Design, Construction and Performance Evaluation of a Low-Cost Pilot-Scale Semi-Batch Pyrolysis Plant for Converting Polystyrene and Low-Density Polyethylene Waste into Fuel Oil
Cette étude démontre la faisabilité technique d'une unité de pyrolyse semi-continue à l'échelle pilote, à faible coût et fabriquée localement, pour la conversion de déchets de polystyrène et de polyéthylène basse densité en huile combustible, en rapportant des paramètres opérationnels spécifiques, des différences de rendement et les propriétés du carburant tout en identifiant les domaines clés d'amélioration du processus.
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Chaque année, l'humanité produit des centaines de millions de tonnes de plastique. Si une partie de ce matériau parvient dans les filières de recyclage, une vaste quantité finit dans des décharges ou dispersée dans l'environnement, où elle persiste pendant des siècles. Un moyen prometteur de traiter ces déchets consiste à les transformer à nouveau en carburant. Ce processus, appelé pyrolyse, consiste à chauffer le plastique dans un récipient scellé sans oxygène. En l'absence d'oxygène pour brûler, le plastique ne se transforme pas en fumée et en cendres ; il se décompose plutôt en hydrocarbures liquides qui peuvent être utilisés comme carburant, ainsi qu'en un peu de gaz et de résidus solides. Bien que des scientifiques étudient cela dans de petits cadres de laboratoire depuis des années, construire une machine fonctionnelle suffisamment abordable pour les régions en développement et la tester avec de vrais déchets de rue sales reste un défi important.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs du Nigéria et de Finlande s'est donné pour mission de construire une telle machine et de voir comment elle se comportait. Ils ont conçu et construit une installation à l'échelle pilote capable de traiter 35 kilogrammes de plastique à la fois. L'ensemble du système a été construit à partir de matériaux locaux, notamment de l'acier galvanisé pour la marmite de cuisson principale, un four tapissé d'un mélange d'argile et de sable pour retenir la chaleur, et un condenseur fabriqué à partir de tubes en acier inoxydable pour refroidir les vapeurs et les transformer à nouveau en liquide. Les chercheurs ont testé deux types très différents de déchets plastiques collectés dans les rues d'Owerri, au Nigéria : le polystyrène, la mousse rigide utilisée pour les contenants alimentaires, et le polyéthylène basse densité, le plastique flexible utilisé pour les sacs de transport. Ils n'ont pas lavé ni nettoyé chimiquement le plastique ; ils l'ont utilisé exactement tel qu'ils l'ont trouvé, avec ses étiquettes, ses encres et sa saleté, afin de voir comment les conditions réelles affecteraient le résultat.
Lorsqu'ils ont chauffé le polystyrène, les résultats ont été d'une efficacité frappante. La machine a converti 72 % du poids du plastique en huile liquide, et le processus n'a laissé aucun résidu solide. Cela se produit parce que le polystielène a tendance à se « dézipper » lui-même en ses blocs de construction originaux lorsqu'il est chauffé, se transformant presque entièrement en vapeur qui peut être capturée sous forme liquide. Cependant, l'équipe a remarqué qu'une grande partie du matériau, environ 28 %, s'échappait sous forme de gaz ou de fine brume que le condenseur ne pouvait pas attraper. Cela suggère que le système de refroidissement était submergé par la vitesse à laquelle le polystyrène se transformait en vapeur. L'huile produite était épaisse et sombre, avec une densité supérieure à celle du diesel standard, et elle présentait un point d'éclair de 50 degrés Celsius, soit légèrement en dessous du seuil de sécurité minimal pour le diesel commercial.
L'expérience avec les sacs souples, connus sous le nom de polyéthylène basse densité, a été quite différente. Ce plastique est beaucoup plus difficile à décomposer. Les chercheurs ont dû le chauffer plus longtemps et utiliser plus d'énergie pour le faire décomposer. Lors de cet essai, la machine a produit moins d'huile par rapport à la quantité de plastique introduite — seulement 56,9 % — et a laissé derrière elle une quantité importante de résidus solides et cireux pesant 800 grammes. Ce résidu indique que toutes les chaînes de plastique ne se sont pas complètement brisées. Cependant, l'huile issue de ce plastique était plus légère et plus propre en termes de teneur en soufre, bien qu'elle contienne toujours plus de soufre que le diesel propre. Les chercheurs ont calculé que la décomposition du polyéthylène nécessitait environ 2,5 fois plus d'énergie thermique que le polystyrène, reflétant la plus grande stabilité thermique des longues chaînes ramifiées des sacs de transport.
Une découverte critique est apparue lorsque les chercheurs ont analysé la teneur en soufre des huiles. L'huile provenant du polystyrène contenait une quantité étonnamment élevée de soufre, bien plus que ce que le plastique lui-même devrait contenir. Puisque le polymère plastique ne contient pas de soufre, les chercheurs ont attribué cette contamination aux déchets de rue non lavés, qui comprenaient des étiquettes adhésives, des encres d'imprimerie et d'autres matériaux collés au plastique. Cela souligne un obstacle majeur : si le plastique n'est pas trié et nettoyé avant le traitement, le carburant résultant sera contaminé et nécessitera un traitement supplémentaire. L'huile du polyéthylène présentait également un taux de soufre élevé, mais à un niveau bien moindre, provenant probablement d'additifs présents dans le plastique ou de déchets mélangés.
L'étude conclut que la construction d'une usine à bas coût pour transformer les déchets plastiques en carburant est techniquement réalisable, même avec des matériaux simples et des matières premières non triées. La machine a réussi à produire un carburant liquide qui répondait aux exigences de viscosité des moteurs diesel, ce qui signifie qu'il circule correctement dans les conduites de carburant. Cependant, les chercheurs ont identifié des domaines d'amélioration évidents. Le condenseur, qui refroidit les vapeurs, doit être plus grand ou plus efficace pour capturer les gaz rapides du polystyrène. Le réacteur lui-même, fabriqué en acier galvanisé, n'est pas adapté à une utilisation à long terme à des températures élevées car le revêtement de zinc peut fondre et libérer des fumées ; les versions futures devraient utiliser de l'acier inoxydable ou de l'acier au carbone. De plus, les niveaux élevés de soufre dans l'huile confirment que le tri et le lavage du plastique avant son entrée dans la machine sont essentiels pour produire un carburant de haute qualité. Le travail démontre que si la technologie fonctionne, la qualité du carburant final dépend fortement de la manière dont les déchets sont préparés et de la manière dont la machine est conçue pour gérer la chimie spécifique de différents plastiques.
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