Comment démarrer rapidement la SCR ?

Parmi les polluants atmosphériques en ligne de mire dans le cadre du suivi de la qualité de l’air, les oxydes d’azote (ou NOx qui regroupent le monoxyde et le dioxyde d’azote) occupent une des premières places. Et pour cause, ils sont à la fois préjudiciables d’un point sanitaire et environnemental. En effet, ils sont considérés comme des gaz irritants pour le système respiratoire ; ils déclenchent également la formation d’ozone dans les basses couches de l’atmosphère, participent au phénomène de pluies acides (H2O + NO2 donne l’acide nitrique) et l’eutrophisation des lacs.

Avec les transports, les grandes chaudières industrielles alimentées par des combustibles fossiles sont l’une des principales sources des émissions de NOx. Il est donc crucial de trouver des procédés permettant d’éviter la formation de ces polluants ou de les réduire une fois formés avant le rejet à l’atmosphère.

Un des procédés piliers, utilisé pour l’abattement des émissions d’oxyde d’azote est la technique SCR (ou Réduction Catalytique Sélective). En voici succinctement les principes, contraintes et récents développements.

La formation des NOx

On trouve la « matière première » à la fois dans le combustible ET dans le comburant (évidemment l’air contient beaucoup d'azote moléculaire).

Bref, lors de la combustion, les NOx se forment principalement par : - oxydation de l’azote chimiquement présent dans le combustible, on parle de NOx combustible

- oxydation de l’azote contenu dans l’air comburant sous l’effet de la température élevée, on parle alors de NOx thermique (plus la température est élevée, plus la proportion de NOx thermique augmente)

Les facteurs qui peuvent affecter les émissions de NOx durant la combustion peuvent être classées en deux groupes:

• les conditions de combustion (design de la chaudière, paramètres opératoires) qui influent sur la température(important pour casser des liaisons, notamment la triple liaison du diazote de l’air ) et la teneur en oxygène (important pour que les atomes N rencontrent les radicaux O°)

• les facteurs liés au combustible (type, réactivité, teneur en azote dans le combustible mais aussi la forme chimique dans laquelle se trouve l’azote).

Comment les éviter en sortie de cheminée ? De nombreux efforts sont poursuivis à chaque instant pour essayer d’en laisser échapper un minimum donc soit éviter leur formation soit les détruire, coûte que coûte ! En quoi consistent ces efforts ?

La réduction secondaire par SCR

Les techniques de réduction "primaires" consistent à éviter la formation des NOx dès les premiers instants de la combustion. On va donc jouer sur l’un des deux paramètres (voire les deux) que sont la « température » et la « disponibilité de l’oxygène ». Dans le cas des techniques de réduction "secondaires", il s’agit de réduire les NOx alors qu’ils ont été formés. Cela nécessite de placer sur le chemin des fumées, un (ou deux en parallèle) réacteur où une réaction de réduction permet d’abattre les NOx à des niveaux acceptables avant le rejet à l’atmosphère.

Le procédé de S.C.R. (Réduction Catalytique Sélective) consiste à réduire les oxydes d’azote présents dans les fumées de combustion par injection d’ammoniac (NH3) ou d’urée [N2H4CO] à l’aide d’un catalyseur. L’azote moléculaire (N2) et l’eau sont les produits de la réaction.

4 NO + 4NH3 + O2 ==> 4 N2 + 6 H2O

Pourquoi a-t-on besoin d’un catalyseur ? Parce que la réaction entre un oxyde d’azote et l’ammoniac n’est pas des plus simples : il faut casser des liaisons fortes (N-O), puis réorganiser les rencontres en atomes, et enfin récréer de nouvelles liaisons.

Le catalyseur grâce à sa surface active offre des chemins réactionnels plus favorables, plus faciles d’accès, abaisse les barrières énergétiques et est plus « sélectif ».

Les limites L’efficacité de cette méthode repose principalement sur le respect du paramètre température, qui doit rester dans une fenêtre idéale (ex : 390-420°C). Cette plage est cependant variable selon le type de catalyseur et les caractéristiques des combustible.

Si la température des fumées au moment où elles atteignent le catalyseur dépasse la température maximale, il y a risque de dégradation physique du catalyseur conduisant à une perte d’efficacité. Si au contraire, la température est inférieure à seuil bas préconisé, on risque de voir apparaître des phénomènes de condensation de composés gazeux avec comme conséquence directe le colmatage du catalyseur et là aussi une perte d’efficacité.

Pour l’industriel qui exploite son installation selon les appels (donc la demande des utilisateurs), cette contrainte est assez limitante : notamment lorsque l’unité démarre ou qu’elle ne fonctionne pas à pleine charge.

Dans ces cas de figure, la fenêtre de température ne sera pas respectée et les NOx ne seront pas réduits de façon suffisante. Le problème est d’autant plus accru, que les unités sont de plus en plus souvent exploitées de façon cyclique avec des phases transitoires de plus en plus fréquentes.

La solution habituellement prévue par le constructeur qui installe la SCR est de prévoir un by-pass du dernier échangeur (économiseur). Ainsi lorsque les températures sont trop basses, les fumées sont acheminées directement vers la SCR, sans passer par le dernier échangeur.

Les émissions de NOx sont donc correctes mais le rendement en prend un coup.

Les récents développements et applications commerciales

Pour éviter de choisir entre rendement et efficacité de la SCR, de récents développements ont vu le jour. Cette nouvelle option consiste à installer des brûleurs de réchauffage dans la conduite en amont de la SCR ce qui permet d’injecter des gaz chauds, à grande vitesse juste avant le catalyseur. L’effet principalement recherché est bien sûr de « remonter » les températures mais d’autres avantages sont obtenus (meilleure uniformisation des températures au sein de la conduite, moindres dépôts sur le catalyseur)

Cette technique a été mise en place en 2011 par le producteur Northern Indiana Public Service Co. (NIPSCO) dans l’une de ses centrales (Bailly Generating Station) ce qui lui permet de respecter les valeurs limites d’émissions de NOx aussi bien pendant les baisses de charges, que pendant les démarrages à froid.

Article d’origine

http://www.powermag.com/scr-reheat-burners-keep-nox-in-spec-at-low-loads/