Sommaire
- 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.
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Moulay El Hassane EL MOUKRIE. Ingénieur procédés industriels et génie chimique à la recherche d'opportunités. 