Les mesures secondaires réduisent les émissions par le traitement des polluants déjà émis et présents dans les effluents gazeux contrairement aux mesures primaires qui réduisent les émissions à la source.

Les mesures secondaires de réduction des émissions d'oxydes d'azote consistent à injecter un réactif promoteur de NHi (principalement urée ou ammoniac) dans les fumées. Les réactions de réduction ont lieu en présence, ou non, d'un catalyseur.

 

SCR

La Réduction Catalytique Sélective (SCR) est un procédé catalytique permettant de réduire les émissions d'oxydes d'azote. De l'urée ou de l'ammoniac, précurseur de NHi, est injecté dans les fumées en amont du réacteur SCR où se trouve le catalyseur. L'agent de réduction est d'abord vaporisé puis ensuite mélangé à de l'air avant d'être injecté dans les fumées. Les oxydes d'azote sont ensuite réduits par le réactif injecté pour former de l'azote moléculaire (N2) et de l'eau (H2O). Les réactions chimiques suivantes se produisent à la surface du catalyseur :

En utilisant de l'ammoniac comme agent réducteur :

4 NH3 + 4 NO + O2 → 4 N2 + 6 H2O

8 NH3 + 6 NO2 → 7 N2 + 12 H2O

En utilisant de l'urée comme agent réducteur :

2 (NH2)2CO + 4 NO + O2 + 2 H2O → 4 N2 + 6 H2O + CO2

4 (NH2)2CO + 6 NO2 + 2 H2O → 7 N2 + 12 H2O + 4 CO2

La SCR permet d'atteindre des réductions des émissions d'oxydes d'azote très élevées, pouvant aller jusqu'à 90 % dans les conditions optimales. L'efficacité moyenne de cette mesure est de 70 % dans les installations existantes.

L'efficacité de cette technique dépend des paramètres suivants :

    • la température des lits catalytiques ;
    • le ratio NH3/NOX ;
    • la qualité du mélange agent réducteur / fumées ;
    • le type de catalyseur.

Température

Pour un fonctionnement optimal, la température doit être comprise entre 250°C et 380°C afin de favoriser la réaction de réduction des NOX en N2 et H2O. Cette température varie selon les catalyseurs.

Ratio NH3/NOx

La quantité d'agent réducteur injectée dépend de la quantité de NOx à réduire. Plus le ratio NH3/NOx est élevé, plus le traitement des émissions est efficace mais plus les émissions du NH3 n'ayant pas réagi (fuites de NH3) peuvent être élevées. Le ratio NH3/NOX doit rester proche de 1 pour à la fois permettre la réduction des oxydes d'azote et limiter les fuites de NH3.

Mélange agent réducteur / fumées

L'injection de l'agent réducteur doit permettre un mélange homogène entre celui-ci et les fumées issues de la combustion. L'homogénéité du mélange permet de réduire plus efficacement les émissions de NOX et également de diminuer les fuites de NH3. La conception des buses d'injection joue donc un rôle important dans la réduction des émissions.

Catalyseur

Les catalyseurs les plus utilisés sont des mélanges d'oxydes métalliques, des oxydes de fer, des zéolithes cristallines et du charbon actif. Le catalyseur le plus généralement utilisé est un mélange d'oxydes métalliques : oxyde de titane TiO2 et oxyde de vanadium (V2O5).

Chaque catalyseur opère à des températures différentes, sur un volume de gaz différent et sur une surface spécifique différente. Les catalyseurs à base de métaux précieux (platine, rhodium) ont une température de fonctionnement comprise entre 175 et 290°C tandis que les catalyseurs à base d'oxydes métalliques ont une plage de températures de fonctionnement plus élevée : de 260 à 450°C. Les zéolithes ont une température de fonctionnement encore plus importante.

Les catalyseurs sont contenus dans un réacteur catalytique métallique calorifugé qui peut contenir jusqu'à plusieurs dizaines de m3 de catalyseur répartis sur différentes couches (jusqu'à quatre).

Il existe des catalyseurs de différentes formes géométriques. Les formes géométriques les plus répandues sont :

    • Les catalyseurs en plaque : généralement utilisés avec des fumées chargées d'importantes quantités de poussières (combustion de charbon, etc.). Ce type de catalyseur est en effet moins sensible à l'érosion et aux dépôts de poussières.
    • Les catalyseurs alvéolés, aussi appelés « nid d'abeille » : utilisés avec des procédés moins émetteurs de poussières. Ce type de catalyseur est moins résistant aux dépôts de poussières qui diminuent fortement son efficacité et sa durée de vie mais permet d'atteindre des surfaces spécifiques plus importantes.
    • Les catalyseurs en granulés : principalement du charbon actif.

Le dimensionnement et le choix du catalyseur dépendent notamment de la teneur en poussières des fumées, des caractéristiques de ces poussières et de la chute de pression admissible à travers l'équipement de réduction. Pour un fonctionnement optimal du procédé, les dépôts de poussières doivent être évités au maximum et la perte de charge (chute de pression) doit être limitée.

Les métaux lourds et le bisulfate d'ammonium, composé collant issu d'une réaction entre des oxydes de soufres et de l'ammoniac (NH3) entraînent la détérioration et la désactivation des catalyseurs.

La durée de vie des catalyseurs ne dépend pas uniquement de leur composition, mais également des combustibles utilisés, des caractéristiques de l'installation de combustion, de la concentration de NOx à traiter et du ratio NH3/NOx.

La durée de vie des catalyseurs, estimée dans le document de référence sur les meilleures Techniques Disponibles (BREF) sur les grandes installations de combustion, est comprise entre six et dix ans quand il s'agit de fumées provenant de la combustion de charbon et entre huit et douze ans pour des fumées issues de la combustion de gaz ou de fioul. Des procédés de régénération et de réactivation permettent d'allonger la durée de vie des catalyseurs ou de les renouveler, tout en retardant le changement de ces derniers.

Pour permettre la réduction des oxydes d'azote formés lors de la combustion, le réacteur SCR doit être intégré sur le circuit des fumées, en amont des cheminées. Il existe trois principales configurations d'intégration du réacteur SCR :

    • configuration « high dust » : le réacteur se trouve en amont de tous les systèmes de traitement des fumées. Les fumées traversant les catalyseurs contiennent alors des oxydes de soufre et des particules. Un catalyseur de type plaque est alors privilégié car moins sensible aux poussières et à l'abrasion. Cette configuration est principalement utilisée pour la combustion de charbon,
    • configuration « low dust » : le réacteur se trouve en aval de l'unité de traitement des poussières et en amont des autres unités de dépollution des fumées. Le dépoussiérage permet de prolonger la durée de vie du catalyseur, puisqu'il limite l'érosion et le dépôt des particules. Néanmoins, la fumée reste chargée en oxydes de soufre pouvant former du sulfate d'ammonium et détériorer le catalyseur. Le dépoussiérage étant effectué à haute température, cette configuration est plus coûteuse que la configuration « high dust »,
    • configuration « tail gas » : le réacteur est placé en aval de tous les systèmes de traitement des fumées. Cette configuration limite la détérioration du catalyseur par les poussières et les composés soufrés et permet l'utilisation d'un volume plus faible de catalyseur. L'inconvénient de la configuration « tail gas » est que les fumées doivent être réchauffées en amont du réacteur afin d'atteindre la température de fonctionnement du catalyseur. Ceci nécessite généralement une consommation d'énergie supplémentaire,

La SCR est considérée comme un procédé coûteux à la fois pour les installations nouvelles et les installations existantes. Cela s'explique notamment par le coût du catalyseur. En effet, le coût engendré par le catalyseur, son entretien et son renouvellement occupe une part très importante dans le coût total de la mesure. Ce coût dépend de la quantité de NOx à réduire, de la taille de l'installation, et du choix de la configuration d'intégration du réacteur SCR.

 

SNCR

La réduction sélective non catalytique est une mesure secondaire permettant de réduire les oxydes d'azote formés lors de la combustion. Le principe de réduction des émissions est comparable à celui de la SCR mais sans l'utilisation du catalyseur. La technique consiste en l'injection d'un agent réducteur à la sortie de la chambre de combustion. Les agents communément utilisés sont l'urée et l'ammoniac. Cette réaction a lieu à haute température (850 à 1100°C) et permet de réduire les oxydes d'azote précédemment formés en azote moléculaire et en eau :

Réaction principale (réduction) : 4 NH3 + 4 NO + O2 → 4 N2 + 6 H2O (a)

Réaction secondaire à éviter (oxydation) : 4 NH3 + 5 O2 → 4 NO + 6 H2O (b)

Le procédé est composé de deux unités reliées entre elles : une unité où est stocké l'agent réducteur et une unité d'injection généralement composée de plusieurs buses d'injection. La SNCR permet d'atteindre des taux de réduction d'oxydes d'azote compris entre 40 et 65 %.

L'efficacité de cette technique dépend des paramètres suivants :

    • la température ;
    • le système d'injection ;
    • le type d'agent réducteur ;
    • le temps de séjour ;
    • le ratio NH3/NOx.

Température

La température influence fortement le procédé. Pour une réduction optimale des oxydes d'azote, la température doit être comprise entre 850°C et 1100°C. En dessous de cette plage de température, la réduction est limitée par la faible formation de radicaux NHi et au-dessus de cette plage de température, d'autres réactions entrent en jeu. Ces réactions, notamment l'oxydation de l'agent réducteur, sont à l'origine de la formation d'oxydes d'azote supplémentaires (réaction b).

La température fluctue à l'intérieur de l'installation. Pour palier à cette fluctuation et pour permettre à l'agent réducteur de réagir à la température idéale, différents points d'injection sont nécessaires.

Système d'injection

La conception du système d'injection (pression, débit, buses) influence fortement l'efficacité de la SNCR. Le mélange doit être homogène pour réduire les fuites de NH3 et la pulvérisation doit avoir certaines caractéristiques. En effet, des gouttes trop fines peuvent se vaporiser trop rapidement et réagir à des températures trop élevées alors que des gouttes trop grosses vont réagir à des températures plus faibles et augmenter les fuites d'ammoniac.

Agent réducteur

Le choix de l'agent réducteur influe sur l'efficacité de la réduction des émissions mais aussi sur la formation de protoxyde d'azote, gaz à effet de serre puissant. Plusieurs réactifs sont utilisables :

    • l'ammoniac gazeux ;
    • l'ammoniac en solution (ammoniaque) ;
    • l'urée en granulés ;
    • l'urée en solution.

L'ammoniac sous forme gazeux est une substance fortement toxique et explosive qui requiert des précautions d'usage. Sa mise en solution permet de réduire les contraintes réglementaires.

L'urée en solution est le réactif le plus simple d'usage sur le plan réglementaire mais elle est souvent plus chère que l'ammoniaque.

L'utilisation d'urée solide permet de réduire les consommations énergétiques, du fait de sa déshydratation, mais ses conditions de stockage sont plus contraignantes que celle de l'urée liquide. De plus, il est plus difficile de réaliser une répartition uniforme du réactif dans les fumées avec des granulés qu'avec une solution.

Temps de séjour

Le temps de séjour requis pour permettre une réduction optimale des oxydes d'azote est compris entre 0,2 et 0,5 s. Le temps de séjour dépend de la taille des gouttes injectées et de ce fait, le temps de séjour optimal est difficile à atteindre.

Ratio NH3 / NOx

Pour permettre un contact important entre les oxydes d'azote et l'agent réducteur, le ratio NH3/NOx doit être supérieur à 1. Un ratio optimal, c'est-à-dire permettant une efficacité importante (réduction des NOx de 40 à 60 %) tout en limitant les fuites de NH3, est compris entre 1,5 et 2,5.

La SNCR présente une efficacité moyenne sur la réduction des oxydes d'azote, comprise entre 40 et 65 %. Elle est donc généralement associée à des mesures de réduction primaires des NOx comme des brûleurs bas-NOX, un système d'étagement d'air ou de recirculation des fumées, pour permettre une réduction plus importante de NOx.

La mise en œuvre de la SNCR peut favoriser les émissions de N2O, de CO et de NH3.

La SNCR est considérée comme un procédé de réduction des oxydes d'azote d'un bon rapport coût/efficacité. Le coût de l'installation diffère légèrement pour une installation nouvelle et une installation existante mais dépend principalement du type de combustible utilisé, de la concentration d'oxydes d'azote à traiter et de l'agent réducteur.