Optimiser la réduction des NOx dans les procédés industriels de combustion du gaz naturel

Au cours des dernières années, la question du contrôle des NOx, l’un des principaux contaminants atmosphériques, a pris énormément d’importance dans les pays industrialisés. Le resserrement des normes relatives aux émissions et une prise de conscience accrue de l’importance de la qualité de l’air ont amené l’industrie gazière à mettre au point de nouvelles techniques visant à réduire les émissions de NOx produites par la combustion du gaz naturel. Dans cet article, je vous propose un tour d’horizon de ces techniques.

Des techniques efficaces et complémentaires

Les techniques de réduction des émissions de NOx se divisent en deux grandes catégories : celles qui agissent au moment de la combustion et permettent de modifier cette dernière (techniques de modification de la combustion) et celles qui interviennent après la combustion (techniques de postcombustion). Après un survol des mécanismes de formation des NOx et un bref commentaire sur ces deux catégories de techniques de contrôle, nous examinerons plus en détail les techniques de réduction.

La formation des NOx dans les procédés de combustion de gaz naturel

Les émissions de NOx sont composées d’oxyde d’azote (environ 95 %) et de dioxyde d’azote (environ 5 %). Lors de la combustion du gaz naturel, trois mécanismes distincts interviennent dans la formation des NOx :

l’oxydation de l’azote liée chimiquement au combustible (NOx du combustible);
la réaction des hydrocarbures et de l’azote, qui produit une oxydation (NOx instantané); et
l’oxydation de l’azote contenu dans l’air de combustion qui se produit à température élevée (NOx thermique).

De ces trois mécanismes c’est celui du NOx thermique qui contribue le plus aux émissions de NOx, comme le montre le tableau ci-dessous.

Tableau 1 : Formation des NOx selon la source d’énergie

Source d’énergie	NOx thermique	NOx instantané	NOx du combustible	Total
Gaz naturel	85 %	15 %	0 %	100 %
Mazout lourd	30 %	10 %	60 %	100 %

La formation du NOx thermique dépend pour beaucoup de la température; en effet, au-dessous de 1 300 °C, il n’y a pratiquement pas de formation de NOx, alors qu’au-dessus de 1 550 °C, celle-ci est rapide et continue.
Le NOx instantané, pour sa part, est surtout produit pendant la combustion dans les flammes chargées de combustibles d’hydrocarbure. Les émissions de NOx pour le gaz naturel sont exprimées en partie par million (ppm) à 3 % de O².

Techniques de modification de la combustion

Les techniques de modification de la combustion agissent en limitant la quantité de NOx produits à la source (mesures primaires). Pour modifier la combustion, il faut apporter certains changements à la conception du brûleur et de la chambre de combustion et/ou modifier la technique de combustion vive. Ces techniques exigent généralement un investissement moins important que les techniques de postcombustion et leurs coûts d’exploitation sont moins élevés. Elles permettent de réduire les NOx de 50 à 60 %.

Parmi ces techniques, les plus courantes sont la combustion étagée et la réduction de température :

La combustion étagée consiste à modifier les ratios air/combustible au sein de la flamme. On recherchera par exemple une flamme riche en combustible, alors que le contour sera plus riche en air, afin de créer des conditions moins propices à la formation de NOx. En bout de flamme, les ratios se rééquilibrent, ce qui permet d’obtenir une combustion complète avec une plus faible production de NOx.
La réduction de température consiste à introduire une partie des gaz de combustion dans l’air de combustion, ce qui aura pour effet d’abaisser la température de flamme en réduisant l’oxygène disponible.

Techniques de postcombustion

Une fois ces techniques mises en œuvre, il est possible de réduire encore les NOx grâce aux techniques de postcombustion, qui diminuent les émissions dès qu’elles se forment dans la chambre de combustion. Ces techniques permettent de convertir les NOx en produits inoffensifs au moyen d’un traitement chimique (mesures secondaires).

La réduction catalytique sélective

La réduction catalytique sélective (RCS) est actuellement la technique de postcombustion qui offre les meilleurs résultats, avec une réduction des NOx de 80 à 90 %. La RCS nécessite l’emploi d’un réacteur où est emmagasiné le catalyseur (ensemble de particules solides actives). On injecte de l’ammoniac (NH₃) dans les gaz de combustion avant de les introduire dans le réacteur. Le rôle du catalyseur, ou plus précisément du lít catalytique, consiste à réduire la température de la fenêtre où se produit la réaction chimique entre l’ammoniac injecté dans les gaz de combustion et les NOx. Les températures minimales de fonctionnement varient entre 200 °C et 450 °C, tandis que les températures maximales se situent entre 400 °C et 550 °C.

Les catalyseurs utilisés

On emploie actuellement trois types de catalyseurs dans les systèmes RCS :

Le premier, à base d’oxydes métalliques, utilise des oxydes de vanadium de titane incorporés à un substrat de métal ou de céramique. Ces oxydes peuvent également être contenus dans un substrat homogène de céramique. Il s’agit du type de catalyseur le plus courant dans les systèmes RCS.
De plus en plus répandu, le deuxième type de catalyseur RCS est le catalyseur à tamis moléculaire en zéolite. Les NOx et l’ammoniac sont adsorbés et réagissent dans la structure poreuse du catalyseur. Ce dernier permet des températures de fonctionnement supérieures à celles du catalyseur à base d’oxydes métalliques. De plus, il n’y a pas d’encrassement ou de contamination dûs aux résidus du combustible.
Le troisième type de catalyseur est à base de métaux précieux. Il convertit l’ammoniac résiduel en oxydes nitreux, qui ne sont pas considérés comme des NOx selon la définition fédérale. Le monoxyde de carbone y est oxydé simultanément. Les températures de fonctionnement sont sensiblement inférieures à celles des catalyseurs à base d’oxydes métalliques, ce qui rend ce système plus vulnérable à la contamination aux sulfures.

Tableau 2 : Taux de réduction des NOx par rapport aux coûts de fonctionnement

Techniques	Réduction catalytique sélective	Recirculation des gaz
Taux de réduction des NOx (% vol.)	80 à 90 % et plus	60 à 70 %
Coût (K$/tonne NOx)	7 à 16 K$/t	2 à 8 K$/t

Conclusion

La réduction des émissions de NOx est un excellent moyen de diminuer l’empreinte carbone des entreprises et des bâtiments qui utilisent des procédés ou des systèmes de chauffage au gaz naturel. En déployant des techniques complémentaires et reconnues pour leur efficacité comme celles que nous avons abordées dans cet article, elles peuvent contribuer durablement à leurs cibles de décarbonation tout en rentabilisant leur investissement à long terme.

Éric Émond, ing. CEM.
Conseiller principal expertise énergétique
Groupe DATECH – Développement et assistance technique

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