Les risques de formation d'ABS avec la SCR

La SCR, il en a déjà été question sur ce blog. Je vous invite à relire ce post sur le sujet.

La réduction des oxydes d'azote s'effectue lorsque les fumées de combustion chargées d'ammoniac passent à travers la chambre de catalyse comme le montre la figure ci-dessous.

Le type de catalyseur utilisé est la clé d'une bonne efficacité.

Les critères de choix des catalyseurs sont :

• activité élevée,

• grande sélectivité,

• résistance chimique (halogènes, métaux lourds …),

• stabilité mécanique (contre l'érosion),

• faible perte de charge,

• durée de vie importante,

• facilité de mise en place,

La plupart des applications de la technique SCR utilisent des catalyseurs à base de métal. Ce sont des catalyseurs supportés dans lesquels la matière active est déposée sur un support inerte.

Il s'agit en général d'oxyde de titane (support) avec de petites quantités de vanadium, molybdène, tungstène ou une combinaison de plusieurs autres réactifs chimiques. Les composants le plus actifs sont l'oxyde de vanadium (V2O5) et l’oxyde de tungstène (WO3).

Ces catalyseurs sont en général sélectifs et opèrent dans une gamme de température bien spécifique.

L'inconvénient majeur des catalyseurs à base de métal est l'existence de réactions secondaires : ils peuvent permettre l'oxydation de SO2 présent dans les gaz en SO3. Ce dernier composant peut ensuite réagir avec l'ammoniac et donner naissance à des sels d'ammonium.

L'utilisation de catalyseur où le taux de conversion de SO2 en SO3 est inférieur à 1% permet d'éviter ou de limiter la formation de sulfate d'ammonium. Ceci est surtout lié à la teneur en vanadium dans la formulation du catalyseur.

Les réactions

• La SCR fonctionne généralement bien dans des conditions stationnaires. Mais des retours d’expérience d’exploitation (USA) montrent qu’il existe toujours un excès de réactif lors de rapides réductions de charge ou à charge constante, lors d’une modification de la configuration de chauffe (broyeur mis hors-service).

• SO3 peut réagir avec un excès de NH3 selon les réactions (favorisées à basse température) :

• 2 SO3 + 2 NH3 + H2O → (NH4)2 SO4 sulfate d’ammonium

• SO3 + NH3 + H2O → (NH4) HSO4 bisulfate d’ammonium (ABS)

Le sulfate d’ammonium se présente sous forme de fines particules sèches (1 à 3 µm en diamètre) pouvant contribuer à la formation de panaches.

• La formation d'ABS dépend des concentrations de réactifs et de la température.

Le problème avec le bisulfate d'ammonium (ABS)

Le bisulfate d’ammonium est un composé très acide, visqueux et collant qui peut se déposer et endommager l’équipement. Même si les conditions "dégradées" ne se produisent que quelques minutes par jour, le risque de dépôt de bisulfate d’ammonium sur le réchauffeur et le catalyseur lui-même peut être élevée et la contamination des cendres volantes par excès d’ammoniac également.

Les catalyseurs présentent généralement une grande surface spécifique (liée à une porosité élevée). Or le dépôt d'ABS à sa surface bloque les structures poreuses et empêche l'ammoniac de venir s'y adsorber.

En ce qui concerne le réchauffeur d'air, les dépôts se forment en général sur le côté froid et conduisent avec le temps à un vrai colmatage : perte d'efficacité dans l'échange de chaleur, et augmentation de la perte de charge. L'ABS liquide qui s'y forme a également tendance à capturer des particules de cendres. A terme, la corrosion est même à craindre.

Les études récentes sur le sujet

Ces dernières années, pas mal de travaux de recherche se sont consacrés aux conditions de formation de l'ABS. Il en ressort un certain nombre de résultats qu'il peut être utile de connaître. En voici quelques uns (l'étude synthèse complète est donnée en référence en bas de ce post).

Il semble que la vitesse de formation du bisulfate soit plus rapide que le sulfate (alors que ce dernier pose moins de problèmes).

Quant à la température de formation d' l'ABS, elle dépend de plusieurs facteurs tels que la fuite d'ammoniac, la concentration en SO3, la teneur en cendres... Environ 30 % de l'ABS formé se dépose sur le réchauffeur d'air. Le reste est évacué avec les fumées sous forme d'aérosol.

La température de condensation de l'ABS fluctue dans une certaine fenêtre, en général entre 270 - 320 °C, il faut donc se trouver au-dessus de cette gamme. Mais si la dérive est de courte de durée, le dépôt est généralement réversible : en augmentant la température au-delà du point de rosée, l'activité du catalyseur peut être restaurée.

Pour éviter les problèmes, les précautions les plus efficaces sont celles qui sont prises dès le design de l'installation en s'assurant par exemple d'une bonne distribution des flux de fumées à l'entrée du réacteur. Mais en cas d'inhomogénéité prévue les simulations de la dynamique des fluides (CFD), la grille d'injection d'ammoniac pourra être optimisée en conséquence (au niveau de chaque buse). Ainsi, la quantité d'ammoniac en excès peut être réduite.

Il pourra parfois même être judicieux de prévoir un matériau spécial, sur la partie du réchauffeur d'air qui seraient les plus sensibles au dépôt d'ABS.

Référence : Zhou et al., "Research Progress on Ammonium Bisulfate Formation and Control in the Process of Selective Catalytic Reduction", Environnemental Progress & Sustainable Energy, Vol 35, No 6, 2016