Le torchage de l'ammoniac et les effets de l'enrichissement en hydrogène dans les mélanges d'ammoniac

Alors que l’initiative mondiale visant à atteindre la neutralité carbone se poursuit, l’hydrogène et l’ammoniac suscitent un intérêt croissant en tant que carburants en raison de l’absence d’émissions de dioxyde de carbone qu’ils génèrent. La chaîne d’approvisionnement en ammoniac comprend la synthèse de l’ammoniac, qui utilise l’azote et l’hydrogène comme matières premières, ainsi que le transport, le stockage et la distribution de l’ammoniac, suivi soit de son utilisation directe comme carburant, soit de sa décomposition en hydrogène en vue de son utilisation. Par conséquent, les torches installées dans les installations tout au long de la chaîne d’approvisionnement doivent être conçues pour traiter toute une gamme de mélanges composés d’ammoniac, d’azote et d’hydrogène. L’ammoniac pose des défis en tant que combustible en raison de sa faible vitesse de propagation de la flamme, de ses limites d’inflammabilité étroites et de sa température d’allumage élevée, caractéristiques qui sont toutes exacerbées lorsqu’il est dilué avec de l’azote. L’enrichissement des mélanges d’ammoniac et d’azote en hydrogène peut constituer une solution efficace pour surmonter ces défis. Le gaz naturel ou le gaz combustible peuvent être utilisés, et l’ont déjà été, comme flux d’enrichissement ; cependant, en raison des émissions de dioxyde de carbone associées à ces combustibles, l’hydrogène constitue une alternative intéressante. De plus, les larges limites d’inflammabilité et la vitesse de propagation de flamme élevée de l’hydrogène permettent d’utiliser un pourcentage d’hydrogène plus faible pour atteindre les performances de combustion souhaitées par rapport à d’autres gaz. Cet article traite des essais de performance de combustion à grande échelle de l’ammoniac et de l’enrichissement des mélanges ammoniac/azote avec de l’hydrogène. L’objectif de cette recherche est de continuer à faire progresser les conceptions sûres et efficaces pour le torchage des flux de procédé contenant de l’ammoniac. 

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INTRODUCTION 

Historiquement, les torchères ont permis de traiter et d’éliminer un large éventail d’hydrocarbures, allant du gaz naturel aux oléfines et aux composés aromatiques. De nombreuses études ont été menées et publiées concernant l’efficacité des torchères dans le traitement des hydrocarbures, notamment l’« Étude sur l’efficacité des torchères » réalisée par Marc McDaniel dans les années 1980. Certains éléments de cette étude ont été financés par l’Agence américaine de protection de l’environnement (U.S. EPA) et l’Association des fabricants de produits chimiques (CMA) ; ils ont ensuite servi de base à la définition des pouvoirs calorifiques inférieurs minimaux admissibles et des vitesses de sortie maximales admissibles pour les torchères non assistées, assistées par vapeur et assistées par air. Ces exigences sont détaillées dans les articles 40 CFR 60.18 et 40 CFR 63.670. Bon nombre de ces études antérieures sur l’efficacité des torchères ont été réalisées à partir d’hydrocarbures présentant des vitesses de flamme, des températures d’auto-inflammation et des limites d’inflammabilité relativement similaires (par exemple, le propylène, le gaz naturel et le propane). Alors que le monde s’oriente vers des combustibles sans carbone tels que l’ammoniac et l’hydrogène, les fabricants de torchères et leurs clients doivent comprendre les paramètres de conception appropriés pour une torchère à ammoniac. En novembre 2024, Zeeco Air Products ont mené une étude sur l’efficacité des torches en utilisant de l’ammoniac et divers mélanges d’ammoniac, d’hydrogène et d’azote. Les objectifs de cette étude étaient de déterminer l’efficacité de destruction et d’élimination (DRE) de l’ammoniac, d’établir l’enrichissement minimal en hydrogène par rapport à la dilution en azote, et de mesurer les émissions d’oxydes d’azote (_NOx). 

CONSIDÉRATIONS RELATIVES À LA CONCEPTION

Les principaux défis liés au torchage de l’ammoniac consistent à maintenir une flamme stable tout en garantissant un rendement de destruction élevé. Ces défis sont spécifiques par rapport à un torchage classique (d’hydrocarbures) en raison de la faible vitesse de combustion de l’ammoniac, de la basse température de la flamme, de la température d’auto-inflammation élevée et de la plage d’inflammabilité volumétrique limitée. Les fournisseurs de torchères doivent mettre en œuvre des méthodes de stabilisation de la flamme suffisantes pour éviter toute instabilité de celle-ci, qui peut entraîner une baisse du rendement de destruction (c'est-à-dire des émissions inacceptables d'ammoniac non brûlé) ou un éteignement de la flamme, ce qui peut s'avérer potentiellement néfaste pour l'environnement et dangereux pour le personnel. Le tableau 1 répertorie les propriétés de l'ammoniac, de l'hydrogène et d'autres combustibles hydrocarbures. 

Tableau 1. Résumé des propriétés des carburants.

 Divers hydrocarbures peuvent être utilisés pour enrichir un flux de gaz de torchère. Le plus courant est le gaz naturel ; toutefois, l’hydrogène peut être utilisé sans augmenter les émissions de dioxyde de carbone. De plus, l’hydrogène présente une vitesse de combustion élevée, une température de flamme élevée et une large plage d’inflammabilité, ce qui améliore son efficacité en tant que combustible d’enrichissement. Les propriétés de combustion et les performances du gaz de torchère contenant de l’hydrogène ont fait l’objet d’études approfondies. L’« Hydrogen Flare Equivalency Demonstration » (démonstration d’équivalence des torchères à hydrogène), menée dans les années 1990 par l’Energy and Environmental Research Corporation, constitue un exemple de ces travaux. Ces essais ont été réalisés sur des mélanges d’hydrogène et d’azote auxquels de faibles pourcentages d’éthylène avaient été ajoutés afin de mesurer l’efficacité de destruction. Il est essentiel de comprendre les implications du remplacement de l’ammoniac dans ces mélanges, car les mauvaises caractéristiques de combustion de l’ammoniac auront un impact sur les performances de la torchère.

Lorsqu’on examine la combustion d’un composé contenant de l’azote lié au combustible, la production_{de NOx} s’effectue selon deux voies :_{les NOx} thermiques et_{les NOx} liés au combustible. On pourrait s’attendre à ce qu’un enrichissement en hydrogène augmente encore davantage les_NOx thermiques, car l’hydrogène élève la température de la flamme. Historiquement,_{les NOx} issus du torchage ont revêtu moins d’importance que l’efficacité de la destruction. Les torchères n’utilisent aucune méthode de contrôle des NOx, et l’industrie se base sur des moyennes des émissions de NOx produites par différents modèles et compositions d’embouts de torchère ; cependant, ces dernières années, une importance accrue a été accordée à l’ensemble des critères de performance des torchères, y compris les émissions de NOx. L’EPA publie, dans le cadre de l’AP-42, des facteurs d’émission atmosphérique communément acceptés pour diverses sources.

Les torchères sont décrites plus en détail au chapitre 13.5 « Torchères industrielles ». Les torchères surélevées sont répertoriées comme suit :

0,068 lb/MMBtu, d’après des essais réalisés avec un mélange composé de 80 % de propylène et de 20 % de propane [4]. La Commission texane de la qualité environnementale (TCEQ) a publié des informations concernant les émissions_{de NOx} des torchères, ventilées en deux catégories : « haut pouvoir calorifique » et « faible pouvoir calorifique », pour les embouts de torchère à assistance vapeur, à assistance air ou sans assistance. De plus, la TCEQ précise que les_NOx issus du combustible sont supposés représenter 0,5 % en poids du débit massique d’ammoniac à l’entrée. La TCEQ indique que la conversion_{des NOx} de l’ammoniac en_NOx du combustible fait l’objet d’un examen au cas par cas [3]. Par exemple, si le débit à l’entrée de la torche est de 10 000 lb/h d’ammoniac, le taux d’émission de NOx provenant du combustible serait alors de 0,5 % de 10 000 lb/h, soit 50 lb/h. L’étude et les essais menés par Zeeco novembre 2024 ont permis de recueillir des données étayant les émissions_{de NOx} provenant des flux de gaz de torchage contenant de l’ammoniac.

TESTS

Lesessais de torcheont été réalisés au Centre technologique mondial (GTC) Zeeco, à Broken Arrow, dans l'Oklahoma. Une torche à tuyau de 10 pouces (ZEECO UFW-10) a été utilisée et équipée de deux (2) allumeurs ZEECO HSLF. Pendant les essais, les allumeurs fonctionnaient à l’hydrogène. L’ammoniac et l’azote étaient fournis sous forme liquide puis vaporisés avant d’être acheminés vers la torche. L’hydrogène était fourni sous forme de vapeur dans une remorque-citerne. Des débitmètres à orifice ont été utilisés pour contrôler et mesurer chaque composant individuel du gaz de torchage. Une hotte de prélèvement spécialement conçue, utilisant de l’air comprimé pour aspirer les gaz d’échappement, a été hissée à l’aide d’une grue au-dessus de la flamme de la torche afin de capter le panache de combustion. L’échantillon du panache a été acheminé par une conduite d’échantillonnage chauffée vers un laboratoire mobile pour y être analysé. Les données d’émission comprenaient l’oxygène [_O₂], l’ammoniac [_NH₃] et les oxydes d’azote [_NOx].

Les essais ont débuté avec de l’ammoniac à 100 %, en faisant varier la vitesse de sortie de faible à élevée. Contrairement aux torchères à hydrocarbures, le torchage de l’ammoniac nécessite de comprendre et de prendre en compte les performances à la fois à faible et à forte vitesse de sortie. Une torchère à hydrocarbures est généralement limitée uniquement par une vitesse de sortie maximale admissible. Cependant, en raison des mauvaises propriétés de combustion de l’ammoniac, deux mécanismes différents doivent être pris en compte. À une vitesse de sortie élevée, la flamme peut se déstabiliser car la vitesse du gaz de torchère dépasse la vitesse de turbulence de la flamme. À mesure que la vitesse de sortie augmente, l’entraînement d’air dans la torchère s’accroît, ce qui conduit à une zone de combustion plus diluée. Ainsi, à une vitesse de sortie élevée, le mécanisme limitant est la vitesse de réaction des composants à l’intérieur de la zone de combustion. À une vitesse de sortie faible, le mélange devient le mécanisme limitant car le gaz de torchère possède moins d’impulsion. Le gaz de torchère doit être mélangé et former un mélange combustible avec l’air ambiant suffisamment rapidement lorsqu’il se trouve à proximité de la source d’allumage (c’est-à-dire les veilleuses). Les figures 1 et 2 illustrent une combustion réussie de l’ammoniac à faible débit et à débit élevé. 

Figure 1. Torche à faible débit contenant 100 % d'ammoniac. Figure 2. Torche à haut débit contenant 100 % d'ammoniac.

Les essais se sont poursuivis en faisant varier les concentrations d'azote et d'hydrogène dans le gaz de torchère afin d'évaluer l'enrichissement minimal en hydrogène nécessaire pour maintenir une flamme stable et d'observer son impact sur le rendement de destruction. L'équation 1 a été utilisée pour déterminer le rendement de destruction (DRE) de l'ammoniac. 

L’hydrogène est un composé précieux ; il est donc important de prédire avec précision l’enrichissement minimal en hydrogène nécessaire pour réduire le coût d’exploitation de la torche tout en garantissant une destruction acceptable de l’ammoniac. La figure 3 illustre l’efficacité de destruction de l’ammoniac en fonction d’une température caractéristique pour tous les points d’essai réalisés. Ces points d’essai vont de 100 % mol. d’ammoniac à 0,7 % mol. d’ammoniac mélangé à de l’azote et de l’hydrogène. Une température caractéristique a été déterminée, en corrélation avec l’efficacité de destruction. Pour obtenir une destruction acceptable du composant donné, la température caractéristique doit être égale ou supérieure à la valeur minimale, comme l’indique la ligne verticale rouge sur la figure 3. Un point d’essai a été classé comme valeur aberrante, comme l’indique le « X » bleu. Lors de ce point d’essai, un orifice de mesure d’hydrogène de grande taille a été utilisé pour injecter un faible débit d’hydrogène, qui se situait en dessous de la plage de régulation pour un orifice de cette taille. Un mélange de gaz de torchère similaire a été utilisé lors d’un point d’essai ultérieur avec un orifice de mesure de taille appropriée, ce qui a permis d’obtenir une efficacité de destruction plus élevée. 

Figure 3. Efficacité de destruction de l'ammoniac en fonction de la température caractéristique. 

Comme indiqué dans la section « Considérations de conception », il existe des facteurs d’émission_{de NOx} courants publiés par l’EPA et d’autres organismes, basés sur des essais historiques de torchage. Ces études antérieures portaient principalement sur les hydrocarbures, tandis que le torchage de l’ammoniac n’a pas fait l’objet d’études aussi approfondies. Par exemple, le document AP-42 de l’EPA américaine évalue les oxydes d’azote provenant de torchères à haute altitude à 0,068 lb/MMBtu, sur la base d’un mélange de propylène brut contenant 80 % de propylène et 20 % de propane [4]. La TCEQ a approfondi l’analyse de ces données, fournissant des facteurs d’émission_{de NOx} selon que la combustion est assistée par vapeur ou non (à l’air libre), pour des flux de gaz à faible ou à haut pouvoir calorifique [2]. Le tableau 2 répertorie ces facteurs d’émission. La TCEQ définit un gaz à haut pouvoir calorifique comme un gaz dont le pouvoir calorifique est supérieur à 1 000 Btu/scf et un gaz à faible pouvoir calorifique comme un gaz dont le pouvoir calorifique est compris entre 192 et 1 000 Btu/scf. 

Tableau 2. Résumé des facteurs d'émission_{de NOx} fournis dans le document RG-360/21 de la TCEQ. 

Comme indiqué précédemment, le torchage_{de l’NH₃} doit tenir compte_{des NOx} d’origine thermique et_{des NOx} liés au combustible, car_l’NH₃ est un composé azoté. La TCEQ estime que_{les NOx} liés au combustible issus de_l’NH₃ représentent 0,5 % en poids de_l’NH₃ à l’entrée, sous réserve d’un examen au cas par cas [3]. L’équation 2 présente la formule permettant de déterminer les émissions_{de NOx}, conformément au document de la TCEQ intitulé « NSR Emission Calculations » (Calculs des émissions dans le cadre du NSR). 

Les émissions_{de NOx} ont été calculées pour chaque point d’essai à l’aide de l’équation 2, puis représentées graphiquement en fonction des émissions réelles_{de NOx} mesurées lors des essais, comme le montre la figure 4. Les données d’essai ont été réparties en trois ensembles distincts, comme l’indiquent les couleurs. Les points bleus correspondent à une concentration d’ammoniac de 100 %, les points roses à une concentration comprise entre 50 et 56 % mol, et les points jaunes à une concentration comprise entre 0,6 et 26 % mol. Les points d'essai inclus présentent un DRE supérieur à 90 %. À mesure que le DRE diminue, les résultats perdent en précision, car une partie importante du gaz brûlé au torchère reste sans réaction. Comme le montre le graphique, on peut en conclure que les prévisions de la TCEQ concernant_{les NOx} sont raisonnablement précises. 

Figure 4. Taux d'émission_{de NOx} calculé [lb/h] selon les directives de la TCEQ, comparé au taux d'émission_{de NOx} mesuré [lb/h] lors des essais. 

MODÉLISATION PAR DYNAMIQUE DES FLUIDES NUMÉRIQUE (CFD)

Plusieurs points d’essai ont été sélectionnés à des fins de comparaison avec la modélisation CFD. Les essais à taille réelle des équipements constituent généralement la méthode la plus fiable pour confirmer leurs performances. Cependant, ces essais posent également certains défis, tels que les considérations de sécurité, leur coût potentiellement élevé et les contraintes de calendrier. Il est donc impératif de disposer d’une méthode alternative pour valider les performances et la conception des torchères. Si la collecte de données d’essais à grande échelle constituait l’objectif principal, la validation des paramètres et de la méthodologie du modèle CFD par rapport à ces données représentait un objectif secondaire important, car elle est essentielle à la compréhension et à l’amélioration continues du torchage de l’ammoniac. Les données d’essais ont été comparées à la modélisation CFD en ce qui concerne la longueur de la flamme, le rendement de destruction d’un gaz de torchage composé à 100 % d’ammoniac pour une gamme de vitesses de sortie, ainsi que le rendement de destruction des flux de gaz de torchage enrichis en hydrogène. 

Trois points d'essai ont été sélectionnés pour une concentration d'ammoniac à 100 %, sur une plage de vitesses de sortie. Deux points d'essai d'enrichissement en hydrogène ont été sélectionnés, allant d'une dilution de 39 % mol à 54 % mol avec de l'azote. Tous les modèles étaient des équations de Navier-Stokes moyennées selon Reynolds (RANS) utilisant le modèle d'interaction turbulence-chimie Eddy Dissipation Concept (EDC) [5] et le mécanisme cinétique chimique H-N-O récent de Doner et al. [6]. Le maillage CFD comprenait environ 8,4 millions de mailles.  

La forme de la flamme a été le premier élément du modèle à être évalué. L'estimation de la longueur de la flamme d'une torche est une donnée essentielle pour diverses considérations de conception, notamment le rayonnement et la dispersion du gaz de torchère non brûlé. En l'absence de composés carbonés, les méthodes traditionnelles d'estimation de la forme de la flamme à l'aide d'isosurfaces de monoxyde de carbone ne sont pas applicables. Le modèle en régime permanent a été comparé aux séquences vidéo issues des essais afin de déterminer l’iso-surface de quantité appropriée pour représenter la limite visible de la flamme. La comparaison entre les résultats des essais et ceux de la CFD est présentée dans le tableau 3. De plus, la figure 5 illustre les iso-surfaces sélectionnées pour représenter la limite visible de la flamme dans le modèle CFD pour un torchage à 100 % d’ammoniac.

Tableau 3. Longueur moyenne de la flamme mesurée lors des essais et de la modélisation CFD. 

Figure 5. Isosurfaces permettant de déterminer la forme de la flamme lors d'un torchage à 100 % d'ammoniac. 

Ces essais avaient également pour objectif de déterminer l'efficacité de destruction de l'ammoniac à 100 % à différentes vitesses de sortie. La figure 6 illustre la différence entre l'efficacité de destruction mesurée et celle obtenue par le modèle CFD en fonction de la vitesse de sortie. 

Lors des essais avec de l'ammoniac à 100 %, un point d'essai a été considéré comme une valeur aberrante en raison de la baisse de l'efficacité de destruction observée, alors qu'il présentait la vitesse de sortie la plus faible. La simulation CFD a permis de confirmer cette hypothèse en mettant en évidence la plus grande différence d'efficacité de destruction prévue pour ce point d'essai à faible vitesse de sortie. À mesure que la vitesse de sortie augmentait, l'efficacité mesurée et les résultats de la simulation CFD présentaient une concordance raisonnable. 

Figure 6. Différence entre le DRE mesuré et celui obtenu par CFD pour des essais à 100 % d’ammoniac, en fonction de la vitesse à la sortie de la torche. 

Le dernier objectif des essais consistait à utiliser les résultats des essais d’enrichissement en hydrogène pour valider le modèle CFD concernant l’efficacité de destruction de l’ammoniac pour une gamme de compositions. Trois points d’essai ayant atteint une efficacité de destruction élevée ont été sélectionnés pour cette analyse. La figure 7 illustre la différence entre l’efficacité de destruction mesurée et celle du modèle CFD en fonction de l’enrichissement en hydrogène. L’enrichissement en hydrogène a considérablement amélioré l’efficacité de destruction de l’ammoniac dans le gaz de torchère, malgré une dilution importante par l’azote. La CFD a réussi à rendre compte des effets de l’hydrogène et a montré une concordance raisonnable sur l’ensemble des conditions d’essai. 

Figure 7. Différence entre les valeurs DRE mesurées et celles obtenues par CFD pour des mélanges d'hydrogène, d'azote et d'ammoniac. 

INSTALLATION DU PROJET

Zeeco l’occasion de fournir des systèmes de torchères à Air Products pour le complexe d’hydrogène vert NEOM situé au Royaume d’Arabie saoudite. Ce projet novateur s’appuie sur des technologies éprouvées pour produire de l’hydrogène vert. Le projet utilisera des énergies renouvelables (à savoir l’énergie solaire et éolienne) pour produire de l’hydrogène vert par électrolyse de l’eau et de l’azote via des unités de séparation de l’air. L’hydrogène et l’azote seront convertis en ammoniac en vue de leur distribution et de leur utilisation en aval [7]. Les essais de torchage et la modélisation CFD qui ont suivi ont constitué une étape cruciale pour vérifier les performances du torchage et étayer une méthodologie permettant de déterminer l’enrichissement minimal en hydrogène. 

CONCLUSION

Des essais ont été menés au Centre technologique mondial Zeecodans le but de recueillir des données d’émissions destinées à étayer les applications de torchage de l’ammoniac. L’enrichissement en hydrogène du gaz de torchage a été utilisé pour compenser la dilution par l’azote, afin de maintenir une flamme stable et d’obtenir un taux de destruction acceptable de l’ammoniac. L’essai a permis de valider avec succès la quantité minimale d’hydrogène requise dans ces conceptions, ce qui a été confirmé par la modélisation CFD. Les résultats des essais et la modélisation CFD ont montré une concordance quant aux tendances générales et une concordance raisonnable en ce qui concerne l’efficacité de destruction. 

Les applications de l'ammoniac ne cessent de se développer, ce qui nécessite davantage de recherches sur la combustion efficace des flux de procédé associés. Bien que la combustion de l'ammoniac soit pratiquée depuis plusieurs décennies, les essais à grande échelle et la modélisation CFD validée constituent des outils utiles pour améliorer la conception et le fonctionnement des torchères, ainsi que pour minimiser leur impact environnemental. Les essais Zeecoont fourni des données fondamentales dans ce domaine. Zeeco mis au point une méthode d’essai des torchères à ammoniac à flamme nue et a utilisé les données d’essai ainsi obtenues pour valider un modèle CFD précis destiné aux applications à l’ammoniac, confirmer la conception d’une pointe de torche sûre et fiable, et étayer une méthodologie d’exploitation appropriée pour le torchage de l’ammoniac. De plus, ces essais ont démontré avec succès que l’enrichissement en hydrogène constituait une méthode efficace pour améliorer le rendement de destruction de l’ammoniac dilué dans l’azote. 

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