Les réglementations européennes en matière d'émissions ne cessent de se durcir, et les oxydes d'azote (NOx) figurent en tête de liste. Les exploitants doivent éliminer les NOx avec une grande précision et une grande efficacité, tout en réduisant au minimum les fuites d'ammoniac. Ce résultat dépend en grande partie, avant même que le réactif n'atteigne le catalyseur, de la manière dont il est pulvérisé.
Pourquoi la réduction des NOx est plus importante que jamais en Europe
Les NOx se forment lors de la combustion à haute température. Cela pose un défi dans la fusion du verre, les fours à ciment, les usines de valorisation énergétique des déchets, la production d’électricité et la sidérurgie. Les limites d’émissions ne cessent de se resserrer, et les lignes directrices européennes relatives aux meilleures techniques disponibles (MTD) exigent des exploitants qu’ils atteignent de faibles niveaux de NOx sans créer de nouveau problème. Ce nouveau problème, c’est le « slip d’ammoniac » : l’ammoniac n’ayant pas réagi qui s’échappe du système lorsque le réactif est mal dosé ou mal réparti.
SCR et SNCR : deux voies, une dépendance commune
Ces deux méthodes consistent à injecter un réactif, généralement de l’urée ou de l’eau ammoniacale, dans les gaz de combustion.
- SNCR (réduction non catalytique sélective) : le réactif est injecté dans la zone chaude du four ou de la chaudière, généralement à une température comprise entre 850 et 1 100 °C. Il réagit avec les NOx sans catalyseur.
- SCR (réduction catalytique sélective) : le réactif est injecté en amont d’un catalyseur, généralement à une température comprise entre 300 et 400 °C. La réaction se produit sur le catalyseur.
Le matériel et les températures diffèrent, mais le principe reste le même. Le réactif doit être bien atomisé, réparti uniformément et entièrement mélangé au gaz au bon moment. C’est là tout le défi de la pulvérisation. Pour une vue d’ensemble plus complète, consultez notre article sur les solutions de technologie de pulvérisation pour le contrôle des NOx.
Pourquoi la buse fait toute la différence
Les buses de pulvérisation transforment le réactif liquide en gouttelettes afin qu’il puisse se disperser, s’évaporer et réagir avec les NOx. Cinq variables déterminent les performances : la taille des gouttelettes, leur répartition, la vitesse, l’angle de pulvérisation et la direction de pulvérisation. Lorsqu’elles ne sont pas optimales, on observe souvent :
- Des gouttelettes trop grosses qui s’évaporent trop lentement, ce qui fait que le réactif peut atteindre le catalyseur sous forme liquide
- Une mauvaise pénétration, qui laisse une partie du flux gazeux non traitée
- Un jet qui vient heurter les parois des conduits, ce qui peut entraîner la formation de dépôts et de l’usure
- Un mélange irrégulier à charge partielle, ce qui augmente le glissement d’ammoniac
Un système d’injection bien conçu vise à :
- Une répartition homogène du réactif dans la conduite
- Une pénétration et un mélange optimisés
- Un faible échappement d’NH₃ dans toutes les conditions de charge
- Des positions de buses qui limitent l'impact sur les parois du conduit
Étude de cas : une verrerie à Pise, en Italie
Une verrerie de Pise devait réduire ses émissions de NOx d’environ 1 600 mg/Nm³ à moins de 300 mg/Nm³ à l’aide d’un système SCR utilisant de l’eau ammoniacale. Seuls 13 mètres de conduit droit étaient disponibles pour la réaction, et la consommation d’air d’atomisation devait rester faible. Une simulation par dynamique des fluides computationnelle (CFD) a montré que les buses d’atomisation à air FloMax® FMX030 pouvaient évaporer entièrement l’eau ammoniacale sur cette longueur. Deux lances équipées de buses FMX030 ont été installées.
- Avant : environ 1 600 mg/Nm³
- Après : moins de 300 mg/Nm³
- Longueur de conduit disponible : 13 m
- Buses : FloMax® FMX030 sur deux lances
- Conformité maintenue depuis mi-2019
Modéliser d’abord, puis installer
Le résultat obtenu à Pise est le fruit d’une simulation préalable à la construction. Une approche type comporte trois étapes :
- Simulation CFD de l'écoulement du gaz et du comportement de la pulvérisation
- Modélisation des performances en matière d’émissions
- Optimisation et mise en service sur site
Données utiles à collecter : température des gaz, débit, longueur de conduit droit disponible, type de réactif, plage de charge, ainsi que les niveaux cibles de NOx et de glissement.
Une fois l’injection mise en place, une régulation en boucle fermée la maintient à ce niveau. Le système de contrôle des NOx AutoJet® analyse les données fournies par le capteur de NOx et ajuste automatiquement les débits de liquide et d’air vers les buses, afin de garantir des performances constantes même en cas de variation de charge. Il fonctionne avec des buses à atomisation pneumatique et à pulvérisation hydraulique, ainsi qu’avec des lances. Pour en savoir plus, consultez notre page consacrée aux applications de contrôle des NOx.
Au-delà des NOx : refroidissement et conditionnement des gaz
L’injection de réactifs constitue souvent une étape d’une chaîne plus large de traitement des gaz de combustion. Cette expertise en matière de pulvérisation s’applique également à :
- Refroidissement et trempe dans les conduits
- Le contrôle de la température en amont des filtres à manches, des précipitateurs électrostatiques (ESP) et des échangeurs de chaleur
- Élimination du SO₂
- Les tours de refroidissement
- Refroidissement et conditionnement des gaz
Ces applications concernent tous les secteurs, de la sidérurgie et des métaux non ferreux à la fabrication du ciment et à la valorisation énergétique des déchets. Consultez également notre article expliquant pourquoi les buses de pulvérisation sont indispensables à un processus de refroidissement performant, ou découvrez toutes les applications de pulvérisation.
Foire aux questions
Quelle est la différence entre les procédés SCR et SNCR ?
Le procédé SCR injecte de l’urée ou de l’ammoniac en amont d’un catalyseur à une température comprise entre environ 300 et 400 °C. Le procédé SNCR injecte ces substances directement dans la zone chaude du four, à une température comprise entre environ 850 et 1 100 °C, sans catalyseur. Le procédé SCR permet généralement d'atteindre un taux d'élimination des NOx plus élevé, tandis que le procédé SNCR ne nécessite aucun catalyseur.
Qu’est-ce que le « slip d’ammoniac » ?
Le « slip d'ammoniac » correspond à l'ammoniac n'ayant pas réagi qui quitte le système avec les gaz de combustion. Il est généralement dû à un surdosage, à une répartition inégale ou à un mauvais mélange. Un bon choix et un bon positionnement des buses permettent de le limiter.
Pourquoi la taille des gouttelettes est-elle importante pour la réduction des NOx ?
La taille des gouttelettes détermine la vitesse d’évaporation du réactif et la profondeur de sa pénétration dans le flux gazeux. Les gouttelettes fines s’évaporent rapidement, ce qui est essentiel lorsque le réactif doit être entièrement évaporé avant d’atteindre le catalyseur SCR. Les gouttelettes doivent également disposer d’une impulsion suffisante pour atteindre toute la section transversale du conduit.
Comment la CFD est-elle utilisée dans le contrôle des NOx ?
La simulation CFD modélise l’écoulement des gaz et le comportement de la pulvérisation, y compris l’évaporation des gouttelettes, à l’intérieur de la géométrie réelle de la conduite. Elle aide à choisir le type et la position des buses avant leur installation. À Pise, elle a confirmé une évaporation complète sur une longueur de 13 mètres de conduite droite.
La même technologie de pulvérisation peut-elle être utilisée pour le refroidissement des gaz ?
Oui. Les buses et les lances sont également utilisées pour le refroidissement et la trempe en conduite, le contrôle de la température en amont des filtres à manches et des précipitateurs électrostatiques (ESP), l’élimination du SO₂ et le conditionnement des gaz.
Vous souhaitez valider votre configuration d’injection avant la construction ? Contactez votre expert local en pulvérisation pour discuter d’une analyse CFD.