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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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Jenssen, T.K. and Kongshaug, G. (2003). Energy consumption and greenhouse gas emissions in fertiliser production. Proceedings International Fertiliser Society, 509.

Williams, G.P. and Al-Ansari, F. (2007). IFA Benchmarking of Global energy Efficiency in Ammonia Production, IFA Technical Committee Meeting, Ho Chi Minh City, Vietnam. IFA, Paris. http://www.fertilizer.org/

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860, (2021), Identifying and Resolving Root Causes of Poor Performance in Nitric Acid Plants, J. Ashcroft

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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.