Dossier Pollution atmosphérique - l'ennemi d'aujourd'hui : les oxydes d'azote
Dossier Pollution atmosphérique - ENERGIE PLUS n°275 du 15 novembre 2001
Energie plus
Publié le: 15 novembre 2001
Pourquoi revenir sur les oxydes d'azode
Effets directs et indirects des oxydes d'azote
Des émissions réglementées
Les techniques d'abattement disponibles
Pourquoi revenir sur les oxydes d'azote alors que le problème le plus pressant semble être aujourd'hui celui de l'effet de serre ? D'abord, et comme d'habitude, pour des raisons réglementaires : la directive NEC (National Emissions Ceilings) qui vient d'être adoptée va imposer à la France un assez gros effort de réduction de ses émissions de NOx qui devraient, à l'horizon 2010, être à peu près divisées par deux. En outre, les directives GIC (grandes installations de combustion), qui vient elle aussi d'être adoptée, et UIOM (incinérateurs de déchets), qui entre en vigueur au 1er janvier 2002, fixent des limites d'émission beaucoup plus sévères qu'auparavant. De plus, l'oxyde nitreux (N2O) est lui-même un puissant gaz à effet de serre dont le potentiel de réchauffement global (GWP) sur 100 ans est 306 fois plus élevé que celui du gaz carbonique et les autres oxydes d'azote (NOx), par le biais de réactions complexes avec les composés organiques volatils, sont à l'origine de l'accroissement de la pollution photochimique par l'ozone, qui est lui aussi un puissant gaz à effet de serre.
Effets directs et indirects des oxydes d'azote
Il n'est pas nécessaire de se focaliser sur l'effet de serre pour souhaiter une réduction des émissions et des concentrations dans l'air des oxydes d'azote. Ils sont en eux-mêmes des polluants qui provoquent, à l'échelle locale et régionale, des effets directs et indirects graves sur la santé et l'environnement.
Au niveau local, c'est le dioxyde d'azote (NO2) qui présente le plus de risques pour la santé humaine. Etant très peu soluble dans l'eau, il atteint l'appareil pulmonaire et entraîne un accroissement des affections respiratoires et asthmatiques, en particulier chez les personnes sensibles. C'est pourquoi le bureau régional pour l'Europe de l'Organisation mondiale pour la santé (OMS) a préconisé en 1997 de ne pas dépasser des concentrations dans l'air ambiant de 40 µg/m³ pour une exposition à l'année et de 200 µg/m³ pour une exposition sur 1 heure. En se référant à ces valeurs guides, la directive européenne de 1999 fixe, en terme d'objectifs, des limites d'exposition au N2O et un seuil d'alerte, ainsi que des limites de concentration pour l'ensemble des NOx (NO + NO2), leur effet toxique sur les plantes étant attesté par de nombreux travaux scientifiques :
Valeurs limites (µg/m³) :NO2
200 (valeur horaire à ne pas dépasser plus de 18 fois par an)
40 (en moyenne annuelle)
400 (seuil d'alerte sur 3 heures consécutives
d'ici le 1er janvier 2010Nox
30 (en moyenne annuelle, pour la protection des végétaux
dès maintenant
Il faut savoir que dans les grandes agglomérations françaises, le niveau de fond se situe entre 40 et 55 µg/³, avec des moyennes horaires maximales qui atteignent 140 à 200 µg/m³, voire d'avantage en pointe horaire sur des sites très exposés.
Les oxydes d'azote participent par ailleurs à trois phénomènes de pollution atmosphérique à l'échelle régionale et transfrontalière : les pluies acides, l'eutrophisation et la pollution photochimique. Les pluies acides perturbent l'équilibre chimique des sols et des eaux de surface, ce qui favorise la mise en solution de métaux toxiques (l'aluminium notamment) et entraîne l'appauvrissement des sols. Des progrès certains ont été enregistrés depuis trente ans, mais l'Agence européenne de l'environnement estime que 10% des zones terrestres européennes subissent encore des dépôts acides supérieurs aux charges critiques, en particulier en Europe centrale et septentrionale. Les phénomènes d'eutrophisation, de leur côté, sont liés à des excès d'azote dans les sols et les eaux qui portent atteinte à la diversité des plantes capables de pousser dans les zones atteintes. Les trois quarts des espèces végétales seraient menacées, dont un grand nombre d'espèces protégées.
Quant à la pollution photochimique, certainement la plus inquiétante aujourd'hui, elle résulte de réactions complexes entre les NOx et les COV sous l'effet du rayonnement solaire, qui donnent naissance principalement à de l'ozone, mais aussi à des composés acides ou oxydants comme des aldéhydes, le péroxy-acétyl-nitrate (PAN), l'acide nitrique et l'eau oxygénée. Ce sont ces réactions qui expliquent la hausse tendancielle du niveau d'ozone dans la troposphère de notre hémisphère Nord depuis un siècle et qui conduisent à des épisodes de pollution sévère durant l'été. L'ozone provoque des atteintes à l'appareil respiratoire, irrite les yeux, endommage les végétaux, dégrade les matériaux (notamment les plastiques) et participe à l'accroissement de l'effet de serre.
Dans l'hémisphère Nord, le "fond naturel" d'ozone dans l'air a presque quadruplé au cours du siècle dernier et les populations européennes sont fréquemment soumises à des expositions qui dépassent les seuils jugés nocifs. Les doses d'exposition limites fixées par la directive de 1992 sont sensiblement dépassées dans tous les Etats membres de l'Union Européenne et on estime qu'environ 300 millions de personnes sont exposées à au moins un dépassement du seuil de protection chaque année. La future directive "ozone" fixe une valeur cible plus sévère de 120 µg/m³ (moyenne calculée sur 8 heures) à ne pas dépasser plus de 25 jours par an (moyenne calculée sur 3 ans) à l'horizon 2010. Cette valeur cible est très proche de la valeur moyenne actuelle qui se situe autour de 100 µg/m3. D'après les caractéristiques des équations chimiques en jeu, les scientifiques affirment qu'il faudrait réduire de moitié les émissions des précurseurs (NOx et COV) pour obtenir une baisse significative de la concentration d'ozone dans la basse atmosphère en Europe.
Des émissions réglementées
* Emissions nationales
D'après le CITEPA, chargé du suivi des émissions françaises de polluants atmosphériques, la France a émis 1 654 kt de NOx en 1998. Ces émissions avaient plus que doublé entre 1960 et 1973 puis augmenté plus lentement (+1% par an) entre 1973 et 1980 du fait du renchérissement des énergies et de la politique d'économies d'énergie. En 1980, elles atteignaient 2 Mt/an. Durant les années 80, elles se sont mises à baisser puis ont recommencé à augmenter à partir de 1986 en raison de l'accroissement du trafic automobile. Depuis 1991 jusqu'à aujourd'hui, elles baissent plus ou moins régulièrement, à un rythme moyen de -3% par an, grâce à la généralisation des pots catalytiques sur les voitures à essence et aux mesures prises par les industriels, sous la pression notamment de la TGAP. Pendant toute cette période, la répartition sectorielle de ces émissions s'est profondément modifiée et ce sont désormais, avec 74%, les sources mobiles qui sont largement majoritaires.
Les émissions de protoxyde d'azote (N2O) ne sont mesurées que depuis 1990 et la France est le plus gros émetteur européen, avec une part de 23% des émissions totales. Cette place peu enviable s'explique par l'importance du secteur agricole français, responsable à lui seul de 72% des émissions nationales. Elle se traduit aussi par le fait que le protoxyde d'azote, en raison de son potentiel de réchauffement global très élevé, est, avec 16%, le second gaz à effet de serre par ordre d'importance en France. Entre 1990 et 1999, les émissions françaises ont baissé de 16,6%, grâce aux améliorations engagées par la chimie (production d'acides nitrique, adipique et glyoxylique).
Une convention internationale, le protocole de Göteborg, et une directive européenne, la directive "NEC", fixent pour l'horizon 2010 des plafonds nationaux d'émissions de NOx pour chaque pays signataire ou état membre. La directive étant plus ambitieuse que le protocole, c'est elle qui va faire force de loi. L'objectif fixé à la France à l'horizon 2010 est ainsi de limiter ses émissions annuelles à 810 kt, ce qui représente une diminution de moitié qui ne sera pas facile à obtenir. Les émissions de N2O sont, elles, traitées dans le cadre du Protocole de Kyoto.
* Emissions des sources fixes
Deux nouvelles directives accroissent les contraintes relatives aux émissions d'oxydes d'azote des installations de combustion :
* La directive sur l'incinération des déchets (4 décembre 2000) impose une valeur limite d'émissions (VLE) de 200 mg/Nm3 pour toute installation neuve et pour les installations existantes de plus de 6 t/h, et de 400 mg/Nm3 pour les installations existantes de moins de 6 t/h. Elle entre en vigueur à partir du 1er janvier 2002 pour les installations neuves et les installations existantes ont jusqu'au 31 décembre 2002 pour se mettre en conformité. Ces valeurs concernent aussi bien les UIOM (usines d'incinération des déchets ménagers) que les UIDIS (unités d'incinération des déchets industriels spéciaux). Par ailleurs, la VLE relative aux dioxines et furanes est fixée à 0,1 ng/Nm3.
* La nouvelle directive Grandes installations de combustion (GIC, soit plus de 50 MWth)), adoptée en 2001 en révision de la directive 88-609 (transposée par l'arrêté du 27 juin 1990), fixe des VLE beaucoup plus sévères pour les chaudières et concerne pour la première fois les turbines à gaz. Dans les tableaux ci-dessous (en .pdf), les VLE sont exprimées en mgNOx/Nm3 à 6% d'O2 pour les combustibles solides, à 3% d'O2 pour les combustibles gazeux et liquides et à 15% d'O2 pour les turbines.
Les émissions de NOx des petites installations de combustion (PIC, puissance comprise entre 2 et 20 MWth) sont réglementées, rappelons-le, par l'arrêté du 25 juillet 1997 ; celles de certaines branches industrielles par des arrêtés sectoriels spécifiques (verreries, cimenteries, par exemple). Par ailleurs, le ministère de l'Environnement a dans ses tiroirs un projet d'arrêté relatif aux installations de combustion de plus de 20 MWth, qui a déjà vécu de nombreuses étapes de discussions et de modifications et dont la préparation a été suspendue en attendant la publication de la nouvelle directive GIC. Avec ce projet, le ministère voulait à la fois combler le "trou" juridique correspondant à la tranche de puissance 20-50 MWth et anticiper la transcription en droit français de la directive GIC. Ce projet d'arrêté prévoit cependant pour les oxydes d'azote des VLE plus contraignantes que la directive, puisque par exemple pour le gaz naturel la limite d'émission y est uniformément fixée à 100 mg/Nm3 quelle que soit la puissance de l'installation. Les débats autour de ce projet ne sont donc pas clos. Rappelons enfin que toutes les autres installations classées soumises à autorisation sont assujetties à l'arrêté du 2 février 1998, dit "arrêté intégré", qui limite les émissions de NOx à 500 mg/Nm3.
Les techniques d'abattement disponibles
* Les solutions "primaires"
Ces solutions consistent à éviter, autant que possible, la formation des oxydes d'azote. Celle-ci dépendant fortement de la température (NOx "thermiques"), leur principe repose sur l'abaissement de la température de la flamme, soit par étagement de la combustion, soit par recirculation d'une partie des fumées. Depuis une bonne douzaine d'années, on a vu ainsi apparaître divers types de "brûleurs bas NOx" dont l'efficacité, en terme de réduction des émissions, peut s'inscrire entre 10 et 40% suivant leur conception et le combustible utilisé. Pour les turbines, les constructeurs ont mis au point des "chambres sèches" ou préconisent l'injection d'eau ou de vapeur d'eau, toujours dans le but d'abaisser la température de combustion.
Plus récente, la combustion catalytique est une solution intéressante qui commence à se développer aussi bien pour les chaudières que pour les turbines. La catalyse permet en effet d'oxyder les molécules du combustible à température sensiblement plus basse qu'au cours d'une combustion classique.
* Une solution intermédiaire : le reburning
Le reburning, ou recombustion, consiste à étager la combustion en trois zones successives :
* une zone primaire où le combustible est brûlé classiquement en milieu légèrement oxydant, ce qui provoque la formation de NOx ;
* une zone secondaire, dite de "reburning", où l'on injecte un complément de combustible. La combustion se poursuit alors en léger déficit d'air, donc en milieu réducteur, et les NOx, en présence des molécules d'hydrocarbure, se transforment en composés azotés (HCN, NHx) puis finalement en azote ;
* une zone tertiaire, dite de "burnout", où l'on injecte de l'air, ce qui permet de compléter la combustion des imbrûlés en excès de la zone précédente. En présence de cet air, les composés azotés résiduels sont converties soit en azote soit en NO.
Le combustible de reburning est le plus souvent du gaz naturel, mais on étudie actuellement l'injection de charbon pulvérisé, notamment dans les centrales électriques. Les expérimentations et réalisations actuelles montrent que la technique du reburning permet de réduire les émissions de NOx dans une fourchette de 50 à 70%.
* Les techniques de traitement des fumées
La technique utilisée pour réduire les NOx dans les fumées repose sur l'injection d'ammoniac ou d'urée qui, en réagissant avec les oxydes d'azote, transforme ces derniers en azote moléculaire, en vapeur d'eau et, avec l'urée, en gaz carbonique. Cette technique donne lieu à deux procédés :
* La "réduction sélective non catalytique" (SNCR) consiste à injecter une solution aqueuse d'ammoniac dans une zone de la chambre de combustion où la température est comprise entre 850 et 1000°C. L'efficacité de l'abattement est de l'ordre de 70%. Si l'on veut aller au-delà, il est nécesaire d'injecter davantage de réactif (on peut par exemple atteindre 80% avec un facteur stoechiométrique supérieur à 2), mais on retrouve alors un excès d'ammoniac dans les fumées et les cendres volantes, qui peut réclamer un traitement complémentaire selon la réglementation en vigueur ou les contraintes de l'environnement local.
* Dans le procédé de "réduction sélective catalytique" (SCR), un mélange d'air et d'ammoniac gazeux est injecté en aval de la chambre de combustion et les fumées chargées d'ammoniac traversent ensuite un catalyseur, généralement à oxydes métalliques (Ti, V, W), à une température comprise entre 250 et 380°C. Cet étage de catalyse peut être monté soit avant la filtration des poussières ("high dust SCR"), soit après ("low dust SCR"), avant ou après la désulfuration. Le taux de conversion peut dépasser 90% pour un dosage en NH3 proche de la stoechiométrie.
Grosso modo, la comparaison économique de ces deux procédés indique que la SNCR est beaucoup moins onéreuse en investissement mais beaucoup plus chère en exploitation que la SCR, mais cette comparaison doit en outre tenir compte du fait que cette dernière permet un taux d'épuration plus élevé des NOx ainsi que la destruction simultanée des dioxines et furanes sans surcoût notable, ce qui s'avère intéressant dans le cas des UIOM.
La suite de ce dossier "pollution atmosphérique" revient en détail sur l'ensemble des procédés primaires et secondaires évoqués ci-dessus.
voir le sommaire du dossier
Dossier publié dans le supplément technique d'ENERGIE PLUS n°275 du 15 novembre 2001.
© ATEE – ENERGIE PLUS - Tous droits réservés
retour rubrique TECHNIQUES COMBUSTION
retour sommaire du numéro 275 - ARCHIVES 2001
retour A LA UNE
 imprimer
Fichier
VALEURS LIMITE EMISSIONS.PDF
(55k)
|
