DOSSIER COV - Destruction par oxydation thermique ou catalytique

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Descriptif technique
L'oxydation thermique, ou incinération, est bien connue -c'est la technique de traitement des COV la plus employée, et de loin. Rappelons simplement qu'elle opère à plus de 750°C et que ses performances sont liées à trois caractéristiques : température, turbulence et temps de séjour (règle des 3T). Tous les COV peuvent être incinérés. Cependant, la présence de composés halogénés peut entraîner la formation de produits agressifs (acides) et toxiques (dioxines) qui nécessite d'apporter un soin particulier au choix des matériaux et d'installer un traitement des fumées supplémentaire.

La présence d'un catalyseur (métal précieux ou oxyde métallique) permet d'amener la température de traitement dans la plage 2000450C. Il se présente sous plusieurs formes : billes, pastilles, granulés, extrudé, nid d'abeilles,... Bien que non consommable, son activité peut se réduire dans le temps par suite d'un empoisonnement (halogènes, phosphore, silicones, certains métaux), d'un masquage des sites actifs (poussière), d'une perte de matière (attrition) ou d'un effet thermique (température trop élevée). Les fournisseurs garantissent généralement une durée de vie de 15 000 heures et elle atteint souvent 30 000 heures. Au-delà, la régénération -lorsqu'elle est possible- devient indispensable (sur place ou chez le fournisseur).

Il existe deux types d'incinérateurs : les récupératifs et les régénératifs. Dans les premiers, l'effluent à traiter est préchauffé par les fumées au travers d'un échangeur, intégré ou non, et une seconde récupération de chaleur sur les fumées est généralement possible. Dans les incinérateurs régénératifs, la récupération de chaleur s'effectue dans des lits de céramiques (deux, mais plus souvent trois) qui alternativement accumulent puis restituent l'énergie. La récupération secondaire est envisageable, mais dans une moindre mesure que précédemment.
Signalons le système régénératif original CombuoChanger mis au point par Adtec, qui ne comporte qu'un seul lit constitué de plusieurs couches de galets. Au démarrage, des résistances électriques chauffent le milieu du lit jusqu'à 98°C, puis elles sont coupées. L'effluent traverse la première partie du lit en se préchauffant, atteint sa température d'inflammation et traverse la seconde partie du lit en cédant une partie de sa chaleur. Toutes les 1 à 3 minutes, le sens du flux gazeux est inversé. Un stockage intermédiaire de l'air non traité lors du changement de sens peut être ajouté (système Puff-Cleaner). Un appoint automatique de gaz est apporté si le régime autothermique n'est pas atteint.

Performances et caractéristiques
Les divers types d'incinération permettent tous de descendre en dessous d'une concentration de 50 mg/Nm3 dans les gaz de combustion rejetés, et souvent en dessous de 20 mg/Nm3. Bien entendu, ces fumées contiennent aussi du monoxyde de carbone CO et des oxydes d'azote NOx, dont les concentrations varient en sens contraire l'une de l'autre en fonction de la température de combustion. Le choix de cette température résultera donc d'un compromis à trouver entre l'efficacité de la dégradation des COV (T>>), l'oxydation du CO en CO2 (T>>), la formation des NOx (T<<) et la dépense d'énergie (T<<). De façon très générale, on peut dire que si les conditions de fonctionnement sont bien réglées, les émissions de NOx restent inférieures, voire très inférieures à 50 mg/Nm3 et celles de CO inférieures à 20 mg/Nm3. L'incinération catalytique, opérant à plus basse température, émet évidemment moins de NOx que l'incinération thermique.

D'une étude de caractérisation menée conjointement par l'ADEME et GDF sur 36 épurateurs thermiques en fonctionnement, il ressort globalement que les épurateurs thermiques récupératifs permettent sans problème de respecter les valeurs limites d'émission de COV mais conduisent parfois à des émissions importantes de CO; que les épurateurs régénératifs, thermiques ou catalytiques, respectent également la réglementation, mais à condition d'éviter les pics de concentration lors des manœuvres d'inversion ; que les épurateurs catalytiques récupératifs peuvent eux aussi respecter la réglementation, à condition que le catalyseur ait été bien choisi et qu'il n'ait pas trop vieilli.
Les principales caractéristiques de fonctionnement des incinérateurs sont résumées dans le tableau ci-contre. Ajoutons que les systèmes récupératifs, présentant une faible inertie thermique, acceptent des démarrages fréquents, par exemple journaliers, à l'inverse des systèmes régénératifs, à forte inertie thermique, et que tous ces systèmes sont sensibles à la présence de poussières.
Les coûts d'investissement dépendent essentiellement du débit à traiter, mais aussi de la nécessité ou non de traiter les effluents en amont (poussières) et les fumées en aval (HCI). A partir de cas réels, l'ADEME fournit les chiffres suivants pour l'installation complète :
-270 à 360 F/m3/h pour l'incinération thermique récupérative (dont 130 à 140 F/m3/h pour l'incinérateur lui-même) ;
-180 à 290 F/m3/h pour l'incinération thermique régénérative (dont 110 à 120 F/m3/h pour l'incinérateur) ;
-180 à 220 F/m3/h pour l'oxydation catalytique (dont 160 à 180 F/m3/h pour l'incinérateur).

Les coûts d'exploitation dépendent essentiellement, eux, de la concentration de COV dans l'effluent (ainsi que de leur PCI) qui va déterminer la consommation de combustible, généralement du gaz naturel, de l'incinérateur (d'expérience, elle représente 55 à 90% de ces coûts). Si ces coûts peuvent être assez élevés (entre 110 et 4400 F/t de COV détruite), le bilan global d'exploitation est cependant fonction de la récupération secondaire d'énergie et de sa valorisation. Ce bilan peut être neutre avec l'incinération thermique, qu'elle soit thermique ou régénérative. L'importance des coûts mette une nouvelle fois en évidence l'intérêt d'une optimisation des flux à traiter (réduction des volumes et augmentation des concentrations).

Recherche et développement
L'incinération thermique représente 80% des installations de traitement actuellement en fonctionnement. Si elle permet une très bonne efficacité de destruction (plus de 99%), elle entraîne des coûts d'exploitation assez élevés. Les enjeux de la R&D se situent essentiellement dans l'amélioration du rapport coût/efficacité en réduisant les coûts d'investissement et d'exploitation et en améliorant la fiabilité, la facilité de maintenance et la durée de vie.

C'est ainsi que l'ADEME a soutenu la société Dumoutier et Massetat pour le développement d'un incinérateur thermique récupératif particulièrement performant. Partant d'une technologie connue (épurateur cylindrique monobloc équipé d'un échangeur tubulaire disposé autour de la chambre de combustion), les travaux ont porté sur le choix des matériaux (avec Ugine), l'amélioration des performances énergétiques (avec le GRETh) et l'optimisation du trajet de J'air. Résultat : un rendement thermique supérieur à 70% et une autothermie à partir de 3,8 g/Nm3 pour certains solvants. Les deux premières réalisations (10 000 m3/h dans l'impression offset et 3 500 m3/h dans l'enduction textile), aidées par l'ADEME, ont été suivies d'une dizaine d'autres dans des secteurs comme l'enduction, l'impression, les composites, la chimie, la pharmacie et la pharmacie, pour des débits compris entre 2 000 et 26 000 m3/h.
Dans le même domaine, l'ADEME soutient actuellement les travaux de la société Pillard sur l'optimisation du dimensionnement et de la prévision des coûts d'exploitation de ses systèmes thermiques régénératifs. Des travaux plus fondamentaux sur les phénomènes de dégradation des COV, conduits par Stein Fasel, devraient lui permettre de dimensionner les incinérateurs thermiques récupératifs en donnant des garanties sur les valeurs de rejet et en réduisant la consommation d'énergie.

Pour l'oxydation catalytique, très peu utilisée en France alors qu'elle a de nombreuses références aux Etats-Unis et en Allemagne, le verrou majeur semble être la durée de vie du catalyseur. Les travaux soutenus par l'ADEME portent sur :
-la mise au point et la caractérisation de nouvelles formules catalytiques moins sensibles à l'empoisonnement et permettant de travailler à plus basse température (avec l'IRMA) ;
-la réalisation d'essais pilotes sur des effluents industriels réels dans certains secteurs comme le textile (avec l'IRMA et ITF), l'équarrissage (avec l'IRMA) et les composites (avec l'IFP) ;
-des aspects plus fondamentaux comme les mécanismes de réaction, la caractérisation de nouveaux catalyseurs ou l'utilisation de la photocatalyse, avec des équipes de recherche universitaires (universités de Poitiers, de Strasbourg et de Toulouse).

Exemples de réalisations
Les exemples d'incinération thermique étant très nombreux, nous avons choisi de décrire ici quelques réalisations plus novatrices.

La société Brochier à Montluel (01) fabrique des tissus techniques à base de fibres spéciales (carbone, aramide, verre) ainsi que des imprégnés pour matériaux composites hautes performances. Ces tissus sont imprégnés de résine puis passent dans un four électrique à 90 - 150°C qui permet de commencer la réaction de polymérisation et d'extraire une grande partie des solvants (méthanol/éthanol, méthyléthylcétone, 2-métoxyéthanol). La simple mise en place d'un incinérateur de COV se serait soldée par un bilan énergétique défavorable, c'est pourquoi l'ensemble du procédé a été reconsidéré globalement.
Un nouveau four a été installé en janvier 1994. Il est constitué de trois modules comportant chacun une batterie à fluide thermique pour le chauffage, un ventilateur pour la circulation intérieure de l'air et des buses de soufflage. L'extraction d'air est asservie à la concentration de solvants dans le four.

Le système de traitement des COV est un incinérateur thermique récupératif horizontal de Dumoutier & Massetat comprenant une chambre de combustion équipée d'un brûleur gaz de 300 kW, un échangeur air/air tubulaire ceinturant la chambre de combustion et un échangeur air/fluide thermique. L'allure du brûleur est régulée de façon à obtenir une température d'oxydation de 740°C (temps de séjour de 2 secondes). L'échangeur tubulaire préchauffe l'effluent gazeux provenant du four à 525°C avec un rendement thermique de 65%. Le second échangeur chauffe à 220°C le fluide thermique qui alimente les batteries du four. Sa puissance étant excédentaire, une partie de l'énergie qu'il récupère peut être utilisée ailleurs, dans le procédé ou pour le chauffage des locaux.
Le bilan énergétique comparatif fait apparaître que le déplacement de l'électricité vers le gaz s'est effectué à raison de 0,76 kWh gaz pour 1 kWh électrique. Quant au rendement d'épuration, il atteint 99,8% : la concentration de COV dans les effluents rejetés est passée de 11 g/Nm3 à moins de 20 mg/Nm3, auxquels ne s'ajoutent que 16 mg/Nm3 de CO et 19 mg/Nm3 de NOx.

IBM France, a opté pour l'incinération catalytique, associée à une préconcentration par rotors à zéolithes dans son usine de CorbeiloEssonnes et à une adsorption sur charbon actif dans son usine de Montpellier.

A Corbeil-Essonnes, la fabrication des circuits intégrés s'achève par un nettoyage au trempé dans différents bacs de solvants qui émettent deux flux pollués distincts: 42 000 m3/h contenant 100 mg/Nm3 d'acétone et 10 000 Nm3/h contenant 100 mg/Nm3 d'acétone + NMP. Le premier flux est dirigé vers trois concentrateurs rotors identiques, le second vers un quatrième rotor indépendant (fournis par Munters). La surface de ces rotors est consacrée pour 3/4 à l'adsorption par les zéolithes hydrophobes, pour 1/8 au refroidissement par une fraction de l'air d'entrée, et pour 1/8 à la régénération par le même air préalablement préchauffé dans un échangeur. L'air chaud de désorption est ensuite réchauffé dans un autre échangeur par les gaz de combustion puis dirigé vers l'incinérateur catalytique de marque CTP maintenu entre 400 et 450°C. A la sortie, les gaz à 70 - 150°C contiennent 1,5 mg de C/Nm3, moins de 50 mg/Nm3 de CO et 43 mg/Nm3 de NOx. Entrée en service en janvier 1992, l'installation a coûté 20,3 MF et son coût d'exploitation s'élève à 730 KF/an, dont 530 KF d'électricité.
A l'usine de Montpellier, où l'on assemble des ordinateurs et des modules électroniques, l'installation livrée par BEFS Prokem est plus simple. Elle traite 25 000 Nm3/h contenant de 0 à 6g/Nm3 (0,5 en moyenne) de xylène et d'alcool isopropylique destinés à éliminer les flux de soudure et aux opérations de nettoyage. La mise en place du filtre de charbon actif de 4 m3 a pour but essentiel d'écrêter les pointes de concentration (fonctionnement en batch) et d'éliminer les poussières, dangereuses par le catalyseur. L'air à épurer est ensuite préchauffé dans un échangeur par les gaz de combustion et introduites dans l'incinérateur catalytique maintenu à 400'C. L'air évacué à 700C ne contient plus que 26 mg de C/Nm3 en moyenne (rendement d'épuration de 95%). L'installation a démarré en juin 1989 et a coûté 4,7 MF. Ses coûts d'exploitation s'élèvent à 575 KF/an, dont 350 KF de gaz et 210 KF d'électricité. Le remplacement du charbon actif et du catalyseur reviendrait à 100 KF mais n'a pas encore été nécessaire.

Onduline Production à Yainville (76) fabrique des plaques d'étanchéité cellulo-minérales peintes ou colorées à partir de papier recyclé et de bitume. Les COV rejetés (13 kg/h de formadéhyde et 350 g/h d'autres composés divers) proviennent du sécheur où s'opère la réticulation des résines thermodurcissables. Les effluents (environ 9 000 Nm3/h) à 180°C sont d'abord filtrés puis introduit dans l'unité d'incinération catalytique régénérative REGENOX fournie par Haldor Topsoe. Celle-ci comporte deux lits séparés garnis de catalyseurs en vrac (oxydes métalliques) et de céramiques et un brûleur à gaz situé entre les deux lits pour apporter un appoint éventuel de chaleur. La direction du flux d'air est inversée toutes les 20 minutes. Une récupération secondaire d'énergie sur les gaz de sortie permet de préchauffer de l'eau utilisée dans le process.

L'investissement s'est élevé à près de 2,6 MF en 1993 et le fonctionnement dépend de l'ordre de 115 KF par an d'électricité (et très peu de gaz). Une campagne de mesures effectuée en avril 1995 a donné les résultats suivants: 3 mg/Nm3 de formal-déhyde pour une concentration initiale de 547 mg et 2,5 à 4,5 mg/Nm3 de HC totaux pour une concentration initiale de 75 mg.

Principaux fournisseurs
AIR INDUSTRIE SYSTEMES -ATI INCINERATEURS MULLER -BABCOCK WANSON -BASATEC (CH) -CHEMATUR ENGINEERING -CTP (A) -DE DUMOUTIER & MASSETATO DÜRR - EGCI PILLARD -ISENMANN FRANCE -LE GAZ INTEGRAL -GRACE TEC SYSTEMS -HADEN DRYSIS -HALDOR TOPSOE (DK) -HRS ENGINEERING -ITAS (1) -KOCH INTERNATIONAL - KRANTZOTKT(D) -KREBS -KUHNI (CH) -KVT (A) -LANGBEIN ENGELBRACHT (D) -LTG AMELIORAIR -MET PRO (USA) -NOYER (représentant Pfloc et Meckeler) -PROMATEC GRAPHIC -PYRODIF -REECO (DK) -RID LOREATT -SAACKE -SERVITHEN (KEU) -SIFAT (ROTAMILL) -SOCREMATIC -STEIN HEURTEY -EMAPE TECHNOLOGIES (représentant TTS Schira) –UOP (UK) -VICARB.

Article paru dans le supplément technique d'Energie PLus n°204 du 15 avril 1998

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