’efficacité énergétique de ce processus est de 560% (85 unités d’énergie produite sur 15 unités d’énergie consommée). Une plus grande efficacité peut être obtenue avec des entrées de séchoir riches en carbone telles que les déchets plastiques.

À titre de comparaison, les méthodes actuelles de production de biodiesel et de bioéthanol à partir de sources agricoles ont un rendement énergétique d’environ 320%.

La dépolymérisation thermique permet de cliver une variété de matériaux, notamment des poisons et des déchets hospitaliers peu dégradables.

D’autre part, de nombreux déchets agricoles susceptibles de servir de matière première sont déjà utilisés comme engrais, carburant ou aliment pour animaux.

Processus similaire
La dépolymérisation thermique est similaire à d’autres procédés qui utilisent de l’eau surchauffée comme étape majeure pour la production de carburants, tels que la liquéfaction hydrothermale directe. Ceux-ci se distinguent des procédés utilisant des matériaux secs pour la dépolymérisation, tels que la pyrolyse. Le terme Conversion thermochimique (TCC) a également été utilisé pour la conversion de la biomasse en huiles, en utilisant de l’eau surchauffée, bien qu’il soit plus couramment appliqué à la production de carburant par pyrolyse. D’autres procédés à l’échelle commerciale incluent le procédé “SlurryCarb” opéré par EnerTech, qui utilise une technologie similaire pour décarboxyler les biodéchets solides humides, qui peuvent ensuite être déshydratés physiquement et utilisés en tant que combustible solide appelé E-Fuel. L’usine de Rialto, en Californie, a été conçue pour traiter 683 tonnes de déchets par jour. Cependant, il n’a pas respecté les normes de conception et a été fermé. La facilité Rialto a manqué à ses obligations et est en voie de liquidation. Le procédé de valorisation hydro-thermique (HTU) utilise de l’eau surchauffée pour produire du pétrole à partir de déchets ménagers. Aux Pays-Bas, une usine de démonstration devrait être mise en service, qui permettrait de transformer 64 tonnes de biomasse (base sèche) par jour en pétrole. La dépolymérisation thermique se distingue par le fait qu’elle contient un processus hydraté suivi d’un processus de craquage / distillation anhydre.

L’histoire
La dépolymérisation thermique est similaire aux processus géologiques qui ont produit les combustibles fossiles utilisés de nos jours, sauf que le processus technologique se produit dans un laps de temps exprimé en heures. Jusqu’à récemment, les processus conçus par l’homme n’étaient pas suffisamment efficaces pour constituer une source de carburant pratique: il fallait plus d’énergie que nécessaire.

Le premier procédé industriel permettant d’obtenir du gaz, du carburant diesel et d’autres produits pétroliers par pyrolyse du charbon, du goudron ou de la biomasse a été conçu et breveté à la fin des années 1920 par Fischer-Tropsch. Dans le brevet US 2 177 557, publié en 1939, Bergstrom et Cederquist traitent d’un procédé d’obtention d’huile à partir de bois dans lequel le bois est chauffé sous pression dans de l’eau avec une quantité importante d’hydroxyde de calcium ajoutée au mélange. Au début des années 1970, Herbert R. Appell et ses collègues travaillaient avec des méthodes de pyrolyse hydratée, comme l’illustre le brevet US 3.733.255 (publié en 1973), qui traite de la production de pétrole à partir de boues d’égout et de déchets municipaux en chauffant le matériau dans de l’eau, sous pression, et en présence de monoxyde de carbone.

Une approche qui a dépassé le seuil de rentabilité a été développée par le microbiologiste de l’Illinois Paul Baskis dans les années 1980 et perfectionnée au cours des 15 prochaines années (voir le brevet US 5 269 947, publié en 1993). La technologie a finalement été développée pour un usage commercial en 1996 par Changing World Technologies (CWT). Brian S. Appel (PDG de CWT) a repris la technologie en 2001 et l’a développée pour la transformer en ce que l’on appelle maintenant le processus de conversion thermique (TCP), et a demandé et obtenu plusieurs brevets (voir, par exemple, le brevet publié 8 003 833 , publié le 23 août 2011). Une usine de démonstration de dépolymérisation thermique a été achevée en 1999 à Philadelphie par Thermal Depolymerization, LLC, et la première usine commerciale à grande échelle a été construite à Carthage, dans le Missouri, à environ 100 mètres de l’immense usine de dinde Butterball de ConAgra Foods, où elle devrait traiter environ 200 tonnes de déchets de dinde en 500 barils (79 m3) de pétrole par jour.

Théorie et processus
Dans la méthode utilisée par CWT, l’eau améliore le processus de chauffage et contribue à l’hydrogène dans les réactions.

Dans le processus CWT (Changing World Technologies), la matière première est d’abord broyée en petits morceaux et mélangée à de l’eau si elle est particulièrement sèche. Il est ensuite introduit dans une chambre de réaction sous pression dans laquelle il est chauffé à un volume constant d’environ 250 ° C. Semblable à un autocuiseur (sauf à une pression beaucoup plus élevée), la vapeur élève naturellement la pression à 4 MPa (600 psi) (près du point d’eau saturée). Ces conditions sont maintenues pendant environ 15 minutes pour chauffer complètement le mélange, après quoi la pression est rapidement relâchée pour évaporer la majeure partie de l’eau (voir: Évaporation instantanée). Le résultat est un mélange d’hydrocarbures bruts et de minéraux solides. Les minéraux sont éliminés et les hydrocarbures sont envoyés dans un réacteur de seconde étape où ils sont chauffés à 500 ° C, décomposant ensuite les chaînes d’hydrocarbures plus longues. Les hydrocarbures sont ensuite triés par distillation fractionnée, selon un processus similaire au raffinage du pétrole classique.

La société CWT affirme que 15 à 20% de l’énergie des matières premières est utilisée pour fournir de l’énergie à la centrale. L’énergie restante est disponible dans le produit converti. Travaillant avec les abats de dinde comme matière première, le procédé s’est avéré avoir un rendement d’environ 85%. en d’autres termes, l’énergie contenue dans les produits finis du processus représente 85% de l’énergie contenue dans les entrées du processus (notamment le contenu énergétique de la matière première, mais également l’électricité pour les pompes et le gaz naturel ou le gaz de chauffage pour le chauffage). ). Si l’on considère que le contenu énergétique de la matière première est libre (c’est-à-dire des déchets provenant d’un autre processus), alors 85 unités d’énergie sont mises à disposition pour 15 unités d’énergie consommées en chaleur et en électricité. Cela signifie que “l’énergie restituée sur l’énergie investie” (EROEI) est égale à (6,67), ce qui est comparable aux autres processus de récupération d’énergie. Des rendements plus élevés peuvent être possibles avec des matières premières plus sèches et plus riches en carbone, telles que les déchets plastiques.

En comparaison, les procédés actuels [précisez] utilisés pour produire de l’éthanol et du biodiesel à partir de sources agricoles ont une valeur d’ERIOE de l’ordre de 4,2, lorsque l’énergie utilisée pour produire les matières premières est prise en compte (dans ce cas, il s’agit généralement de la canne à sucre, du maïs, du soja et comme). Ces valeurs EROEI ne sont pas directement comparables, car ces calculs EROEI incluent le coût énergétique de la fabrication de la matière première, contrairement au calcul EROEI ci-dessus pour le procédé de dépolymérisation thermique (TDP).

Le processus décompose presque tous les matériaux qui y sont introduits. Le TDP élimine même efficacement de nombreux types de matières dangereuses, telles que les poisons et les agents biologiques difficiles à détruire, tels que les prions.

Matière première Huiles Des gaz Solides (principalement à base de carbone) Eau (vapeur)
Bouteilles en plastique 70% 16% 6% 8%
Déchets médicaux 65% dix% 5% 20%
Les pneus 44% dix% 42% 4%
Abats de dinde 39% 6% 5% 50%
Les boues d’épuration 26% 9% 8% 57%
Papier (cellulose) 8% 48% 24% 20%

(Remarque: le papier / cellulose contient au moins 1% de minéraux, qui ont probablement été regroupés dans les solides carbonés.)

Produits végétaux de Carthage
Comme rapporté le 04/02/2006 par Discover Magazine, une usine de Carthage, dans le Missouri, produisait 500 barils par jour (79 m3 / j) d’huile extraite de 270 tonnes d’entrailles de dinde et de 20 tonnes de saindoux. Cela représente un rendement en huile de 22,3%. L’usine de Carthage produit de l’API 40+, un pétrole brut de grande valeur. Il contient des naphtes légers et lourds, un kérosène et une fraction de gazole, essentiellement sans fuel-oil lourd, goudron, asphaltènes ni cires. Il peut être affiné pour produire des fuel-oils n ° 2 et n ° 4.

TDP-40 Classification de l’huile selon la méthode PONA D-5443

Matériau de sortie % par poids
Paraffines 22%
Oléfines 14%
Naphthenes 3%
Aromatiques 6%
C14 / C14 + 55%
100%

Les solides carbonés fixes produits par le procédé TDP ont de multiples utilisations en tant que filtre, source de combustible et engrais. Il peut être utilisé comme charbon actif dans le traitement des eaux usées, comme engrais ou comme combustible similaire au charbon.

Les avantages
Le processus peut décomposer les poisons organiques en raison de la rupture des liaisons chimiques et de la destruction de la forme moléculaire nécessaire à l’activité du poison. Il est susceptible d’être très efficace pour tuer les agents pathogènes, y compris les prions. Il peut également éliminer en toute sécurité les métaux lourds des échantillons en les convertissant de leurs formes ionisées ou organométalliques en leurs oxydes stables pouvant être séparés en toute sécurité des autres produits.

Parallèlement à des processus similaires, il s’agit d’une méthode de recyclage de la teneur énergétique des matières organiques sans élimination préalable de l’eau. Il peut produire un combustible liquide, qui se sépare physiquement de l’eau sans qu’il soit nécessaire de le sécher.D’autres méthodes de récupération d’énergie nécessitent souvent un séchage préalable (combustion, pyrolyse, par exemple) ou la production de produits gazeux (digestion anaérobie, par exemple).

Sources potentielles d’intrants de déchets
L’Environmental Protection Agency des États-Unis estime qu’en 2006, il y avait 251 millions de tonnes de déchets solides municipaux, soit 4,6 livres générées par jour et par personne aux États-Unis. Une grande partie de cette masse est considérée comme impropre à la conversion de l’huile.

Limites
Le processus ne divise que les longues chaînes moléculaires en chaînes plus courtes, de sorte que les petites molécules telles que le dioxyde de carbone ou le méthane ne peuvent pas être converties en pétrole par ce processus. Cependant, le méthane contenu dans la matière première est récupéré et brûlé pour chauffer l’eau qui constitue une partie essentielle du processus. De plus, le gaz peut être brûlé dans une centrale de production combinée de chaleur et d’électricité, composée d’une turbine à gaz qui entraîne un générateur pour créer de l’électricité et d’un échangeur de chaleur pour chauffer l’eau d’entrée du processus provenant des gaz d’échappement. L’électricité peut être vendue au réseau électrique, par exemple dans le cadre d’un système de tarif de rachat. Cela augmente également l’efficacité globale du processus (on dit déjà que son contenu énergétique dépasse 85%).

Une autre option consiste à vendre le méthane sous forme de biogaz. Par exemple, le biogaz peut être comprimé, un peu comme le gaz naturel, et utilisé pour alimenter des véhicules à moteur.

De nombreux déchets agricoles et animaux peuvent être traités, mais beaucoup d’entre eux sont déjà utilisés comme engrais, aliments pour animaux et, dans certains cas, comme matières premières pour les papeteries ou comme combustible pour chaudière. Les cultures énergétiques constituent une autre matière première potentiellement importante pour la dépolymérisation thermique.

Statut actuel
Selon des informations publiées en 2004, l’usine de Carthage vendait des produits 10% de moins que le prix de l’huile équivalente, mais ses coûts de production étaient suffisamment bas pour générer un profit. À l’époque, elle payait les déchets de dinde (voir aussi ci-dessous).

L’usine a ensuite consommé 270 tonnes d’abats de dinde (la totalité de la production de l’usine de transformation de dinde) et 20 tonnes de déchets de production d’oeufs par jour. En février 2005, l’usine de Carthage produisait environ 400 barils par jour (64 m3 / j) de pétrole brut.

En avril 2005, l’usine fonctionnerait à perte. D’autres rapports de 2005 résumaient certains revers économiques auxquels l’usine de Carthage avait été confrontée depuis ses étapes de planification.On pensait que l’inquiétude suscitée par la maladie de la vache folle empêcherait l’utilisation de déchets de dinde et d’autres produits animaux comme aliments pour le bétail, ces déchets seraient donc gratuits. Aux États-Unis, les déchets de dinde peuvent toujours être utilisés comme aliments pour animaux, de sorte que l’installation doit acheter ces aliments à un coût compris entre 30 et 40 dollars par tonne, ce qui ajoute 15 à 20 dollars par baril au coût du pétrole. Le coût final, en janvier 2005, était de 80 dollars le baril (1,90 dollar / gal).

Le coût de production ci-dessus exclut également les coûts d’exploitation de l’oxydant thermique et du laveur ajoutés en mai 2005 en réponse aux plaintes relatives aux odeurs (voir ci-dessous).

Un crédit d’impôt sur les coûts de production d’environ 1 dollar américain par litre (26 ¢ / L) n’était pas disponible, car l’huile produite ne correspondait pas à la définition du “biodiesel” au sens de la législation fiscale américaine applicable. La loi sur la politique énergétique de 2005 a spécifiquement ajouté la dépolymérisation thermique à un crédit de 1 dollar pour le diesel renouvelable, entré en vigueur à la fin de 2005, permettant un bénéfice de 4 dollars par baril de pétrole.

Expansion de l’entreprise
La société a exploré des projets d’expansion en Californie, en Pennsylvanie et en Virginie et étudie actuellement des projets en Europe, dans lesquels les produits d’origine animale ne peuvent être utilisés pour l’alimentation du bétail. Le TDP est également considéré comme un moyen alternatif de traitement des eaux usées aux États-Unis.

Plaintes d’odeur
L’usine pilote de Carthage a été temporairement fermée en raison de problèmes d’odeurs. Il a été bientôt redémarré quand il a été découvert que peu d’odeurs étaient générées par l’usine. En outre, l’usine a accepté d’installer un système d’oxydation thermique amélioré et d’améliorer son système d’épuration de l’air en vertu d’une décision de justice. Étant donné que l’usine est située à seulement quatre pâtés de maisons du centre-ville, une attraction touristique, les relations avec le maire et les citoyens de Carthage ont été pénalisées.

Selon un porte-parole de la société, l’usine aurait reçu des plaintes même les jours où elle ne fonctionnerait pas. Elle a également soutenu que les odeurs n’avaient peut-être pas été produites par leur installation située près de plusieurs autres usines de traitement de produits agricoles.

Le 29 décembre 2005, le gouverneur de l’État a ordonné à l’usine de fermer ses portes à la suite d’allégations de mauvaises odeurs, telles que rapportées par MSNBC.

À compter du 7 mars 2006, l’usine a commencé des essais limités pour confirmer qu’elle a résolu le problème des odeurs.

Le 24 août 2006, la dernière action en justice liée au problème des odeurs a été classée et le problème est considéré comme résolu. À la fin du mois de novembre, une autre plainte a été déposée concernant les mauvaises odeurs. Cette plainte a été classée le 11 janvier 2007 sans amende.

Statut en février 2009
Dans un article publié en mai 2003 dans le magazine Discover, “Appel a alloué une subvention fédérale pour la construction d’usines de démonstration pour la transformation des abats de poulet et du fumier en Alabama, ainsi que des résidus de récolte et de la graisse dans le Nevada. Des usines de traitement dans le Colorado et dans les déchets de porc et de fromage en Italie. Il affirme que la première génération de centres de dépolymérisation sera opérationnelle en 2005. D’ici là, il devrait être clair si la technologie est aussi miraculeuse que le prétendent ses commanditaires. ”

Toutefois, depuis août 2008, la seule installation en exploitation répertoriée sur le site Web de la société est l’installation initiale à Carthage, dans le Missouri.

Changing World Technology a demandé son introduction en bourse le 12 août; 2008, dans l’espoir de récolter 100 millions de dollars.

L’introduction en bourse inhabituelle de type enchère hollandaise a probablement échoué parce que CWT a perdu près de 20 millions de dollars avec très peu de revenus.

CWT, la société mère de Renewable Energy Solutions, a déposé le chapitre 11 en faillite. Aucun détail sur les plans de l’usine de Carthage n’a été publié.

En avril 2013, CWT a été acquise par une société canadienne, Ridgeline Energy Services, basée à Calgary.

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