Du pneu usagé au carburant : modélisation, optimisation et contrôle d'un réacteur industriel de pyrolyse

La pyrolyse de pneus hors d'usage est un procédé parfaitement ancré dans l'optique du développement durable. L'idée consiste en une décomposition thermique des déchets, ici des pneus usagés, afin d'en tirer des produits à valeur économique: du gaz combustible, du noir de carbone et du gaz condensable en huile constituée d'hydrocarbures lourds. Le problème se situe à la fois au niveau de la répartition en pourcentage des produits d'intérêts et au niveau de la pression dans le réacteur ; deux éléments étroitement liés du fait de la production de gaz. Le nerf de cette double problématique est l'évolution de la température des pneus au cours du processus de cuvée. Cette température de pneu est régie par la manipulation de brûleurs au propane placés sous le réacteur rotatif. Pour des raisons d'ordre économique, les efforts sont concentrés à produire le plus d'huile possible. L'hypothèse clé de départ est d'énoncer qu'il existe un profil optimal de température de pneu capable de maximiser la quantité d'huile produite sans provoquer de surpression dans le réacteur. L'hypothèse subséquente consiste à postuler que la poursuite de trajectoire d'un tel profil de température nécessite un système automatisé. Jusqu'à présent, l'opération du réacteur à l'étude ne se fait qu'instinctivement et manuellement se traduisant par une capacité de production médiocre souvent interrompue par des surpressions. La contribution à l'amélioration significative de cette technologie se traduit par l'objectif général suivant :développer un système automatisé qui se réfère à un profil optimisé de température de pneu pour maximiser la production d'huile tout en tenant compte de la pression et de la durée du procédé. Plus spécifiquement, cette étude se base sur un modèle de cinétique de réaction préétabli autour duquel sont développés : un modèle dynamique des brûleurs, un système de contrôle automatisé des brûleurs, un modèle dynamique de la pression dans le réacteur, un code d'optimisation de la production et une interface graphique de simulation du procédé. Sur le plan méthodologique, la modélisation des brûleurs se fait par idenfication. En effet, les données industrielles relatives aux brûleurs sont corrélées à travers le choix d'une structure de modèle, celle d'une représentation d'état linéaire d'ordre 5. L'identification des paramètres d'un tel modèle repose sur une méthode basée sur la minimisation de l'erreur des moindres carrés. Divers algorithmes d'optimisation sont mis à l'œuvre ; le plus convaincant : Gauss-Newton adaptif, avec une corrélation de 99,8 % à la vérification et de 96,1 % à la validation, ce qui est relativement appréciable. Le système de contrôle déployé est de type feedback ou contrôle par rétroaction. Un contrôleur proportionnel est conçu afin de contrôler la température de paroi du réacteur en manipulant le niveau des brûleurs. L'approche mise en œuvre consiste à utiliser l'interface Simulink® du logiciel Matlab® qui offre la possibilité de synthétiser le contrôleur rapidement et d'affiner le gain proportionnel de ce dernier pour une poursuite précise de trajectoire dans le temps. Le test de performance du contrôleur en référence à cette trajectoire de température de paroi affiche un coefficient de corrélation de 99 %. En outre, le modèle dynamique relatif à la pression dans le réacteur est quant à lui développé selon une approche génie chimique. La structure d'un tel modèle repose sur la loi des gaz parfaits. Cette structure sert entre autres à corréler la pression simulée dans le réacteur avec les données fournies par l'industriel ; les paramètres de ce modèle sont alors affinés. Le processus étant en régime transitoire, les variables de cette loi sont supportées par un ensemble d'équations différentielles découlant à la fois de la cinétique de réaction, de la variation du volume de gaz dans le réacteur, de la variation de la masse molaire moyenne et de la dynamique relative au soutirage du réacteur, régie par la pompe vacuum. Du fait que le système d'acquisition de donnée relatif au procédé en usine n'enregistre pas, à ce stade, des mesures jugées pertinentes, le processus de validation du modèle ne peut avoir lieu bien que la vérification ait donné des résultats satisfaisants. Pour la même raison, des hypothèses sont raisonnablement posées. Ajouté à cela, un code d'optimisation est développé afin de maximiser la production d'huile. Il s'agit d'un problème d'optimisation sous contraintes non linéaires discrétisées du fait de la dynamique relative à la cinétique de réaction et à la pression. Une solution optimale a bel et bien été trouvée grâce à l'algorithme d'optimisation basée sur la méthode du point intérieur. En effet, avant, le réacteur à l'étude ne pouvait manipuler, sans risque, qu'environ 1500 kg de pneus pour ne produire qu'environ 550 kg d'huile. À présent, il est capable de manipuler le double de la quantité de pneus, sans risque, pour produire 1071 kg d'huile sur la même durée. Toutefois, le profil optimal de température obtenu est difficilement respecté par le contrôleur. Cependant, ce dernier permet de produire 1 % de moins, mais tout en ayant à chauffer moins donc en réduisant les dépenses énergétiques ce qui est relativement appréciable. Les résultats montrent également que le réacteur à l'étude ne peut manœuvrer le triple de la quantité de pneus, car le taux de production de gaz reste élevé même si les bruleurs sont opérés à faible capacité, la surpression est inévitable. Par ailleurs, une interface graphique de simulation de la production, simple d'utilisation, est développée par le biais du logiciel Matlab®. Elle combine l'ensemble des modèles évoqués précédemment. En se basant sur un profil suggéré de manipulation des brûleurs (en pourcentage) entré par l'utilisateur, cet outil est de ce fait capable de prédire la quantité de chacun des produits. Il prédit également la durée de réaction, l'apparition éventuelle d'une surpression et le profil de soutirage par la pompe pour éviter cette pression trop grande dans la mesure du possible. L'interface de simulation permet à l'industriel de connaitre la quantité de chacun des produits en moins de 5 minutes et en toute sécurité, ce qui lui prenait avant près de 5 heures avec risque de surpression. La modélisation peut toujours faire l'objet de plus de précision notamment par l'intégration de phénomènes plus complexes ou simplement par l'acquisition de données industrielles découlant de tests plus complets et plus précis. Toutefois, l'objectif général peut être considéré comme atteint dans la mesure où il apporte une avancée significative à la technologie en question et apporte des réponses concrètes à plusieurs questionnements de l'industriel.