Comment fonctionnent les oxydants thermiques régénératifs (RTO) ?
La destruction thermique est la technologie la plus couramment utilisée pour le traitement des émissions industrielles de composés organiques volatils (COV). L'équipement clé — le Oxydateur thermique régénératif (RTO) — aborde de manière exhaustive les défis liés aux rejets de COV auxquels sont confrontées les entreprises, permettant ainsi le respect des normes d’émissions et une exploitation rentable.
DANSQu'est-ce qu'un oxydant thermique régénératif ?
Un oxydateur thermique régénératif (OTR) est un système de contrôle de la pollution atmosphérique très efficace, conçu pour détruire les composés organiques volatils (COV) et les polluants atmosphériques dangereux (PAD) présents dans les flux d'échappement industriels par oxydation thermique à haute température. Le principe de base d'un oxydateur thermique régénératif est de brûler ces polluants à des températures élevées, généralement entre 760 °C et 980 °C (1400 °F et 1800 °F), les convertissant en dioxyde de carbone (CO₂) et en vapeur d'eau (H₂O), deux gaz inoffensifs. Ce qui distingue véritablement un OTR d'un simple oxydateur thermique régénératif, c'est son procédé de fabrication.Oxydateur thermique Rs est son système innovant de récupération de chaleur régénérative, qui lui permet d'atteindre une efficacité thermique exceptionnelle, dépassant souvent les 95 %.
Grâce à leur efficacité d'élimination des destructeurs (DRE) élevée pouvant atteindre 99 %, leur fiabilité et leur faible coût d'exploitation, les oxydants thermiques régénératifs sont largement utilisés dans diverses industries, notamment la fabrication de produits chimiques, l'application de peintures et de revêtements, l'impression et les produits pharmaceutiques, où un contrôle des émissions robuste et économique est primordial.
Comment fonctionnent les oxydants thermiques régénératifs ?
1. RTO à deux chambres
Figure 2.1 Schéma du procédé RTO à deux chambres
L'oxydateur à deux chambres (RTO) est une évolution de l'oxydateur thermique (TO). Le RTO initial consistait à connecter deux unités TO en parallèle et à ajouter des lits régénérateurs en céramique à la sortie pour obtenir la « fonction régénératrice ». Il utilisait des vannes de commutation à levier pour alterner de manière répétée les flux de gaz d'entrée et de sortie, d'où son nom d'« oxydateur à deux chambres ».
La structure principale d'un RTO à deux lits comprend une chambre de combustion, deux chambres de régénération en céramique et quatre vannes de commutation. Le procédé de traitement des gaz résiduaires organiques est le suivant : lorsque les gaz d'échappement chargés de COV sont acheminés par un ventilateur d'insufflation vers le Régénérateur 1, cette chambre dégage de la chaleur, préchauffant les COV à environ 750 °C avant leur entrée dans la chambre de combustion pour oxydation et décomposition. Les fumées propres ainsi obtenues, à haute température, traversent le Régénérateur 2 ; cette chambre absorbe la chaleur, refroidissant les gaz brûlés avant leur évacuation par la vanne de commutation. Après un temps de commutation prédéfini, les vannes commutent. Les COV pénètrent alors par le Régénérateur 2 (qui dégage désormais de la chaleur), entrent dans la chambre de combustion pour oxydation, puis traversent le Régénérateur 1 (qui absorbe désormais la chaleur), refroidissant les gaz brûlés et propres avant leur évacuation par la vanne de commutation. Cette commutation périodique permet un traitement continu des gaz d'échappement contenant des COV.
- Oxydateur thermique régénératif à trois chambres
Figure 2.2 Schéma simplifié du procédé RTO à trois chambres
Pour remédier au problème des oxydateurs thermiques régénératifs à deux chambres, où, lors du passage de la libération à l'accumulation de chaleur, les gaz non traités restant dans la chambre de régénération sont directement évacués, une troisième chambre a été ajoutée. Cette troisième chambre introduit une fonction de purge, donnant naissance à l'oxydateur thermique régénératif à trois chambres. Représentant la deuxième génération de technologies, cette technologie permet d'améliorer l'efficacité de purification de 95 % à 99 %.
La structure principale d'un RTO à trois lits comprend une chambre de combustion, trois chambres de régénération en céramique et neuf vannes de commutation. Le procédé de traitement des gaz de déchets organiques est le suivant : les gaz d'échappement sont préchauffés dans le régénérateur 1, puis pénètrent dans la chambre de combustion pour oxydation et décomposition. Simultanément, tout gaz résiduel non traité présent dans le régénérateur 3 est purgé et renvoyé dans la chambre de combustion pour incinération à l'aide de gaz purifié (fonction de purge). Les fumées décomposées, propres et à haute température sortent par le régénérateur 2, qui se réchauffe simultanément. Lorsque le front de chaleur atteint le régénérateur 2, les vannes s'ouvrent. Les gaz d'échappement, préchauffés, pénètrent alors dans le régénérateur 2, puis dans la chambre de combustion pour oxydation. Les gaz résiduels présents dans le régénérateur 1 sont purgés et renvoyés dans la chambre de combustion. Les fumées décomposées sortent par le régénérateur 3, qui se réchauffe. Lorsque le front de chaleur atteint le régénérateur 3, les vannes s'ouvrent à nouveau. Les gaz d'échappement entrent par le régénérateur 3 (préchauffé), pénètrent dans la chambre de combustion pour oxydation, les gaz résiduels dans le régénérateur 2 sont purgés et renvoyés pour traitement, et les gaz décomposés sortent par le régénérateur 1, chauffant ainsi ce dernier. Ce fonctionnement cyclique permet un traitement continu des COV dans les gaz d'échappement.
Lorsqu'un RTO doit traiter des volumes d'air supérieurs à 50 000 mètres cubes par heure, le volume de chaque chambre d'un RTO à trois chambres devient très important, ce qui engendre des inconvénients tels qu'une distribution de flux inégale, un volume d'air de purge élevé, une forte consommation d'énergie, un volume excessif de régénérateur à vide et des coûts de fabrication élevés. Pour pallier ces problèmes, les RTO de deuxième génération sont parfois construits avec des structures multichambres (5, 7 ou 9 chambres), garantissant ainsi que chaque chambre traite un débit inférieur à 50 000 m³/h. Cependant, l'augmentation du nombre de chambres de régénération entraîne également une augmentation du nombre de vannes de levage, ce qui accroît considérablement le risque de panne.
- Oxydateur thermique régénératif rotatif
Pour résoudre les problèmes liés à la multiplication des vannes de commutation, au manque de fiabilité et au coût élevé des RTO à chambres, les ingénieurs ont inventé la vanne rotative de dérivation de gaz. Une seule vanne rotative peut assurer les fonctions d'admission, de sortie et de purge de plusieurs, voire de dizaines, de vannes de levage, tout en offrant une structure plus simple, une stabilité et une fiabilité accrues. Les RTO multichambres équipés d'une vanne rotative sont appelés « RTO rotatifs » et représentent la troisième génération de la technologie d'oxydation thermique régénérative.
Figure 2.3 Vue schématique en élévation de la vanne rotative RTO
Figure 2.4 Schéma des états de la chambre de régénération dans un RTO à vanne rotative
En fonctionnement normal, les cycles d'entrée et de sortie des chambres de régénération sont les suivants :
Tableau 2.1 Tableau du cycle entrée-sortie pour les chambres de régénération RTO rotatives
Étape 1 : Lorsque les secteurs fixes 2 à 6 sont en mode d'admission, le ventilateur d'alimentation achemine les gaz d'échappement vers la vanne rotative pour distribution. Les gaz remontent ensuite à travers le lit de garnissage chaud, où ils sont préchauffés à environ 750 °C avant d'entrer dans la chambre de combustion supérieure pour oxydation et décomposition. Les gaz de combustion décomposés, propres et à haute température, descendent à travers les secteurs fixes 8 à 12, stockant la chaleur dans le matériau régénérateur, puis sont évacués par la cheminée via la vanne rotative. Simultanément, le secteur fixe 1 est en mode de purge. Un ventilateur de purge aspire les gaz résiduels purifiés ou de l'air frais pour les faire circuler vers le haut à travers les interstices du matériau régénérateur, éliminant ainsi tout gaz d'échappement résiduel et garantissant leur entrée complète dans la chambre de combustion pour décomposition. Après la purge, cette chambre passe en mode de sortie. Le secteur fixe 7 sert à isoler les flux d'admission et de sortie.
Étape 2 :Lorsque la vanne rotative tourne uniformément, le ventilateur d'alimentation achemine les gaz d'échappement vers les secteurs de lit fixe 3 à 7. Ces gaz remontent à travers le lit chaud, sont préchauffés à environ 750 °C, puis pénètrent dans la chambre de combustion pour s'oxyder. Les gaz de combustion issus de la décomposition descendent ensuite à travers les secteurs 9 à 1, emmagasinant de la chaleur avant d'être évacués par la vanne rotative. Le secteur de lit fixe 2 passe de l'état d'admission à l'état de purge : le ventilateur de purge renvoie les gaz d'échappement résiduels de la chambre vers la chambre de combustion. Le secteur de lit fixe 8 passe de l'état de sortie à l'état d'isolation.
Sous l'effet de la rotation uniforme de la vanne rotative de distribution de gaz, les 12 secteurs à lit fixe passent successivement par les étapes 3, 4, 5… permettant à chaque chambre d'effectuer cycliquement et en continu la séquence : Entrée → Purge → Sortie → Isolation. La vanne rotative effectue une rotation de 120 secondes, ce qui signifie que chaque lit régénérateur subit un cycle de « stockage et de restitution de chaleur » environ toutes les 50 secondes.
Conclusion
- Lors du choix d'un équipement de traitement en bout de chaîne, il convient de prendre en compte, entre autres facteurs, les caractéristiques intrinsèques du gaz résiduaire lui-même, les indicateurs de performance des technologies, les coûts d'investissement et d'exploitation liés à la construction, ainsi que les normes d'émission applicables.
- La technologie de nouvelle génération d'oxydateurs thermiques régénératifs rotatifs offre des avantages techniques significatifs par rapport aux RTO à trois lits en termes de fiabilité, d'efficacité énergétique, de sécurité, de facilité d'utilisation et d'entretien, et de coût d'investissement, adaptée aux COV rejetés par différentes industries.
- Le choix des technologies de traitement des gaz résiduaires obéit à certains principes et normes communs. L'oxydation thermique régénérative n'est pas une solution unique adaptée à tous les cas de figure.