Cours - Effluents Gazeux - ENSAM [PDF]

Zitiervorschau

14/06/2022

Université Mohammed V Ecole nationale supérieure d’Arts et Métiers

FI: GMQE – Semestre 4 (S4)

Traitement des Effluents Gazeux

Mrs. Nour-eddine TOUACH / A. BENZAOUAK

I. Composition de l’atmosphère II. Origine des principaux polluants de l'air III.Impact des pollutions de l’air (climat et santé) IV.La Règlementation

Traitement des Effluents Gazeux

V. Traitement des rejets gazeux SO2, NOx, CO, COV

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I. Composition de l’atmosphère

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EFFLUENTS GAZEUX

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fractions émises dans l’atmosphère à la suite d'un processus industriel, échappement de véhicules et ou toutes activité humaine rejetant un gaz dans l’air.

Généralement constitués d'air contaminé par des composés organiques volatils (COVs), des poussières, des composés nitreux ou sulfurés, du dioxyde ou du monoxyde de carbone et/ou des métaux volatils.

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : NATURE, SOURCES ET IMPACTS

Pollution de l’air (atmosphérique)? La présence de contaminants ou de substances polluantes dans l'air qui interfèrent avec la santé ou le bien-être de l'homme ou produisent d'autres effets environnementaux nocifs. Agence américaine de protection de l'environnement (2007) “Terms of Environment: Glossary, Abbreviations and Acronyms”

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L’ATMOSPHÈRE

TERRESTRE EST

UN RÉACTEUR PHOTOCHIMIQUE COMPLEXE

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L’ATMOSPHÈRE?

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L’atmosphère ou ce qu’on appelle l’air c’est un élément très important pour la vie: On rentre dans notre corps à peu près de 0,5 à 1,2 m3h-1 (14 Kg d’air/jour) Réservoir présentant la plus petite masse volumique=1,17Kg.m-3 à 15°C/1bar Modification rapide de sa composition avec l’apport de polluants. Compartiment important pour le transport des polluants (il joue un rôle clé pour la dispersion des polluants, car ils n’ont pas de frontières)

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L’ATMOSPHÈRE?

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L’atmosphère du grec « atmós » = vapeur + « sphaîra » = globe, c’est une enveloppe fine d’air entourant la couche terrestre. Il se compose de gaz mais il se comporte comme un fluide. Elle s’étale du sol à plus de 10.000 km d’altitude. Elle se divise en plusieurs couches. Structure de l'atmosphère ? https://www.youtube.com/watch?v=uWYzKPQOa14

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L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

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Séparation en plusieurs couches, en se basant sur la T° qui n’est pas linéaire en fonction de l’altitude. • • • • • •

Couche limite(tropopause, stratopause, mésopause…) Troposphère Stratosphère Mésosphère Thermosphère Exosphère

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Profil vertical de température

L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

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la troposphère pour les altitudes inferieures à 8 km au-dessus des pôles, 18 km au-dessus de L’équateur.

La température y est décroissante jusqu'à 220 K au-dessus des pôles (190K audessus de l'équateur). Le gradient moyen de température est de l'ordre de -6.5 K km-1 ; la stratosphère jusqu'à 50 km. La température est d'abord constante puis croit jusqu'à environ 270 K, du fait de l'absorption par l'ozone (O3) et par l’oxygène moléculaire (O2) du rayonnement solaire ultraviolet (UV). L'existence de cette couche d'inversion est une caractéristique essentielle de la Terre ; la mésosphère jusqu'a 85-90 km. La température décroit jusqu'à 170 K (le point le plus froid de l'atmosphère), du fait de la raréfaction de l'ozone et de l’oxygène ; enfin la thermosphère puis l'ionosphère (jusqu'à environ 150 km). www.yourwebsite.com

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COMPOSITION DE L’ATMOSPHÈRE TERRESTRE

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Diazote (N2) : 78.01 % Dioxygène (O2) : 20.95 % Argon (Ar) : 0.93 %

Autres

Ar

O2

78.01 % + 20.95 % + 0.93 % = 99.89 %

N2

N2 O2 Ar Autres

0.11 % = Autres gaz traces (Dioxyde de carbone (CO2), méthane (CH4), ozone (O3), oxydes d’azote (NO), etc.)

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : NATURE, SOURCES ET IMPACTS

Les polluants Polluants primaires : • émis directement dans l'atmosphère - gaz (CH4, CO2, CO, N2O...) - particules (aérosols, poussières désertiques...) Polluants secondaires : • résultent de transformations chimiques - ozone troposphérique (O3)

Origine :  naturelle  anthropique www.yourwebsite.com

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : NATURE, SOURCES ET IMPACTS

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Les pollutions atmosphériques se distinguent selon les espèces considérées, On peut citer notamment : ◎le dioxyde de soufre (SO2), sous forme gazeuse, lié par exemple à la combustion du charbon ou du fuel ;

• les espèces liées à la photochimie : ozone (O3) et oxydes d'azote (NO et NO2 ; Nox), composés organiques volatils (COVs), sous forme gazeuse ; • les métaux lourds (plomb, cadmium, zinc…) liés à des activités industrielles, sous forme particulaire ; • le mercure (Hg) sous forme gazeuse ou dissoute ; • les aérosols (particules) composés d'un mélange de sulfate (SO42particulaire), d'ammonium (NH4+ particulaire), de nitrate (NO3particulaire), • les radioéléments, d'origine naturelle (comme le radon Rn), liés à des essais nucléaires (radioéléments « militaires » comme le strontium, Sr), à des accidents sur les centrales nucléaires (iode I et césium Cs) ou à des procédures de fonctionnement dans les centrales civiles (krypton Kr) ;

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : IMPACTS

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L’impact de pollutions atmosphériques a été démontré depuis le grand smog de Londres 1952 (12000 morts). La population brûlaient plus de charbon de mauvaise qualité (Soufre) que la coutume contre le froid Ces effets sur l'environnement (Homme, faune, flore, bâtiment, climat,..) peuvent être ressentis à différentes échelles géographiques: 1. Au niveau local

Détériorations des écosystèmes (on utilise généralement des bio-indicateurs comme outils d’évaluation de la qualité de l’environnement (espèces végétales ou animales)

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : IMPACTS

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : IMPACTS

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PRINCIPALES POLLUTIONS ATMOSPHÉRIQUES : IMPACTS

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1. Au niveau global (la pollution de l’air n’a pas de frontière)

•

Influence direct ou indirect sur le climat •

Le trou dans la couche d’ozone

•

Le

réchauffement

ou

dérèglement

climatique

(Concentration de gaz à effet de serre  fonte des glaciers augmentation des niveau de mers

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS INDUSTRIELS  Composition de l’atmosphère Origine des principaux polluants de l'air  Impact des pollutions de l’air (climat et santé) La Règlementation

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REGLEMENTATION synthèse des documents règlementaires. http://www.environnement.gov.ma/fr/air/118 -theme/air/210-cadre-juridique-pour-la-luttecontre-la-pollution-de-l-air

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS INDUSTRIELS  Composition de l’atmosphère Origine des principaux polluants de l'air  Impact des pollutions de l’air (climat et santé) La Règlementation Traitement des rejets gazeux SO2, NOx, CO, COV Techniques de dépoussiérage    

Dépoussiéreurs mécaniques Dépoussiéreurs humides Dépoussiéreurs à couches filtrantes Électrofiltres

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE SO2

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Abaissement des émissions de SO2 ? utilisation de gaz naturel élimination du soufre dans les fiouls élimination du SO dans les effluents gazeux dispersion des effluents au moyen de cheminées élevées !. Valeurs limites recommandées par l’OMS pour l’émission dans l’air de dioxyde de soufre (SO2) • 20 μg/m3 moyenne sur 24 heures • 500 μg/m3 moyenne sur 10 minutes Impact: Santé: Affectation du système respiratoire, du fonctionnement des poumons et il provoque des irritations oculaires, l'asthme, des bronchites chroniques et une sensibilisation aux infections respiratoires. Augmente le nombre des admissions à l'hôpital pour des cardiopathies et la mortalité…etc. Environnement: Pluies acides (H2O+SO2 =H2SO4) qui est à l'origine de phénomènes de déforestation.

REMPLACEMENT DE COMBUSTIBLES LIQUIDES OU SOLIDES PAR DU GAZ NATUREL

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Gaz naturel = CH

Carbone réduit ⇒ S est aussi réduit ⇒H2 S

Epuration très aisée Ex: procédé Claus

H2S+ 3/2O2  SO2 + H2O SO2 + 2H2S  2H2O + 3S Rentabilisation par la valorisation du produit final (S)

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DÉSULFURATION DES FIOULS

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Le fioul lourd renferme d'importantes quantités de S (> 4 %) On estime que toutes les molécules renferment un ou plusieurs atomes de S vraisemblablement sous forme de composés thiophéniques complexes. En raison de la solidité des liaisons S - C dans ces dérivés la désulfuration est un problème délicat La distillation n'est pas suffisante pour couper S - C. La solution : hydrogénation catalytique (désulfuration directe)

Principe : on rompt les liaisons C - S par un traitement catalytique à l'hydrogène.

H2 S récupéré et éliminé par simple lavage à l’eau

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOX

◎Dioxyde d’azote (NO2) ◎Valeurs limites recommandées par l’OMS de NO2 40 μg/m3 moyenne annuelle 200 μg/m3 moyenne horaire ◎Les émissions anthropiques de NO2 proviennent principalement de la combustion (chauffage, production d'électricité, moteurs des véhicules automobiles et des bateaux). ◎Effets sur la santé Les études épidémiologiques ont montré que les symptômes bronchitiques chez l'enfant asthmatique augmentent avec une exposition de longue durée au NO2. On associe également une diminution de la fonction pulmonaire aux concentrations actuellement mesurées (ou observées) dans les villes d'Europe et d'Amérique du Nord.

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Les NOx (souvent NO et NO2) participe fortement à la pollution de l’air et le terme NOX renvoie à la combinaison des gaz présentant une facilité d’interconversion mutuelle en présence d’oxygène. Ces deux gaz ne sont pas les seuls, formellement le terme général « oxydes d’azote » englobe les composés suivants: NO2, N2O2, N2O4, N2O, N2O3, N2O5 et NO3, ce dernier étant instable. Les NOx se forment en présence d’azote et d’oxygène dans l’air à des températures ≥ 1200 ºC . ◎Impact: oDestruction de l’ozone atmosphérique oContribution à l’effet de serre oProduction de pluie acide oGénération de smog photochimique

MINIMISATION DES NOx

 Les NOx peuvent être minimisés par la réduction de : température d’exploitation durée de résistance des gaz(La

plupart des unités thermiques sont conçues pour ne pas fournir plus d'une seconde de temps de séjour au gaz résiduaire à des T° élevées), notamment

l’azote, dans la zone de combustion où les températures sont élevées.(t=Vreacteur/Qv) rapport oxygène-combustible. En réduisant l’excès d’oxygène, la génération de NOX est considérablement baissée.

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EFFLUENTS GAZEUX

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Quiz 1. Comment est divisé l’atmosphère terrestre et quels sont les éléments de l’atmosphère?

2. Quelles sources de pollution produisent du SO2 et pourquoi le SO2 est un

gaz à effet de serre?

TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Réduction de NOx par H2 ou CH4 . On distingue :  la décoloration qui réduit  la réduction complète N2

NO2

→ NOx

NO →

Réactions catalysées Le coût du traitement dépend  du gaz réducteur utilisé  de la durée de vie des catalyseurs employés

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Absorption par réaction chimique l’absorption des NOX par une réaction chimique en phase liquide en utilisant H2SO4. lequel réagit avec les Nox pour former (NO)HSO4 (acide nitrosylsulfurique), qui reste dans la phase liquide. En cas de forte pression (2 atm) et de basse température (35 ºC) les NOX sont absorbées dans la phase liquide. Le processus peut être inversé avec une forte température (180ºC) et une basse pression (0,5 atm) ; dans ces conditions, la molécule azotée (désormais HNO3 à cause de la présence de l’eau) est séparée de l’acide sulfurique, qui peut être réutilisé. Inconvénient du processus: manipulation des réactifs chimiques corrosifs et dangereux, et requiert de l’espace. Efficacité moins élevées, la technique est recommandé pour des charges faibles de NOx

TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Réduction par réaction sélective non catalytique (SNCR) conversion des Nox en azote par une réaction chimique non catalytique à des températures de 850-1100 ºC. La température de travail dépend directement de l’agent réducteur utilisé, souvent l’ammoniac ou l’urée. Elle est souvent utilisée dans de petits chauffe-eau industriels, car des grandes installations avec ces température sont couteuses. La machine de SNCR ne requiert beaucoup d’espace, facile à installer et à exploiter. Toutefois, son efficacité est modérée, elle est valable pour les basses émissions de NOx .

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Réaction en phase gazeuse homogène entre 4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2 O 4NH3 + 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2 O 1 CO(NH2 ) + 2NO + O2 → 2N2 + 2H2 O + CO2 2 𝟖𝟓𝟎°𝐂 ≤ 𝐓 ≤ 𝟏𝟎𝟎𝟎°𝐂 3 1 Si T ≥ 1000°C NH3 + O2 + H2 O → NO + 2H2 O 2 2 Si T ≤ 𝟖𝟓0°C NH3 ne réagit pas

A forte concentration de NOx (200 à 400 mg/m3) 80% d’efficacité pour NH3/ NO = 1 A faible concentration de NOx (< 200 mg/m3) NH3/NO doit être = 1.5 à 3 ⇒ Problème de rejet de NH3 dans l’atmosphère

TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx Réduction par réaction chimique catalytique sélective (SCR)(R> et pas de déchet) Même réaction: Réduction sélective EN PRÉSENCE d’un catalyseur et l’agent réducteur (dissolution aqueuse d’ammoniac ou d’urée, ou ammoniac liquéfiée) est oxydé en azote, en réduisant la température à 300-400 ºC. Ces températures dépendent de plusieurs facteurs, en particulier le catalyseur utilisé (V2O5,

WO3, MoO3 ou Cr2O3 sur TiO2, Zéolithe, Oxydes de fer enveloppés d’une fine couche de phosphate de fer, Charbon actif) qui est sensible aux poussières, alcalinoterreux sulfate d’ammonium qu’il faut les éliminer pour éviter son empoisonnement-durée de vie du cata a un cout aussi) Le processus utilisant NH3 liquéfiée est moins couteux, MAIS une GESTION STRICTE de NH3 liquéfiée est OBLIGATOIRE parce qu’il est très corrosif et très explosif en présence d’oxygène.

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TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE NOx ◎Température optimum 300 - 400 °C de manière à éviter la formation de sulfate d’ammonium. ◎De grande efficacité obtenue à des rapport élevés de NH3/NOX. Toutefois, l’excès d’ammoniac gaspillé dans le courant de gaz augmentera aussi. Cette perte doit être minimisée, car l’excès de NH3 réagit en présence d’eau avec le SO3, pour produire du bisulfate d’ammonium (NH4HSO4), qui est corrosif et qui salit les installations. Il faut minimiser ce rapport pour une exploitation optimale ◎En effet si du soufre est présent dans le combustible SO3 + H2 O → H2 SO4 H2 SO4 + NH3 (g) → (NH4 )HSO4 (s; l) NH4 )HSO4 + 2NH3 (g) → (NH4 )2SO4(s; l

Efficacité de conversion de NOx en N2 # 80%

TRAITEMENT DES EFFLUENTS DE DIOXINES Les dioxines sont des polluants organiques persistants (POPs) d’origine industriel et/ou naturels (volcaniques ou les feux de forêts). OMS « 419 composés apparentés à la dioxine mais on considère que seulement trente d'entre eux ont une toxicité marquée, la TCDD étant la plus toxique ». Usines d’incinération Permettent de traiter les dioxines

C12 H n Cl18-n O + (9 + 0.5n)O 2  (n -4) H 2 O+12CO 2 +(8 -n)HCl

2,3,7,8 tétrachlorodibenzo-p-dioxine (TCDD) : dioxine de Sévéso

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TRAITEMENT DES COVS COMPOSÉS ORGANIQUES VOLATILS

TRAITEMENT DES COVS COMPOSÉS ORGANIQUES VOLATILS Les composés organiques volatils (COVs) reste parmi les vrais problématiques de pollutions atmosphériques. Leurs émissions industrielles sont considérées toujours trop élevées, malgré tous les efforts pour les réduire depuis 1990. Ils sont caractérisés par une faible concentration dans des débits importants.

CE SONT DES composés organiques, à l’état gazeux ou à l’état liquides, très VOLATILES À TEMPÉRATURE AMBIANTE. (nombre de C