Le torchage de l'ammoniac est sur le point de changer en raison de la tendance mondiale à la décarbonisation. Les pays soucieux du climat adoptent des lois visant à réduire l'utilisation des combustibles fossiles, qui peuvent prendre la forme d'une taxe directe sur la production de dioxyde de carbone (CO2) dans les installations, de taxes sur les combustibles utilisés en bout de chaîne, comme l'essence et le diesel, ou d'incitations à utiliser des combustibles à moindre intensité carbonique, comme l'ammoniac ou l'hydrogène. L'ammoniac, en tant que combustible liquide à combustion directe ou en tant que moyen de transport de l'hydrogène dans la chaîne d'approvisionnement en hydrogène, trouvera une plus grande utilité dans les années et décennies à venir, car sa molécule ne contient pas de carbone lié.
En raison de ces pressions sociétales, l'industrie traditionnelle de l'ammoniac s'est orientée vers la création d'ammoniac à partir de sources d'énergie renouvelables. Appelé "hydrogène vert" ou "ammoniac vert", chaque étape de sa création, de son transport et de son utilisation comme carburant ne nécessite pas de combustibles fossiles. La production à grande échelle n'est plus qu'une question d'années. Un fournisseur a dépensé des milliards de dollars pour mettre en ligne de l'ammoniac à base d'hydrogène vert de classe mondiale d'ici 2025.
Il existe déjà des projets en ligne, ou qui le seront dans les deux prochaines années, qui utiliseront de l'ammoniac ou de l'hydrogène "bleus" pour remplacer la combustion de combustibles fossiles. L'ammoniac bleu diffère de l'ammoniac vert en ce sens qu'il est produit par les méthodes de production existantes à base de combustibles fossiles, mais qu'il limite ensuite son impact sur le carbone par la séquestration et les compensations.
Qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir du torchage ? Il pourrait être très diversifié. On trouvera de l'ammoniac et/ou de l'hydrogène dans toute installation qui s'oriente vers une faible empreinte carbone. Le gaz naturel remplacé par l'hydrogène comme combustible de brûleur ou de pilote est de plus en plus demandé par les utilisateurs finaux. La conception d'équipements de combustion permettant d'obtenir une efficacité de destruction (DE) efficace pour les applications chimiques, pétrochimiques et de traitement du gaz présente des défis spécifiques qui doivent être évalués au cas par cas. Pour les industries produisant des composés chimiques où la nature même du produit chimique rend l'allumage et un haut DE difficile à atteindre, y compris l'ammoniac, des pratiques spécifiques de conception de torches doivent être employées pour assurer une combustion propre et efficace.
Les défis de la combustion de l'ammoniac
Un certain nombre de facteurs contribuent à la difficulté de la combustion de l'ammoniac : il s'agit d'un produit à base d'azote.
a une faible vitesse de propagation de la flamme, un faible pouvoir calorifique et une faible température de flamme. Relever ces défis exige des critères de conception spécifiques pour les torches à l'ammoniac (voir la figure 1).
Figure 1. Exemple d'un système de torche conçu pour traiter les gaz résiduels d'une installation d'ammoniac, avec un pare-vent pour favoriser une combustion efficace.
Pour faciliter la combustion techniquement complète de l'ammoniac (99 % ou plus), il est nécessaire de limiter la vitesse de sortie des gaz résiduaires afin de garantir que l'ammoniac dispose d'un temps de séjour adéquat pour une combustion à haut DE. Zeeco a accumulé des données de test démontrant une corrélation entre la stabilité de la flamme de l'ammoniac et la vitesse de sortie qui soutient cette philosophie de conception. Si un système de torche n'est pas conçu en tenant compte de cette mesure clé, il existe un risque plus élevé de combustion incomplète et/ou de rejet non enflammé du gaz résiduaire.
Figure 2. Vitesse de sortie maximale typique en fonction du diamètre nominal de l'extrémité de l'évasement.
Figure 3. Couleur typique d'une flamme d'essai de l'ammoniac.
Par exemple, la figure 2 montre que la vitesse de sortie maximale pour les gaz résiduels contenant de l'ammoniac dépend du diamètre de la torche. En général, plus le diamètre de l'embout de la torche augmente, plus le volume de gaz et le dégagement de chaleur de la flamme sont importants. Ainsi, la conception du diamètre de la torche basée sur le contrôle de la vitesse de sortie permet de maintenir une température de flamme supérieure à la température d'allumage de l'ammoniac et d'améliorer la stabilité globale de la flamme.
Des tests effectués sur des gaz 100% ammoniac par une usine chimique de Houston, Texas, Etats-Unis, illustrent ces points. Le débit du gaz a été modifié pour évaluer l'influence de la vitesse de sortie au point de décharge de la torche sur l'efficacité de la combustion. Les tests ont été effectués sur une torche de type utilitaire de 12 pouces de diamètre nominal avec un anneau de rétention de flamme complet.
Les options suivantes ont été adaptées à l'embout dans le cadre des évaluations :
- Ensemble de pare-brise étendu de grand diamètre qui enfermait la décharge de la pointe de la fusée et les pilotes.
- Anneau d'assistance à l'injection de gaz au point de sortie de la torche pour produire des turbulences et augmenter l'inspiration de l'air dans la zone de combustion.
- Plusieurs pilotes (trois au maximum) étaient disponibles pour déterminer l'impact des flammes d'allumage sur le processus de combustion.
Les essais comprenaient l'analyse de la performance de l'embout de la torche en utilisant divers débits d'ammoniac, un à trois pilotes, un anneau d'injection de gaz, le pare-brise allongé et des combinaisons de ces éléments. La quantité d'ammoniac présente dans le panache de la torche a été déterminée à l'aide d'une sonde chauffée qui a échantillonné dans une position relative à la température mesurée (pour s'assurer que la sonde se trouvait dans la partie la plus chaude du panache). Voir la couleur typique de la flamme d'essai de l'ammoniac à la figure 3.
Les conclusions de ces tests sont les suivantes :
- L'ammoniac brûlera jusqu'à une combustion techniquement complète (99% ou plus) si la vitesse de sortie au point de décharge de la torche est maintenue très basse. La vitesse acceptable est une fonction du diamètre nominal de la torche (voir la figure 2).
- Des vitesses de sortie des gaz de torche plus élevées entraînent l'inspiration d'une trop grande quantité d'air ambiant dans la zone de combustion, ce qui dilue le mélange ammoniac/air en dessous de la limite de combustibilité. L'ammoniac a une limite inférieure d'explosivité/combustibilité qui est de 16% dans l'air. Ce chiffre est à comparer à celui de la plupart des hydrocarbures dont la valeur de la LIE est comprise entre 1 et 3 %. Cela signifie que le mélange ammoniac/air peut facilement être dilué jusqu'à un point où l'ammoniac ne brûlera pas.
- L'ammoniac doit avoir une source d'allumage fiable. Celle-ci est généralement fournie par une flamme pilote très fiable et un nombre suffisant de pilotes autour du périmètre de la torche. Si la source d'allumage était supprimée pendant les essais, l'ammoniac ne pourrait pas maintenir une flamme stable.
- Un pare-brise est très utile pour limiter la quantité d'air inspirée dans le flux de gaz de la torche à ammoniac afin de faciliter l'allumage des gaz dans une zone protégée des vents latéraux.
- La combustion de la vapeur d'ammoniac élimine toute odeur d'ammoniac. Ce processus produit également des NOx. Toute mole d'ammoniac produit une mole de NOx. La température de combustion dans une flamme d'ammoniac est beaucoup plus basse que dans une flamme d'hydrocarbure. Les NOx produits sont généralement de l'oxyde d'azote (NO) et du dioxyde d'azote (NO2) incolores.
Sur la base de ces résultats, l'ammoniac peut être brûlé dans un système de torche avec une efficacité très élevée, si le système de torche est conçu correctement.
Considérations sur la conception de la combustion de l'ammoniac
Des essais et une validation approfondis réalisés dans les installations d'essai de Zeecoont permis de réaliser des progrès novateurs dans la conception de la combustion du gaz de traitement de l'ammoniac.
Distribution des gaz résiduels de la pointe
En général, la partie de la torche appelée "pointe de la torche" est la partie supérieure de 10 pieds du système de torche. Lorsque les gaz résiduaires d'ammoniac entrent dans le corps de la torche, l'accès à l'air et le mélange uniforme pour favoriser la combustion jouent un rôle essentiel dans la combustion complète du composé. Pour obtenir une distribution uniforme des gaz résiduaires dans l'ensemble du corps de la torche, les torches d'ammoniac doivent être équipées de dispositifs de distribution de l'écoulement afin de disperser correctement les gaz résiduaires, d'exposer le flux de déchets à des sources d'inflammation et d'améliorer l'accès à l'air de combustion.
Conception à haute stabilité, et stabilisation de la flamme
Par exemple, sur les torchères typiques des services publics, les pare-brise affleurent la sortie de la torchère et les pilotes sont disposés sur le périmètre extérieur du pare-brise. Un système de stabilisation de la flamme assure une stabilité uniforme de la flamme pour l'allumage initial, car le gaz à haut pouvoir calorifique peut propager la combustion avec facilité une fois l'allumage initial effectué. En revanche, pour la combustion de l'ammoniac, la conception du pare-brise doit être modifiée pour que les effets du vent soient minimisés et que l'interaction entre le point d'allumage, l'air et le combustible soit concentrée dans cette zone.
Les pilotes sont placés à des endroits stratégiques afin d'accroître la stabilité et d'être aussi proches que possible du périmètre de la torche pour l'allumage. Zeeco conçoit et utilise un système de stabilisation de la flamme spécialisé pour les gaz à faible pouvoir calorifique tels que l'ammoniac. Avec ce système en place, la pointe de la torche, les pilotes et les languettes de stabilisation de la flamme sont synchronisés pour promouvoir la plus grande stabilité de flamme possible. Tous les composants interagissent pour créer une zone de combustion très stable, de sorte que l'ammoniac brûle librement et que le système de torche atteigne un DE élevé.
Stratégies de vitesse de sortie
Le comportement physique du gaz peut être modifié lors du brûlage de l'ammoniac à la torche. Comme mentionné précédemment, l'effet de la vitesse de sortie sur la combustion des déchets gazeux d'ammoniac est considérable, et des contraintes de conception peuvent être mises en place pour favoriser une combustion stable. Zeeco choisit généralement d'augmenter le diamètre du tube de la torche en conjonction avec l'utilisation d'appareils de diffusion pour les applications d'ammoniac. De cette manière, l'ammoniac peut être ralenti à une vitesse de sortie acceptable et diffusé dans l'ensemble de l'embout de la torche, ce qui favorise un mélange adéquat et une combustion stable sur une zone uniforme.
Ces systèmes devront être en mesure de purger leurs cuves en cas d'incendie dans l'installation. Par conséquent, les systèmes de torches devront être dimensionnés et conçus pour ces fluides. La question de savoir si ces gaz doivent être évacués vers un nouveau système de torche à basse pression, conçu de manière traditionnelle, ou dans un système existant, sera déterminée au cas par cas.
L'acceptation sociale de l'ammoniac est la principale préoccupation des opérateurs qui utilisent ce produit. Le faible seuil de concentration des odeurs alertera rapidement les opérateurs, et éventuellement les communautés environnantes, d'une fuite ou d'un système de torche peu performant. La prise en compte de cette préoccupation au stade de l'ingénierie d'avant-projet permettra de mettre l'équipement sur la bonne voie dès les premières étapes cruciales.
Discussion
Outre la conception de la combustion pour les installations d'ammoniac, les équipements auxiliaires doivent être évalués. Par exemple, les fûts à joint liquide (LSD) sont couramment utilisés comme mesure de protection pour séparer le système de torche du collecteur et de l'équipement en amont. L'ammoniac étant soluble dans l'eau, lorsqu'un flux de secours contenant de l'ammoniac traverse le LSD, l'eau absorbe une partie de l'ammoniac, formant une solution d'ammoniac corrosive. Souvent, le LSD est conçu de manière à ce que toute l'eau soit éliminée avec les gaz résiduels lors d'une opération de brûlage à la torche, et que le LSD soit rempli à nouveau à la fin de l'opération de brûlage. Dans ce cas, la corrosion due à une solution d'eau ammoniacale est peu probable.
Cependant, si l'on prévoit des débits pour lesquels l'eau ne sera pas retirée et remplacée, il faudra peut-être envisager d'autres solutions. Il est possible de réduire l'effet des flux d'ammoniac à travers un DSL en utilisant des matériaux spéciaux, en revêtant l'intérieur du DSL et/ou en maintenant la qualité de l'eau par un écumage continu et une vidange/remplissage cyclique de l'eau.
Comme les torchères d'ammoniac sont conçues pour avoir de faibles vitesses de sortie et de faibles dégagements de chaleur, le bruit causé par la torchère elle-même devrait être minimal. Cependant, les flux d'ammoniac sont généralement des flux à haute pression provenant des équipements en amont de l'usine. Une partie de cette chute de pression se traduira par un bruit qui se déplacera dans la tuyauterie du flux de déchets de l'usine. Comme le bec de la torche est le seul point de sortie de ce flux de déchets, et en raison de la caractéristique de conception nécessaire pour le bec de la torche, le bec peut agir comme un amplificateur pour le bruit produit dans la tuyauterie en amont. Les opérateurs qui rencontrent des niveaux de bruit inattendus à la sortie d'une torchère d'ammoniac doivent prendre en compte la forte perte de charge de la tuyauterie en amont ou de la source de décharge.
Conclusion
De nombreux aspects de la conception doivent être pris en compte lors de la conception des torchères et des équipements auxiliaires pour les processus de traitement des déchets d'ammoniac. Avec l'influence de réglementations plus strictes en matière d'émissions qui se profilent à l'horizon, les progrès vers une conception inhérente saine des systèmes de torche pour éliminer les déchets deviendront plus cruciaux. En poursuivant les essais et l'innovation, les fournisseurs de systèmes de torche tels que Zeeco auront l'occasion de développer de nouvelles solutions pour fournir des solutions de torchage propres, efficaces et efficientes pour les usines d'ammoniac et d'urée.