Moulay El Hassane EL MOUKRIE. Ingénieur procédés industriels et génie chimique à la recherche d'opportunités.
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Auteur :elmoukrie
Ingénieur des procédés industriels et génie chimique, ce site présente mon profil. Vous y trouvez ma formation, mes expériences, mes réalisations, mes centres d’intérêts et d'autres informations complémentaires. Je suis à la recherche d'opportunités professionnelles et je souhaite intégrer une structure motivée, dynamique et innovante.
Résultats par produit et comparaison des références régionales
Introduction
Fertilizers Europe a commandé le développement d’un outil permettant d’estimer l’empreinte carbone associée à la production d’une sélection de produits fertilisants.
Le calculateur estime le facteur d’émission lié à la production des engrais, exprimé en tonnes d’équivalent CO₂ par tonne de produit [t CO2eˊq/t de produit]. Toutes les émissions présentant un potentiel de réchauffement global, ou PRG (Global Warming Potential — GWP), sont prises en compte. Le calculateur intègre les émissions directes et indirectes provenant de l’ensemble des matières intervenant dans la fabrication du produit final considéré, jusqu’à sa livraison dans la zone de stockage des produits finis du site de production.
Le calculateur prend également en compte les émissions estimées liées à l’extraction et au transport de l’énergie, depuis sa source jusqu’à l’utilisateur.
Le Calculateur d’empreinte carbone en ligne, ou web-CFC, est accessible gratuitement sur le site Internet de Fertilizers Europe.
Le calculateur permet de sélectionner et de saisir les hypothèses de base relatives aux matières premières, au transport, à l’énergie ainsi qu’aux données propres aux procédés de production.
L’outil a été conçu pour :
○ calculer et fournir des valeurs de référence relatives aux émissions de carbone de certains engrais, sur la base de la moyenne de l’Union européenne — pour l’ammoniac et l’acide nitrique —, des valeurs MTD de l’Union européenne (meilleures techniques disponibles, ou EU BAT) — pour l’ammoniac et l’acide nitrique —, ainsi que d’autres références définies ;
○ calculer les facteurs d’émission nécessaires à un calculateur d’analyse du cycle de vie (ACV, ou Life Cycle Assessment — LCA) appliqué à l’agriculture, tel que Cool Farm Tool, ou à d’autres outils similaires servant à calculer l’ACV des produits alimentaires et des produits agricoles ;
○ fournir des données régionales — Amérique du Nord, Amérique latine, Afrique, Moyen-Orient, CEI, Asie du Sud-Est, Asie du Sud, Océanie et Chine — relatives à l’ammoniac et à l’acide nitrique, afin de les intégrer au calculateur pour déterminer des facteurs d’émission de référence. L’objectif est d’obtenir des valeurs moyennes d’émissions de carbone pour les engrais sélectionnés dans les régions précitées, afin de les utiliser comme points de référence dans le cadre de comparaisons mondiales. Les moyennes régionales peuvent également servir de données d’entrée dans des calculateurs d’ACV, tels que Cool Farm Tool.
L’outil est également destiné aux fabricants d’engrais, afin qu’ils puissent calculer leurs propres facteurs d’émission à des fins de référence interne. Sous réserve que les données soient vérifiées par un auditeur externe — The Carbon Trust ayant été désigné à cet effet par Fertilizers Europe —, les producteurs d’engrais peuvent utiliser le calculateur pour :
○ satisfaire aux exigences de déclaration réglementaire et/ou établir des rapports de développement durable et de responsabilité sociétale des entreprises (RSE) ;
○ communiquer avec les autorités locales ou nationales au sujet des questions énergétiques et environnementales.
Calcul d’une empreinte carbone
Le calculateur est divisé en quatre parties principales :
Définition des engrais devant faire l’objet du calcul.
Définition des sources d’énergie, en utilisant soit les données moyennes intégrées, soit les données spécifiques fournies par l’utilisateur.
Partie « composants », destinée à spécifier les matières importées et les produits intermédiaires fabriqués sur le site.
Partie récapitulative présentant la quantité calculée de CO₂éq pour les engrais sélectionnés.
Un rapport détaillé au format PDF, contenant l’ensemble des informations, peut être généré et téléchargé.
La structure principale des calculs repose sur les principes décrits par Kongshaug (1998), comme illustré à la figure 1.
Méthodologie détaillée
Le CFC est un calculateur couvrant le périmètre « du berceau à la sortie de l’usine » (cradle-to-factory-gate), fondé sur les principes développés par Kongshaug (1998). Cela signifie que les facteurs d’émission des produits finis, exprimés en kg CO₂éq par tonne de produit fertilisant, sont calculés étape par étape, en définissant les matières premières importées, la production des produits intermédiaires ainsi que le procédé de finition au cours duquel ces matières sont combinées pour obtenir le produit final.
Le CFC tient compte du fait que les usines d’engrais ne disposent pas toujours des installations nécessaires pour fabriquer l’ensemble des produits intermédiaires. Dans de tels cas, un ou plusieurs produits intermédiaires sont définis comme des matières premières importées.
Bien que le CFC contienne des valeurs par défaut intégrées correspondant aux références régionales — Union européenne, Russie, Chine et États-Unis — ainsi qu’aux MTD de l’Union européenne (EU-BAT — Best Available Techniques), l’utilisateur peut saisir ses propres valeurs.
[Diagramme et éléments graphiques non traduits, conformément à votre demande.]
Énergie
Les trois sources d’énergie prises en compte dans le CFC sont :
les combustibles fossiles ;
l’électricité ;
la vapeur.
Le facteur d’émission associé aux différentes sources d’énergie dépend du facteur carbone, exprimé en kg CO₂/GJ, correspondant à l’utilisation de l’énergie et à son approvisionnement. Ce dernier englobe les émissions associées à l’exploration et à la production de l’énergie utilisée, ainsi qu’à son transport depuis la « source » jusqu’à l’utilisateur.
La production d’ammoniac et d’acide nitrique exerce l’incidence la plus importante sur l’empreinte carbone. Les données relatives à ces procédés ont donc été intégrées sur une base régionale. Fertilizers Europe a chargé Integer Research d’estimer les facteurs d’émission des installations de production d’ammoniac et d’acide nitrique dans différentes régions du monde : Amérique du Nord, Amérique latine, Afrique, Moyen-Orient, CEI — Communauté des États indépendants, ou Russian Commonwealth dans le texte original —, Asie du Sud-Est, Asie du Sud, Océanie et Chine.
Combustibles fossiles
Les combustibles fossiles peuvent être utilisés à la fois comme source d’énergie et comme matière première destinée à la production du gaz de synthèse nécessaire à la fabrication de l’ammoniac.
Vapeur
Selon le combustible utilisé dans la chaudière à vapeur, différents facteurs carbone peuvent être attribués à l’utilisation de l’énergie et à son approvisionnement. Outre la nature du combustible, le rendement de fonctionnement de la chaudière à vapeur peut varier d’un site à l’autre. Les valeurs de référence relatives à la vapeur sont établies à partir des références propres aux combustibles, en supposant un rendement énergétique de 93 %, sauf pour les chaudières à vapeur alimentées au charbon, pour lesquelles un rendement de 90 % est retenu. En sélectionnant l’option « données propres » (own data), l’utilisateur peut appliquer ses propres valeurs de rendement.
L’exportation de vapeur depuis les unités de production d’ammoniac, d’acide nitrique et d’acide sulfurique peut donner lieu à des crédits d’émission, à condition que cette vapeur soit intégralement utilisée dans d’autres unités de production. Puisqu’il s’agit d’un crédit, celui-ci est comptabilisé dans le CFC sous la forme d’une valeur négative. Le crédit accordé pour la vapeur exportée vers d’autres unités de production est identique à celui appliqué à la consommation de vapeur.
Matières premières
Les matières premières telles que la roche phosphatée, la potasse, le soufre et les matières inertes sont extraites, traitées puis transportées jusqu’au site de production. Les émissions sont donc déterminées par l’ensemble de ces opérations.
Extraction minière et traitement
L’extraction des matières premières est relativement énergivore et génère par conséquent des émissions, comparables à celles associées à l’approvisionnement énergétique. En outre, lors de la transformation de la roche phosphatée (PR, Phosphate Rock) en engrais, du CO₂ est libéré au cours du procédé de fabrication. La quantité de CO₂ émise dépend de l’origine de la roche phosphatée — sédimentaire ou magmatique — ainsi que de sa teneur en carbonates. Pour la roche sédimentaire, la consommation énergétique de l’extraction est estimée à 0,1 GJ par tonne de PR, tandis que l’extraction de roche magmatique nécessite 0,9 GJ par tonne de PR.
En supposant l’utilisation de fioul lourd, avec un facteur carbone lié à la consommation d’énergie de 77,4 kg CO₂/GJ, ces valeurs correspondent respectivement à 7,7 et 69,7 kg CO₂ par tonne de PR. Le facteur carbone associé à l’approvisionnement énergétique n’a pas été pris en compte dans les calculs, les conditions locales n’étant pas connues. Par défaut, le CFC utilise une teneur en P₂O₅ de 32 % ; lorsqu’un utilisateur saisit ses propres valeurs, des calculs inverses sont nécessaires.
La potasse est importée soit sous forme de chlorure de potassium (MOP), soit sous forme de sulfate de potassium (SOP). L’énergie associée à l’extraction et au traitement est estimée respectivement à 3 GJ par tonne pour le MOP et à 1,4 GJ par tonne pour le SOP. En supposant l’utilisation de fioul lourd, cela correspond respectivement à 232,2 et 108,4 kg CO₂ par tonne de MOP et de SOP.
L’extraction et le traitement des matières inertes sont également énergivores. Leur consommation est estimée à 0,8 GJ par tonne de matière inerte, ce qui correspond à 61,9 kg CO₂ par tonne de matière inerte, en supposant l’utilisation de fioul lourd. Le CO₂ contenu dans le calcaire (CaCO₃) et dans la dolomie peut potentiellement être libéré lors de leur application en agriculture, en fonction du pH du sol et d’autres facteurs. Dans les résultats du CFC, le CO₂ contenu dans le produit final et susceptible d’être libéré lors de son utilisation agricole est calculé séparément.
Transport
Les émissions de CO₂ liées au transport dépendent du mode de transport utilisé et de la distance à parcourir. Bien que l’utilisateur puisse utiliser les facteurs d’émission communiqués par ses fournisseurs, des facteurs d’émission moyens relatifs au transport ont également été calculés.
Outre les émissions liées au transport, les autres émissions associées aux matières premières doivent également être prises en compte dans l’empreinte carbone totale. Des données propres à chaque installation concernant la production des produits intermédiaires sont donc intégrées.
Produits intermédiaires et données spécifiques aux installations
Lorsque des produits intermédiaires, tels que l’ammoniac, l’acide nitrique, etc., sont importés sur le site de production, les mêmes facteurs d’émission liés au transport que ceux décrits pour les matières premières s’appliquent. En revanche, le facteur d’émission du produit lui-même n’est pas calculé ; il doit être estimé à partir des données fournies par le fournisseur.
Pour chaque produit intermédiaire fabriqué sur le site — et donc non importé —, il est possible de renseigner des données propres à l’installation concernant la consommation énergétique sous forme de combustible, d’électricité et de vapeur. Pour l’ammoniac (NH₃) et l’acide nitrique (HNO₃), un large ensemble de valeurs de référence est disponible.
Pour l’ammoniac, l’utilisateur peut définir les émissions de CH₄, exprimées en kg CH₄ par tonne de NH₃ ; celles-ci sont automatiquement converties en équivalents CO₂. Pour la production d’acide nitrique, les émissions de N₂O, exprimées en kg N₂O par tonne de HNO₃, ainsi que celles de CH₄, exprimées en kg CH₄ par tonne de HNO₃, sont prises en compte dans le calcul effectué par le CFC. Un traitement d’abattement par défaut au moyen d’un système deNOx ou NSCR — réduction catalytique non sélective — est proposé en option.
Pour les unités de production d’acide nitrique, le rendement de conversion par défaut est fixé à 95 %, soit 284 kg de NH₃ par tonne de HNO₃, mais des facteurs de rendement spécifiques peuvent également être utilisés.
Résultats par produit et comparaison des références régionales
Après avoir défini tous les paramètres relatifs à la production de l’engrais, l’empreinte carbone totale — exprimée en tonnes de CO₂éq par tonne de produit — est calculée pour l’engrais sélectionné.
Pour les principaux produits fertilisants tels que le nitrate d’ammonium (AN), le nitrate d’ammonium calcique (CAN), l’urée et l’UAN, des informations plus détaillées concernant les émissions sont fournies. Il s’agit notamment :
des émissions de CO₂ associées aux matières premières, à l’exclusion du gaz naturel utilisé comme matière première ;
des émissions de CO₂ associées à l’approvisionnement énergétique, y compris le gaz naturel utilisé comme matière première ;
des gaz à effet de serre émis au cours de la production ;
ainsi que, dans le cas de l’urée et de l’UAN, du CO₂ capté dans le produit et susceptible d’être libéré ultérieurement dans les champs.
Une comparaison avec les valeurs de référence régionales est également disponible pour ces produits. La figure 2 présente un exemple de résultat obtenu pour le nitrate d’ammonium.
Les données régionales relatives aux émissions ainsi que les données régionales d’approvisionnement énergétique ont été utilisées pour calculer l’empreinte carbone des quatre engrais azotés suivants : nitrate d’ammonium, nitrate d’ammonium calcique, urée et engrais liquide UAN-30.
Références
Kongshaug. (1998). Energy consumption and greenhouse gas emissions in fertilizer production. IFA Technical Conference, Marrakech, Morocco
639, (2008), GHG Emissions and Energy Efficiency in European Nitrogen Fertiliser Production and Use, F Brentrup, C Pallière
751, (2014), Assessing the Carbon Footprint of Fertilisers, at Production and Full LCA, B Christensen, F Bentrup, L Six, A Hoxha, C Pallière
805, (2019), The Carbon Footprint of Fertiliser Production: Regional Reference Values, A Hoxha, B Christensen
L’importance de l’efficacité énergétique de la production d’engrais
Amélioration de l’efficacité énergétique de la production d’engrais azotés
Unités de production d’ammoniac
Économies d’énergie grâce à l’intégration des unités d’ammoniac aux unités de production d’engrais
Autres facteurs influant sur l’efficacité des installations
Mesure de l’efficacité des unités d’ammoniac et des émissions de gaz à effet de serre
L’importance de l’efficacité énergétique de la production d’engrais
Les analyses du cycle de vie réalisées pour les cultures agricoles montrent systématiquement que le principal impact environnemental du processus de production est lié aux émissions de gaz à effet de serre, et que l’énergie mise en œuvre dans la production des engrais constitue une composante importante de cet impact. La figure 1 montre que les émissions de N₂O provenant de la production d’engrais azotés (N) et des champs agricoles sont les principales sources de gaz à effet de serre.
Les émissions de gaz à effet de serre provenant de la production d’engrais azotés résultent principalement de deux sources : le CO₂ issu de l’utilisation de sources d’énergie fossiles — principalement le gaz naturel — comme matière première et comme combustible dans la synthèse de l’ammoniac, et le N₂O émis lors de la production d’acide nitrique. Environ 70 % du gaz naturel, c’est-à-dire du méthane, utilisé pour fabriquer l’ammoniac sert de matière première et fournit 60 % de l’hydrogène H₂ nécessaire à la réaction avec l’azote N₂ de l’air afin de synthétiser l’ammoniac. Les 40 % restants de l’H₂ proviennent de l’eau dans les unités modernes d’ammoniac utilisant le reformage à la vapeur. Ces réactions ont pratiquement atteint leur rendement théorique maximal. Les 30 % restants du méthane sont utilisés comme combustible pour chauffer les procédés. La figure 2 présente les niveaux d’émissions de gaz à effet de serre associés à la production de nitrate d’ammonium (AN) pour différents niveaux technologiques.
Figure 1. Empreinte carbone de la production de blé, exprimée en kg d’équivalent CO₂ par hectare, ventilée selon les différents gaz à effet de serre et leurs sources. Source : Actes IFS 639.
Amélioration de l’efficacité énergétique de la production d’engrais azotés
Pour les raisons exposées ci-dessus, l’amélioration de l’efficacité énergétique constitue l’objectif principal des évolutions technologiques dans le domaine de la production d’engrais azotés. Ces évolutions sont mises en pratique aussi bien par l’amélioration de la conception des nouvelles installations que par la modernisation des installations existantes.
Les unités de production d’ammoniac sont de grandes consommatrices d’énergie. Une partie de cette énergie est utilisée sous forme d’électricité et de gaz combustible, mais la majeure partie est consommée sous forme de gaz d’alimentation. Ce gaz d’alimentation, généralement du gaz naturel, est transformé dans la section amont d’une unité d’ammoniac avec de la vapeur afin de produire de l’hydrogène. L’air constitue la source d’azote.
Figure 2. Émissions de gaz à effet de serre provenant de la production de nitrate d’ammonium, d’après Jenssen et Kongshaug (2003), pour une technologie vieille de 30 ans, et d’après les données de l’EFMA — Fertilizers Europe — pour les catégories « Moyenne européenne 2006 » et « Meilleures techniques disponibles — MTD ».
Un aperçu des évolutions historiques et des tendances futures de la production d’ammoniac est présenté sur la page FertInform consacrée à la production d’ammoniac à haute efficacité énergétique.
Les unités de production d’urée sont également consommatrices d’énergie. Elles nécessitent de la vapeur à moyenne pression provenant d’une source externe, généralement une unité d’ammoniac. En revanche, les unités d’urée produisent elles-mêmes de la vapeur à basse pression. La vapeur provenant de ces deux sources, ainsi que l’énergie électrique nécessaire, doivent être utilisées dans le procédé de fabrication de l’urée avec la meilleure efficacité énergétique possible. Des techniques de modernisation ont été développées afin d’améliorer l’efficacité énergétique des unités d’urée fonctionnant de manière « autonome », tandis que d’autres gains d’efficacité peuvent également être obtenus grâce à une meilleure intégration énergétique entre les unités d’ammoniac et d’urée.
Contrairement aux unités consommatrices d’énergie, les unités de production d’acide nitrique sont productrices d’énergie. La vapeur générée dans la section réactionnelle est utilisée pour entraîner le compresseur d’air. Toutefois, cette vapeur n’est pas suffisante à elle seule : la majeure partie de la puissance nécessaire à l’entraînement du compresseur est généralement fournie par la turbine de détente des gaz résiduaires de l’installation.
Unités de production d’ammoniac
Les principales étapes du procédé sont similaires pour toutes les conceptions d’unités d’ammoniac : compression de l’air de procédé, traitement de la charge, reformage primaire, reformage secondaire, génération de vapeur, conversion du monoxyde de carbone par réaction de décalage, élimination du CO₂, méthanation, purification complémentaire du gaz de synthèse, compression, synthèse de l’ammoniac, réfrigération et stockage de l’ammoniac. Les principales différences entre les différentes conceptions sont globalement les suivantes :
○ type d’entraînement du compresseur d’air de procédé : turbine à vapeur ou turbine à gaz ;
○ type de préchauffage de l’air de procédé et de la charge dite mixte, constituée d’un mélange de gaz naturel et de vapeur ;
○ type de récupération de la chaleur résiduelle provenant des fumées dans la section de convection du reformeur primaire, ainsi que de l’effluent du reformeur secondaire ;
○ pression et température de la vapeur produite ;
○ type de système d’élimination du CO₂ ;
○ pression de fonctionnement dans la boucle de synthèse de l’ammoniac ;
○ type de récupération de la chaleur résiduelle provenant de la boucle de synthèse de l’ammoniac.
Le taux de consommation de gaz d’alimentation par tonne d’ammoniac est similaire pour toutes les conceptions d’unités d’ammoniac, et les possibilités d’action sur cette consommation sont limitées. Par conséquent, les efforts d’amélioration de l’efficacité portent principalement sur la réduction de la consommation de gaz combustible, utilisé dans les brûleurs radiants du reformeur primaire, dans une turbine à gaz lorsqu’elle est installée, ainsi que pour l’alimentation des brûleurs des surchauffeurs de vapeur ou des chaudières auxiliaires.
Les techniques développées pour améliorer l’efficacité du processus de production comprennent notamment les suivantes :
○ Utiliser des équipements rotatifs présentant de meilleurs rendements de compression et de détente, ce qui permet de réduire les besoins en puissance d’entraînement, en particulier pour les deux principaux consommateurs d’énergie rotatifs : le compresseur d’air de procédé et le compresseur d’appoint du gaz de synthèse.
○ Utiliser un entraînement à vitesse variable plutôt qu’un entraînement à vitesse fixe, afin d’éviter le recyclage dans le train de compression à faible charge et d’améliorer davantage le système de régulation anti-pompage, en évitant l’ouverture fixe de la vanne anti-pompage aux faibles charges.
○ Améliorer la section d’élimination du CO₂, notamment par l’utilisation de catalyseurs plus performants et/ou par l’installation d’un rebouilleur dit à « reflux riche ».
○ Reconcevoir les brûleurs radiants du reformeur primaire, par exemple en envoyant la charge gazeuse mixte vers les tubes radiants à une température plus élevée, en ajoutant un préreformeur au système ou en appliquant un rapport vapeur/carbone plus faible dans la charge gazeuse mixte.
○ Préchauffer le combustible et l’air de combustion afin de réduire la consommation de combustible, en utilisant les échangeurs de chaleur des courants de procédé ou des fumées, partout où une marge thermique est disponible.
○ Ajouter un serpentin de saturateur de gaz azoté dans la section de convection, à l’endroit où sont introduites l’eau d’alimentation de chaudière et les condensats de procédé.
○ Utiliser de nouveaux catalyseurs améliorés dans la section de conversion du monoxyde de carbone afin de consommer moins de vapeur et de fonctionner à plus basse température. Le fonctionnement du catalyseur de conversion à haute température à une température plus faible permet de disposer de davantage de chaleur pour produire de la vapeur dans la chaudière de récupération située en amont de l’étage de conversion à haute température.
○ Augmenter la température de préchauffage de l’air de procédé.
○ Augmenter la pression de la vapeur générée dans la section amont de l’installation. Cette modification est plus facile à réaliser lors de la construction d’une nouvelle unité que dans le cadre de la modernisation d’une unité existante.
○ Préchauffer l’eau d’alimentation de chaudière à haute pression en utilisant des sources de chaleur telles que les courants d’entrée et de sortie du convertisseur de décalage à basse température, ou la chaleur de la section de convection, au lieu d’utiliser l’effluent du convertisseur d’ammoniac, qui peut être valorisé plus efficacement pour produire de la vapeur à haute pression.
○ Lorsqu’un tel système n’est pas déjà installé, adopter un système utilisant une solution d’aMDEA pour l’élimination du CO₂.
○ Réduire au minimum le glissement de méthane à la sortie du reformeur secondaire, afin de maintenir la pureté du gaz d’appoint de synthèse et de réduire la nécessité de purger le gaz.
○ Réduire au minimum les pertes de charge dans la section amont. Utiliser des vannes pilotées afin d’augmenter les pressions de fonctionnement lorsque cela est économiquement avantageux, par exemple dans le réseau de vapeur.
○ Utiliser un catalyseur de méthanation à basse température, afin d’éviter l’emploi de vapeur à haute pression pour préchauffer la charge du méthanateur.
○ Réduire l’énergie nécessaire à l’étage de compression du gaz d’appoint de synthèse grâce à des modifications telles que le refroidissement du gaz d’appoint à l’aspiration du compresseur de gaz de synthèse, l’abaissement de la pression de fonctionnement de la boucle de synthèse par modification de la conception du panier du convertisseur, ou l’ajout d’un troisième lit catalytique à la boucle de synthèse de l’ammoniac.
○ Transformer la boucle de synthèse humide en boucle sèche par l’utilisation d’un sécheur ou d’un lavage à l’ammoniac.
○ Récupérer la chaleur résiduelle de la boucle de synthèse, de préférence par la production de vapeur à haute pression, ou par une combinaison de production de vapeur à haute pression et de préchauffage de l’eau d’alimentation de chaudière.
○ Surchauffer davantage la vapeur à haute pression afin de réduire sa consommation dans la turbine.
○ Améliorer le refroidissement intermédiaire des étages des compresseurs afin de réduire la consommation d’énergie, par exemple en refroidissant le gaz au moyen d’un compresseur frigorifique à ammoniac lorsqu’une marge suffisante est disponible.
○ Utiliser une machine frigorifique à absorption de vapeur, ou VAM, afin de valoriser la chaleur de faible niveau thermique, par exemple pour réduire la température d’entrée du compresseur d’air de procédé.
○ Utiliser un système de nettoyage en ligne par boules des condenseurs de surface sur les sites où l’encrassement des échangeurs fonctionnant avec de l’eau propre est fréquent.
○ Utiliser une turbine de détente au lieu de simplement détendre un fluide d’une haute pression vers une basse pression, afin d’intégrer énergétiquement ce courant à d’autres courants, par exemple en produisant de l’électricité au moyen de la turbine de détente d’une boîte froide.
Économies d’énergie grâce à l’intégration des unités d’ammoniac aux unités de production d’engrais
Lorsqu’une unité d’ammoniac est intégrée à une unité de production d’engrais, plusieurs moyens supplémentaires permettent d’améliorer l’efficacité énergétique :
○ Acheminer l’ammoniac vers une unité d’urée sous forme de gaz à basse pression ou d’ammoniac liquide chaud.
○ Utiliser des chaudières hors site ainsi que des réseaux de vapeur intégrés, ce qui permet de supprimer la chaudière auxiliaire.
○ Utiliser dans l’unité d’ammoniac l’excédent de vapeur produit par l’unité d’acide nitrique.
○ Fournir à une unité d’urée le dioxyde de carbone provenant de l’unité d’ammoniac.
Autres facteurs influant sur l’efficacité des installations
Outre les changements de conception et de technologie, d’autres facteurs peuvent influencer l’efficacité d’une installation, et tous ne sont pas sous le contrôle de la direction. Certaines conditions climatiques peuvent notamment avoir un tel effet.
Les autres facteurs influençant l’efficacité d’une installation comprennent notamment :
○ Le nombre de démarrages et d’arrêts de l’installation, durant lesquels de l’énergie est consommée alors qu’aucun produit n’est fabriqué.
○ Le démarrage d’une unité d’ammoniac peut augmenter la consommation énergétique annuelle de 0,1 GJ/t.
○ Un déclenchement partiel de la section aval d’une unité d’ammoniac pendant 24 heures entraîne une augmentation de la consommation énergétique annuelle d’environ 0,1 GJ/t.
○ Un démarrage complet de l’installation, associé à quatre jours de déclenchements de la section aval, peut ainsi augmenter la consommation énergétique annuelle de 0,5 GJ/t.
○ La réduction des catalyseurs : lors du remplacement de certains catalyseurs, une opération de réduction du catalyseur, consommatrice d’énergie, est nécessaire.
○ Les performances des équipements et des catalyseurs. Les unités d’ammoniac sont de grandes installations à train unique, dont les arrêts généraux ont généralement lieu tous les deux à quatre ans. Les performances des équipements et des catalyseurs se détériorent avec le temps. Bien qu’une grande partie des performances soit rétablie lors d’un arrêt général, une restauration complète peut ne pas être réalisable.
○ Le débit de production : les périodes de fonctionnement à charge réduite ont généralement un effet défavorable sur l’efficacité de l’installation.
Mesure de l’efficacité des unités d’ammoniac et des émissions de gaz à effet de serre
Les rendements des unités d’ammoniac sont calculés et communiqués pour plusieurs raisons, parmi lesquelles figurent notamment les suivantes :
○ Les supports promotionnels des fournisseurs démontrent l’efficacité des installations et des technologies.
○ Le contrôle et la surveillance internes mettent en évidence l’importance de l’efficacité et permettent de suivre son évolution dans le temps.
○ Les audits d’installation comparent les performances actuelles aux performances historiques et mettent en évidence les possibilités d’amélioration.
○ Études comparatives — benchmarking — selon Williams et al., 2007 :
○ performances antérieures : comparaison des performances actuelles aux performances historiques ;
○ moyenne du secteur : comparaison fondée sur un indicateur de performance établi, tel que la performance moyenne reconnue d’un groupe d’installations comparables ;
○ meilleure performance de la catégorie : comparaison avec les meilleures performances du secteur, et non avec la moyenne ;
○ meilleures pratiques : comparaison qualitative avec certaines pratiques établies, considérées comme les meilleures du secteur.
À quelques exceptions notables près, la base utilisée pour le calcul de l’efficacité est souvent peu claire. Il existe plusieurs manières différentes de calculer l’efficacité, et aucune ne peut être considérée comme absolument correcte ou incorrecte. Un calcul thermodynamique complet de l’efficacité d’une installation peut prendre beaucoup de temps ; diverses conventions ont donc été établies afin de simplifier les calculs. Bien que la plupart des données relatives à l’efficacité soient incontestablement adaptées à l’objectif pour lequel elles ont été initialement élaborées, leur utilisation peut être trompeuse lorsque des données existantes sont appliquées à un nouvel objectif sans connaître précisément la base sur laquelle elles ont été calculées. Il en va de même lorsque des données provenant de différentes sources sont combinées ou lorsque des données d’efficacité globale d’une installation sont utilisées sans connaître leur ventilation détaillée.
On suppose souvent qu’il existe une relation entre l’efficacité énergétique et les émissions de CO₂. Bien qu’une telle relation puisse effectivement exister, ce n’est pas toujours le cas, en particulier pour les installations efficaces qui exportent d’importantes quantités de vapeur.
L’efficacité énergétique peut être définie comme suit, d’après CEFIC, 1998:
La situation devient quelque peu complexe lorsqu’un combustible est également utilisé comme matière première, comme c’est le cas dans la production d’ammoniac, et il existe des arguments valables en faveur ou à l’encontre de l’inclusion de cette matière première dans le calcul. La convention adoptée par l’industrie de l’ammoniac consiste à inclure l’élément « matière première », de sorte que l’efficacité d’une unité d’ammoniac est généralement calculée comme suit :
où :
La « matière première » correspond à la quantité de charge introduite dans l’installation, c’est-à-dire celle qui traverse finalement les reformeurs.
Le « combustible » correspond à la quantité de combustible utilisée dans le reformeur primaire et dans les autres appareils de chauffage à combustion. Bien que cette définition exclue les recyclages internes, tels que les gaz de purge de la boucle et du système de réfrigération, qui sont souvent utilisés comme combustibles, leur contenu énergétique est intégré au terme « matière première ».
Le terme « autres » comprend la vapeur, l’électricité et les matières premières — certaines installations pouvant, par exemple, importer ou exporter de l’hydrogène, du gaz de synthèse et de l’azote — ainsi que les corrections liées à l’état du produit et la consommation énergétique des utilités associées.
Cette définition est logique, car la frontière entre la matière première et le combustible peut être difficile à distinguer dans certaines conceptions d’unités d’ammoniac, et parce que les réactions de combustion qui se produisent dans le reformeur secondaire en utilisant la « matière première » constituent une source d’énergie plutôt qu’une source d’hydrogène, et donc d’ammoniac.
Dans de nombreuses unités d’ammoniac, la matière première constitue le terme dominant. Il est important de reconnaître que les besoins en matière première ne peuvent jamais être réduits en dessous des niveaux imposés par la stœchiométrie de la réaction.
Dans les installations « typiques » présentant une efficacité énergétique moyenne, les autres crédits et débits énergétiques sont faibles par rapport à la somme « matière première + combustible ». L’efficacité énergétique d’une unité d’ammoniac peut alors être calculée, avec une faible marge d’erreur, de la manière suivante :
Dans ces installations, il existe une forte corrélation entre l’efficacité énergétique de l’unité d’ammoniac et les émissions de CO₂ pour les unités utilisant des matières premières et des combustibles similaires. Dans d’autres unités, notamment dans de nombreuses installations parmi les plus efficaces comme parmi les moins efficaces, le terme « autres » peut être significatif et affaiblir la relation entre l’efficacité énergétique de l’unité d’ammoniac et les émissions de CO₂.
Références
Dybkjær, I. (1984). ‘Energy Consumption in Ammonia Production: Influence of External Conditions and Key Process Factors’ IFA, Paris.
Jenssen, T.K. and Kongshaug, G. (2003). Energy consumption and greenhouse gas emissions in fertiliser production. Proceedings International Fertiliser Society, 509.
Williams, G.P. and Al-Ansari, F. (2007). IFA Benchmarking of Global energy Efficiency in Ammonia Production, IFA Technical Committee Meeting, Ho Chi Minh City, Vietnam. IFA, Paris. http://www.fertilizer.org/
479, (2001), Energy Conservation: Key to Survival for Fertiliser Producers, W D Verduijn, J J de Wit
484, (2001), Energy Audits of Fertiliser Production Plants, I R Barton, J Hunns
509, (2003), Energy Consumption and Greenhouse Gas Emissions in Fertiliser Production, T K Jenssen, G Kongshaug
601, (2007), Ammonia Production: Energy Efficiency, CO2 Balances and Environmental Impact, J D Pach
602, (2007), Ammonia Plant Energy-saving Project: Design and Implementation, W T Nobel, R B J Waggeveld, M J Walton, P A Sharp
639, (2008), GHG Emissions and Energy Efficiency in European Nitrogen Fertiliser Production and Use, F Brentrup, C Pallière
643, (2009), EU Climate Policy and Emission Trading: Challenges for the European Fertiliser Industry, R Zwijers, J A M van Balken, E Y E Hamälä, M Croyans, C Pallière
747, (2014), Ammonia Technology Development from Haber-Bosch to Current Times, J G Reuvers, J R Brightling, D T Sheldon
770, (2015), World-Wide Trends in Urea Process Technologies, J M G Eijkenboom, M J Brouwer
787, (2016), Targeting Improving Performance and Conversion Efficiency in Nitric Acid Plants, O Kay and T Buennagel
788, (2016), Improvements in Nitrogen Addition to the Fertiliser Production Flowsheet, I Blazsek and M J Cousins
803, (2017), Changes, challenges, and opportunities in fertiliser-manufacturing processes: A personal review and outlook, J G Reuvers
818, (2018), Dual pressure nitric acid technology with high energy recovery, P Muñoz
853, (2021), Reducing Emissions from Ammonium Nitrate Based Fertiliser Operations, G. Cousland, M. Dean, R. Peddie
854, (2021), New Developments in Emissions Control for Ammonium Nitrate Based Plants, A. Gullà, S. Spreafico
856, (2021), Progress in Using Artificial Intelligence in Process Control to Reduce Energy Usage, S. Rademakers
860, (2021), Identifying and Resolving Root Causes of Poor Performance in Nitric Acid Plants, J. Ashcroft
Dans certaines conditions — confinement, par exemple dans un volume clos, pression élevée ou contamination — il peut exploser. Dans la plupart des pays, le nitrate d’ammonium (NA) est généralement considéré comme ne présentant aucun danger inacceptable lorsque le produit satisfait aux spécifications requises. Le nitrate d’ammonium de qualité fertilisante, lorsqu’il n’est pas contaminé, ne peut pas exploser sous le seul effet d’un choc, de la chaleur ou d’un incendie.
Toutefois, l’explosivité du nitrate d’ammonium dépend notamment des substances auxquelles il est mélangé et de la quantité de matières carbonées présentes. Par conséquent, certains pays interdisent ou limitent la production, le stockage et/ou l’utilisation du nitrate d’ammonium pur. Dans la majorité des pays, les spécifications détaillées du produit sont réglementées par la loi, afin de garantir la sécurité de sa manutention, de son transport et de son utilisation.
Dans des conditions normales, tous les engrais à base de nitrate d’ammonium sont des matériaux stables qui, par eux-mêmes, ne présentent aucun risque. Dans des conditions anormales, ils peuvent toutefois engendrer certains dangers, dont les principaux sont l’intensification d’un incendie, la décomposition thermique — accompagnée d’un dégagement de fumées toxiques — et, dans des conditions extrêmes, l’explosion.
Le développement de traitements anti-mottants sûrs et de procédés de prilling ou de granulation, associé à des recommandations plus claires concernant les pratiques de sécurité, a favorisé la production à grande échelle de nitrate d’ammonium de haute densité, sous forme de prills ou de granulés destinés à être utilisés comme engrais azoté. Ce produit présente une forte résistance à la détonation.
Risque d’incendie
Les engrais à base de nitrate d’ammonium ne sont pas combustibles.
Bien que tous les engrais à base de nitrate d’ammonium ne soient pas classés comme comburants, ils présentent tous un caractère oxydant. Par conséquent, le risque d’incendie dépend de la présence de matières combustibles courantes, telles que les composants des équipements de manutention, les carburants, les lubrifiants et les fluides hydrauliques qui y sont utilisés, ainsi que les matériaux stockés ou employés dans la construction du bâtiment de stockage ou de ses compartiments. L’expérience montre que les incendies prennent naissance dans les matières combustibles entreposées à proximité de l’engrais ou dans les équipements associés, tels que les camions ou les convoyeurs à bande.
Lorsqu’un incendie implique un engrais conditionné en sacs, ceux-ci peuvent fondre et se rompre, mais leur influence sur l’incendie reste généralement négligeable. Le polyéthylène et les matériaux d’emballage similaires ne propagent pas la combustion, mais ils peuvent être oxydés par l’engrais chaud ou fondu. L’engrais chaud déversé peut provoquer la combustion lente ou l’inflammation des palettes en bois avec lesquelles il entre en contact.
Dans le cas d’un engrais stocké en vrac, aucun matériau d’emballage ni aucune palette n’est présent. L’incendie peut donc ne pas pénétrer à l’intérieur du tas. L’effet produit sur l’engrais dépend de l’intensité de l’incendie et de la nature des autres matériaux présents.
La capacité de l’engrais à intensifier un incendie ne dépend pas uniquement de sa teneur en nitrate d’ammonium, mais également de la nature des autres constituants éventuellement présents, lesquels peuvent exercer un effet catalytique ou thermique sur la décomposition du nitrate d’ammonium.
Risque de décomposition
Le nitrate d’ammonium se décompose lorsqu’il est chauffé à une température largement supérieure à son point de fusion. Cette décomposition libère, par l’intermédiaire de plusieurs réactions, de la vapeur d’eau, de l’ammoniac, des vapeurs d’acide nitrique et des oxydes d’azote. Ces réactions comprennent :
(i) une réaction de dissociation réversible, endothermique et dépendante de la pression de vapeur, produisant des vapeurs d’ammoniac et d’acide nitrique ;
(ii) plusieurs réactions exothermiques irréversibles, qui dégagent des gaz contenant de la vapeur d’eau, des oxydes d’azote toxiques et/ou de l’azote.
Ces réactions sont décrites en détail dans la littérature spécialisée.
L’effet combiné de ces réactions endothermiques et exothermiques produit, jusqu’à une certaine température, un effet thermique auto-limitant, à condition que les produits gazeux puissent s’échapper librement. Ce phénomène a été étudié théoriquement et vérifié expérimentalement. Il montre que, dans des conditions adiabatiques et lorsque les gaz peuvent s’échapper librement, la température d’auto-limitation du nitrate d’ammonium pur se situe aux alentours de 290 °C, à la pression atmosphérique. Il convient de souligner que toute condition défavorable, telle que la présence de substances réactives ou catalytiques et/ou le confinement des produits gazeux, réduit cette température et diminue ainsi la stabilité thermique du nitrate d’ammonium.
Dans des conditions extrêmes, lorsque les gaz ne peuvent pas s’échapper, l’effet endothermique peut être presque totalement supprimé, ce qui entraîne un effet exothermique rapide et un comportement explosif. Cette situation est particulièrement importante lors de travaux par points chauds effectués sur des équipements ayant servi à la manutention ou au traitement du nitrate d’ammonium et qui peuvent encore contenir des dépôts de produit en raison d’un nettoyage et/ou d’une inspection insuffisants.
Certaines substances, notamment les chlorures, les chromates ainsi que les sels de cuivre et de zinc, augmentent la vitesse de décomposition du nitrate d’ammonium. Les milieux acides produisent également un effet similaire.
Les engrais à base de nitrate d’ammonium sont thermiquement stables et ne présentent pas de tendance dangereuse à l’auto-échauffement dans des conditions normales de stockage. Leur décomposition nécessite un apport externe de chaleur. Il est important de prendre en considération le risque potentiel de décomposition des engrais composés à base de nitrate d’ammonium, notamment lorsqu’ils contiennent du chlorure, par exemple sous forme de KCl.
Au cours de la décomposition d’engrais composés, par exemple sous l’effet d’un chauffage, d’importantes quantités de fumées sont dégagées. Celles-ci contiennent de la vapeur d’eau et divers gaz toxiques, tels que des oxydes d’azote, du chlorure d’hydrogène, de l’ammoniac et du chlore, selon la composition de l’engrais. Les fumées peuvent également contenir du chlorure d’ammonium et du nitrate d’ammonium qui, associés à la vapeur d’eau, peuvent réduire fortement la visibilité.
La décomposition s’accompagne d’un dégagement de chaleur, les températures dans la masse en décomposition pouvant parfois atteindre 300 à 500 °C. La décomposition peut commencer alors que l’engrais se trouve encore à l’état solide. Une fusion peut également se produire dans le cas des engrais contenant de fortes proportions de nitrate d’ammonium.
Dans de nombreux cas, une décomposition initiée par une source de chaleur externe s’arrête lorsque cette source est supprimée. Toutefois, pour certains engrais, la décomposition se poursuit et se propage en profondeur dans la masse du produit, même après le retrait de la source de chaleur. Il s’agit du phénomène de décomposition auto-entretenue, parfois désigné par l’expression « combustion en cigare », au cours duquel la décomposition se propage à travers toute la masse du matériau.
De l’ammoniac gazeux peut être libéré par les engrais à base de nitrate d’ammonium — comme par tous les sels d’ammonium — lorsqu’ils entrent en contact avec des substances alcalines telles que la chaux. L’ammoniac est un gaz toxique. Il est incolore, mais sa présence peut être détectée grâce à son odeur forte et caractéristique.
Décomposition auto-entretenue
Les engrais composés contenant du nitrate d’ammonium peuvent subir, lorsqu’ils sont amorcés, une décomposition propagative appelée « combustion en cigare ».
Une fois amorcée, la décomposition se propage à travers la masse du produit à une vitesse comprise entre 5 et 50 cm par heure, la température dans la zone de décomposition atteignant 300 à 500 °C. Elle produit souvent des fumées dangereuses de couleur brun-rouge. Les engrais composés contenant du nitrate d’ammonium et une teneur en KCl égale ou supérieure à 4 % sont susceptibles d’être affectés par ce phénomène.
La réaction peut être inhibée ou ralentie par la présence de phosphates d’ammonium. Par conséquent, les formulations NPK contenant à la fois du nitrate d’ammonium et du phosphate d’ammonium peuvent être moins sensibles à ce danger.
Dans le cas d’une décomposition auto-entretenue, ses caractéristiques — par exemple la vitesse de propagation, la température dans la zone de décomposition et la quantité de gaz produite — dépendent de la composition de l’engrais ainsi que de l’étendue de sa fusion. La présence de composés d’oligoéléments, tels que les sels de cuivre, et d’impuretés, telles que les sels de chrome, peut intensifier cette décomposition.
La vitesse de propagation, ainsi que la température dans la zone de décomposition, peut être évaluée au moyen de ce que l’on appelle l’essai en auge.
Avec ce type d’engrais, la manutention en vrac présente un risque supérieur à celui de la manutention de produits conditionnés. Cette différence s’explique par la plus grande facilité d’amorçage lors de l’exposition à des sources de chaleur et par la capacité de la décomposition à se propager dans l’ensemble du tas. Des sources de chaleur mineures, telles qu’une lampe d’inspection enfouie dans le produit ou un auto-échauffement résultant d’une contamination, peuvent suffire à amorcer la décomposition.
Risque d’explosion et de détonation
Une explosion correspond à une libération soudaine d’énergie de pression, qui peut notamment résulter de la rupture d’un système pressurisé. Lors d’une détonation, la substance réagit à une vitesse supersonique et génère une onde de choc.
Un engrais à base de nitrate d’ammonium est difficile à faire détoner, car il nécessite des chocs de très forte énergie. Ni une flamme, ni une étincelle, ni le frottement ne peuvent provoquer la détonation d’un produit non contaminé. Le risque de détonation concerne principalement les engrais présentant de fortes concentrations de nitrate d’ammonium, supérieures à 80 %.
En pratique, les engrais sont fabriqués avec une masse volumique apparente élevée et une faible porosité, afin de leur conférer une forte résistance à la détonation. Ils contiennent également des additifs destinés à assurer de bonnes propriétés anti-mottantes et une stabilité thermique suffisante vis-à-vis de la dégradation provoquée par les cycles de température.
Dans l’Union européenne, la réglementation relative aux engrais impose un essai de résistance à la détonation pour les engrais à base de nitrate d’ammonium contenant plus de 28 % d’azote provenant du nitrate d’ammonium, ce qui correspond à une teneur d’environ 80 % de nitrate d’ammonium. Les engrais qui réussissent cet essai présentent une très forte résistance à la détonation.
Lorsque l’engrais n’est pas manipulé correctement, plusieurs facteurs peuvent réduire cette résistance. Ces facteurs comprennent :
la contamination par des substances incompatibles ;
la diminution de la taille des particules ;
l’augmentation de la température ;
les cycles thermiques, qui accroissent la porosité et provoquent la dégradation de la structure des prills ou des granulés.
Risque de détonation
Il existe quatre mécanismes principaux qui, en théorie, peuvent provoquer la détonation d’un empilement ou d’un tas en vrac d’engrais à base de nitrate d’ammonium :
(i) Amorçage par le choc produit par un autre explosif
La détonation d’un explosif à proximité d’un stock de nitrate d’ammonium pourrait amorcer une détonation ou provoquer une détonation par influence dans l’engrais. L’utilisation d’explosifs pour fragmenter un engrais fortement aggloméré, ainsi que le stockage d’explosifs à proximité du nitrate d’ammonium, ont été interdits à la suite de plusieurs accidents graves survenus il y a plusieurs décennies.
(ii) Amorçage par le choc d’un projectile à grande vitesse
L’amorçage par l’impact d’un projectile à grande vitesse est improbable et très peu susceptible de se produire. La combinaison des conditions nécessaires à un tel événement est difficile à réunir : les projectiles à grande vitesse sont peu courants et, simultanément, l’engrais doit être suffisamment sensibilisé par une température élevée, un état fondu ou une contamination.
Des projectiles à grande vitesse peuvent être générés lors d’un incendie lorsque l’engrais à base de nitrate d’ammonium est confiné dans des éléments creux d’équipements, tels que les rouleaux de convoyeurs ou certains composants d’engins de manutention. La rupture d’équipements de soudage, tels que des bouteilles de gaz, peut produire un effet similaire.
Ces projectiles ne posséderaient pas une énergie suffisante pour amorcer la détonation de produits solides dans leur état normal. En revanche, les engrais fondus et/ou contaminés seraient plus sensibles.
Les poutres de toiture ou les éléments de structure d’un bâtiment susceptibles de s’effondrer lors d’un incendie important ne devraient pas posséder une énergie d’impact suffisante pour amorcer une détonation, même dans un engrais fondu en cours de décomposition.
(iii) Décomposition thermique
Lors d’un incendie, la transition d’une décomposition rapide — ou déflagration — vers une détonation dans un empilement ou un tas en vrac est très improbable, car les conditions sévères nécessaires d’augmentation de pression, c’est-à-dire de confinement, ne sont généralement pas réunies en pratique. Le risque augmente toutefois lorsque le produit fondu est contaminé.
Explosion due au chauffage et au confinement
Un risque d’explosion peut également apparaître lorsque le nitrate d’ammonium est piégé ou confiné. Lorsqu’il est fortement chauffé dans des conditions confinées — par exemple pendant un incendie, au cours de travaux par points chauds sur des équipements ou lors du chauffage de nitrate d’ammonium solidifié dans des canalisations — le produit peut se décomposer violemment et provoquer une explosion.
La contamination de l’engrais par des matières combustibles ou d’autres substances réactives augmente ce risque.
(iv) Réaction avec une substance fortement réactive
En théorie, certaines substances peuvent réagir très rapidement et avec une forte libération d’énergie.
Le respect des bonnes pratiques définies dans les nombreux guides, recommandations et exigences réglementaires permet de réduire au minimum le risque de contamination et de dégradation, et par conséquent les dangers décrits ci-dessus.
Risques postérieurs à la production
Shah, en 2008, a réalisé une analyse portant sur 80 événements liés au nitrate d’ammonium, survenus entre 1991 et 2007. Cette analyse a montré que la répartition des activités concernées était la suivante :
stockage : 41 % ;
transport : 30 % ;
production : 24 % ;
maintenance : 5 %.
Il est intéressant de noter que seulement environ un quart des accidents s’est produit au cours d’activités liées à la production. La maîtrise efficace des procédés, une formation de qualité et un niveau élevé de sensibilisation aux risques ont probablement contribué à ce résultat.
Près des trois quarts des accidents ont eu lieu après la production, c’est-à-dire pendant le stockage et le transport, le stockage représentant la part la plus élevée. L’insuffisance des mesures de contrôle ou des normes semble avoir constitué un facteur important.
À partir de cette étude, l’auteur a formulé les conclusions suivantes :
○ Sur les sites de production, les pompes véhiculant des solutions de nitrate d’ammonium, y compris celles qui traitent des solutions ou des liqueurs faiblement concentrées, peuvent présenter un risque d’explosion. Elles nécessitent des dispositifs de sécurité appropriés, tels qu’une alarme de faible débit et/ou un dispositif d’arrêt sur température élevée.
○ Tout au long de la chaîne de production et de distribution, une priorité élevée doit être accordée à la gestion sûre et efficace des produits hors spécifications et des produits rebutés.
○ La contamination semble constituer un facteur majeur dans de nombreux accidents, en particulier lorsque le produit est manutentionné en vrac. Les opérateurs et les superviseurs participant aux opérations de manutention doivent être davantage sensibilisés aux dangers potentiels et à leurs conséquences probables. Des procédures de contrôle plus efficaces et des précautions supplémentaires sont indispensables.
○ De nombreux guides, codes de bonnes pratiques et règles de sécurité sont mis à la disposition des personnes participant à la production, au stockage et à la distribution. Malgré cela, plusieurs accidents se sont produits au cours des opérations de distribution.
Les causes les plus probables comprennent :
l’application de chaleur, par exemple au moyen de lampes électriques enfouies dans le produit ;
les défaillances électriques ;
la proximité de matières combustibles ;
la contamination.
Des efforts supplémentaires sont nécessaires pour informer et former les opérateurs et les superviseurs, afin d’améliorer le respect des bonnes pratiques.
Il est important de noter que :
○ Aucun accident majeur impliquant l’explosion de nitrate d’ammonium ne s’est produit au cours du transport maritime depuis plus de soixante ans, période durant laquelle des millions de tonnes de nitrate d’ammonium ont été transportées. Ce résultat est attribué à l’élaboration de règles de sécurité adaptées ainsi qu’à leur mise en œuvre et à leur respect effectifs.
○ Aucun accident majeur par explosion impliquant un nitrate d’ammonium de qualité fertilisante, commercialisable et conforme aux spécifications, ne s’est produit dans un entrepôt industriel depuis au moins quatre décennies.
Maintenir l’attention portée aux bonnes pratiques de sécurité individuelle
Renforcer la sensibilisation à la sécurité individuelle
Analyse comparative de la sécurité au travail
Maintenir l’attention portée aux bonnes pratiques de sécurité individuelle
La sécurité individuelle ou la sécurité au travail doit constituer une priorité fondamentale dans tous les aspects des opérations, afin de promouvoir une culture « zéro accident avec arrêt » dans l’ensemble de l’organisation. Cette démarche peut être renforcée par la définition d’objectifs de sécurité applicables à tous les membres de l’organisation, y compris au Conseil de surveillance. La sécurité relève de la responsabilité de chacun. C’est pourquoi le respect des procédures, la formation au poste de travail, le maintien de l’attention sur la tâche en cours ainsi que la vigilance à l’égard de sa propre sécurité et de celle de ses collègues sont essentiels sur le lieu de travail.
Sur chaque site de production, les indicateurs avancés de sécurité doivent être suivis au moyen d’indicateurs clés de performance en matière de santé, de sécurité et d’environnement — indicateurs HSE ou KPI HSE. Ces indicateurs comprennent un ensemble de KPI communs à l’ensemble de l’entreprise ainsi qu’un ensemble de KPI propres à chaque site. Le suivi des KPI HSE constitue une approche efficace pour atteindre les objectifs annuels en matière de HSE et favorise l’amélioration continue de la sécurité sur l’ensemble des sites.
Quelques exemples d’indicateurs clés de performance en matière de sécurité au travail sont présentés ci-dessous :
○ Visites et observations de sécurité – Un planning doit être établi afin que des visites régulières et fréquentes des installations ainsi que des rondes d’observation soient réalisées par l’ensemble du personnel du site, y compris par la direction du site.
○ Entreprises extérieures – Auditer les entreprises extérieures concernant les permis de travail et réaliser des évaluations des risques de dernière minute — LMRA, Last-Minute Risk Assessment — avant le début de leurs interventions. Dans la mesure du possible, ces évaluations doivent être effectuées sur le lieu réel de travail. Des audits doivent également être réalisés dans les locaux des principales entreprises extérieures intervenant sur le site.
○ Pratiques et procédures de travail en sécurité – Examiner chaque mois un échantillon représentatif des permis de travail en sécurité ; le score obtenu doit être supérieur à 80 %.
○ Retour d’expérience sur les incidents – Diffuser à l’ensemble des sites de production des fiches synthétiques d’une page consacrées aux incidents et aux presqu’accidents.
○ Formation à la sécurité – Élaborer et maintenir un programme annuel de formation à la sécurité, puis former les salariés conformément au planning établi.
○ Enquête sur les incidents – Les incidents doivent faire l’objet d’une enquête, et les actions qui en résultent doivent être suivies dans un délai déterminé.
Une attention constante portée à la sécurité au travail peut être maintenue grâce aux actions suivantes :
○ Organisation mensuelle de téléconférences consacrées aux incidents de sécurité, auxquelles participent les responsables de la sécurité de l’ensemble des sites. Tous les incidents y sont présentés et les enseignements tirés sont partagés.
○ Diffusion à la communauté sécurité de l’entreprise de fiches synthétiques d’une page consacrées aux incidents et aux presqu’accidents. Le partage de ces informations avec l’ensemble des sites de production permet de diffuser les enseignements tirés et d’éviter qu’un incident de même nature ne se reproduise sur d’autres sites.
○ Publication hebdomadaire d’articles d’actualité HSE couvrant différents thèmes relatifs à la santé, à la sécurité et à l’environnement. La plupart concernent le travail, mais la sécurité en dehors du cadre professionnel — à domicile ou lors de la conduite d’un véhicule — est également abordée.
○ Publication trimestrielle d’une lettre d’information HSE présentant de manière plus approfondie différents thèmes liés à la santé, à la sécurité et à l’environnement.
○ Mise en place et application des meilleures pratiques de l’entreprise ainsi que des normes internes du groupe.
○ Réalisation d’audits HSE corporate sur l’ensemble des sites. Ces audits durent généralement une à deux semaines et sont menés par une équipe pouvant comprendre jusqu’à cinq experts HSE. Durant l’audit, les pratiques HSE du site sont comparées aux normes du groupe ainsi qu’aux meilleures pratiques du secteur. L’audit repose sur des entretiens, l’examen de documents et des inspections des installations afin de vérifier la propreté et le rangement des lieux ainsi que la conformité technique — corrosion, voies d’évacuation, douches de sécurité, etc. Chaque site fait l’objet d’un audit tous les trois à quatre ans.
○ Mise en place d’un programme annuel de récompense en matière de sécurité, destiné à distinguer les initiatives et les réalisations remarquables d’un site ou d’une équipe dans le domaine des performances de sécurité. Les critères d’attribution de cette récompense reposent sur trois éléments clés :
○ Les performances de sécurité du site.
○ Une réalisation exceptionnelle ou une idée innovante permettant d’améliorer les performances de sécurité.
○ Un fort potentiel d’apprentissage et de transposition pour les autres sites ou équipes.
Renforcer la sensibilisation à la sécurité des individus
Un programme de sensibilisation à la sécurité et de développement des compétences aide les personnes à éviter les erreurs involontaires susceptibles d’entraîner des blessures, notamment les accidents difficiles à maîtriser liés aux glissades, trébuchements et chutes. Un tel programme doit traiter les erreurs humaines involontaires ainsi que les habitudes critiques en matière de sécurité, afin de réduire le niveau de risque et la probabilité de survenue d’une blessure.
Un tel programme doit prendre en considération les risques associés aux personnes se trouvant dans les quatre états d’esprit suivants :
○ Précipitation.
○ Frustration.
○ Fatigue.
○ Excès de confiance ou relâchement de la vigilance.
Ces états peuvent provoquer des erreurs critiques pendant l’exécution d’une tâche : le regard n’est plus porté sur la tâche, l’esprit n’est plus concentré sur celle-ci, la personne se trouve dans la ligne de feu, ou elle perd son équilibre, son adhérence ou sa prise.
Le recours au récit d’expérience constitue un élément utile de ce type de programme et joue un rôle essentiel dans l’apprentissage des habitudes de sécurité. Ce sont les histoires et les situations vécues que les personnes retiendront longtemps après la fin de la formation. L’utilisation de récits tirés de situations réelles permet de transmettre efficacement le message. Le public peut mieux s’identifier à ces exemples et les mémoriser : que s’est-il passé ? Dans quel état ou quels états se trouvaient les personnes concernées ? Quelles erreurs critiques ont-elles commises ? Quelle technique de sécurité aurait pu empêcher l’événement ? Et de quelle manière la blessure ou le quasi-accident aurait-il pu avoir des conséquences plus graves ?
Le programme SafeStart, développé par OCI, constitue un exemple de ce type de système. Les sites OCI utilisant SafeStart commencent chaque réunion par le récit d’une situation SafeStart. Cette histoire peut concerner une observation réalisée au travail, mais également une situation survenue en dehors de l’environnement professionnel. Elle permet de sensibiliser les participants aux quatre états d’esprit et de développer leurs compétences en matière d’identification et d’analyse des dangers.
Il est essentiel que tous les salariés possèdent les compétences nécessaires pour comprendre quels états d’esprit ou quelles quantités d’énergie dangereuse peuvent constituer un danger ; identifier les quasi-accidents ou les schémas répétitifs augmentant le risque ; et adopter des habitudes permettant de lutter contre le relâchement de la vigilance. Les sites OCI ayant intégré SafeStart à leur culture de sécurité ont constaté des améliorations significatives dans un délai relativement court.
Analyse comparative de la sécurité au travail
L’analyse comparative, ou benchmarking, en matière de sécurité est un processus permettant aux entreprises de comparer leurs méthodes de travail et leurs performances à celles d’autres entreprises appartenant au même secteur industriel à l’échelle mondiale. Ces informations permettent aux entreprises d’apprendre les unes des autres et peuvent, à terme, conduire à des améliorations sur les lieux de travail.
L’Association internationale de l’industrie des engrais — IFA, International Fertilizer Association — réalise chaque année une analyse comparative des performances de sécurité à laquelle tous les membres de l’IFA peuvent participer sur une base volontaire. Les entreprises participantes communiquent leurs indicateurs de performance dans le cadre de l’enquête annuelle, notamment :
le nombre d’accidents avec arrêt de travail ;
le taux de fréquence des accidents avec arrêt — LTIR, Lost-Time Injury Rate ;
le nombre total d’accidents enregistrables ;
le taux total d’accidents enregistrables — TRIR, Total Recordable Injury Rate.
Ces informations permettent aux membres de comparer leurs performances en matière de sécurité.
Chaque année, le Bureau of Labor Statistics des États-Unis — BLS publie son rapport annuel intitulé Employer-Reported Workplace Injuries and Illnesses Report, consacré aux accidents du travail et aux maladies professionnelles déclarés par les employeurs.
En 2018, les employeurs du secteur privé ont déclaré 2,8 millions d’accidents du travail et de maladies professionnelles non mortels. Le rapport de 2018 indique que, dans l’industrie de fabrication des engrais azotés, le taux total d’accidents enregistrables — TRIR — était de 1,9, tandis que le taux d’accidents avec arrêt — LTIR — était de 0,3.
Les calculs de l’OSHA, l’administration américaine de la sécurité et de la santé au travail, sont établis sur la base de 200 000 heures travaillées.
Aux États-Unis, l’industrie des engrais n’affiche pas de meilleures performances que les autres secteurs industriels. Toutefois, l’industrie des engrais azotés, dont font partie les unités de production d’ammoniac, présente des résultats légèrement meilleurs que la moyenne.
Référence:
693, (2011),Strategies for Workforce Replacement in a Dynamic Business and Regulatory Environment, R Pfaff
843, (2020),Occupational and Process Safety in Ammonia Plants – Pitfalls to Avoid, H Duisters
International Fertiliser Association Safety Handbook. Establishing and Maintaining Positive Safety Management Practices in the Work Place
Principes de la gestion de la sécurité des procédés
Une démarche d’amélioration de la gestion de la sécurité des procédés
Caractéristiques des organisations à « haute résilience »
Leadership en matière de sécurité des procédés
Développement d’une culture de sécurité des procédés
Système de gestion de la sécurité des procédés
Le rôle de l’analyse comparative
1. Principes de la gestion de la sécurité des procédés
La gestion de la sécurité des procédés appliquée à l’industrie des engrais a évolué au fil du temps et est devenue de plus en plus sophistiquée, selon les quatre phases suivantes :
Approche fondée sur la conformité : que suis-je tenu de faire ?
Approche fondée sur les normes : que devrais-je faire ?
Approche fondée sur l’amélioration continue : comment puis-je améliorer nos pratiques ?
Approche fondée sur les risques : comment puis-je mieux maîtriser les risques ?
Les quatre composantes essentielles de la sécurité des procédés fondée sur les risques sont les suivantes :
un engagement en faveur de la sécurité des procédés ;
une bonne compréhension des dangers et des risques ;
la maîtrise des risques ;
l’apprentissage systématique fondé sur le retour d’expérience.
Des améliorations considérables ont été apportées aux unités de production d’engrais afin de renforcer la sécurité des procédés. Ces progrès ont concerné de nombreux domaines, notamment la conception des procédés, les technologies, les catalyseurs, le choix des matériaux, la fabrication des équipements, l’exploitation, l’inspection et la maintenance des installations, afin de garantir un fonctionnement sûr, fiable et efficace.
Les progrès réalisés dans les domaines de l’automatisation, des systèmes instrumentés de sécurité — SIS, Safety Instrumented Systems — et des communications numériques permettent de détecter plus rapidement les perturbations du procédé et de ramener l’installation dans un état sûr sans nécessiter des niveaux irréalistes d’intervention de la part des opérateurs.
Des processus structurés sont utilisés pour assurer la gestion de l’intégrité des actifs et prévenir les fuites, les déversements ainsi que toute autre défaillance ou panne technique. La sécurité des procédés commence dès les premières phases de conception et se poursuit tout au long du cycle de vie de l’installation. Cela permet de garantir que l’installation est exploitée en toute sécurité, correctement entretenue et régulièrement inspectée, afin d’identifier et de traiter tout danger potentiel lié à la sécurité des procédés.
Les normes utilisées pour gérer la sécurité des procédés définissent la manière dont les installations doivent être gérées pendant l’ensemble de leur cycle de vie, dans le but de prévenir des incidents tels que les fuites et les déversements. Les enseignements tirés des enquêtes menées à la suite d’incidents industriels sont intégrés à ces normes.
La participation des entreprises aux réunions techniques pertinentes, telles que celles de l’AIChE ou de Fertilizers Europe, est extrêmement précieuse, car elle favorise un échange utile d’informations relatives à la sécurité.
2. Une démarche d’amélioration de la gestion de la sécurité des procédés
Les efforts déployés par les différentes organisations pour accroître l’importance accordée à la sécurité des procédés et améliorer leurs performances varient naturellement selon la perception qu’elles ont de leur propre niveau de performance, de leurs systèmes de gestion et de leur culture, ainsi que selon leurs ambitions.
Bien qu’il n’existe pas de modèle universellement reconnu pour conduire une démarche de transformation, il est possible d’identifier un certain nombre d’actions mises en œuvre par différentes organisations afin d’améliorer la gestion de la sécurité des procédés. Parmi ces actions figurent notamment :
promouvoir, par la formation, une compréhension commune de la sécurité des procédés et de sa gestion à tous les niveaux de l’organisation ;
réévaluer ou mettre à jour le profil de risque de l’entreprise en matière de sécurité des procédés, au moyen de revues structurées des dangers et de réévaluations HAZOP, avec la participation du personnel de première ligne, afin de renforcer la prise en compte des facteurs humains ;
développer une expertise en sécurité des procédés dans les entités appropriées de l’organisation, afin de compléter les ressources consacrées à la sécurité des personnes, tout en reconnaissant que de nombreux responsables sécurité ne disposent pas d’une formation ou d’une expérience suffisante pour assumer des responsabilités en matière de gestion de la sécurité des procédés ;
réaliser des évaluations ou des audits des systèmes de gestion de la sécurité des procédés ainsi que de l’état de fonctionnement des couches de protection associées aux principaux dangers du procédé, afin d’établir des situations de référence pour les plans d’amélioration ;
mettre en place des comités de sécurité des procédés chargés de promouvoir cette discipline aux niveaux de la direction et des opérations locales ;
définir des objectifs et des indicateurs de sécurité des procédés au niveau des sites et aux niveaux hiérarchiques supérieurs, afin d’assurer une attention appropriée aux performances et de démontrer l’efficacité de la gouvernance d’entreprise.
3. Caractéristiques des organisations à « haute résilience »
Les recherches de Weick et Sutcliffe, 2007, ont identifié certaines organisations ayant développé une capacité supérieure à faire face à des situations potentiellement très risquées.
Il s’agit d’organisations complexes, évoluant dans des environnements où les conséquences d’une défaillance peuvent être très graves, mais qui présentent néanmoins des performances de sécurité supérieures à celles auxquelles on pourrait s’attendre. On peut citer, à titre d’exemples, les sous-marins nucléaires, les centres de conduite des réseaux électriques et les services de contrôle du trafic aérien.
Les études ont défini cinq caractéristiques permettant de distinguer les comportements de ces organisations lorsqu’elles sont confrontées à des situations imprévues ou évoluant rapidement. Ces comportements leur confèrent la résilience nécessaire pour empêcher qu’un événement ne dégénère en incident grave et pour permettre un retour à la normale :
Une préoccupation constante à l’égard des défaillances : reconnaître que de faibles signaux de défaillance peuvent constituer les symptômes de problèmes plus importants et nécessitent une réponse corrective forte afin d’éviter une dégradation supplémentaire conduisant à un incident. Cela inclut également les erreurs qui ne donnent pas lieu à des situations de quasi-accident.
Une réticence à simplifier : rechercher une compréhension détaillée des problèmes en favorisant le partage de points de vue divers, plutôt que de céder à la tentation de classer les problèmes dans des catégories génériques.
Une grande sensibilité aux opérations : prêter une attention étroite à ce qui se passe réellement, comparer la situation observée à la situation attendue et interagir afin de construire une représentation claire de la situation réelle, en considérant le personnel de première ligne comme un acteur essentiel.
Un engagement en faveur de la résilience : développer activement les compétences et les connaissances du personnel de première ligne afin qu’il soit capable de gérer des situations imprévues.
Une déférence envers l’expertise : être capable d’adopter une réponse souple face à une situation imprévue et de laisser la personne ou l’équipe la mieux placée pour intervenir prendre l’autorité opérationnelle.
4. Leadership en matière de sécurité des procédés
Même si certains aspects du rôle du leadership dans la gestion de la sécurité des procédés ont été abordés à l’occasion d’incidents au cours desquels les défaillances de la haute direction étaient manifestes — comme lors de la catastrophe de la plateforme pétrolière Piper Alpha en 1988, citée par Cullen en 1990 —, les modèles décrivant les comportements de leadership nécessaires n’ont émergé que plus récemment.
On peut notamment citer les travaux de Hopkins concernant l’incident d’Esso Longford en 1998 et l’incident de BP Texas City, publiés en 2009.
Les comportements de leadership attendus comprennent notamment :
montrer l’exemple par un engagement personnel visible, une communication appropriée et la définition d’objectifs de sécurité des procédés ;
veiller à ce qu’une expertise suffisante en sécurité des procédés soit disponible aux niveaux de l’organisation où sont prises les décisions susceptibles d’affecter cette sécurité, notamment les décisions relatives aux ressources et aux investissements ;
mettre en œuvre des systèmes de récompense ou d’incitation accordant une importance appropriée aux activités et aux objectifs de sécurité des procédés ;
consacrer les ressources financières nécessaires à la réalisation périodique de revues des dangers liés aux procédés et, surtout, à la mise en œuvre des mesures de réduction des risques identifiées au cours de ces revues ;
investir dans la formation à la sécurité des procédés et dans l’évaluation des compétences, tout en préservant la mémoire de l’entreprise, notamment par le maintien et la conservation des compétences spécialisées en sécurité des procédés ;
mettre en place des processus efficaces d’assurance et de gouvernance permettant de vérifier que les systèmes de gestion de la sécurité des procédés sont effectivement déployés dans l’ensemble de l’organisation ;
élaborer des indicateurs de performance en matière de sécurité des procédés, fournissant à chaque niveau de l’organisation des informations adaptées aux décisions relatives aux ressources et aux investissements qui y sont prises ;
favoriser le développement d’une solide culture de sécurité des procédés.
Ces éléments conduisent au concept de culture de sécurité des procédés.
5. Développement d’une culture de sécurité des procédés
La pertinence de la culture organisationnelle pour la sécurité des procédés a été examinée par plusieurs auteurs, notamment Reason, 1997, et Hopkins, 2005.
Ces travaux définissent plusieurs caractéristiques propres aux organisations possédant une culture solide en matière de sécurité des procédés :
Des organisations conscientes et vigilantes, qui comprennent que la lutte en faveur de la sécurité des procédés constitue « une longue guérilla sans victoire définitive ».
Des organisations informées et favorisant le signalement, qui encouragent la déclaration des quasi-accidents et restent constamment conscientes des conséquences potentielles d’une défaillance.
Des organisations équitables, qui instaurent un climat de confiance solide et comprennent que les erreurs humaines ne constituent pas les causes profondes des incidents, mais qu’elles résultent elles-mêmes de facteurs personnels et organisationnels.
Des organisations disciplinées, qui comprennent l’importance de la discipline opérationnelle et dans lesquelles chacun contribue à exécuter chaque tâche correctement dès la première fois.
Des organisations apprenantes, qui consacrent du temps et des ressources à la mise en œuvre des enseignements tirés des défaillances survenues dans d’autres organisations aussi bien que dans la leur.
6. Système de gestion de la sécurité des procédés
La mise en pratique du leadership et de la culture de sécurité des procédés repose sur le développement, la mise en œuvre et le maintien d’un système efficace de gestion de la sécurité des procédés, ou PSM — Process Safety Management.
Ce système vise à prévenir la survenue d’incidents. Les éléments constitutifs d’un tel système de sécurité des procédés sont présentés à la Figure 1. Ils comprennent :
culture de sécurité des procédés ;
conformité aux normes ;
compétences en matière de sécurité des procédés ;
participation du personnel ;
relations et communication avec les parties prenantes ;
gestion des connaissances relatives aux procédés ;
identification des dangers et analyse des risques ;
procédures opératoires ;
pratiques de travail sûres ;
intégrité et fiabilité des actifs ;
gestion des entreprises extérieures ;
formation et performance ;
gestion des modifications ;
préparation opérationnelle avant démarrage — PSSR, Pre-Startup Safety Review ;
conduite des opérations ;
gestion des situations d’urgence ;
enquête sur les incidents ;
mesure et indicateurs de performance ;
audits ;
revue de direction et amélioration continue.
Toutes les étapes mentionnées ci-dessus sont importantes.
Pour assurer le bon fonctionnement d’un site de production, il est essentiel d’évaluer les risques liés aux procédés et de mettre en place des couches de protection adéquates afin de protéger les personnes, l’environnement et les actifs.
Ces éléments du PSM constituent la couche de protection destinée à prévenir la survenue d’incidents, comme indiqué à la Figure 2.
Les approches à mettre en œuvre pour maîtriser les risques liés à la sécurité des procédés sont les suivantes :
identifier les risques et les dangers, puis les éliminer ou les réduire au minimum dès la phase de conception ;
veiller à ce que le classement des zones dangereuses soit correctement réalisé ;
sélectionner les matériaux de construction appropriés en fonction de la gravité des risques liés au procédé ;
mettre l’ensemble des procédures à disposition afin de permettre une exploitation sûre de l’installation ;
former correctement le personnel chargé d’exploiter et d’entretenir l’installation, afin d’assurer un fonctionnement sûr et de prévenir toute perte de confinement ;
réduire au strict minimum les interventions manuelles afin de limiter les erreurs humaines ;
réaliser régulièrement des audits, des études HAZOP et des classifications SIL, puis mettre en œuvre toutes les recommandations dans les délais prescrits ;
ne jamais neutraliser ou contourner les systèmes instrumentés de sécurité, sauf en cas de nécessité absolue, dans le cadre d’une procédure de gestion des modifications impliquant les plus hauts niveaux d’autorité, et uniquement pendant une durée très limitée ;
évaluer les risques et les dangers liés aux procédés pour tous les modes de fonctionnement de l’installation : démarrage, fonctionnement normal, arrêt, déclenchements de sécurité et fonctionnement anormal ;
assurer une formation de remise à niveau continue pour le personnel à tous les niveaux ;
lors des opérations de maintenance, veiller à ce que la zone de travail soit exempte de dangers pour le personnel de maintenance, en mettant en place des isolements appropriés ainsi que des opérations de nettoyage et de purge permettant d’éliminer tout résidu chimique ;
réaliser une analyse de sécurité des tâches et appliquer un système de permis de travail sûr pour toute intervention effectuée dans l’installation.
Cette section est fondée sur les travaux de Duisters, 2020.
7. Le rôle de l’analyse comparative
L’analyse comparative, ou benchmarking, est un outil spécifique permettant à une entreprise de déterminer son niveau de performance par rapport aux autres acteurs de son secteur, d’identifier le meilleur niveau de performance atteint dans l’industrie et de mesurer l’écart qui la sépare des entreprises les plus performantes.
Cette comparaison crée ainsi une dynamique favorable à l’amélioration continue.
Un système de gestion de la sécurité des procédés permet :
d’identifier les écarts de performance ;
de définir des objectifs d’amélioration des performances ;
de mesurer l’efficacité des programmes d’amélioration ;
de maintenir une démarche d’amélioration continue.
Les évaluations comparatives du PSM peuvent permettre d’identifier trois avantages principaux, interdépendants mais distincts :
l’analyse comparative interne entre différents sites ;
l’apprentissage résultant de la compréhension du questionnaire d’évaluation comparative ;
l’identification du besoin de mener une analyse détaillée de la mise en œuvre des systèmes existants.
L’utilisation d’une analyse comparative systématique du PSM permet de transformer les enseignements tirés de l’expérience en un apprentissage stratégique et organisationnel.
Références
Cullen, (1990). The Public Inquiry into the Piper Alpha Disaster, HM Stationery Office, UK.
Hopkins, A. (2005). Safety, Culture and Risk – The Organisational Causes of Disasters, Hopkins, CCH Australia.
Hopkins, A. (2009). Failure to Learn – the BP Texas City Refinery Disaster, CCH Australia.
Reason, J. (1997). Managing the Risks of Organisational Accidents, Ashgate Publishing.
Weick, K.E. and Sutcliffe, K.M. (2007). Managing the Unexpected 2nd Edition, Wiley.
207, (1982), Protecting Fertiliser Manufacturing Plant: The Role of Surface Coatings, D W May
207, (1982), Corrosion and Protection of Concrete in an Ammonium Nitrate Environment, P Furnival
307, (1991), Stress Corrosion Cracking of Carbon Steel Storage Tanks for Anhydrous Ammonia, L Lunde, R Nyborg
382, (1996), Control of Stress Corrosion Cracking in Liquid Ammonia Storage Tanks, R Nyborg, L Lunde, P-E Drønen
401, (1997), Ammonia: Safety, Health and Environmental Aspects, K D Shah
406, (1997), Product Stewardship (Fertilisers), D M Martin, R S N Carne
435, (1999), Transport Safety for Nitric Acid by Road and Rail
482, (2001), De-Commissioning of Ammonia Cold-Storage Tanks, J Kristensen, R Fogg
494, (2002), Off-spec and Reject Fertiliser: Management Guidelines, K D Shah, J A M van Balken
508, (2003), Product Stewardship Applied to Fertilisers, H Kiiski, R J Milborne
537, (2004), Nitric Acid Production – Operational Safety, J A Hudson
541, (2004), Legislation Affecting Nitric Acid Operations, K D Shah
546, (2004), Micronutrient Inclusion in Fertilisers: Safety and Compatibility, H Kiiski
562, (2005), Safe Use of Gas-Fired Equipment in Fertiliser Plants, H A M Duisters
603, (2007), Inspection of Atmospheric Ammonia Storage Tanks; New EFMA Recommendations, H A M Duisters
604, (2007), Safety Issues in Ammonia Handling and Distribution, K D Shah
622, (2008), Corrosion Beneath Insulating Materials, F De Vogelaere
622, (2008), Safety and Protection of Overhead Pipework, N G Oates
650, (2009), A Company Review of Manufacturing Operations in Response to the Findings of the Baker Report, C P Lynas, E Campbell, H J Koornhof, J R Brightling
673, (2010), Process Safety in the Fertiliser Industry, P Eames, J R Brightling
674, (2010), A Fertiliser Company Approach to Improving Process Safety Performance, J-P Fossum, H Navsaria
694, (2011), Risk Based Inspection Implementation: Increasing Plant Safety and Reliability, G Franceschini
706, (2012), Fertiliser Product Stewardship Program. The European and Global Experience, J B Hansen, B Muirheid
721, (2013), Applications of Laser Gas Detection in the Fertiliser Industry, H Adam, J Selby, L Harper
722, (2013), Developments in Fertiliser Security, E J Pullinger
745, (2014), Detection and Localisation of Leakages in Toxic/Flammable Chemicals Pipelines Using Distributed Fibre Optic Sensors, D Inaudi, R de Bont, R Walder
749, (2014), First Practical Experience with Robot Inspection of Ammonia Storage Tanks, K Bakli, O N Mortensen, C Valand
785, (2016), Benchmarking – An Important Milestone in the Journey Towards Process Safety Management Excellence, C Pridy
786, (2016), Transforming Vehicle Safety by a Primary Fertiliser Producer in the UK, D Phelan
803, (2017), Changes, challenges, and opportunities in fertiliser-manufacturing processes: A personal review and outlook, J G Reuvers
807, (2017), Distributed control system implemented at a UK fertiliser complex: past, present and future, T Southerton
830, (2019), Principles and Applications of a Directory of Urea Safety Incidents, with Case Studies, M J Brouwer
843, (2020), Occupational and Process Safety in Ammonia Plants – Pitfalls to Avoid, H Duisters
International Fertiliser Association Safety Handbook. Establishing and Maintaining Positive Safety Management Practices in the Work Place
Risques liés à la sécurité dans la production d’engrais
1. Sécurité des procédés et sécurité au travail
Deux notions fondamentales sont utilisées dans le domaine de la gestion de la sécurité : la sécurité des procédés et la sécurité des personnes, également appelée sécurité au travail ou sécurité professionnelle.
Les systèmes de gestion de la sécurité des procédés, ou Process Safety Management — PSM, se distinguent des systèmes de gestion de la sécurité au travail. En effet, la sécurité des procédés porte directement sur les procédés industriels, les équipements et les technologies susceptibles d’être impliqués dans la survenue d’un accident.
La gestion de la sécurité des procédés repose sur une stratégie fondée sur l’analyse des risques ainsi que sur la mise en œuvre systématique de mesures destinées à prévenir les accidents de procédé. L’objectif est de ne plus se limiter aux indicateurs rétrospectifs, qui comptabilisent les incidents déjà survenus, mais de privilégier des indicateurs avancés et prédictifs, utilisés de manière proactive afin de prévenir les accidents et d’assurer une amélioration continue.
Il existe plusieurs différences importantes entre la gestion de la sécurité des personnes et celle de la sécurité des procédés. Ces différences ont un certain nombre de conséquences :
Les accidents liés à la sécurité des procédés sont relativement rares par rapport aux accidents corporels enregistrés au sein d’une organisation. Les indicateurs rétrospectifs classiques sont donc peu adaptés à leur suivi. Les entreprises ne peuvent pas se permettre d’attendre qu’un accident grave se produise pour en tirer des enseignements. Elles doivent utiliser des indicateurs proactifs et prédictifs spécifiquement conçus pour la sécurité des procédés.
Les causes des accidents de procédé sont généralement plus complexes que celles des accidents corporels. De plus, la personne ou l’entité à l’origine d’un accident de procédé n’en est souvent pas la victime directe. Il est donc nécessaire d’agir sur l’organisation dans son ensemble, en tant que système collectif, plutôt que de cibler uniquement les comportements individuels. L’attention doit porter prioritairement sur les pratiques organisationnelles, et non uniquement sur les attitudes ou les mentalités individuelles.
Cette idée est renforcée par le fait que les causes d’un accident de procédé et ses conséquences peuvent être séparées par plusieurs années. Cela révèle l’existence possible de défaillances non détectées ou défaillances latentes. Lorsque les salariés rentrent chaque jour chez eux sans avoir subi d’accident, l’organisation reçoit un retour immédiat indiquant que ses efforts en matière de sécurité des personnes semblent efficaces. En revanche, une erreur de conception ou une modification mal réalisée peut ne produire aucun effet visible pendant de nombreuses années. Il n’existe alors aucun signal immédiat permettant d’identifier la défaillance et de la corriger.
Le faible niveau d’expérience directe des accidents de procédé au sein d’une organisation implique qu’une grande partie de l’apprentissage doit provenir d’événements et de retours d’expérience extérieurs à celle-ci.
Ces différences montrent qu’il ne faut pas supposer que l’approche dite des « cœurs et des esprits », efficace lorsqu’il s’agit d’influencer les comportements individuels afin que chacun assure sa propre sécurité et veille également sur celle de ses collègues, sera tout aussi efficace pour améliorer la sécurité des procédés.
Cette approche conserve une certaine utilité, mais la prévention des accidents de procédé nécessite les efforts coordonnés d’un grand nombre de personnes, dont beaucoup ne disposent pas, dans leur activité quotidienne, d’une vision complète de l’ensemble du système industriel.
Le graphique de la figure 1 illustre la relation entre les différentes formes de sécurité et la gravité de leurs conséquences. De manière générale, une défaillance de la sécurité des procédés entraîne des conséquences plus graves qu’une défaillance relevant uniquement de la sécurité au travail.
2. Risques liés à la sécurité dans la production d’engrais
Des exemples de risques potentiels associés aux procédés de production des engrais azotés sont présentés dans le tableau 1.
Les deux principales catégories de dangers sont :
les dangers liés aux incendies et aux explosions ;
les dangers résultant de la nature intrinsèque des produits chimiques utilisés au cours du procédé de fabrication.
La production de produits phosphatés implique notamment l’utilisation d’acides, tandis que la production de potasse fait intervenir des équipements et des engins lourds.
Des risques pour la sécurité des personnes existent dans tous les environnements de travail. Parmi les dangers les plus courants, on peut citer :
les déversements de produits ;
les trébuchements et les chutes ;
l’obstruction des voies de circulation ;
les passerelles ou zones de circulation insuffisamment sécurisées ou non correctement condamnées ;
les chutes de hauteur ;
l’absence ou l’insuffisance de dispositifs de protection sur les machines ;
l’inefficacité des procédures de consignation des équipements électriques lors d’interventions de maintenance, notamment les procédures de verrouillage et d’étiquetage, dites Lockout/Tagout — LOTO ;
la complaisance ou le relâchement de la vigilance des employés ;
une formation insuffisante ;
l’absence d’une évaluation appropriée des risques liés aux activités dangereuses.
Références
182, (1979), Risk Analysis and Fertiliser Plant, Sir Frederick Warner
383, (1996), Safe Operation of Fertiliser Plants, M R Bailey, R J Milborne, I K Watson
385, (1996), Risk Assessment in EU Safety Legislation – Adoption and Use, H Hagen
649, (2009), Safety and Environment – Lessons Learnt and Future Challenges for the Fertiliser Industry. 26th Francis New Memorial Lecture, T K Jenssen
808, (2017), Classification and security legislation updates affecting fertiliser industry, K D Shah and A Hoxha
International Fertiliser Association Safety Handbook. Establishing and Maintaining Positive Safety Management Practices in the Work Place
Causes des défaillances du confinement des substances chimiques dangereuses
Facteurs permettant d’améliorer la capacité de confinement des substances chimiques dangereuses
Méthodologie de mise en œuvre des améliorations
Fiches d’orientation PSF de l’EPSC
1. Vue d’ensemble
L’EPSC (European Process Safety Centre) est une organisation internationale à but non lucratif. Fondée en 1992, elle met à disposition de ses membres un réseau actif de collaboration dans le domaine de la sécurité des procédés.
Le confinement des substances chimiques dangereuses constitue un sous-ensemble spécifique du management de la sécurité des procédés. L’EPSC accorde une attention particulière à cet aspect de la sécurité, et la présente page s’appuie sur sa publication « Process Safety Fundamentals ».
Cette publication souligne que la maîtrise efficace du confinement des substances dangereuses repose sur une combinaison spécifique d’actions et d’approches nécessitant une attention particulière :
Une gestion opérationnelle rigoureuse et détaillée impliquant les opérateurs de procédé, les superviseurs, l’encadrement opérationnel, les entreprises extérieures et les équipes de maintenance ;
Des solutions relativement complexes et multidimensionnelles plutôt que de simples règles ;
Une amélioration durable nécessitant souvent l’implication de plusieurs acteurs à différents niveaux de l’organisation, dans le cadre d’échanges itératifs et d’un dialogue ouvert.
Les Process Safety Fundamentals (PSF) décrits ici ne remplacent pas les systèmes de management de la sécurité existants (politiques de sécurité, systèmes de travail sûrs, programmes de formation sécurité, gestion des modifications, analyses des tâches critiques et procédures associées, etc.).
Ils constituent plutôt un outil permettant de mieux comprendre les situations susceptibles de compromettre le confinement des substances chimiques dangereuses.
Ils traitent de 18 situations opérationnelles dangereuses typiques. Toutes ne sont pas nécessairement applicables à chaque site de production, de stockage ou de manutention, mais elles constituent un ensemble de références dans lequel les exploitants peuvent sélectionner les éléments les plus pertinents.
2. Causes des défaillances du confinement des substances chimiques dangereuses
L’EPSC a mené une étude approfondie sur les causes des événements classés comme incidents de sécurité des procédés selon les critères de l’International Council of Chemical Associations (ICCA) ou de l’American Petroleum Institute (API), notamment la pratique recommandée API RP 754 – Process Safety Performance Indicators for the Refining and Petrochemical Industries.
Les résultats, présentés à la Figure 1, montrent que :
51 % des cas sont attribuables à des facteurs liés à l’exploitation des installations ;
35 % résultent d’une défaillance de l’intégrité mécanique des équipements ;
14 % sont liés à la conception technique des installations.
Les événements étaient généralement provoqués soit par des erreurs d’exploitation, soit par des insuffisances dans les activités de maintenance.
Ces résultats démontrent l’importance cruciale de l’excellence opérationnelle pour la sécurité des procédés.
Figure 1 – Causes des incidents de perte de confinement de substances chimiques dangereuses
3. Facteurs permettant d’améliorer la capacité de confinement des substances chimiques dangereuses
L’analyse des causes de perte de confinement montre qu’il est nécessaire de renforcer l’excellence opérationnelle en matière de sécurité des procédés sur les sites à risques.
Pour y parvenir, le leadership et la compétence dans l’exécution des tâches critiques d’exploitation et de maintenance sont essentiels.
L’efficacité des processus garantissant l’intégrité des installations dépend fortement :
du leadership démontré par le management à tous les niveaux ;
de l’engagement collectif de l’ensemble du personnel.
Afin d’éviter les rejets accidentels de substances chimiques, il est nécessaire d’identifier des barrières de sécurité.
Ces barrières peuvent être (Figure 2) :
techniques ;
humaines ;
organisationnelles.
La présente approche met principalement l’accent sur les barrières humaines préventives et atténuatrices, en particulier sur les principes de discipline opérationnelle devant être rigoureusement appliqués afin d’éviter les incidents et accidents de sécurité des procédés.
Cette couche de maîtrise fondée sur des règles constitue un socle robuste sur lequel peuvent être développées les approches de maîtrise des risques plus complexes visant à prévenir les causes profondes des incidents.
4. Méthodologie de mise en œuvre des améliorations
Le déploiement des PSF relatifs aux substances chimiques dangereuses diffère sensiblement des approches généralement utilisées pour la sécurité du travail.
Les règles de sécurité au poste de travail sont généralement introduites sous forme d’exigences simples et non négociables.
À l’inverse, les PSF traitent de situations plus complexes où il convient de prendre en compte :
la conception des installations ;
les conditions réelles d’exploitation.
afin de déterminer comment les travaux peuvent être réalisés en toute sécurité.
Les PSF offrent donc davantage de flexibilité, mais exigent également un niveau supérieur de compréhension et de compétence.
L’objectif des PSF est de mettre l’accent sur certaines tâches et certains comportements critiques de première ligne qui doivent être parfaitement compris et soutenus par l’ensemble de l’encadrement opérationnel afin d’assurer une performance élevée en matière de sécurité des procédés.
Ils visent également à favoriser les échanges entre opérateurs de terrain et responsables opérationnels lorsqu’apparaissent des difficultés dans l’exécution de tâches critiques.
Dans cette perspective, les PSF ne doivent pas être perçus comme un ensemble supplémentaire de règles, mais comme un support de dialogue permettant d’instaurer une culture ouverte favorisant l’excellence en sécurité des procédés.
Les responsables hiérarchiques doivent :
Promouvoir la sécurité à partir d’une démarche fondée sur la vigilance et la responsabilité.
Être visibles sur le terrain.
Entretenir un dialogue régulier concernant les PSF.
Encourager le personnel de première ligne à signaler librement les dilemmes opérationnels, les difficultés d’exploitation et les signaux faibles.
Comprendre en détail les facteurs dégradés ou compromis rencontrés dans les situations réelles et collaborer avec les équipes de terrain pour résoudre les problèmes identifiés.
Faire preuve de curiosité professionnelle. Chercher à comprendre et à appliquer les PSF avant d’autoriser toute dérogation.
Identifier les phénomènes de banalisation du risque dans les activités quotidiennes et agir pour les corriger.
Atelier d’engagement
Pour introduire les PSF, un atelier peut être organisé avec les acteurs clés de la chaîne opérationnelle afin d’obtenir leur adhésion et leur implication.
Les participants peuvent notamment provenir :
de l’exploitation ;
de la maintenance ;
de la sécurité des procédés ;
de l’intégrité des actifs.
L’engagement visible de la direction est un facteur déterminant de réussite.
L’atelier peut inclure :
une présentation du programme PSF ;
des discussions avec les opérateurs de terrain sur les modalités pratiques de mise en œuvre ;
l’élaboration d’un plan formel de déploiement approuvé par l’ensemble des parties prenantes.
Analyse et promotion
Pour coordonner la mise en œuvre des PSF, une entreprise peut désigner un ou plusieurs référents ou ambassadeurs.
Leur rôle consiste notamment à :
organiser des sessions d’information et de clarification ;
aider les équipes de terrain à comprendre les objectifs et le périmètre du programme ;
animer des échanges sur les difficultés rencontrées dans l’application des PSF ;
utiliser les fiches PSF de l’EPSC comme support de discussion.
Les retours d’expérience issus du terrain, y compris les écarts aux bonnes pratiques, doivent pouvoir être partagés ouvertement.
Déploiement
Quelques recommandations pour le déploiement des PSF :
Réaliser une analyse des écarts afin d’identifier les points forts et les axes d’amélioration.
Mettre en œuvre des actions de sensibilisation et de formation pour renforcer la compréhension et la motivation.
Intégrer les comportements PSF dans les processus et systèmes de gestion des ressources humaines.
Intégrer les comportements PSF dans les systèmes HSE existants.
Intégrer les comportements PSF dans les pratiques opérationnelles quotidiennes.
Surveillance et suivi
Les activités du système de management doivent inclure des mécanismes de surveillance et de suivi.
Dans le cadre des PSF, un certain délai est généralement nécessaire avant de pouvoir mesurer l’impact sur la réduction du nombre d’événements de sécurité des procédés liés à l’intégrité de fonctionnement.
Des améliorations plus rapides peuvent toutefois être observées au niveau :
de la sensibilisation des opérateurs ;
du niveau de compétence ;
de l’engagement du personnel en faveur de la sécurité des procédés.
5. Fiches PSF de l’EPSC
Les 18 PSF actuellement développés par l’EPSC sont :
Appliquer une double isolation.
Vidanger et mettre hors énergie avant toute ouverture de ligne.
Surveiller les drains ouverts.
Maîtriser les inhibitions et neutralisations des systèmes instrumentés de sécurité.
Parcourir physiquement les circuits (« Walk the Line »).
Vérifier l’étanchéité après intervention de maintenance.
Éviter de travailler derrière une seule vanne d’isolement.
Vérifier l’état des flexibles.
Exploiter les installations à l’intérieur des limites de fonctionnement sûres.
Maîtriser les utilités connectées au procédé.
Signaler toute défaillance d’un équipement critique pour la sécurité.
Déconnexion des équipements.
Se tenir hors de la ligne de tir.
Maîtriser les opérations de chargement et de déchargement.
Vérifier l’atmosphère du foyer avant l’allumage des brûleurs.
Éviter le chargement par éclaboussement.
Prévenir les réactions incontrôlées (runaway reactions).
Déclarer les incidents de sécurité des procédés.
Références
European Process Safety Centre (EPSC). (2021). Process Safety Fundamentals.
843, (2020), Occupational and Process Safety in Ammonia Plants – Pitfalls to Avoid, H Duisters
749, (2014), First Practical Experience with Robot Inspection of Ammonia Storage Tanks, K Bakli, O N Mortensen, C Valand
745, (2014), Detection and Localisation of Leakages in Toxic/Flammable Chemicals Pipelines Using Distributed Fibre Optic Sensors, D Inaudi, R de Bont, R Walder
694, (2011), Risk Based Inspection Implementation: Increasing Plant Safety and Reliability, G Franceschini
674, (2010), A Fertiliser Company Approach to Improving Process Safety Performance, J-P Fossum, H Navsaria
673, (2010), Process Safety in the Fertiliser Industry, P Eames, J R Brightling
622, (2008), Corrosion Beneath Insulating Materials, F De Vogelaere / Safety and Protection of Overhead Pipework, N G Oates
604, (2007), Safety Issues in Ammonia Handling and Distribution, K D Shah
603, (2007), Inspection of Atmospheric Ammonia Storage Tanks; New EFMA Recommendations, H A M Duisters
561, (2005), Urea-Ammonium Nitrate Solution: Corrosive Characteristics and Hazards, K DeMarsh
382, (1996), Control of Stress Corrosion Cracking in Liquid Ammonia Storage Tanks, R Nyborg, L Lunde, P-E Drønen
Gerald Steiner, Bernhard Geissler, and Nils Haneklaus
Introduction
Les États-Unis sont le plus grand consommateur mondial d’uranium. En 2017, la très grande majorité, soit 93 %, de cet uranium était importée. Une enquête récente menée par l’administration actuelle a conclu que les importations étrangères d’uranium et l’approvisionnement en produits connexes — essentiels pour l’arsenal nucléaire américain, la marine hauturière et les centrales électriques — ne constituaient pas une menace pour la sécurité nationale. Toutefois, le déclin de l’exploitation minière nationale de l’uranium est considéré comme une préoccupation importante.
Les exploitants miniers d’uranium aux États-Unis ont lancé cette enquête dans l’espoir d’obtenir des quotas sur les importations étrangères d’uranium, ce qui leur permettrait de mieux concurrencer les entreprises étrangères, souvent publiques et fortement subventionnées. Des quotas, s’ils étaient mis en place, pourraient en effet relancer l’exploitation minière de l’uranium aux États-Unis. Ils pourraient également redonner un intérêt à la récupération de l’uranium à partir de ressources non conventionnelles, notamment les phosphates, qui, à leur apogée, ont contribué à près de 20 % des besoins du pays en uranium dans les années 1980. Cette voie pourrait redevenir rentable et être mise en œuvre beaucoup plus rapidement que l’ouverture de nouvelles mines d’uranium, lesquelles finiraient nécessairement par devoir être implantées quelque part, avec les oppositions locales que cela implique.
Les phosphates — et plus précisément ici les roches phosphatées sédimentaires — peuvent contenir des quantités considérables d’uranium associé, aussi bien en termes de concentrations que de quantités globales. La roche phosphatée est le quatrième matériau le plus extrait au monde et elle est principalement utilisée, à plus de 90 % à l’échelle mondiale, pour la production d’engrais minéraux.
Les techniques permettant de récupérer l’uranium à partir de l’acide phosphorique, produit intermédiaire liquide de la fabrication des engrais phosphatés, sont bien connues et ont été utilisées aux États-Unis, ainsi que, dans une moindre mesure, ailleurs, à l’échelle industrielle jusqu’à la fin des années 1990, lorsque les prix de l’uranium se sont effondrés, rendant la récupération non rentable pour les producteurs d’engrais.
Quantités d’uranium dans les phosphates
La sensibilisation accrue aux enjeux environnementaux, la sécurité énergétique nationale et la possible hausse des prix de l’uranium ont suscité un regain d’intérêt mondial pour cette technologie. Gabriel et al. ainsi qu’Ulrich et al. ont estimé que les producteurs d’engrais phosphatés pourraient fournir un peu plus de 15 % des besoins mondiaux en uranium en temps de paix. Des études similaires ont été réalisées pour l’Argentine, où l’uranium récupéré comme coproduit de la production d’engrais phosphatés pourrait couvrir 8 à 9 % des besoins en uranium ; pour l’Union européenne, environ 2 % des besoins en uranium ; et pour les États-Unis, environ 10 % des besoins en uranium.
Dans ces études, les quantités d’uranium récupérables à partir des phosphates dépasseraient souvent la production actuelle issue des mines d’uranium conventionnelles nationales. Kim et al. ont par exemple estimé que 5,5 millions de livres de U₃O₈, soit davantage que la production nationale américaine de 2014, qui était de 4,9 millions de livres de U₃O₈, auraient pu être fournies par l’industrie américaine des phosphates.
La figure 1 compare la production annuelle d’uranium aux importations annuelles d’uranium aux États-Unis. Elle indique également la récupération historique de l’uranium à partir des phosphates ainsi que le potentiel de récupération de l’uranium à partir des phosphates aux États-Unis. Avec la diminution de l’exploitation minière de l’uranium en 1990, les quantités d’uranium qui auraient pu être récupérées à partir des phosphates étaient supérieures aux quantités effectivement extraites des mines.
Dans la figure 1, sont pris en compte l’uranium provenant de toutes les mines de phosphate des États-Unis ainsi que l’uranium contenu dans les importations de roches phosphatées. Bien que sa concentration soit relativement élevée en Floride, environ 160 mg/kg — à comparer à la mine de Rössing en Namibie, l’une des plus anciennes exploitations commerciales d’uranium en activité et la cinquième plus grande mine d’uranium commerciale, avec des concentrations moyennes d’uranium de 200 à 300 mg/kg et une teneur moyenne de 0,003 mg/kg d’uranium dans l’eau de mer — cette teneur justifierait une récupération. Toutefois, la concentration peut être moins élevée dans d’autres régions, par exemple 107 mg/kg dans l’Idaho et 65 mg/kg en Caroline du Nord. Dans ces conditions, une récupération rentable de l’uranium serait plus difficile.
Dans ce contexte, il convient de noter que la majorité de l’uranium radiotoxique, soit 70 à 80 %, qui n’est pas récupéré est — et continuera d’être — dispersée avec les engrais sur les sols agricoles. Le reste se retrouve dans le flux de déchets de phosphogypse, c’est-à-dire une boue composée de sulfate de calcium et d’eau, présentant de faibles niveaux de radioactivité et donc des possibilités d’utilisation limitées.
Figure 1. Importations américaines d’uranium, production nationale d’uranium, récupération potentielle et historique de l’uranium à partir des phosphates, prix moyens pondérés de l’uranium, ainsi que coûts minimaux et maximaux projetés pour la récupération de l’uranium par extraction par solvant (a) et par échange d’ions (b) aux États-Unis. Source : EIA (8) et Beltrami et al. (1).
Économie de la récupération
Malgré des prix de l’uranium relativement faibles, les propriétaires et exploitants de réacteurs électronucléaires civils aux États-Unis ont acheté, en 2018, un total de 40 millions de livres d’équivalent U₃O₈ auprès de fournisseurs américains et étrangers, à un prix moyen pondéré de 38,81 dollars américains par livre de U₃O₈. Près de 42 % de cet uranium provenait du Canada et d’Australie ; environ 40 % provenait du Kazakhstan, de Russie et d’Ouzbékistan ; et près de 10 % provenait des États-Unis. L’uranium d’origine américaine a été livré à un prix moyen pondéré de 45,26 dollars américains par livre de U₃O₈.
Dans ce contexte, les coûts de récupération de l’uranium à partir de l’acide phosphorique, au moyen d’une technologie d’extraction par solvants industriellement éprouvée, sont estimés aujourd’hui aux États-Unis entre 44 et 61 dollars américains par livre de U₃O₈. Ces coûts se situent donc à la limite de la rentabilité économique.
La récupération de l’uranium au moyen de procédés fondés sur l’échange d’ions n’est pas encore une technologie commerciale éprouvée pour la récupération de l’uranium, mais elle est actuellement testée à l’échelle pilote aux États-Unis par PhosEnergy, une société australienne. Elle pourrait réduire davantage les coûts, jusqu’à environ 33 à 54 dollars américains par livre de U₃O₈.
Des économies encore plus importantes pourraient être réalisées si l’uranium radiotoxique était lixivié directement, avant l’étape d’attaque/digestion, à partir de la roche phosphatée enrichie. Cela permettrait de rendre non seulement l’engrais final, mais aussi le sous-produit phosphogypse, pratiquement exempts d’uranium.
Bien que le gypse soit un matériau de construction largement utilisé, le phosphogypse est généralement stocké indéfiniment en raison de sa faible radioactivité, qui résulte de la présence naturelle d’uranium et, dans une moindre mesure, de thorium dans les roches phosphatées traitées. Quelque 100 à 300 millions de tonnes de phosphogypse sont produites chaque année dans le monde. Rendre ce matériau disponible pour des utilisations non contestables pourrait donc permettre à l’industrie des engrais d’économiser des centaines de millions de dollars américains en coûts annuels de stockage qui s’accumulent autrement.
Par ailleurs, au regard des coûts directs précédemment mentionnés pour la récupération de l’uranium à partir des phosphates, qui peuvent être estimés aujourd’hui, il convient de souligner que nous pourrions être confrontés à des coûts indirects croissants liés à la purification des eaux souterraines contaminées par l’uranium issu des engrais si les pratiques actuelles restent inchangées.
Quo vadis, récupération de l’uranium ?
La récupération de l’uranium à partir des phosphates est déjà une bonne idée du point de vue de la conservation des ressources et des Objectifs de développement durable, ODD, des Nations unies. Le cadre établi par les décideurs politiques américains déterminera si l’uranium sera ou non à nouveau récupéré au cours de la production d’engrais.
Dans ce contexte, des quotas sur les importations étrangères d’uranium aux États-Unis pourraient, de manière consciente ou non, fournir un cadre incitatif à la récupération de l’uranium pendant la production américaine d’engrais, et ainsi rendre à nouveau attractive la récupération de l’uranium à partir des phosphates.
Informations sur les auteurs
Auteur correspondant
Nils Haneklaus — Danube University Krems, Krems, Autriche, et RWTH Aachen University, Aix-la-Chapelle, Allemagne ; ORCID : orcid.org/0000-0002-673-0376 ; Email : nils.haneklaus@rwth-aachen.de
Autres auteurs
Gerald Steiner — Danube University Krems, Krems, Autriche
Bernhard Geissler — Danube University Krems, Krems, Autriche
Les auteurs déclarent ne pas avoir d’intérêts financiers concurrents.
Références
(1) Beltrami, D.; Cote, G.; Mokhtari, H.; Courtaud, B.; Moyer, B. A.; Chagnes, A. Recovery of Uranium from Wet Process Phosphoric Acid by Solvent Extraction. Chem. Rev.2014, 114, 12002–12023.
(2) Singh, D. K.; Mondal, S.; Chakravartty, J. K. Recovery of Uranium From Phosphoric Acid: A Review. Solvent Extr. Ion Exch.2016, 34, 201–25.
(3) Gabriel, S.; Baschwitz, A.; Mathonnière, G.; Fizaine, F.; Eleouet, T. Building future nuclear power fleets: The available uranium resources constraint. Resour. Policy2013, 38, 458–469.
(4) Ulrich, E.; Schnug, H.-M.; Prasser, E. Frossard Uranium endowments in phosphate rock. Sci. Total Environ.2014, 478, 226–234.
(5) López, L.; Castro, L. N.; Scasso, R. A.; Grancea, L.; Tulsidas, H.; Haneklaus, N.; Nacional, C.; Atamica, D. E.; Libertador, A.; Aires, C. B. Uranium supply potential from phosphate rocks for Argentina’s nuclear power fleet. Resour. Policy2019, 62, 397–404.
(6) Tulsidas, H.; Gabriel, S.; Kiegiel, K.; Haneklaus, N. Uranium resources in EU phosphate rock imports. Resour. Policy2019, 61, 151–156.
(7) Kim, H.; Eggert, R. G.; Carlsen, B. W.; Dixon, B. W. Potential uranium supply from phosphoric acid: A U.S. analysis comparing solvent extraction and ion exchange recovery. Resour. Policy2016, 49, 222–231.
(10) Al Khaledi, N.; Taha, M.; Hussein, A.; Hussein, E.; El Yahyaoui, A.; Haneklaus, N. Direct leaching of rare earth elements and uranium from phosphate rocks. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng.2019, 479, 012065.
Production d’acide phosphorique à l’aide d’acides autres que l’acide sulfurique
Production d’acide phosphorique par procédé au four électrique
Production d’acide phosphorique par procédé au haut-fourneau
Utilisation du gypse coproduit
Dans la production d’acide phosphorique par voie humide, environ 5 tonnes, sur base sèche, de phosphogypse coproduit sont générées par tonne de P₂O₅ récupéré sous forme d’acide phosphorique. Seuls environ 15 % de ce phosphogypse sont réutilisés. Le phosphogypse retient au moins 20 % d’eau libre en masse. Les principaux modes de valorisation du phosphogypse sont les suivants :
○ Produire du sulfate d’ammonium par réaction du gypse avec l’ammoniac et le dioxyde de carbone.
○ Produire du ciment et de l’acide sulfurique par calcination du gypse avec du coke et de l’argile ou du schiste.
○ Produire du plâtre ou des plaques de plâtre destinés aux matériaux de construction, ou fabriquer des blocs pressés ou moulés pour des usages de construction.
○ L’utiliser dans le ciment comme retardateur de prise.
○ L’utiliser comme charge pour engrais.
○ L’utiliser en application directe sur les terres agricoles lorsque le sol l’exige.
Valorisation du fluor
La plupart des roches phosphatées de type fluoroapatite contiennent une quantité significative de fluor, généralement 3 à 4 % de F en masse. Dans certains cas, jusqu’à 60 % de ce fluor peut être dégagé au cours de la fabrication de l’acide phosphorique par voie humide. Le reste du fluor est retenu dans le gypse, principalement en fonction de la composition de la roche, et la majeure partie de la fraction restante se retrouve dans l’acide filtré [30].
Le fluor est libéré à différentes étapes des procédés de fabrication de l’acide phosphorique : à partir de la surface de la bouillie réactionnelle dans le réacteur, dans le refroidisseur flash, ainsi que dans l’atelier de concentration.
Dans un procédé dihydrate, les proportions sont les suivantes :
○ Surface de la bouillie : 3 à 5 %
○ Refroidisseur flash : 8 à 10 %
○ Atelier de concentration : 15 à 20 % jusqu’à 45 % de P₂O₅
Dans les procédés hémihydrate ou hémidihydrate, produisant un acide à 45 % de P₂O₅ au niveau du filtre, les proportions sont les suivantes :
○ Surface de la bouillie : 12 à 15 %
○ Refroidisseur flash : 15 à 20 %
Dans un cas typique, environ 50 kg de F sont volatilisés par tonne de P₂O₅, généralement sous forme de SiF₄ ou de HF, ou d’un mélange des deux. Les compositions des vapeurs émises par la section réaction/filtration et par l’évaporateur sont différentes.
Lors de l’attaque acide de la roche phosphatée, le fluorure est d’abord converti en fluorure d’hydrogène, lequel réagit ensuite avec la silice active pour former du tétrafluorure de silicium :
4HF + SiO₂ = SiF₄ + 2H₂O
Celui-ci est partiellement émis sous forme de vapeur préférentiellement au fluorure d’hydrogène, en raison de sa pression de vapeur plus élevée. Le reste réagit davantage pour former de l’acide fluosilicique, qui demeure dans l’acide produit, ou des fluosilicates insolubles, lesquels sont éliminés dans le gâteau de filtration.
3SiF₄ + 2H₂O = 2H₂SiF₆ + SiO₂
Si la vapeur de tétrafluorure de silicium quittant la section de réaction est lavée à l’eau, cette réaction se produit également dans le laveur, entraînant la formation de silice insoluble. Cette silice provoque des dépôts et peut finir par colmater le laveur.
Par conséquent, la procédure habituelle consiste à effectuer le lavage avec une solution diluée d’acide fluosilicique, dans laquelle la silice reste en suspension colloïdale. Un laveur de conception adaptée, tel qu’un Venturi cyclone ou une tour vide, pratiquement dépourvu d’obstructions internes susceptibles de s’encrasser, doit être utilisé au premier étage afin d’éliminer la majeure partie du fluor.
Un second étage, très efficace, tel qu’une tour de pulvérisation ou une tour équipée d’un garnissage mobile, élimine la majeure partie des traces résiduelles de fluor et évite l’encrassement (Figure 1). Les vapeurs plus diluées, telles que l’air provenant de la hotte au-dessus du premier étage de filtration et du premier séparateur de filtrat, peuvent être introduites directement dans le laveur du second étage.
Figure 1. Système de lavage du fluor en deux étages sous licence Norsk Hydro
(1) – GAZ PROVENANT DU REFROIDISSEUR FLASH (2) – APPOINT D’ACIDE FLUOSILICIQUE (3) – ACIDE FLUOSILICIQUE CONTAMINÉ VERS LE RÉACTEUR (4) – VERS LE RÉSERVOIR DE STOCKAGE DU PREMIER ÉTAGE (5) – GAZ C/T VERS LE CONDENSEUR DU REFROIDISSEUR FLASH (6) – LIQUEUR PROVENANT DU REFROIDISSEUR DE L’ÉTAGE FINAL
Légende :
S-1 Laveur Venturi S-2 Séparateur de gouttelettes S-3 Laveur du premier étage S-4 Laveur du second étage S-5 Séparateur de gouttelettes T-6 – T-9 Cuves de garde
Environ deux tiers du fluor contenu dans l’acide filtré sont volatilisés lorsque l’acide est concentré jusqu’à la qualité commerciale, soit 50 à 55 % de P₂O₅. Dans les conditions de haute température et de pression réduite rencontrées dans les évaporateurs sous vide, l’acide fluosilicique se décompose, et du tétrafluorure de silicium ainsi que du fluorure d’hydrogène sont dégagés.
H₂SiF₆ = 2HF + SiF₄
Toutefois, lorsque les concentrations d’acide sont inférieures à 50 % de P₂O₅, davantage de tétrafluorure de silicium est dégagé, formant de la silice dans l’acide fluosilicique en circulation, en raison de la relation entre sa pression de vapeur et celle du fluorure d’hydrogène.
À des concentrations d’acide de 50 à 55 % de P₂O₅, le rapport molaire HF:SiF₄ est approximativement égal à 2, tandis qu’à des concentrations d’acide plus élevées, le fluorure d’hydrogène prédomine [30].
Le risque de problèmes liés aux dépôts de silice dans le laveur est minimal lorsque le rapport HF:SiF₄ est au moins égal à 2, car le seul produit du lavage sera alors l’acide fluosilicique. En revanche, il n’est pas souhaitable de laisser ce rapport dépasser excessivement 2, car le produit contiendrait alors du fluorure d’hydrogène libre.
Comme la solution de lavage utilisée est de l’acide fluosilicique, il est souhaitable de maintenir une concentration élevée, notamment du point de vue des coûts de transport et de l’utilisation du produit. Afin d’éviter la dilution par l’eau provenant de l’évaporateur, le laveur, intercalé entre l’évaporateur et le condenseur, doit fonctionner à une température élevée à laquelle l’eau ne se condense pas de manière significative.
En pratique, cela fixe une limite maximale d’environ 18 à 22 % de H₂SiF₆ pour la concentration du milieu de lavage, car à des concentrations plus élevées, les pressions de vapeur à l’équilibre du fluorure d’hydrogène et du tétrafluorure de silicium deviennent trop importantes pour permettre une élimination efficace du fluor.
Le type de laveur à tour vide pulvérisée, initialement développé par Swift and Co., puis perfectionné par Fisons et d’autres sociétés, est souvent utilisé. Le laveur est généralement monté au-dessus de l’évaporateur et reçoit les vapeurs issues du séparateur d’entraînement, lequel renvoie vers le circuit acide les gouttelettes ou brouillards d’acide phosphorique.
Les laveurs de fluor fonctionnent généralement avec une efficacité de 90 à 93 %. Le reste des vapeurs fluorées est en grande partie éliminé dans le condenseur traversé ensuite par les vapeurs. Le condenseur est généralement du type barométrique à contact direct ; toutefois, après refroidissement, l’eau doit être dirigée vers une installation de traitement des eaux usées afin d’éliminer la contamination.
De nombreux procédés de récupération de composés fluorés commercialisables ont été proposés et développés expérimentalement ; certains sont utilisés à l’échelle industrielle. La description complète de ces procédés dépasse le cadre de cette ressource.
Le fluor est généralement récupéré sous forme d’une solution aqueuse d’acide fluosilicique, H₂SiF₆. Sa concentration peut atteindre 20 à 25 %. Dans certains pays, l’acide fluosilicique est utilisé directement pour la fluoration des réseaux municipaux d’eau potable afin de prévenir la carie dentaire. L’acide est expédié vers diverses municipalités dans des wagons-citernes revêtus de caoutchouc.
Les sels de l’acide fluosilicique, tels que les fluosilicates de sodium, de potassium et d’ammonium, ont diverses applications et peuvent être facilement produits à partir de cet acide. Le fluosilicate de sodium est utilisé pour la fluoration des réseaux municipaux d’eau potable, mais l’acide fluosilicique est généralement préféré.
Des procédés ont été développés pour produire du fluorure d’aluminium AlF₃ et de la cryolithe Na₃AlF₆ à partir d’acide fluosilicique, produits utilisés en quantités importantes par l’industrie de l’aluminium. Toutefois, ces matériaux doivent être très purs pour cet usage ; en particulier, les teneurs en silicium et en phosphore doivent être très faibles. Cette exigence complique la production à partir des coproduits de l’industrie phosphatière.
Le fluorure de calcium peut être produit et utilisé à la place du spath fluor naturel pour la production de fluorure d’hydrogène HF, qui constitue la matière première de base pour la fabrication de nombreux composés fluorés organiques et inorganiques, ou pour des applications métallurgiques [31]. Il existe également des procédés permettant de produire des solutions d’acide fluorhydrique ou du fluorure d’hydrogène anhydre à partir de solutions d’acide fluosilicique.
En général, l’économie de production de composés fluorés de qualité chimique à partir d’acide fluosilicique coproduit est marginale à défavorable pour les petites unités d’acide phosphorique. Toutefois, les grandes unités peuvent rendre cette récupération rentable. Lorsque plusieurs usines d’acide phosphorique fonctionnent dans un rayon d’expédition économiquement acceptable, l’acide fluosilicique brut peut être expédié vers un point central pour la production de composés fluorés raffinés. Pour plus de détails sur l’utilisation du fluor, voir la référence [30].
Purification de l’acide phosphorique
Pour la plupart des procédés de production d’engrais, la purification de l’acide phosphorique par voie humide n’est pas nécessaire. Cependant, deux utilisations courantes dans les engrais peuvent nécessiter une purification partielle :
L’acide de qualité marchande, expédié par rail, barge ou navire océanique, et souvent stocké dans des terminaux d’expédition et de réception, doit être suffisamment purifié afin de minimiser la formation de précipités insolubles, ou boues, pendant le transport et le stockage.
L’acide phosphorique destiné à la production d’engrais liquides, tels que les solutions de polyphosphate d’ammonium, nécessite parfois une purification partielle afin d’éviter la formation de précipités lors de l’ammoniation ou pendant le stockage de la solution ammoniée.
Bien que le polyphosphate d’ammonium séquestre la plupart des impuretés courantes, des quantités excessives de certaines impuretés, notamment le magnésium et la matière organique, provoquent la formation de précipités. Les acides superphosphoriques ne forment généralement pas de boues, mais le magnésium et le titane sont connus pour pouvoir provoquer des précipités générateurs de boues.
Une fraction importante des boues présentes dans la plupart des acides marchands générant des boues est constituée du composé :
(Fe,Al)₃KH₁₄(PO₄)₈ · 4H₂O
Il précipite lentement sur une période de plusieurs semaines ; par conséquent, de longues durées de stockage sont nécessaires pour assurer un achèvement raisonnable de la réaction de précipitation.
Dans la production de tripolyphosphate de sodium et d’autres phosphates condensés destinés à être utilisés comme adjuvants dans les détergents, la blancheur du produit et l’ensemble des ions métalliques, à l’exception du sodium et du potassium, constituent les principales préoccupations.
Pour les usages en transformation alimentaire humaine et dans la production de compléments pour l’alimentation animale, la teneur en impuretés toxiques doit être réduite à des niveaux insignifiants. Ces impuretés comprennent le fluor, l’arsenic et les métaux lourds éventuellement présents dans la roche phosphatée et l’acide sulfurique.
Lorsque l’acide purifié n’est requis que pour la production de phosphates, l’élimination des impuretés est facilitée par neutralisation, car de nombreuses impuretés précipitent rapidement sous forme de phosphates insolubles.
Lorsqu’il n’est pas possible de neutraliser l’acide, il est nécessaire de recourir à un traitement physique tel que l’extraction par solvant ou l’échange d’ions, avec ou sans traitement chimique. Les fabricants d’acide phosphorique purifiant l’acide phosphorique pour la vente se sont orientés vers ce type de traitement, généralement basé sur l’extraction par solvant.
Dans la plupart des cas où des réactifs chimiques sont utilisés, par exemple pour l’élimination de l’arsenic, ils réagissent uniquement avec l’impureté concernée et ne modifient pas chimiquement l’acide phosphorique.
Élimination des matières organiques
Dans l’environnement oxydant et déshydratant de la section d’attaque, les impuretés organiques tendent à se décomposer en carbone ; si la roche présente une teneur organique relativement élevée, l’acide obtenu sera noir.
Deux méthodes permettant d’éliminer cette coloration comprennent la calcination de la roche, qui détruit une bonne partie de la matière organique, et le traitement de l’acide au charbon actif, avec ou sans agent floculant.
La réalisation de ce dernier traitement à température modérée, soit 60 à 80 °C, augmente l’efficacité de l’élimination des matières organiques au point qu’il peut être possible d’éviter la calcination de certaines roches à forte teneur organique.
D’autres techniques proposées reposent sur l’utilisation d’un agent floculant spécial ou de peroxyde d’hydrogène en présence d’un catalyseur constitué d’oxydes métalliques mixtes.
Défluoration
Même lorsque l’acide phosphorique par voie humide est concentré jusqu’au stade d’acide superphosphorique, il contient encore trop de fluor pour la production de phosphates destinés à l’alimentation animale, bien que les niveaux des autres impuretés puissent être acceptables pour l’alimentation animale.
Pour la préparation d’aliments pour animaux, il est souhaitable que le rapport phosphore/fluor soit d’au moins :
100 P : 1 F
Or l’acide phosphorique normal par voie humide présente un rapport P:F compris entre 15:1 et 54:1, selon sa concentration, la composition de la roche à partir de laquelle il est produit et ses conditions de production.
Plusieurs procédures ont été proposées pour éliminer le fluor de l’acide phosphorique, fondées sur la volatilisation ou la précipitation chimique, dans ce dernier cas avec ou sans élimination d’autres impuretés.
Procédés par solvants
Précipitation
Dans ce type de procédé, une grande quantité de solvant organique miscible à l’eau est ajoutée à l’acide phosphorique, ce qui provoque la décantation de nombreuses impuretés dissoutes hors de la solution et permet la séparation du mélange acide-solvant.
En particulier, si du méthanol est utilisé, des ions de métaux alcalins ou d’ammonium doivent être présents en quantités suffisantes pour convertir les impuretés boueuses en sels doubles moins solubles. D’autres solvants pouvant être utilisés comprennent l’acétone, la méthyléthylcétone, d’autres alcools inférieurs et le dioxane.
L’inconvénient de ce type de procédé est que l’acide phosphorique doit être séparé d’un grand volume de solvant, généralement par stripping, ce qui est coûteux.
Extraction
La méthode alternative de purification de l’acide phosphorique au moyen de solvants organiques est l’extraction liquide-liquide. L’acide phosphorique brut est mis en contact à contre-courant avec un solvant partiellement ou substantiellement non miscible à l’eau dans une série de mélangeurs-décanteurs ou de colonnes.
En général, le coefficient de partage de l’acide phosphorique entre la solution aqueuse et le solvant est très défavorable ; ainsi, l’acide brut est généralement concentré avant traitement, et seule une proportion relativement faible de l’acide est extraite.
Le raffinat partiellement appauvri restant, contenant la majorité des impuretés, est habituellement utilisé dans la fabrication d’engrais.
Selon le degré de purification requis, l’extrait peut être lavé avec de l’acide phosphorique purifié, puis il est généralement mis en contact avec de l’eau, dans laquelle passe la majeure partie de l’acide.
Le produit final est un acide légèrement plus faible, mais néanmoins plus pur que l’acide brut initial, ainsi qu’une phase solvant appauvrie, qui est recyclée.
Lorsqu’il n’existe aucune possibilité d’utiliser le raffinat dans la production d’engrais, celui-ci doit être fortement acidifié avec de l’acide sulfurique avant une extraction supplémentaire ; la majeure partie du P₂O₅ est alors transférée dans la phase solvant. Les impuretés demeurent dans la phase aqueuse acidifiée, qui est neutralisée à la chaux avant élimination comme déchet.
Production d’acide phosphorique à l’aide d’acides autres que l’acide sulfurique
La roche phosphatée peut être dissoute par plusieurs acides organiques et minéraux afin de produire de l’acide phosphorique.
Les procédés commerciaux de type nitrophosphate produisent un acide phosphorique contenant des nitrates ; ces procédés sont donc utilisés pour produire des engrais composés NP ou NPK.
Il est techniquement possible de produire un acide phosphorique pratiquement exempt de calcium ou de nitrates par des méthodes de séparation faisant intervenir l’extraction par solvant.
Un tel procédé, utilisant l’alcool amylique tertiaire comme solvant, a été développé en Finlande et décrit par Lounamaa [40] ; toutefois, aucune utilisation commerciale n’a été rapportée.
Plusieurs procédés utilisant l’acide chlorhydrique ont été développés ou brevetés, mais peu ont été utilisés commercialement. Les principales étapes d’un tel procédé sont les suivantes :
Dissolution de la roche phosphatée par l’acide chlorhydrique, ce qui donne une solution aqueuse de chlorure de calcium et d’acide phosphorique ;
Contact liquide-liquide en plusieurs étapes d’extraction par solvant afin d’obtenir une solution d’acide phosphorique substantiellement pur ;
Et concentration de l’acide afin d’obtenir 95 % de H₃PO₄, soit 69 % de P₂O₅.
Les matières premières et réactifs utilisés sont les suivants :
Roche phosphatée, de toute qualité commerciale. Le taux de récupération du P₂O₅ est supérieur à 98 %.
Acide chlorhydrique pour l’attaque acide, pouvant être utilisé sous forme d’une solution à 20 % de HCl ou plus, ou sous forme gazeuse en combinant absorption et réaction. Pour des raisons économiques, l’acide concentré est préféré, car la majeure partie de l’eau accompagnant l’acide doit être évaporée à une étape ultérieure du procédé. La consommation de HCl dépend de la composition de la roche.
Solvant. Plusieurs solvants peuvent être utilisés pour l’extraction. Les solvants préférés sont l’alcool isoamylique technique, IM, le n-butanol, ou un mélange des deux. L’appoint de solvant est de 4 kg par tonne de P₂O₅.
Eau de procédé.
Réactifs auxiliaires. Selon le type de roche et la méthode de séparation du résidu insoluble de la liqueur de dissolution, de petites quantités d’adjuvants de filtration ou d’agents floculants peuvent être nécessaires.
Dissolution et séparation mécanique du résidu insoluble
La dissolution de la roche phosphatée correspond essentiellement à la décomposition de la fluoroapatite par HCl selon l’équation suivante :
Ca₁₀F₂(PO₄)₆ + 20 HCl → 2HF + 6H₃PO₄ + 10CaCl₂
D’autres constituants solubles dans l’acide présents dans la roche, tels que CaCO₃, se décomposent simultanément.
La roche est dissoute par l’acide chlorhydrique. Le résidu insoluble représente un faible pourcentage de l’alimentation en roche et se compose principalement de silice, de silicates et de matière organique insoluble.
La matière insoluble peut être séparée de la liqueur de dissolution par filtration, suivie du lavage du gâteau, ou par sédimentation dans un épaississeur, suivie d’un lavage par décantation à contre-courant du sédiment.
Le choix de la méthode appropriée de séparation des solides dépend de la nature du résidu insoluble et de considérations économiques. La liqueur de dissolution est envoyée vers la section suivante.
La figure 2 présente un schéma de procédé typique de production d’acide phosphorique par la voie HCl.
Contact liquide-liquide
Cette étape comprend plusieurs opérations : extraction, purification, lavage et stripping.
Extraction
L’extraction est réalisée par contact à contre-courant de la liqueur de dissolution avec le solvant sélectionné.
L’acide phosphorique est transféré sélectivement de la liqueur aqueuse de dissolution vers la phase solvant organique ; l’extrait obtenu ainsi que la saumure de chlorure de calcium, ou raffinat, contiennent pratiquement toutes les impuretés, telles que le fluor et le fer.
Purification
L’extrait de solvant, qui contient de faibles quantités de Ca²⁺ et quelques autres impuretés, est purifié davantage par contact à contre-courant avec une phase aqueuse.
Lavage
L’acide de l’extrait purifié est transféré dans l’eau. Le solvant quittant cette étape est pratiquement exempt d’acide.
Stripping
Le courant de solvant exempt d’acide extrait les acides résiduels présents dans le raffinat et est recyclé vers l’extraction. La saumure usée de chlorure de calcium est strippée à la vapeur afin de récupérer tout solvant dissous.
Concentration de l’acide
L’acide aqueux dilué provenant du lavage est constitué d’une solution aqueuse de H₃PO₄, de HCl et d’une certaine quantité de solvant dissous.
Cette solution est concentrée jusqu’à 95 % de H₃PO₄, qui constitue le produit final.
La séparation de H₃PO₄ des autres constituants de la solution est essentiellement une opération de distillation ; cela permet la récupération complète de la faible quantité de solvant dissoute dans la phase aqueuse lors du lavage, ainsi que du HCl, tous deux maintenus en circuit fermé dans le procédé.
L’exigence principale de cette opération est l’économie de chaleur, et un évaporateur à effets multiples est utilisé pour y parvenir.
La quantité de vapeur utilisée est inférieure à 0,5 tonne par tonne d’eau évaporée.
L’absence totale de solides dissous dans la solution à concentrer permet de maintenir des coefficients de transfert thermique élevés.
Tous les flux volatils du procédé sont recyclés vers les étapes précédentes du procédé.
Récupération du solvant à partir de la saumure usée de chlorure de calcium
La saumure résiduelle quittant l’étape de stripping contient une faible quantité de solvant dissous, qui doit être récupérée pour des raisons économiques.
Les solvants utilisés forment un azéotrope avec l’eau lors de la rectification ; le système le plus simple à appliquer est donc le stripping à la vapeur.
Les coûts de cette opération sont réduits par la récupération de chaleur à partir de la saumure sortant du système.
Le solvant récupéré est recyclé vers la section de contact liquide-liquide, et la saumure est rejetée.
Matériaux de construction
Dans les parties du procédé où le solvant est présent, des matériaux de construction résistants à l’acide et également résistants au solvant sont nécessaires.
Ces parties comprennent la section de contact liquide-liquide ainsi qu’une partie des sections où l’acide est concentré et où le solvant est récupéré à partir de la saumure.
L’acier revêtu de caoutchouc est le matériau le moins coûteux pour la dissolution et la séparation mécanique du résidu insoluble.
Dans la section de contact liquide-liquide, le polychlorure de vinyle rigide, PVC, convient.
Dans les parties du système fonctionnant à température élevée, le graphite imperméable peut être utilisé pour les échangeurs de chaleur.
D’autres matériaux de construction comprennent les résines thermodurcissables et l’acier revêtu.
Qualité de l’acide phosphorique obtenu par la voie HCl
L’acide phosphorique produit par la voie chlorhydrique est beaucoup plus propre que l’acide obtenu par voie humide, et son analyse est similaire à celle de l’acide thermique. En effectuant de légers ajustements dans le procédé, il est possible d’obtenir un acide de qualité alimentaire. La composition de l’acide phosphorique par voie humide dépend de la roche utilisée comme matière première ; alors que, pour l’acide phosphorique produit par voie HCl, c’est pratiquement l’inverse.
Tableau 1. Comparaison de l’analyse de l’acide phosphorique produit par la voie HCl et de l’acide phosphorique obtenu par voie humide
Composants
Voie HCl, %
Voie humide, %
H₃PO₄
95
69–77
P₂O₅
69
50–56
Métaux lourds exprimés en équivalent Pb
0.002–0.01
0.5–1.5
CaO
0.008–0.04
0.014–0.35
Fe₂O₃
0.003–0.05
0.86–2.3
Al₂O₃
traces
0.3–2.45
Mg
traces
0.0–0.8
H₂SO₄
traces
1.0–5.6
SiO₂
traces
0.04–0.10
F
traces
0.25–1.10
Investissement en capital
L’investissement en capital requis pour une unité peut varier d’un site à l’autre. Toutefois, à des fins de comparaison, il convient de noter que le coût d’investissement du procédé HCl est environ 35 % plus élevé que celui du procédé humide standard à l’acide sulfurique, H₂SO₄, lorsque la production des acides est exclue.
Si le HCl était disponible comme coproduit d’un autre procédé, le coût d’investissement serait inférieur à celui d’une unité par voie humide incluant les installations de production de H₂SO₄. Cependant, lors de l’utilisation de HCl coproduit, la capacité de l’opération serait limitée par la quantité de HCl coproduit disponible.
Exigences du procédé
Les coûts opératoires peuvent être estimés à partir des besoins du procédé, qui sont indiqués dans le tableau 2 pour une unité d’une capacité de 100 t/j.
L’élimination du CaCl₂ peut être difficile et coûteuse.
L’acide phosphorique produit par voie HCl présente certains inconvénients par rapport à l’acide par voie humide. Sa production n’est économique que dans les endroits où le HCl est disponible, ou bien là où il peut être produit à un prix modéré.
Le transport du HCl sous forme d’une solution aqueuse contenant éventuellement 33 % de HCl n’est possible que dans des conduites ou des wagons-citernes revêtus de caoutchouc, de PVC ou de matériaux similaires.
Cependant, l’acide phosphorique par voie HCl présente certains avantages par rapport à l’acide par voie humide. Contrairement à l’acide par voie humide, il ne contient pas de constituants générateurs d’entartrage, et sa composition ainsi que sa qualité sont pratiquement indépendantes du type de roche phosphatée utilisée.
L’acide superphosphorique, contenant 70 à 72 % de P₂O₅, peut être facilement produit à partir d’acide phosphorique voie HCl, sans procédé supplémentaire de purification.
Le HCl peut être utilisé lorsqu’il est disponible comme coproduit. Cela est important pour les pays producteurs de NaOH, lorsqu’il n’existe pas de marché captif pour le chlore produit simultanément.
L’acide chlorhydrique coproduit est parfois disponible à partir d’autres sources et peut même poser des problèmes d’élimination. Dans de tels cas, la production d’acide phosphorique par attaque acide de la roche phosphatée avec de l’acide chlorhydrique peut être avantageuse si la quantité de coproduit est suffisante pour permettre une échelle d’exploitation économique, et si l’élimination ou l’utilisation de la saumure de chlorure de calcium est économiquement faisable.
Une source potentielle intéressante d’acide chlorhydrique est la calcination et l’hydrolyse du chlorure de magnésium, selon l’équation suivante :
MgCl₂ + H₂O = 2HCl + MgO
L’oxyde de magnésium pourrait être utile pour la production de matériaux réfractaires.
Une autre source possible d’acide chlorhydrique provient de la production de phosphate de potassium à partir d’acide phosphorique et de chlorure de potassium.
À l’heure actuelle, les seules unités utilisant le procédé HCl sont des installations relativement petites, et la majeure partie du produit est utilisée pour fabriquer des phosphates industriels plutôt que des engrais.
Comme voie et procédé alternatifs, le phosphate dicalcique, DCP, peut être produit à partir de roche phosphatée et de HCl. Le DCP peut être utilisé pour l’alimentation animale ou être retraité avec de l’acide sulfurique afin de produire de l’acide phosphorique.
Production d’acide phosphorique par procédé au four électrique
La première étape de la production d’acide phosphorique par voie thermique consiste à produire du phosphore élémentaire dans un four électrique.
Des nodules phosphatés ou d’autres matériaux phosphatés en morceaux, des galets de silice et du coke sont mélangés puis introduits dans le four. Le courant électrique fourni au four par des électrodes en carbone ou en graphite fait fondre la roche et la silice, tandis que le carbone contenu dans le coke réduit le phosphate.
Un mélange de vapeur de phosphore et de monoxyde de carbone est soutiré en continu du four. Le phosphore est condensé sous forme liquide, puis converti en acide phosphorique dans une unité séparée, souvent située loin de l’unité de production de phosphore.
Des scories de silicate de calcium fondu et un composé fer-phosphore appelé ferrophosphore sont périodiquement soutirés du four.
L’équation suivante représente la réaction principale dans le four :
L’un des avantages du procédé au four est sa capacité à utiliser des roches phosphatées de faible teneur, à condition que l’impureté principale soit la silice. L’oxyde de fer et l’alumine sont beaucoup moins problématiques dans le procédé au four que dans le procédé par voie humide.
Des roches phosphatées siliceuses contenant environ 24 % de P₂O₅ sont utilisées dans plusieurs unités ; ce type de roche peut être obtenu à très faible coût dans certaines régions. Une roche contenant jusqu’à 7 % de Al₂O₃ est acceptable.
Si une roche en morceaux ou en galets, de granulométrie appropriée, environ 0,6 à 4,0 cm, et résistante à la décrépitation lors du chauffage est disponible, le coût d’agglomération de la charge peut être évité.
Cependant, une telle roche est rarement disponible ; par conséquent, la roche est généralement agglomérée puis calcinée ou frittée avant son introduction dans le four. Le monoxyde de carbone, coproduit du four, est le combustible habituel utilisé pour la calcination. Malgré cela, cette étape reste coûteuse.
La récupération du P₂O₅ sous forme de phosphore élémentaire se situe généralement entre 86 et 92 % de la quantité introduite dans le four. La perte de P₂O₅ dans les scories est d’environ 3 %.
Entre 2 et 8 % du P₂O₅ introduit est récupéré sous forme de ferrophosphore, lequel contient environ 23 % de phosphore, 70 % de fer, ainsi que de petites quantités de manganèse, de silicium et d’autres éléments métalliques, selon la composition de la charge.
La quantité de ferrophosphore formée dépend de la teneur en oxyde de fer de la charge. Le ferrophosphore est vendu à l’industrie sidérurgique, mais le revenu généré ne compense que partiellement la perte de production de phosphore.
Parmi le phosphore récupéré sous forme de phosphore élémentaire, environ 5 % se trouve sous forme de boues, même après une série d’étapes de décantation destinées à séparer les boues du phosphore propre.
Ce phosphore contenu dans les boues peut être récupéré par combustion séparée afin de produire un acide phosphorique impur, par distillation, ou par déshydratation puis retour au four.
Les principaux inconvénients du procédé au four sont le coût d’investissement relativement élevé de l’unité et la rareté des sites où l’électricité à faible coût est disponible.
Pour cette raison, le procédé au four électrique est utilisé presque exclusivement pour produire du phosphore et de l’acide phosphorique destinés aux produits chimiques industriels, aux insecticides, aux détergents et aux additifs alimentaires ou pour l’alimentation animale.
La production d’acide phosphorique à partir de phosphore élémentaire est relativement simple. Elle est réalisée par combustion du phosphore élémentaire liquide dans l’air, puis hydratation du P₂O₅ obtenu en H₃PO₄.
Un schéma d’une unité typique est présenté dans la figure 4. L’ensemble des équipements de procédé est fabriqué en acier inoxydable, généralement de type 316.
Figure 4. Fabrication d’acide phosphorique à partir de phosphore élémentaire
La réaction globale est la suivante :
P₄ + 5O₂ + 6H₂O → 4H₃PO₄
Les besoins typiques du procédé par tonne de P₂O₅ produite sous forme d’acide phosphorique, en supposant un rendement global de 86 % pour une unité d’environ 100 000 tonnes de P₂O₅ par an, sont indiqués dans le tableau 3.
La consommation de combustible est négligeable, environ 1,2 million de kcal, selon l’efficacité d’utilisation du monoxyde de carbone coproduit.
Si une roche phosphatée satisfaisante est disponible pour une utilisation sans agglomération ni calcination, le coût de l’unité serait inférieur de 25 à 30 %, les coûts de maintenance et de main-d’œuvre seraient également inférieurs de 25 à 30 %, et les besoins en combustible seraient pratiquement éliminés.
Le monoxyde de carbone coproduit par le four serait plus que suffisant pour le séchage du coke, de la silice et de la roche.
Certaines roches ont été utilisées avec succès dans des fours électriques sans agglomération, calcination ni frittage : il s’agit notamment du galet phosphaté de Floride, plus de 6 mm, de la roche dure de Ronda et de la roche dure du Montana, concassée et criblée.
L’utilisation de roche non calcinée peut augmenter la consommation d’énergie électrique dans le four jusqu’à 10 %, selon la teneur en CO₂ et en eau combinée.
La Tennessee Valley Authority, TVA, a commencé le développement du procédé au four électrique pour produire des engrais phosphatés en 1933 et a produit du phosphore et de l’acide phosphorique de 1934 à 1977.
À une époque, cinq fours étaient en fonctionnement. En 1977, l’exploitation de tous les fours a été arrêtée par la TVA, car le procédé ne pouvait plus concurrencer le procédé par voie humide pour la production d’engrais.
Production d’acide phosphorique par procédé au haut-fourneau
Un schéma de procédé d’une unité pilote de la TVA pour la production d’acide phosphorique par procédé au haut-fourneau est présenté dans la figure 5.
Figure 5. Unité pilote expérimentale de la TVA pour la production d’acide phosphorique par procédé au haut-fourneau
L’échelle de l’unité pilote était d’environ 1 tonne de P₂O₅ par jour [43].
En général, le procédé au haut-fourneau diffère du procédé au four électrique sur les points suivants :
Le coke est utilisé à la fois comme combustible et comme agent de réduction du phosphore. Le besoin estimé en coke pour une grande unité est de 2,5 tonnes par tonne de P₂O₅ récupéré sous forme d’acide phosphorique, en tenant compte des pertes en ferrophosphore.
Environ 0,6 tonne de coke est consommée pour la réduction du P₂O₅ en phosphore, et le reste produit de la chaleur par combustion avec de l’air préchauffé pour former du monoxyde de carbone.
Comme dans le cas du four électrique, la charge — roche phosphatée, coke et silice — doit se présenter sous forme de morceaux ou d’agglomérés. Toutefois, il n’est pas nécessaire de calciner ni de sécher la charge, car les gaz ascendants dans la cuve du haut-fourneau fournissent suffisamment de chaleur à cet effet.
Le gaz provenant du four contient environ 37 % de CO et 1,0 à 1,5 % de P₄ en volume. Le reste est principalement constitué d’azote.
Bien que la récupération du phosphore élémentaire par refroidissement et condensation soit possible, il serait difficile d’en récupérer un pourcentage élevé en raison de sa faible concentration dans le gaz.
Dans l’unité pilote de la TVA, l’acide phosphorique était récupéré après oxydation préférentielle du phosphore contenu dans le gaz par l’air.
Le gaz restant après récupération de l’acide phosphorique contient environ 34 % de CO, 1 à 2 % de O₂, et le reste est constitué de N₂, sur base sèche.
Environ 40 % de ce gaz peut être utilisé avantageusement pour préchauffer l’air destiné au haut-fourneau. Le reste serait disponible pour d’autres usages.
L’utilisation du haut-fourneau pour produire de l’acide phosphorique destiné aux engrais semble actuellement peu prometteuse en raison du coût élevé du coke. Toutefois, avec certaines améliorations, elle pourrait être envisagée dans certaines circonstances [44].
Comme le procédé au four électrique, il peut utiliser une roche siliceuse de faible teneur présentant une teneur modérément élevée en alumine et en oxyde de fer.
Références
Sanders, M.D. 1968. ‘Recovery of Fluorides as By-products’. IN Phosphoric acid, A.V. Slack (Ed.) pp765-778, Marcel Dekker Inc., New York, NY, USA.
‘Production of Synthetic Fluorspar from Waste Fluosilic Acid’. 1976. Paper No 22. ISMA Technical Conference, The Hague, Netherlands.
Lounamaa, N. and L. Niinimaka. 1971. ‘Typpi Oy’s Solvent Extraction Process for Producing Compound Fertilizers’, Paper No. ID/WG99/20, Presented at the Second Interregional Fertilizer Symposium (UNIDO), Kiev, USSR.
‘Phosphoric Acid Production from Hydrochloric Acid.’ 1987. Negev Phosphates Ltd. Marketing Division, Israel.
Hignett, T. P. 1948. ‘Development of Blast Furnace Process for Production of Phosphoric Acid,’ Chemical Engineering Progress, 44(10): 753-764; 44(11):821-832; and 44(12):895-904.
Hignett, T. P. 1968. ‘Use of the Blast Furnace for Production of Phosphoric Acid,’ Phosphorus and Potassium, 36:20-21,24.
187, (1979), Uranium Recovery from Phosphoric Acid (A Process Engineering Review), A P Kouloheris
201, (1981), From Wet Crude Phosphoric Acid to High Purity Products, A Davister, G Martin
587, (2006), Phosphogypsum Management and Opportunities for Use, J Hilton
668, (2010), The Phosphate Life-Cycle: Rethinking the Options for a Finite Resource, J Hilton, A E Johnston, C J Dawson
744, (2014), History, Development, Status and Opportunities for Kiln Phosphoric Acid, T P Fowler
748, (2014), Management of Fluorine in Phosphoric Acid Production, B Van Massenhove, M G J A Collin, T Theys
752, (2014), Life Cycle Management of Phosphogypsum Stacks, G R Albarelli, B K Birky
766, (2015), Uranium Extraction from Phosphoric Acid: The Experience of Prayon, M G J A Collin
804, (2017), Phosphogypsum stacking: A new approach and case study, V Dardenne, J Peret and S Plainchamp
821, (2018), Approaches to improving the quality of phosphoric acid, T Henry
Becker, P. (1989) Phosphates and Phosphoric Acid: Raw Materials: Technology, and Economics of the Wet Process. Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.
Havelange, S. et al. (2022) Phosphoric Acid and Phosphates in Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry.
Slack, A.V. (1968). Phosphoric Acid (Part I and II). Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.
Lorsque l’acide phosphorique est concentré au-delà de 54 % de P₂O₅, il forme de l’acide superphosphorique ou SPA (Superphosphoric Acid). Cette appellation désigne un acide phosphorique dans lequel une proportion appréciable, généralement 30 % ou plus, du P₂O₅ se trouve sous forme d’acides condensés ou d’acides polyphosphoriques [formule générale : Hₙ₊₂(PₙO₃ₙ₊₁)].
Différentes concentrations d’acide superphosphorique peuvent être produites à partir d’acide phosphorique de voie humide ; elles se situent généralement dans la plage de 69 % à 76 % de P₂O₅. Fondamentalement, la production de SPA consiste d’abord à éliminer l’eau libre contenue dans l’acide plus dilué, puis à éliminer l’eau chimiquement liée. Cette dernière étape peut être représentée par les équations suivantes :
2H₃PO₄ + chaleur → H₄P₂O₇ + H₂O (g)
H₃PO₄ + H₄P₂O₇ + chaleur → H₅P₃O₁₀ + H₂O (g)
où H₃PO₄ est l’acide orthophosphorique, H₄P₂O₇ est l’acide pyrophosphorique, et H₅P₃O₁₀ est l’acide tripolyphosphorique. À une concentration de SPA d’environ 70 % de P₂O₅, la conversion de H₃PO₄ vers d’autres formes est de l’ordre de 25 % à 45 %.
Pour concentrer l’acide de 54 % à 70 % de P₂O₅, il faut environ 1 tonne de vapeur haute pression — environ 2,7 MPa et 230 °C — par tonne de P₂O₅. Les besoins en électricité sont d’environ 24 kWh par tonne de P₂O₅. Lorsqu’un fluide caloporteur de type Dowtherm est utilisé, la consommation de combustible est d’environ 2,7 GJ par tonne de P₂O₅.
Plusieurs types d’évaporateurs peuvent être utilisés pour la production de SPA, mais le plus courant est un système à circulation forcée (Figure 1). Dans la production d’acide superphosphorique à 69 %–72 % de P₂O₅ par concentration d’acide phosphorique de voie humide, la majeure partie du fluor est volatilisée, de sorte que l’acide ne contient plus que 0,2 % à 0,3 % de F.
En ajoutant de la silice réactive pendant l’évaporation afin de renforcer la volatilisation du fluor, la teneur en fluor peut être réduite davantage, jusqu’à environ 0,1 %. Un tel acide convient à la fabrication de produits destinés à l’alimentation animale, comme le phosphate dicalcique ou le phosphate d’ammonium, et il est utilisé à cette fin.
Les autres avantages de l’acide superphosphorique sont les suivants :
réduction des coûts de fret par unité de P₂O₅ par rapport à un acide à 54 % ;
élimination des boues. Les acides polyphosphoriques complexent la plupart des impuretés courantes ; toutefois, dans certains acides, des pyrophosphates de titane ou de magnésium peuvent précipiter ;
l’acide superphosphorique est nettement moins corrosif qu’un acide de concentration plus faible ;
l’acide superphosphorique convient à la production d’engrais liquides clairs, notamment des solutions de polyphosphate d’ammonium, car les polyphosphates complexent les impuretés qui, autrement, précipiteraient lors de l’ammoniation ;
l’acide superphosphorique convient à la production d’engrais liquides clairs contenant des oligoéléments, grâce à sa capacité à complexer les ions métalliques.
Les principaux inconvénients de l’acide superphosphorique sont les suivants :
les besoins énergétiques ;
la corrosion dans certains types d’évaporateurs ;
la viscosité élevée. La viscosité dépend de la température, de la concentration et de la teneur en impuretés ; certains acides superphosphoriques doivent être chauffés à 60 °C ou plus afin de permettre leur pompage au moyen de pompes centrifuges.
Un exemple de variation de la viscosité en fonction des impuretés et de la température est présenté dans la Figure 2.
Les compositions d’acides superphosphoriques produits à partir de plusieurs types de roches phosphatées sont présentées dans le Tableau 1.
Expédition de l’acide phosphorique
Les avantages de l’acide phosphorique en tant que source de P₂O₅ sont sa polyvalence, la rapidité du chargement et du déchargement des navires, ainsi que sa forte concentration. L’acide phosphorique peut être utilisé pour produire n’importe quel phosphate souhaité ou tout engrais composé répondant aux besoins locaux ; le triple superphosphate ou TSP, ainsi que les phosphates d’ammonium, sont moins polyvalents.
La majeure partie de l’acide expédié à l’étranger présente une concentration d’au moins 52 % à 54 % de P₂O₅, bien qu’un certain acide dit « superphosphorique », à 69 %–72 % de P₂O₅, ait également été expédié.
Comparée à l’importation de matières premières, l’expédition de 1,0 tonne de P₂O₅ sous forme d’acide phosphorique ne nécessite que 1,85 tonne d’acide à 54 % de P₂O₅ ou 1,43 tonne d’acide à 70 % de P₂O₅, contre environ 4,3 tonnes de matières premières — soit 3,3 tonnes de roche phosphatée plus environ 1 tonne de soufre.
La rapidité du chargement et du déchargement réduit les coûts grâce aux économies de main-d’œuvre, à la diminution du temps passé au port et à la réduction de l’encombrement portuaire. La manutention de l’acide phosphorique — comme celle de tout liquide — est exempte de poussières, ce qui évite la contamination atmosphérique par les poussières et minimise les pertes.
Certains inconvénients résident dans la nécessité de disposer de navires spécialement équipés, ainsi que de terminaux spécifiques comportant des pompes et des réservoirs de stockage aux points d’expédition et de réception. Le besoin d’un traitement ultérieur par l’importateur limite le marché aux pays dont la demande est suffisante pour justifier de telles installations.
L’acide phosphorique destiné à l’expédition doit être relativement exempt de solides susceptibles de former des boues, de préférence à une teneur inférieure à 1 %. Pour satisfaire à cette exigence, l’acide doit généralement être refroidi et clarifié. La quantité de boues dépend de la composition de la roche phosphatée et du procédé de production de l’acide phosphorique ; dans certains cas, la clarification n’est pas nécessaire.
Deux moyens de protection contre la corrosion des parois des réservoirs sont actuellement couramment utilisés :
le revêtement intérieur des réservoirs en acier doux par des feuilles de caoutchouc à base de chloroprène autovulcanisant ;
le revêtement intérieur des réservoirs en acier doux par un plaquage d’acier inoxydable allié au molybdène, principalement de type 317L, ou bien la construction complète du réservoir dans ce matériau.
Selon le code international de l’Organisation maritime internationale (OMI) relatif aux produits chimiques en vrac, l’acide phosphorique de qualité marchande exige un degré modéré de confinement en raison de sa nature corrosive et de sa densité élevée, généralement autour de 1,7. De plus, un navire doit comporter un double fond et des ballasts latéraux si la section de réservoir doit être utilisée pour transporter de l’acide.
Étant donné que les impuretés présentes dans l’acide tendent à former une boue épaisse et visqueuse, difficile à éliminer, les citernes utilisées pour le transport — et le stockage — doivent également être équipées d’agitateurs afin de maintenir l’acide en mouvement.
L’acide superphosphorique est généralement chauffé pendant le transport afin d’éviter une longue période de réchauffage avant le déchargement ; les navires-citernes destinés au transport de SPA doivent donc être équipés de dispositifs de chauffage.
Pour la construction des réservoirs de stockage, l’acier revêtu de caoutchouc est couramment utilisé, bien que des revêtements en acier inoxydable puissent aussi être employés. Dans certains cas, des bassins ou lagunes sont utilisés pour le stockage. Ces bassins sont revêtus de feuilles épaisses de caoutchouc ou de plastique, reposant sur une couche de gravier munie d’un drainage vers un puisard, de manière à ce que toute fuite puisse être détectée et renvoyée vers un autre bassin.
Une installation de ce type, située près de Tampa, comprenait quatre bassins d’une capacité totale de 11 000 tonnes. Les bassins étaient dotés de couvertures plastiques gonflables afin de les protéger de la pluie ou d’autres contaminations. La plupart des réservoirs de stockage disposent d’équipements permettant d’agiter occasionnellement l’acide afin d’éviter la décantation.
Références
7, (1949), Slurry Dispersion Methods for the Granulation of Superphosphate Fertilisers, J T Procter
23, (1953), Ammoniation of Superphosphate, J Angus
42, (1957), Use of Different Types of Phosphate Rock in Single and Triple Superphosphate Production, T P Dee, R J Nunn, K Sharples
91, (1966), NPK Fertiliser Production Using Superphosphoric Acid, G Bischofberger, R R Heck
Becker, P. (1989) Phosphates and Phosphoric Acid: Raw Materials: Technology, and Economics of the Wet Process. Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.
Havelange, S. et al. (2022). Phosphoric Acid and Phosphates in Ullmann’s Encyclopaedia of Industrial Chemistry.
Slack, A.V. (1968). Phosphoric Acid (Part I and II). Marcel Dekker, Inc., New York, NY, U.S.A.
Moulay El Hassane EL MOUKRIE. Ingénieur procédés industriels et génie chimique à la recherche d'opportunités. 