Qu'est-ce que la désulfuration des gaz de fumée ?

La désulfuration des gaz de fumée (FGD) désigne un processus qui élimine le dioxyde de soufre (SO₂) d'un flux de gaz de fumée (gaz d'échappement). Le dioxyde de soufre est libéré dans l'atmosphère lors de la combustion de combustibles fossiles et contribue de manière significative aux pluies acides. Le processus de FGD est devenu essentiel pour de nombreuses installations industrielles en raison de réglementations environnementales de plus en plus strictes. Bien que le processus de FGD soit utilisé dans de nombreuses industries, cet article se concentre sur les équipements de FGD associés à l'industrie de la production d'énergie, en particulier pour les centrales électriques au charbon.

Bon à savoir - ‘Désulfuration’ s'écrit aussi ‘désulfurization’, la première est en anglais britannique tandis que la seconde est en anglais américain.

Système d'échappement de centrale au charbon avec désulfureur de gaz de fumée mis en évidence

Pourquoi avons-nous besoin de la désulfuration des gaz de fumée ?

La plupart des combustibles fossiles (charbon, huiles etc.) contiennent du soufre. Lorsqu'un combustible fossile est brûlé, le soufre qu'il contient est libéré dans l'atmosphère par le processus de combustion. Certains charbons peuvent contenir jusqu'à 4% de soufre, ce qui est une quantité significative étant donné qu'une centrale au charbon peut brûler plus de 5 000 tonnes de charbon par jour.

Le dioxyde de soufre se combine facilement avec l'eau et se mélange donc aisément avec les nuages d'humidité dans l'atmosphère. Une fois qu'un nuage est suffisamment saturé d'humidité, des gouttelettes d'eau se forment et tombent au sol sous l'effet de la gravité ; ce processus est connu sous le nom de précipitation (pluie).

Malheureusement, lorsque l'eau absorbe le dioxyde de soufre, elle devient plus acide. Par conséquent, lorsque les nuages d'humidité absorbent le gaz de dioxyde de soufre dans l'atmosphère, la valeur du pH des molécules d'eau en suspension (humidité) diminue, et elle devient plus acide. La pluie acide - communément appelée pluie acide - tombe alors au sol sous l'effet de la gravité.

Forêt endommagée par la pluie acide

La pluie acide endommage les cultures, les infrastructures, la végétation, le sol et contribue à l'acidification des océans. Parce que le dioxyde de soufre est un grand contributeur aux causes de la pluie acide, des lois environnementales ont été promulguées pour obliger les producteurs de SO₂ à réduire la quantité de SO₂ qu'ils génèrent. L'un des principaux producteurs de dioxyde de soufre sont les centrales électriques au charbon, par conséquent, elles sont obligées d'installer des systèmes de FGD afin de réduire leurs émissions de SO₂ et de se conformer à la législation environnementale.

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Désulfuration des Gaz de Fumée (FGD)

Les processus de FGD sont classés comme ‘humides’ ou ‘secs’. Les systèmes FGD de type sec utilisent un réactif sous forme de poudre (forme sèche). Les systèmes FGD de type humide utilisent une bouillie alcaline qui est formée après mélange d'un réactif sec avec de l'eau. Bien que deux principaux types de conceptions FGD soient possibles, plus de 75% des systèmes FGD de production d'énergie sont humides.

Schéma de Désulfureur de Gaz de Fumée Humide

Comment Fonctionne la Désulfuration des Gaz de Fumée

Le moyen le plus économique d'éliminer le SO₂ d'un flux de gaz de fumée est par une réaction chimique avec un réactif. Un réactif est une substance ou un composé ajouté à un système pour provoquer une réaction chimique. Les réactifs appropriés devraient rendre le SO₂ inoffensif pour l'environnement tout en produisant un sous-produit qui ne nuit pas à l'environnement.

Les réactifs les plus couramment utilisés dans les systèmes FGD sont la chaux (oxyde de calcium) et le calcaire (CaCO₃). D'autres alternatives de réactifs existent, par exemple l'ammoniac, mais le calcaire est le plus largement adopté. La principale raison de l'adoption généralisée du calcaire est qu'il est abondant, bon marché et facile d'accès ; tous ces facteurs dépendent cependant de la localisation géographique.

Les sous-produits du processus de désulfuration des gaz de fumée sont généralement le sulfite de calcium (CaSO₃) et/ou le sulfate de calcium (CaSO₄). Le sous-produit produit dépend du réactif et de la conception du système FGD utilisés. Indépendamment du réactif et de la conception, le sous-produit est généralement à base de calcium.

La conception FGD humide ‘à jeter’ est la conception FGD la plus courante employée par les centrales électriques à combustibles fossiles aujourd'hui. La section suivante décrit comment fonctionne une tour d'absorption de calcaire humide typique.

Tour de Lavage Humide des Gaz de Fumée

Comment fonctionne la désulfuration humide des gaz de fumée ?

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Le calcaire est livré à l'usine sous forme concassée ou entière. Le calcaire concassé peut être livré directement à un silo de stockage avant d'être mélangé avec de l'eau dans une unité de mélange dédiée. Le calcaire non concassé devra passer par une étape de réduction de taille avant d'être mélangé avec de l'eau ou stocké. La réduction de taille peut être réalisée à l'aide de concasseurs ou de broyeurs sur site, par exemple. concasseurs à mâchoires, concasseurs giratoires, broyeurs à boulets, concasseurs à cône etc.).

Le calcaire pulvérisé est mélangé avec de l'eau pour former une bouillie à base alcaline. Une bouillie alcaline est toute bouillie avec un pH supérieur à 7.0, mais pour des raisons opérationnelles, le pH souhaité pour la bouillie est généralement de 8.0 (dépendant de la conception du système).

Le gaz de fumée est évacué de la chaudière à tubes d'eau(s) de la centrale, passe par un boîtier de filtre ou un précipitateur électrostatique (ESP) et est ensuite dirigé vers le désulfureur. La température du gaz de fumée est d'environ 150°C (300°F) ou plus lorsqu'il entre dans le désulfureur de gaz de fumée. Le gaz de dioxyde de soufre entraîné dans le gaz de fumée est séparé par lavage humide.

Désulfureur de Gaz de Fumée Humide

Le lavage humide est réalisé en faisant passer le gaz de fumée du bas de la tour de lavage vers le haut. La bouillie alcaline circule dans la direction opposée (de haut en bas) ; cette disposition est appelée ‘contre-courant’ en raison des directions de flux opposées des deux milieux en écoulement. Notez que la conception en contre-courant est parfois également appelée contra-courant. De toutes les conceptions de flux (contre-courant, croisé et parallèle), la conception en contre-courant est la plus efficace pour le transfert de chaleur et le mélange des milieux en écoulement.

Pour assurer un contact direct efficace entre la bouillie alcaline et le gaz de fumée, une série de plateaux de pulvérisation équipés de buses de pulvérisation sont utilisés. Les buses de pulvérisation distribuent uniformément la bouillie alcaline dans la tour, ce qui garantit que les milieux en écoulement ont une grande surface de contact entre eux. Les plateaux de pulvérisation inférieurs fonctionnent à un pH d'environ 4.0 tandis que les plateaux supérieurs fonctionnent à un pH d'environ 6.0 ou plus. Les buses de pulvérisation fonctionnent à basse pression, environ 1 bar (14.5 psi).

La bouillie alcaline tombe du plateau de pulvérisation sur un plateau perforé. Le plateau perforé force le gaz de fumée à bouillonner à travers la bouillie lorsqu'il passe à travers la tour, ce qui assure un bon contact direct entre la bouillie et le gaz de fumée.

Après avoir traversé les trous du plateau perforé, la bouillie tombe à la base de la tour sous l'effet de la gravité et est collectée dans le réservoir de rétention des effluents (EHT) (parfois appelé réservoir de retard de réaction). La bouillie entraînée avec le gaz de fumée est séparée par un démister au sommet de la tour et renvoyée à l'EHT.

Démister (vert indique le gaz, bleu indique la bouillie)

L'eau dans la bouillie absorbe facilement le gaz de dioxyde de soufre tandis que la nature alcaline de la bouillie neutralise l'acidité du gaz. L'eau est appelée absorbant tandis que le calcaire est appelé réactif. Le gaz de fumée restant est évacué au sommet de la tour, mais jusqu'à 99% du SO₂ peut maintenant avoir été éliminé (typiquement 90% à 95% est éliminé).

Réagir la bouillie alcaline avec le dioxyde de soufre produit du sulfite de calcium (CaSO₃), cette réaction chimique peut être exprimée comme suit :

CaCO₃ + 1 SO₂ → CaSO₃ + CO₂

L'oxydation supplémentaire du sulfite de calcium produit du sulfate de calcium (CaSO₄), cette réaction chimique peut être exprimée comme suit :

CaSO₃ + 2H₂O + ½O₂ → CaSO₄ · 2H₂O

Air comprimé (pression d'environ 1 bar / 14.5 psi) est injecté à la base du réservoir de rétention des effluents où il bouillonne à travers la bouillie. En raison de l'injection d'air comprimé dans la bouillie, l'oxydation forcée du sulfite de calcium se produit et du sulfate de calcium est formé. Une partie de la bouillie retenue par l'EHT est recirculée vers le plateau de pulvérisation, mais une partie de la bouillie est évacuée de la tour pour déshydratation. Les agitateurs (hélices connectées à des moteurs triphasés) empêchent la solidification du calcium dans l'EHT.

Le processus de déshydratation sépare les sous-produits FGD de la bouillie. La bouillie contient environ 10-15% de solides à base de calcium lorsqu'elle est évacuée de la tour. Les équipements utilisés dans le processus de déshydratation incluent souvent des filtres à vide, des hydro-cyclones et des clarificateurs (épaississeurs). Une fois que la substance cristalline à base de calcium a été extraite, elle peut être soit vendue, soit éliminée.

Les sous-produits FGD sont souvent commercialisables et peuvent être vendus pour réduire les coûts d'exploitation globaux de l'usine. Le sulfate de calcium est également connu sous le nom de ‘gypse’ et est utilisé pour de nombreux produits commerciaux. L'utilisation la plus courante du gypse est pour les plaques de plâtre (panneaux muraux) dans l'industrie de la construction, mais il est également utilisé dans l'industrie agricole comme engrais. Si le sous-produit ne peut pas être vendu, il est souvent mélangé avec des cendres volantes et envoyé dans un site d'enfouissement.

Homme tenant une plaque de plâtre

Matériaux de Construction de la Tour de Lavage Humide

Il est nécessaire de sélectionner soigneusement les matériaux de construction de la tour en raison de l'environnement corrosif et abrasif à l'intérieur de la tour. Les matériaux de construction dépendent des composants et de la conception de la tour, mais l'acier inoxydable, la fibre de verre et l'acier au carbone doublé de caoutchouc sont des matériaux de construction courants.

Efficacité du Processus FGD

Les débits de liquide à gaz (L/G) à travers une tour de lavage humide ont un grand effet sur son efficacité opérationnelle. En général, un rapport L/G élevé est souhaité car cela garantit que le plus de SO₂ possible est éliminé du gaz de fumée de manière économique, tout en empêchant la solidification de la bouillie alcaline dans la tour. La solidification de la bouillie entraîne des chemins d'écoulement réduits dans la tour, des buses de pulvérisation bouchées, et il est difficile de l'enlever (très dur et adhésif).

Le pH de la bouillie alcaline augmente lorsqu'elle réagit avec le dioxyde de soufre, il est donc nécessaire de fournir continuellement du calcaire à l'EHT afin que le pH de la bouillie puisse être maintenu constant. Une réduction du pH de la bouillie entraînera une réduction de l'efficacité du FGD.

Ressources Supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Flue-gas_desulfurization

https://www.mhps.com/products/aqcs/lineup/flue-gas-desulfurization

https://www.lime.org/lime-basics/uses-of-lime/enviromental/flue-gas-desulfurization