Étiquette : industrie des engrais

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Un calculateur d’empreinte carbone

Sommaire

  1. Introduction
  2. Calcul d’une empreinte carbone
  3. Méthodologie détaillée
  4. 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][t\ CO₂éq/t\ de\ produit][t CO2​eˊq/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 :

  1. Définition des engrais devant faire l’objet du calcul.
  2. Définition des sources d’énergie, en utilisant soit les données moyennes intégrées, soit les données spécifiques fournies par l’utilisateur.
  3. Partie « composants », destinée à spécifier les matières importées et les produits intermédiaires fabriqués sur le site.
  4. 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 :

  1. les combustibles fossiles ;
  2. l’électricité ;
  3. 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

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805, (2019), The Carbon Footprint of Fertiliser Production: Regional Reference Values, A Hoxha, B Christensen

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Efficacité énergétique de la production d’engrais

Sommaire

  1. L’importance de l’efficacité énergétique de la production d’engrais
  2. Amélioration de l’efficacité énergétique de la production d’engrais azotés
  3. Unités de production d’ammoniac
  4. Économies d’énergie grâce à l’intégration des unités d’ammoniac aux unités de production d’engrais
  5. Autres facteurs influant sur l’efficacité des installations
  6. 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

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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/

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Considérations de sécurité et dangers liés au nitrate d’ammonium

Sommaire

  1. Introduction
  2. Risque d’incendie
  3. Risque de décomposition
  4. Décomposition auto-entretenue
  5. Risque d’explosion et de détonation
  6. Risque de détonation
  7. Risques postérieurs à la production

Introduction

Le nitrate d’ammonium est un puissant comburant.

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.

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Gestion de la sécurité des procédés

Sommaire

  1. Principes de la gestion de la sécurité des procédés
  2. Une démarche d’amélioration de la gestion de la sécurité des procédés
  3. Caractéristiques des organisations à « haute résilience »
  4. Leadership en matière de sécurité des procédés
  5. Développement d’une culture de sécurité des procédés
  6. Système de gestion de la sécurité des procédés
  7. 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 :

  1. l’analyse comparative interne entre différents sites ;
  2. l’apprentissage résultant de la compréhension du questionnaire d’évaluation comparative ;
  3. 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

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Vue d’ensemble de la sécurité dans l’industrie des engrais et des risques associés

Sommaire

  1. Sécurité des procédés et sécurité au travail
  2. 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

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Confinement des Substances Chimiques Dangereuses

Sommaire

  1. Vue d’ensemble
  2. Causes des défaillances du confinement des substances chimiques dangereuses
  3. Facteurs permettant d’améliorer la capacité de confinement des substances chimiques dangereuses
  4. Méthodologie de mise en œuvre des améliorations
  5. 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 :

  1. Appliquer une double isolation.
  2. Vidanger et mettre hors énergie avant toute ouverture de ligne.
  3. Surveiller les drains ouverts.
  4. Maîtriser les inhibitions et neutralisations des systèmes instrumentés de sécurité.
  5. Parcourir physiquement les circuits (« Walk the Line »).
  6. Vérifier l’étanchéité après intervention de maintenance.
  7. Éviter de travailler derrière une seule vanne d’isolement.
  8. Vérifier l’état des flexibles.
  9. Exploiter les installations à l’intérieur des limites de fonctionnement sûres.
  10. Maîtriser les utilités connectées au procédé.
  11. Signaler toute défaillance d’un équipement critique pour la sécurité.
  12. Déconnexion des équipements.
  13. Se tenir hors de la ligne de tir.
  14. Maîtriser les opérations de chargement et de déchargement.
  15. Vérifier l’atmosphère du foyer avant l’allumage des brûleurs.
  16. Éviter le chargement par éclaboussement.
  17. Prévenir les réactions incontrôlées (runaway reactions).
  18. 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

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Rendre à nouveau attractive la récupération de l’uranium à partir des phosphates ?

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 informations complètes de contact sont disponibles à l’adresse suivante :
https://pubs.acs.org/10.1021/acs.est.9b07859

Notes

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.

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