Modélisation et optimisation d'un procédé de traitement mécanique pour la valorisation d'un courant hétérogène de matières résiduelles solides

Le traitement mécanique des matières résiduelles hétérogènes solides comporte plusieurs défis au niveau de sa conception et de son optimisation. Une installation de production de combustible dérivé de déchets (CDD) doit être conçue de façon à produire un CDD aux propriétés suffisamment homogènes pour répondre aux critères de qualité du débouché de valorisation tout en minimisant le coût de traitement. L'efficacité de traitement des équipements dépend des paramètres de design et d'opération de même que des propriétés physico-chimiques des matières alimentées. Le choix de la séquence de traitement doit donc reposer sur une analyse robuste. La modélisation est un outil utile pour prédire la faisabilité technique d'un projet et sa rentabilité. L'objectif principal de ce mémoire est de développer un outil d'optimisation d'un procédé de traitement mécanique et l'appliquer au cas des rejets du centre de tri de la Ville de Montréal pour étudier leur valorisation en cimenterie (CRH Canada, Joliette). Les opérations de traitement (broyeur à marteaux, crible rotatif, séparateur magnétique, séparateur par courant de Foucault, classificateur à air, trieur optique) sont d'abord paramétrées en se basant sur des modèles mathématiques disponibles dans la littérature. Les propriétés (granulométrie, forme, masse volumique, pouvoir calorifique) et la composition des flux nécessaires à la modélisation sont établies à partir d'études de caractérisation. Les modèles développés sont validés en comparant les résultats obtenus avec des résultats expérimentaux. Le modèle du broyeur est amélioré de façon à pouvoir simuler le broyage d'un courant de matières résiduelles de composition variable. Les résultats obtenus offrent une meilleure compréhension des paramètres impliqués dans la réduction de taille des matières résiduelles. La modélisation des flux de matières est ensuite couplée à un outil d'analyse économique qui évalue les coûts en fonction de la chaîne de traitement et de sa performance. Finalement, l'outil évalue la séquence de traitement des rejets du centre de tri qui minimise le coût tout en produisant un CDD conforme aux critères de qualité de la cimenterie. Les résultats montrent qu'avec les critères actuels (teneur limite en chlore à 0,05 %), le traitement nécessaire pour produire un CDD conforme n'est pas économiquement viable. Si la cimenterie augmente la teneur limite en chlore à 0,3 %, une chaîne de traitement composée d'un tri manuel, deux séparateurs par courant de Foucault et un tri optique infrarouge pour le tri négatif du PVC permet d'atteindre les objectifs pour un coût estimé à 75 $\$$/t. Le coût rivalise avec celui de l'enfouissement (65 $\$$/t), la méthode de gestion actuelle de gestion des rejets. L'outil comprend certaines limites, notamment au niveau des modèles utilisés. Dans le futur, il serait intéressant de réaliser des travaux expérimentaux pour paramétrer avec plus de détails les modèles et ainsi tenir compte de l'influence d'autres caractéristiques de la matière (teneur en eau, masse volumique, etc.). Afin d'évaluer la performance sur une base environnementale, il serait intéressant de combiner les modèles de traitement mécanique à des modèles de procédés de valorisation et coupler l'outil à des modèles d'analyse de cycle de vie et d'évaluation des impacts.

Abstract

The design and optimization of a mechanical treatment plant for mixed solid waste brings many challenges. A refuse derived fuel (RDF) production plant must be designed to meet final product requirements depending on the downstream recovery route and it must be optimized to minimize its cost. Each product flow resulting from a mechanical treatment plant is characterized by specific physicochemical properties that can be modified and controlled along the mechanical treatment sequence. Equipment efficiency depends on operation and design parameters as well as physicochemical properties of the material feed. Modelling of the mechanical treatment unit operations in waste processing plants provides a useful analysis tool to predict plant performance and profitability. The main objective of this work is to develop a tool for the optimization of waste mechanical treatment. The model serves as an analysis tool to study the production of RDF from a waste stream collected at a recycling sorting plant located in Montreal. The tool provides the optimal mechanical sequence i.e. the most cost-effective solution that allows the production of RDF that conforms to the quality requirements for waste co-processing in a cement plant (CRH Canada, Joliette). Mathematical models for mechanical unit operations (hammer mill, trommel, magnetic separator, eddy current separator, air classifier, optical sorter) based on a wide variety of operating parameters and material properties are developed from literature. The waste stream properties (size, shape, density, heating value) and composition are defined based on characterization studies. Modelling results are compared to experimental results to prove the validity of the models. Extensive work on the hammer mill allowed to develop a more flexible model able to simulate the size reduction of a waste stream of any composition. The results obtained offer a better understanding of the kinetic parameters that control the size reduction. An economic tool is developed to evaluate the cost performance of a given plant configuration. Lastly, the tool is used to solve the case study previously described. The results show that the alternative of producing a RDF instead of disposing the waste to landfill is not economically feasible with the actual quality constraints. The chlorine limit concentration value (0,05%) is indeed too strict. For a higher chlorine limit concentration value (0,3%), the optimal configuration consists of manual sorting, two eddy current separators and one near-infrared optical sorter for the removal of PVC. The estimated cost (75 $\$$/t) competes with the landfill tipping fee (65 $\$$/t). The tool has certain limitations, particularly in terms of the models used. In the future, it would be interesting to carry out experimental work to parameterize the models in more detail and thus consider the influence of other characteristics of the waste material (water content, density, etc.). To evaluate performance on an environmental basis, it would be interesting to combine mechanical treatment models with recovery process models and to link the tool to life cycle analysis and impact assessment models.