Bilan de masse et d’énergie global

L’énergie des gaz d’échappement (Qéch) et l’énergie consommée par chaque type de plastique

(ΔHréaction) étant calculées, les pertes d’énergie durant la réaction de pyrolyse sur l’installation

en continu peuvent être déterminées en utilisant la loi de conservation d’énergie :

157 Avec Qéch, Qpl et Qpertes exprimés en kW.

La Figure 4. 8 représente le bilan d’énergie global de l’installation en continu.

Carburant 29,2 kW Moteur Diesel Electricité 7,26 kW 24,9 % Syst. Refroid. + milieu ambiant 7,34 KW 25,1 %

Chaleur résiduelle + Pertes

13,8 kW Gaz éch. 14,6 KW 50% Pyrolyse Déchets plastiques 37,5 kW Carburants 37,24 kW

Figure 4. 8 : Bilan d’énergie global

La Figure 4. 8 représente la répartition de l’énergie initiale fournie par le carburant diesel au moteur. Ainsi que la chaleur récupérée par les deux types de plastiques PP et PE.

Le bilan d’énergie rapporté à 1 kg de déchets plastiques a été réalisé comme suit : 1) L’énergie consommée par la réaction a été calculée selon la méthode présentée dans la partie 4.3 de ce chapitre. 2) L’énergie récupérée est calculée comme étant la somme des énergies contenues dans chacune des fractions d’hydrocarbures obtenus selon la formule suivante :

(12)

Avec Mi la fraction massique de chaque phase récupérée en kg et PCIi est son pouvoir

calorifique en MJ.kg-1. Le PCI de chaque fraction produite en fonction du type de plastique est représenté dans le Tableau 4. 7.

PCI (MJ.kg-1) FE FI FD

PE 46,34 43,01 42,52

PP 46,54 43,14 42,45

158 La Figure 4. 9 illustre les bilans de masse et d'énergie dérivés des rendements des produits et les pouvoirs calorifiques inférieurs des deux matériaux plastiques PP et PE obtenus lorsque l’installation produit suffisamment de diesel pour alimenter le moteur.

On peut remarquer qu'à partir d’1 kg de PP par exemple, ayant un pouvoir calorifique inférieur de 43.5, 34.3 MJ de liquide et 8,8 MJ de gaz ont été produits.

0,39 kg 18 MJ 0,16 kg-0,14kg 6,7 MJ-5,9 MJ 0,25 kg-0,22 kg 10,7 MJ-9,4 MJ 1 kg (PP-PE) 43,5 MJ 0,19 kg-0,24 kg 8,8MJ-11MJ Energie de réaction 0,886 MJ/kg– 0,637 MJ/kg Essence kérosène Diesel Séparation

Figure 4. 9 : Bilan de masse et d'énergie de la pyrolyse des déchets plastiques

Le gaz produit pourrait être utilisé comme gaz de pétrole liquéfié (GPL). Quant au liquide recueilli, il a été séparé aux températures optimales en trois phases. La phase essence, qui représente près de 50% du liquide et a une teneur énergétique de 18 MJ (41% Eplastique), la

phase intermédiaire, possédant une teneur énergétique de 10,7 MJ (25% Eplastique), tandis que

la phase diesel a une teneur en énergie de 6,7 MJ (15% Eplastique). Cette réaction doit

consommer 0,9 MJ (2% Eplastique) ce qui correspond à 13% de l’énergie disponible dans la

fraction gasoil. Ainsi la fraction diesel produite peut être utilisée pour produire 0,47 kWh d’électricité, alimenter le réacteur en chaleur et fournir de la chaleur résiduelle.

159 La pyrolyse catalytique du PP, du PE et de leurs mélanges dans un processus en continu a permis de produire une large gamme de produits qui ont été obtenus en utilisant seulement 22 % (d’après les équations 6 et 3) de la chaleur disponible dans les gaz d'échappement. Le rapport d'énergie nette réelle (NER) du processus, exprimé par le rapport du total de l'énergie utile produite sur l'énergie primaire utilisée pour la produire, est de 1,45 sans compter l'énergie résiduelle des gaz d'échappement

Par conséquent, il reste une quantité de chaleur résiduelle dans les gaz d'échappement qui pourrait être récupérée. La quantité de gazole produite n’est pas suffisante pour alimenter le moteur et fournir au système une indépendance en carburant. Pour cela, des modifications sont nécessaires en vue de récupérer la chaleur résiduelle des gaz d’échappement.

Il existe plusieurs façons d’utiliser cette chaleur résiduelle selon l’application industrielle : Le 1er scénario consiste à produire une quantité de carburant à partir des déchets plastiques suffisante pour la consommation du moteur et la quantité de chaleur restante pourrait être utilisée pour fournir de la chaleur à d’autres applications.

Le 2ème scénario consiste à exploiter la totalité de la chaleur des gaz d’échappement pour produire des carburants.

Afin d’appliquer ces scénario, des modifications sont nécessaires.

Le cas idéal serait d’améliorer l’échange entre les gaz d’échappement et le plastique à l’intérieur de l’échangeur sans changer la surface externe et cela en conservant la longueur et le diamètre externe de l’échangeur et en modifiant le type d’échangeur. Ceci peut être réalisé en augmentant la surface spécifique d’échange en adoptant une configuration multitubulaire. L’efficacité de l’échangeur, qui représente le rapport du flux de chaleur effectivement transféré dans l’échangeur au flux de chaleur maximal qui serait transféré est calculée par :

Normalement le fluide chaud peut être refroidi à la température d’entrée du fluide froid. Mais puisque pour les moteurs diesel à cogénération, la température la plus basse à laquelle les gaz d’échappement peuvent être refroidis est 150°C (Sanderson, 2008), c’est la température limite à laquelle le fluide chaud pourrait être refroidi.

Puisque dans la conception actuelle, l’échangeur est à double paroi avec une efficacité faible (Ɛ=0,24), une amélioration consiste à le remplacer par un échangeur multitubulaire. Le

160 scénario le plus optimiste consiste à une amélioration de l’efficacité jusqu’à atteindre les 100% sans avoir à changer la surface externe des échanges. Dans ce cas, les pertes resteront au même niveau que l’ancienne configuration

Dans ce cas le débit maximal de plastique que l’installation serait capable de pyrolyser en récupérant la chaleur disponible dans les gaz d’échappement est de 38 kg.h-1

de PP et

51 kg.h-1 de PE. En revanche, si l’efficacité d’échange maximale atteignable à surface externe constante est inférieure à 100% (ce qui est fort probablement le cas), la surface d’échange avec l’extérieur devrait augmenter ce qui engendre des pertes supplémentaires et la quantité de plastique valorisable par le système sera inférieure aux chiffres susmentionnés.