Entreprises : comment maîtriser les émissions de NOx ?
Mis à jour le 13/12/2018
Il existe différentes techniques de réduction des émissions d'oxydes d'azote (NOx) : les mesures primaires, avec une réduction à la source, et les mesures secondaires, avec des traitements sur des NOx déjà formés.
Toutes les solutions disponibles commercialement présentent des avantages et des inconvénients, qui sont à analyser au cas par cas en fonction des caractéristiques de chaque installation industrielle. Outre les technologies déjà proposées, des travaux de recherche et développement sont en cours sur plusieurs technologies émergentes.
La réduction à la source
Les principes
La réduction à la source peut reposer sur plusieurs principes – dont celui de la combustion étagée (étagement de l’air de combustion, étagement du combustible) et de la recirculation des gaz de combustion – qui peuvent être appliqués au niveau des brûleurs (brûleurs bas NOx) et/ou du procédé.
L’efficacité des brûleurs bas NOx de seconde génération peut, par exemple, atteindre de 40 à 60 % selon les principes mis en œuvre, les combustibles considérés et les caractéristiques de l’installation. Ces performances peuvent toutefois être différentes avec des combustibles non commerciaux riches en azote ou en hydrogène. Bien qu’efficace, la combustion étagée présente des inconvénients, comme la formation de monoxyde de carbone (CO) et d’imbrûlés solides, ou une consommation d’énergie significative dans le cas d’une recirculation externe des gaz de combustion.
La réduction à la source peut également être réalisée grâce à la combustion à basse température en lit fluidisé, dans le cas de combustibles solides. Le lit, constitué d’un matériau inerte ou désulfurant, assure un très bon transfert de chaleur et des températures homogènes. Avec cette technique, dont l’efficacité peut atteindre de 50 à 70 % par rapport à une chaudière à charbon pulvérisé classique, la température est de l’ordre de 850 à 950 ℃ et les émissions de NOx sont moins importantes. Seul bémol : le potentiel de cette technique à former du protoxyde d'azote (N2O).
Des technologies émergentes
De la vérification de concepts à l’échelle « laboratoire » aux essais à l’échelle « pilotes de terrain », de nombreux travaux de recherche sont actuellement menés afin de répondre aux exigences continues de réduction des émissions de NOx du secteur industriel. Ils portent notamment sur :
- le procédé d’oxycombustion, qui consiste à remplacer l’air comburant par de l’oxygène de grande pureté pour diminuer nettement le volume des fumées. Cette technologie permet non seulement de réduire les émissions de NOx thermiques, mais aussi de concentrer le CO2, ce qui facilite son captage et son stockage éventuels ;
- le procédé de combustion sans flamme, qui consiste à diluer fortement comburant et combustible. Les géométries du brûleur et de la chambre de combustion créent des recirculations des produits de combustion vers le brûleur, diluant ainsi le comburant et le combustible avec ces produits de combustion. La combustion devient alors homogène dans un volume donné de l'enceinte. Par conséquent, le taux d'oxygène et les pics de températures diminuent dans la zone réactionnelle, réduisant ainsi la formation de NOx.
Les techniques de traitement
Différentes techniques de traitement peuvent être mises en œuvre pour réduire les émissions de NOx.
Les techniques de réduction
Elles consistent en la réduction de monoxyde d'azote (NO) et dioxyde d'azote (NO2) en présence d’oxygène, pour produire de la vapeur d’eau et du diazote gazeux. Les agents réducteurs utilisés sont principalement l’ammoniac (NH3) ou l’urée (CO(NH2)2). La réduction peut se faire à deux niveaux de température : autour de 950 ℃ sans catalyseur par réduction non catalytique (SNCR), ou autour de 300 ℃ avec catalyseur par réduction sélective catalytique (SCR).
La réduction catalytique sélective (SCR)
De l'urée ou de l'ammoniac, précurseur de NHi, est injecté dans les fumées en amont du réacteur SCR où se trouve le catalyseur. L'agent de réduction est d'abord vaporisé, puis mélangé à de l'air avant d'être injecté dans les fumées. Les NOx sont ensuite réduits par le réactif injecté pour former du diazote (N2) et de l'eau (H2O).
La réduction sélective non catalytique (SNCR)
Cette mesure secondaire permet de réduire les N0x formés lors de la combustion. Son principe est comparable à celui de la SCR, à la différence qu’il n’utilise pas de catalyseur. Un agent réducteur (généralement urée ou ammoniac) est injecté dans les fumées de combustion. La réaction, qui a lieu à haute température (850 à 1 100 ℃), a pour effet de réduire les NOx précédemment formés en N2 et en H2O.
Les performances de dénitrification de la technologie SNCR sont généralement moins élevées que celles de la technologie SCR, mais cette dernière présente des effets croisés plus importants : sensibilité du catalyseur à certains inhibiteurs, encombrement du réacteur, ou encore coût d’investissement. Les deux technologies présentent également l’inconvénient de générer des émissions de NH3, de l’ordre de quelques mg/m3.
La technique de recombustion ou reburning
Elle consiste en la réduction de NO à l’aide d’hydrocarbures en milieu légèrement oxydant et tient compte des paramètres suivants :
- la nature du combustible secondaire ;
- la température de la zone de recombustion ;
- la concentration en O2 en zone de recombustion ;
- l’homogénéité du mélange fumées/combustible secondaire ;
- la concentration initiale en NO ;
- le temps de séjour dans la zone de recombustion.
Le rendement de dénitrification peut dépasser 50 %, en fonction de la quantité d’hydrocarbures qu’il est possible d’injecter sans augmenter les imbrûlés. La technique de recombustion a malgré tout des faiblesses : la surconsommation potentielle de combustible secondaire et la génération d’émissions de cyanure d'hydrogène (HCN) ou de NH3.
