Traitement de COV, émissions de composés organiques volatiles

Définition

Les composés organiques volatiles (COV) sont tous les composés organiques qui, à température ambiante, se trouvent soit à l’état gazeux soit sont liquides très volatiles.

Officiellement, on considère comme COV tout composé organique qui à 20º C a une pression de vapeur égale ou supérieure de 0.01 kPa, ou une volatilité équivalente dans les conditions particulières d’utilisation.

Les COV ont généralement moins de douze atomes de carbone dans leur chaine et ils contiennent d’autres éléments comme l’oxygène, le fluor, le chlore, le brome, le soufre ou l’azote.

Le nombre de COV différents dépasse le millier, mais les plus abondants dans l’air sont le méthane, le toluène, le n-butane, l’isopentane, l’éthane, le benzène, le n-pentane, le propane et l’éthylène. Ces composés sont générés dans tous les processus industriels dans lesquels sont utilisés des dissolvants organiques (comme l’acétaldéhyde, le benzène, l’aniline, le tétrachlorure de carbone, le 1,1,1-trichloroéthane, l’acétone, l’éthanol, etc.).

Activités liées à l’émission de COV

Elles sont très nombreuses, elles appartiennent généralement aux secteurs industriels suivants:

• Industrie sidérurgique.
• Industrie plastique.
• Industrie alimentaire.
• Industrie du bois.
• Industrie des peintures, des vernis et des laques.
• Industrie bovine.
• Industrie pharmaceutique.
• Industrie cosmétique.

Dangerosité des COV par rapport à la santé humaine et effets nocifs sur l’environnement

• Composés extrêmement dangereux pour la santé : le benzène, le chlorure de vinyle et le 1,2 dichloroéthane.

• Composés classe A : ceux pouvant nuire significativement à l’environnement, comme par exemple : l’aldéhyde acétique, l’aniline, le trichloroéthylène, etc.

• Composés classe B : ont un faible impact sur l’environnement. Appartiennent à ce groupe, entre autres, l’acétone et l’éthanol

Il existe des COV qui détruisent la couche d’ozone, comme c’est le cas du tétrachloréthane. De plus, tous les COV combinés aux oxydes d’azote et à la lumière solaire sont précurseurs de l’ozone au niveau du sol (ozone troposphérique) qui est très néfaste pour la santé et peut provoquer des dégâts respiratoires sévères. Cet effet est connu sous le nom de smog photochimique et il ressemble à un brouillard marron – gris dans les grandes villes ensoleillées et qui ont des émissions de COV et d’oxydes d’azote.

Pour sélectionner la meilleure technologie pour l’épuration des COV, il faut prendre en compte le débit, la concentration de COV, la température et l’humidité de l’air, les dissolvants présents, la limite d’émission permise et l’éventuelle présence de poussière et autres polluants. Pour sa part, l’entreprise doit évaluer les ressources disponibles, la distribution temporaire des émissions polluantes, ainsi que la possibilité de récupérer les dissolvants et l’énergie thermique.

Pour toutes ces raisons, la législation européenne en vigueur établit des limites, toujours plus restrictives, pour l’émission de ces composés. Ainsi, dans les activités industrielles susceptibles de produire des COV, il faudra contrôler les émissions et, si nécessaire, les traiter efficacement. Au niveau de l’État et afin de réduire les effets nocifs des COV, il a été créé le Décret Royal 117/2003 sur la limitation des émissions de composés organiques volatiles dues à l’utilisation de dissolvants dans certaines activités, lequel est appliqué depuis le 31 octobre 2007 à toutes les industries concernées. Ce Décret Royal inscrit pour chaque activité concernée un seuil de consommation de dissolvants, ainsi que des limites d’émission de COV dans les gaz provenant des cheminées et dans les émissions diffuses.

Technologies pour le traitement des COV

Les technologies de traitement peuvent se diviser en deux grands groupes: les destructives et les non destructives. Les traitements destructifs sont ceux où les COV sont transformés en d’autres substances par un procédé adéquat, tandis que les non destructifs consistent à séparer physiquement ou chimiquement les COV de l’air à traiter.

Technologies destructives

Par le techniques destructives, les COV sont transformés en composés inertes ou moins toxiques que ceux de départ.

Oxydation Thermique Régénérative (RTO)

Il s’agit d’une technique oxydante qui est réalisée à l’intérieur de, normalement, entre 2 et 3 tours, remplies de matière céramique, dans lesquelles se produit l’oxydation des contaminants. Pendant ce processus, les COV s’oxydent et se transforment en CO2 et H2o.

Le rôle de la matière céramique est de retenir et de céder la chaleur de combustion à l’air traité lors des cycles de processus successifs.

Avec ces tours on obtient une efficacité de récupération thermique supérieur à 95%. Il s’agit donc d’une technologie avec une consommation de combustible réduite et si la concentration des dissolvants est supérieure à 1,5 – 2 g/Nm3, le processus peut devenir auto thermique avec une consommation pratiquement nulle.

La température de travail se situe entre 750 et 1250 º C.

Il s’agit d’une technique très versatile concernant le débit à traiter (1.000-100.000 Nm3/h), idéal pour des cas avec une concentration de COV moyenne-élevée et optimale pour une grande variété de COV.

Oxydation Thermique de Récupération

L’oxydation thermique de récupération est une technologie plus simple avec un coût d’investissement inférieur mais des frais de gestion supérieurs.

Elle consiste en un foyer de combustion avec un bruleur et un échangeur de chaleur où l’air d’entrée est chauffé et l’air épuré se refroidit. Cette technique permet d’obtenir une efficacité de récupération thermique de l’ordre de 65%.

Oxydation Catalytique Régénérative (RCO)

Dans l’oxydation catalytique, la principale différence avec la RTO est que la combustion est obtenue avec des températures plus basses (200-400ºC) à cause de la présence d’un catalyseur dans la chambre de combustion. Ces appareils sont compacts, ils occupent moins d’espace et comme ils fonctionnent à une température inférieure ils consomment moins de combustible que l’oxydation thermique de récupération. Pour appliquer cette technologie il faut avoir bien caractérisé les dissolvants, car il peut y avoir certains produits qui contaminent le catalyseur et obligent à le remplacer.

Le système présente une efficacité thermique supérieure à 98% et ne consomme pas de gaz lorsqu’il atteint le point autothermique. Il s’agit d’une technique idoine pour des débits d’air bas ou moyens (1.000-30.000 Nm3/h) et pour des concentrations de COV moyennes ou basses, qui présente un faible coût de fonctionnement.

Oxydation avancée de la phase gaz (GPAO)

Cette technique se compose de 4 étapes. Dans la première étape, l’air à traiter est soumis à un processus d’absorption dans l’eau et l’ozone. Les gaz solubles qui sont dissous dans l’eau sont oxydés par l’ozone au CO2. Dans l’étape 2, aux gaz résultant de l’étape 1 est ajouté l’ozone et le mélange est irradié à la lumière ultraviolette à haute intensité. L’ozone se transforme en radicaux OH, lesquels sont extrêmement réactifs aux COV. Suite à l’oxydation, il se produit un aérosol de particules, lesquelles sont séparées dans l’étape 3 grâce à un filtre électrostatique. L’air qui en résulte, qui ne contient pas de VOC ni d’odeurs, peut être libéré dans l’atmosphère. Finalement, dans l’étape 4 l’ozone en trop est transformé en oxygène grâce à un catalyseur.

Il s’agit d’une technique robuste pour une grande variété de COV, idéal pour des débits faibles, avec un faible coût de fonctionnement et une efficacité énergétique élevée.

Pour toutes les techniques d’oxydation il faut prendre en compte que, en présence de composés colorés et autres hallogènes, ceux-ci se transforment en produits du type HCI qui ne peuvent pas être émis vers l’atmosphère. Par conséquent, en présence d’hallogènes il est nécessaire de placer à la suite, un scrubber pour traiter les émissions acides produites.

Bio filtrage

Pour des cas plus ponctuels, quand on travaille avec des concentrations faibles et uniformes dans le temps, de dissolvants biodégradables et solubles en eau, il y a la possibilité d’utiliser le bio filtrage dans lequel ce sont des microorganismes qui se chargent de dégrader la matière organique. Le bio filtrage, bien qu’il se caractérise par des frais de gestion bas, présente également quelques inconvénients du fait que les microorganismes ont besoin de conditions stables humidité, de température et d’alimentation, et au cas où ces conditions sont modifiées brusquement, cela entrainerait un risque pour le substrat.

Technologies destructives

Absorption par charbon actif

Il s’agit de la technologie la plus répandue de ce groupe.

Elle se base sur le fait de laisser passer l’air au travers d’un lit de charbon actif qui retient les COV. Le charbon actif se charge de COV et il arrive un moment où il est saturé et il perd sa capacité absorbante.

À ce moment, il est possible de détacher ce charbon, le traiter en tant que déchet et le remplacer par un nouveau, ou bien régénérer le charbon avec de la vapeur ou un gaz inerte (azote), ce qui permet de récupérer les dissolvants et les réutiliser dans le processus de production.

Condensation Cryogénique

C’est un processus basé sur le refroidissement à températures extrêmement basses de l’air à traiter, par azote liquide ou un autre fluide cryogénique. L’air contaminé se refroidit dans les condensateurs, en dessous de son point de condensation, ce qui produit la condensation des COV et sa séparation de la phase de gaz.

Cette technologie est utile non seulement utile pour l’épuration d’émissions avec COV, mais elle permet aussi la condensation et la récupération de matières premières couteuses et polluantes qui se trouvent généralement dans les émissions de processus où sont impliqués des dissolvants organiques.

La cryocondensation est une méthode propre, non destructive, car elle récupère à l’état liquide les émissions de vapeur qui allaient être envoyées vers l’atmosphère. Pour cette raison, on effectue la réfrigération contrôlée des vapeurs de processus d’une certaine substance, jusqu’à atteindre son point de condensation, c’est à ce moment que commence sa condensation.

Par le biais d’une colonne de condensation, qui est traversée par le courant d’air contaminé par les COV, un flux d’azote liquide circule à contre-courant, lequel refroidit l’air avec la substance volatile à une température inférieure à celle de condensation (on peut atteindre les -200 ºC). Cela produit la congélation e l’humidité de l’air et on obtient un produit liquide qui peut être réutilisé en processus. L’azote utilisé peut être réutilisé grâce à une petite station de compression pour l’utiliser en tant que gaz en fabrication ou il peut être déversé dans l’atmosphère s’il n’a aucune utilité.

La gamme de produits disponibles couvre une grande variété de dissolvants à récupérer, comme par exemple, le toluène, l’acétone, le méthanol, des dérivés de chlore, des hydrocarbures, etc.

La cryocondensation permet de traiter différents courants, débits et pressions et même de concevoir des systèmes sur mesure pour chaque cas. Comme nous l’avons déjà dit, il est possible de réutiliser les dissolvants condensés, ainsi que l’azote produit.

Comme agent réfrigérant on utilise de l’azote liquide qui, grâce à ses propriétés, permet la condensation de toutes les substances considérées COV, dans un intervalle compris entre -30 et -120 ºC.

La température de condensation est déterminée par les composés à traiter et par les ppm que l’on souhaite atteindre dans le courant d’émission.

Absorption physique / chimique

L’absorption physique/chimique consiste à retenir des contaminants dans une solution aqueuse qui s’écoule à contre-courant à l’intérieur de tours de lavage. On peut ajouter à la solution aqueuse de traitement un réactif qui réagit avec le contaminant pour ainsi favoriser son élimination. Les tours de lavage doivent être accompagnées d’un système pour le traitement de l’eau qui a absorbé les contaminants. Dans le cas des COV, cette technologie est applicable dans les cas où les produits sont solubles dans l’eau (acétone, alcools, etc.).

Technologies Mixtes

Rotoconcentrateur à Zéolite + RTO

Cette technique se base sur le fonctionnement d’une roue avec un matériel poreux (Zéolite) dans laquelle, grâce à un processus d’absorption, les COV s’accumulent afin d’obtenir une plus grande concentration. Ensuite, les COV sont traités dans une unité d’oxydation thermique de récupération (RTO).

Elle est idéale pour traiter des débits d’air très élevés (> 10.000 Nm3/h) avec une concentration de COV très faible (< 1g/Nm3), car cela réduit considérablement la quantité de combustible consommée, grâce à l’utilisation préalable du rotoconcentrateur, qui consiste en une « roue » remplie de zéolites qui absorbent les COV de l’air d’entrée, afin d’obtenir à la sortie un air qui est déjà épuré.

Une petite part de l’air épuré (entre un dixième et un quinzième) est chauffé à 200 ºC et il passe à contre-courant pour désorber les COV retenus dans les zéolites. On obtient ainsi un débit d’air 10 à 15 fois inférieur avec une concentration 10 à 15 fois supérieure.

Cet air est ensuite envoyé à l’unité d’oxydation (RTO) pour être épuré.

Évapo-Oxydation

Il s’agit d’un procédé d’épuration des eaux usées qui joint la séparation thermique des substances solubles dans l’eau avec l’épuration des substances organiques volatiles.

Les déchets appropriés au traitement par évapo-oxydation sont des eaux à caractère organique (non halogénés), avec une présence ou non de sels et autres composés inorganiques (dérivés d’azote, de souffre…), pouvoir calorifique inférieur (PCI) faible, qui ne présentent pas de caractère inflammable ni de dissolvants et avec des valeurs de DQO significatifs.

Dans une première phase, l’effluent est soumis à un processus d’évaporation, qui produit une vapeur d’eau qui contient les substances volatiles, car celles-ci ont un point d’ébullition plus bas que l’eau. Elle contient également toutes les substances qui forment des mélanges azéotropes.

Après cette première étape, la vapeur obtenue est envoyée, avec les substances volatiles, à une chambre d’oxydation, où cette vapeur est brulée, ce qui évite son émission vers l’atmosphère et son action polluante.

Ainsi, l’oxydation thermique de la vapeur permet de détruire complètement les composés volatiles qui se trouvaient dans l’effluent.

Une autre option possible est de mettre à profit ces composés volatiles (à condition qu’ils soient présents en grande quantité) pour réaliser un processus auto thermique, car ils produisent suffisamment de chaleur lors de leur combustion pour ne pas avoir besoin de chaleur externe. On peut ainsi obtenir l’énergie nécessaire pour alimenter le processus.

D’autre part, le premier processus d’évaporation auquel est soumis l’effluent, avant la phase d’oxydation de la vapeur, a pour résultat un concentré des déchets organiques qui se trouvaient dans l’effluent, qui peuvent être envoyés à l’entreprise de gestion des déchets ou être soumis à une seconde phase de concentration afin d’être récupérés et valorisés.

Il convient de signaler qu’il est également possible d’utiliser le procédé d’évapo-oxydation dans des vapeurs avec peu de pouvoir calorifique, ainsi que pour l’élimination de substances odorantes.

Bien qu’il s’agit d’un procédé qui offre de très bons résultats, l’évapo-oxydation n’est pas la seule technologie pour traiter les effluents qui contiennent des COV. Une variante de ce processus se trouve dans le stripping en colonnes avec vapeur ou air chaud à contre-courant, pour ensuite utiliser des systèmes d’OTR pour l’oxydation thermique des composés volatiles.