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Etude technico-économique Réduction des polluants atmosphériques en particulier les COV

Cette étude technico-économique fait suite à une demande de la DREAL dans son courrier

du 16 octobre 2012.

1 Introduction et champ de l’étude

Dans le cadre de cette étude les Meilleurs Techniques Disponible (M.T.D) ont été étudiées

à partir des BREFs ci-dessous:

« Produits organiques fabriqués en grand volume » (Février 2003)

« Systèmes communs de traitement des eaux et gaz résiduaires dans l’industrie

chimique » (Février 2003)

Le champ de l’étude demandé dans le courrier de la DREAL englobe les émissaires n°2 et

n°3 qui représentaient, au moment de la demande, 60% des rejets de COV du site. Seuls

ces deux émissaires seront étudiés par la suite. De plus, l’étude ne porte que sur les

Composés Organiques Volatils, les autres types de polluants atmosphériques ne seront

pas intégrer par la suite.

Des modifications ont été apportées sur ces deux émissaires depuis la demande de 2012.

Le point de rejet n°2, a depuis été rassemblé avec le point de rejet n°1 sous la

dénomination d’émissaire n°1. Les effluents de ce point subissent déjà un

prétraitement (dépoussiéreur et filtration).

Le point 3 vient d’être modifié (mai 2016). En effet, un caisson de filtration a été

rajouté sur ce point. Son impact sur les quantités de COV rejetées n’est donc pas

encore connu.

La 1ère campagne de mesure des rejets atmosphériques a été réalisée le 2 juin pour

ce point. Le rapport de cette analyse ne sera donc pas pris en compte pour la suite

de cette étude.

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2 Paramètre à étudier pour le choix des MTD :

Analyse des effluents réalisée sur les années 2012 à 2015 (soit 8 campagnes de

mesures)

Le taux de variation a été calculé entre la valeur minimum et maximum de la plage de

donnée

Point 1 Point 3 Nombre d’heure de fonctionnement annuel

7224 h 7224 h

Débit de gaz humide (m3/h) valeur moyenne : 20 028 plage : [17 472 – 23 645] taux de variation : 35%

valeur moyenne : 48 849 plage : [40 183 – 56 446] taux de variation : 40%

Débit de gaz sec aux conditions normales (mo3/h)

valeur moyenne : 17 612 plage : [15 000 – 20 749] taux de variation : 38%

valeur moyenne : 42 980 plage : [35 400 – 49 367] taux de variation : 39%

Types de polluant et concentrations au point d’entrée (mg/ mo3)

COV totaux : valeur moyenne : 93,46 plage : [67,3 – 121,8] taux de variation : 81%

COV totaux : valeur moyenne : 132,15 plage : [92,80 – 173,8] taux de variation : 87%

Quantité annuelle COV totaux rejetée

1 646 g/h 11,89 T / an 5 680 g/h 41,03 T / an

Types de polluant et concentrations au point d’entrée (mg/ mo3)

COV non méthaniques : valeur moyenne : 92,83 plage : [66,8 - 121] taux de variation : 79%

COV non méthaniques : valeur moyenne : 131,28 plage : [91 – 173,20] taux de variation : 90%

Quantité annuelle COV non méthaniques rejetée

1 635 g/h 11,81 T / an 5 642 g/h 40,76 T / an

Présence d’impuretés (e.g. vapeur d’eau, poussière, substances corrosives)

Concentration en poussière très faible Vapeur d’eau ~ 0.9 % du volume

Concentration en poussière faible Vapeur d’eau ~ 1 % du volume

Concentration permise à l’échappement

110 mg/m3 (2 février 1998) Pour les COV non méthaniques

Sécurité Risque majeur : l’incendie généralisé des unités de production Zone ATEX à proximité

Contraintes Aménagement de l’usine – disponibilité des utilités

Pas de perte de charge admissible (les ventilations permettent d’assurer la sécurité des travailleurs dans l’unité de production) L’encombrement doit être limité, ces émissaires se trouvent à un emplacement compliqué :

- manque de place - zone de circulation à proximité

Un investissement de 105 k€ vient d’être réalisé sur l’émissaire n°3, aucun budget n’a été provisionné pour un investissement futur sur ces installations

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3 Détermination des techniques disponibles

3.1 COV – techniques génériques issues des BREFs

Le tableau suivant récapitule les Meilleurs Techniques Disponibles qui sont préconisées dans les 2 BREFs préalablement cités

Techniques Taux de

performance

Limites d’application Applicable (OUI/NON)

Commentaires Débit

Concentration en COV

Autres

Séparation membranaire sélective

90 à 99,9% COV < 20 mg/m³

1 à 10 g COV / m3

Le rendement peut être altéré en présence, par exemple, de produits corrosifs, de gaz poussiéreux ou de gaz proches de leur point de rosée

NON

Concentration en COV trop faible sur nos émissaires (inférieure à 0,2 g COV/Nm3)

Condensation Condensation :

50 à 98 % + dépollution complémentaire

100 à 100 000 Nm3/h

50 à 100 g COV/m3 exempt d'eau pour les condensations à températures < à 0°C

NON

Concentration en COV trop faible sur nos émissaires (inférieure à 0,2 g COV/Nm3)

Cryo-condensation :

95 à 99,95% 10 à 1 000 Nm3/h

200 à 1 000 g COV/m3

20 mbar à 6 bars NON Débit trop élevé

Adsorption

Charbon actif (CAG) :

80-95 % de COV 100 à 100 000 Nm3/h

max 25% de la LIE 20 atm OUI

Etude sur la solution de mise en place de CAG Zéolites : 80-95 % de COV

< à 100 000 Nm3/h

max 25% de la LIE

Laveur par voie humide (ou absorption)

95 à 99,9% 100 à 50 000 Nm3/h

0,3 à 5g COV/m3 NON Concentration en COV trop faible sur nos émissaires

Incinération thermique 95 à 99,9% COV < 1 à 20 mg/m³

1000 à 100 000 Nm3/h

0,2 à >10 g COV/m3 NON Limite basse de fonctionnement

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Techniques Taux de

performance

Limites d’application Applicable (OUI/NON)

Commentaires Débit

Concentration en COV

Autres

Oxydation thermique

Direct : 98 à 99,9% COV 900 à 86 000 Nm3/h

< 25 % de la LIE

Température : - 750 à 1000 °C - 980 à 1200 avec les composés dangereux

OUI Régénératif : 95 à 99% COV

Récupératif : 98 à 100% COV

Oxydation catalytique

Direct : 95 à 99% COV 1 200 à 86 000 Nm3/h

< 25 % de la LIE

Température : - 300 à 500 °C avant le catalyseur - 500 à 700 °C après le catalyseur

OUI Régénératif : 90 à 99% COV

Récupératif : 90 à 86 000 Nm3/h

Torchage

Au niveau du sol :

> 99 % 600 à 210 000 Nm3/j 0-100 % de la LIE

avec équipement de sécurité sinon 0-50 % de la LIE

Utilisé pour le brûlage courant

NON Débit trop élevé

Torches hautes :

> 99,5 % 0 à 1 800 000 Nm3/h

Utilisé pour brûler les gaz en cas d'urgence ou les gaz de décharge

NON

L'utilisation ne convient pas et les coûts sont très élevés sur une installation existante

Biofiltration Classique : sur les hydrocarbures : 75 à 95%

100 à 400 Nm3/h par m2 de surface filtrante; jusqu'à 200 000 Nm3/h

200 à 2 000 mg d'hydrocarbure/m3

teneur en poussières, graisse (risque de colmatage) Composé N, S, Cl (risque d'acidification) Condition climatique

OUI

Biolavage 80 à 90% COV

1 000 à 3 000 Nm3/h par m2 de surface de colonne

100 à 2 000 mg de COV /Nm3

15-40°C => Température optimale : 30-35°C

NON Débit trop élevé

Filtrage percolateur 80 à 95% COV 400 à 2 000 mg/Nm3 de COV

NON Concentration en COV trop faible

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Les éléments sortant de l’analyse des BREFs sont donc :

L’adsorption

L’oxydation thermique

L’oxydation catalytique

La biofiltration

3.2 COV – techniques génériques issues de l’INRS

Le graphique, extrait du guide ED 4260 de l’INRS (publié en 2005), nous a permis de

déterminer plus précisément quelles techniques étaient applicables sur les émissaires 1

& 3.

Emissaire 1 Emissaire 3 Concentration (g/Nm3) [0,067 – 0,121] [0,093 – 0,174] Débit (Nm3/h) [15 000 – 20 749] [35 400 – 49 367]

Les traitements envisageables selon le dossier de l’INRS sont donc :

Le traitement biologique,

et l’adsorption

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4 Analyse des techniques déterminées

A la suite du recueil des techniques, il a été déterminé d’analyser 3 méthodes parmi les MTD :

L’oxydation thermique

L’adsorption (par filtre à charbon actif)

Le traitement biologique (biofiltration)

4.1 Oxydation thermique

Une analyse a été réalisée pour la mise en place d’un oxydateur thermique direct.

4.1.1 Avantages et inconvénients de la technique

Avantages Inconvénients

Performances élevées et constantes.

Principe simple.

Fonctionnement fiable.

Possibilité d’intégration de procédés de production de vapeur ou de

chaleur résiduaire.

« Tous » les COV peuvent être incinérés

Émission de monoxyde de carbone et d’oxydes d’azote.

Risque de formation de dioxines, lorsque des composés chlorés sont

incinérés.

Traitement du gaz de combustion nécessaire pour les COV contenant

du soufre et/ou des halogénures.

Combustible auxiliaire nécessaire, au moins au démarrage, et si la

concentration en COV est inférieure au point d’autoinflammation.

Coûts importants (investissement, énergie, maintenance)

4.1.2 Coût de la technique

On considérera un amortissement sur 10 ans de l’investissement initial.

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Type de coûts Coût pour un oxydateur

thermique direct Remarques

Point 1 Point 3

Coûts de capital

Investissement 700 000 € Demande d'évaluation du coût de mise en place sur Savigneux

Coûts de fonctionnement (Annuels)

Coûts d'exploitation annuels 545 600 € 1 333 000 € Moyenne des coûts annuels déterminés dans les BREFs (31 000 € pour 1 000 Nm3/h) rapportée au débit moyen

Main d'œuvre 8 320 € 1/2 journée par semaine pour un technicien de maintenance (taux horaire : 40 €/h)

Utilité - -

Consommable - -

Gains Annuels

Rentabilité 21 164 € 73 033 € Moyenne des rentabilités annuelles déterminées dans les BREFs (1 780 € par tonne de polluant et par an) rapportée au tonnage moyen

Coût total annuel Coût annuel du traitement 602 756 € 1 338 287 € Coûts - Gains

Ratio coût annuel du traitement / quantité de COV à traiter

50 694 € / T de COV à traitée

32 617 €/ T de COV à traitée

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4.2 Adsorption (par filtre à charbon actif)

Une analyse a été réalisée pour la mise en place d’une filtration au charbon actif.

4.2.1 Avantages et inconvénients de la technique

Avantages Inconvénients

Rendement d’épuration et de récupération des COV élevé.

Technique simple et robuste.

Degré de saturation de l’adsorbant élevé.

Facilité d’installation.

Facilité d’entretien

Procédé éprouvé et fiable,

Procédé applicable à de nombreux polluants,

Commercialisation actuelle de nombreux modèles de capacités

nominales diverses,

Le procédé n’est pas sensible à de faibles fluctuations des

concentrations en contaminants en amont (tant que ces

concentrations ne sont pas trop élevées),

Rendements épuratoires importants.

La présence de particules dans l’effluent gazeux peut causer des

problèmes.

Les mélanges peuvent rapidement provoquer un

dysfonctionnement.

Ne convient pas pour les effluents gazeux humides.

Le lit peut s’enflammer (auto-ignition aux fortes concentrations)

Risque de polymérisation des composés organiques non saturés

sur le CAG.

Procédé physique non destructif, lorsque le charbon est saturé, il

doit être remplacé,

Les coûts d’exploitation et régénération ne sont pas négligeables,

Le pourcentage d’épuration dépend des propriétés des

contaminants : certains COV fortement polaires et/ou volatiles et

certains COV de petites tailles s’adsorbent peu sur le charbon

actif

Le procédé est d’autant plus efficace que les débits sont

faibles et les concentrations sont inférieures à 200 ppmv (ce qui

nécessite parfois l’utilisation d’un prétraitement),

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4.2.2 Coût de la technique

On considérera un amortissement sur 10 ans de l’investissement initial.

Dimensionnement des unités de traitement (fonction du débit à traiter) :

Point 1 Point 3

Taille du caisson : 20 m2 d'équivalent façade (ex : 4m*5m)

Profondeur 5m

50 m2 d'équivalent façade (ex : 10m*5m)

Profondeur 5 m

Quantité de CAG nécessaire : 8 m3 de CAG 20 m3 de CAG

Poids du CAG : 4,5 T de CAG 12 T de CAG

Changement des caissons : Tous les 4 à 6 mois

(étude réalisée pour un changement tous les 6 mois soit 2 fois par an)

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Estimation des coûts :

Type de coûts Coût pour une installation de

filtre à charbon actif Remarques

Point 1 Point 3

Coûts de capital

Investissement 132 000 € 322 500 € Moyenne des coûts d'investissement déterminés dans les BREFs (7 500 € pour 1 000 Nm3/h) rapportée au débit moyen

Coûts de fonctionnement (Annuels) Coûts d'exploitation annuels - -

Main d'œuvre

8 320 € Coût de suivi : 1/2 journée par semaine

1 920 € Coût de maintenance : 3 journées par changement des filtres

Utilité - -

Consommable 37 800 € 100 800 € Moyenne des coûts du consommable : 3500 €/T (données fournisseurs) + coût de destruction (approximativement 20% du prix d'achat)

Gains Annuels Rentabilité - -

Coût total annuel Coût annuel du traitement 61 240 € 143 290 € Coûts - Gains

Ratio coût annuel du traitement / quantité de COV à traiter

5 151 € 3 492 €

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4.3 Biofiltration

4.3.1 Avantages et inconvénients de la technique

Avantages Inconvénients

Construction simple.

Si associée aux procédés d’adsorption et d’absorption, peut

convenir aux composés faiblement solubles.

Grande efficacité pour les composés biodégradables, par exemple

les substances odorantes.

Faible coûts (investissement, fonctionnement)

Peut convenir à des débits élevés et des concentrations faibles.

Les lits filtrants en tourbe séchée et en compost sont difficiles à

ré-humidifier.

Conception relativement volumineuse. (temps de contacts

importants emprise au sol élevée)

L’empoisonnement et l’acidification de la biomasse doivent être

évités.

Les variations de l’effluent gazeux ont une grande incidence sur

les performances

Le garnissage est très sensible au colmatage dû aux poussières.

Cinétique de dégradation lente

Il peut être nécessaire de faire des apports d’éléments nutritifs.

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4.3.2 Coût de la technique

On considérera un amortissement sur 10 ans de l’investissement initial.

Type de coûts Coût pour une installation

de biofiltration Remarque

Point 1 Point 3

Coûts de capital

Investissement 220 000 € 537 500 € Moyenne des coûts d'investissement déterminés dans les BREFs (12 500 € pour 1 000 Nm3/h) rapportée au débit moyen

Coûts Annuels

Coûts d'exploitation annuels 7 634 € 18 629 € 4 kW pour chaque 10 000 m3/heure d’air à traiter rapporté au débit moyen

Main d'œuvre 2 160 € 1 h par semaine et par filtre + 2 jours par an

Utilité - -

Consommable - - 200 € par m3 de matériau filtrant En général, durée de vie du garnissage > 10 ans

Gains Annuels Rentabilité - -

Coût total annuel Coût annuel du traitement 31 794 € 74 539 € Coûts - Gains

Ratio coût annuel du traitement / quantité de COV à traiter

2 674 € / T de COV traitée

1 817 € / T de COV traitée

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5 Comparatif

Oxydation thermique Adsorption (CAG) Biofiltration

Coût annuel du traitement par tonne de COV traitée

Point 1 :

50 694 € 5 151 € 2 674 €

Point 3 :

32 617 € 3 492 € 1 817 €

Impact du coût Procédé onéreux (en termes

d'investissement et d'exploitation)

Les coûts d'exploitation ne sont pas négligeables

Procédé "bon marché" en termes de fonctionnement et

d'investissement

Taux de performance 98 à 99,9% COV 80-95 % de COV

60-95 % de COV (dans des conditions optimales :

supérieur à 85 %) Rendement épuratoire moins élevé que pour les traitements physiques

et thermiques

Délais de traitement de l'ordre de 1 s

(faible concentration) Quelques secondes

Quelques secondes pour le passage de l'air

La dégradation des composés piégés peut durer de quelques

jours à quelques semaines

Encombrement NON

Les oxydateurs sont dimensionnés en fonction des débits à traiter

OUI En raison des débits à traiter les caissons de filtrations seraient

d'une taille conséquente

OUI Conception relativement

volumineuse

Application à des débits importants

OUI OUI OUI

Impact des variations de débit (taux de variation de l'ordre de 40% sur nos installations)

NON Le procédé tolère relativement bien les fluctuations de débit

gazeux

NON OUI

Le procédé est sensible aux variations de débit

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Oxydation thermique Adsorption (CAG) Biofiltration

Application à des concentrations faibles en polluant (de l'ordre de 1g/m3)

OUI, MAIS Pour des faibles concentrations en

COV (procédé non autothermique), le procédé est

plus énergivore

OUI OUI

Impact des variations de concentration en polluant (taux de variation de l'ordre de 80-90 % sur nos installations)

NON Le procédé tolère relativement

bien les fluctuations de concentration de contaminants

NON Tant que les concentrations ne sont

pas trop élevé les variations n'impact pas l'efficacité du procédé

OUI Le procédé est sensible aux

variations de concentration en polluant

Risque d'incendie OUI

OUI Les phénomènes d'adsorptions sur le charbon actif sont exothermique

le lit peut s'enflammer

NON

Impact de la température NON

OUI Si la température est supérieure à 38-40°C, la capacité d'adsorption

est diminuée

OUI Le procédé est sensible aux variations de températures

Impact de l'humidité OUI

Impact sur la consommation de carburant

En générale, NON Si l'humidité est supérieure à 50 %,

la capacité d'adsorption est diminuée

OUI Le procédé est sensible aux

variations d'humidité (optimum entre 40 et 60 %)

Production de déchet NON

Ce procédé est destructif

OUI Ce procédé est non destructif, le charbon une fois saturé doit être

remplacé

NON Ce procédé est destructif

Le procédé peut nécessiter une élimination des microorganismes

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Oxydation thermique Adsorption (CAG) Biofiltration

Consommation d'énergie

OUI Le procédé est énergivore et consomme une quantité de carburant importante pour des concentrations en COV faible (procédé autotherme si la concentration en COV est de l'ordre de 10 g/m3)

OUI 130 à 260 kWh / tonne de solvant

OUI en moyenne : 4 kW pour chaque 10

000 m3/heure d’air à traiter

Besoin en main d'œuvre Besoin d'un entretien régulier et

d'une haute technicité Besoin d'un suivi régulier

Le procédé nécessite une expertise et un suivi fin (de nombreux

paramètre peuvent influer sur le taux d'efficacité)

Problèmes possibles

Le procédé peut produire des émissions nocives en cas de mauvais fonctionnement

La combustion produit des émissions atmosphériques de monoxyde de carbone et d'oxyde d'azote

Un colmatage du filtre peut avoir lieu en cas de développement bactérien, de transport de poussière ou en présence de certains composés inorganiques

Le procédé peut générer des sous-produits de dégradation parfois toxique

Certains composés peuvent être toxiques pour les microorganismes

En cas d'anomalie, il est difficile de diagnostiquer le problème et de relancer le traitement rapidement

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6 Conclusion

Au dire de l’étude, il apparait qu’aucune des MTD étudiées n’est applicable sur notre site

industriel.

Plusieurs facteurs entrent en jeu :

Coût et entretient (Oxydation thermique),

Place au sol et coût (Adsorption au charbon actif),

Place au sol et sensibilité extrême du système face aux variations de concentration

et composition en COV (Filtration biologique).

De fait aucune MTD n’apparait techniquement et financièrement viable.