Un système précis de surveillance continue en temps réel des émissions multicomposants d'incinération et co-incinération

Une installation de coïncinération est toute unité fixe ou mobile dont l'objectif est de produire de l'énergie ou des produits matériels. Elle utilise les déchets comme combustible habituel ou d'appoint ; elle soumet les déchets à un traitement thermique en vue de leur élimination.

Les procédés d'incinération et de coïncinération génèrent des émissions qui peuvent avoir des effets nocifs sur la santé du personnel sur le site et de la population locale, ainsi qu'un effet polluant sur l'environnement lorsqu'elles sont présentes dans l'air sous certaines concentrations. Tous les types de déchets ne génèrent pas le même type d'émissions. Des différences ont été relevées dans le cas de l'incinération de déchets municipaux, industriels, hospitaliers ou dangereux, en fonction de leur composition chimique ou de leur forme physique. Les émissions dépendent également des conditions dans lesquelles se déroule le processus d'incinération.

Cet article dresse la liste des réglementations de surveillance des émissions auxquelles sont soumises les unités d'incinération et de coïncinération. Il fournit une vue d'ensemble du marché en Europe et démontre les capacités de l'analyseur FTIR en ce qui concerne l'analyse des gaz multicomposants dans les applications d'incinération et de coïncinération des déchets. En conclusion, cet article présente les caractéristiques d'un système développé par Thermo Fisher Scientific répondant à ces exigences : le système de suivi en continu des émissions multigaz (CEMS) iMEGA-FT.

La directive 2000/76/CE a pour vocation de prévenir ou de limiter les effets nocifs de l’incinération et de la co-incinération de déchets sur l’environnement et en particulier, la pollution due aux émissions dans l’air, le sol, les eaux de surface et les eaux souterraines. La directive exige que de telles installations soient conçues, équipées, construites et exploitées de manière que les valeurs limites d’émission fixées ne soient pas dépassées dans les gaz d’échappement. Si, dans une installation de co-incinération, plus de 40 % du dégagement de chaleur produit provient de déchets dangereux, les valeurs limites d’émission fixées par la directive sont d’application.

Il est nécessaire d’installer un équipement de mesure et d’utiliser certaines techniques afin de surveiller les paramètres, les conditions et les concentrations de masse, correspondant au procédé d’incinération ou de co-incinération. L’installation correcte et le fonctionnement de l’équipement de surveillance sont soumis à un contrôle et à un essai annuel de vérification (AST, Annual Surveillance Test). Un étalonnage doit être effectué au moyen de mesures parallèles effectuées selon les méthodes de référence au moins tous les trois ans.

La norme européenne EN 14181 spécifie les procédures permettant de définir les niveaux d’assurance qualité des systèmes de mesure automatisés (AMS, Automated Measuring Systems) ou CEMS (Continuous Emission Monitoring System) installés sur les sites industriels afin de déterminer la composition et les paramètres des rejets gazeux. Trois niveaux d’assurance qualité (QALs) différents sont définis et couvrent les critères d’acceptation des AMS ou CEMS. Ils concernent les points de mesure, leur validation après l’installation et les opérations en cours. Les procédures d’assurance qualité permettent de maintenir et de démontrer le niveau de qualité requis pour les résultats de mesure : elles vérifient que le décalage et le gain correspondent à la norme. Un essai annuel de vérification est également défini. L’intervalle maximal entre deux moments de réglage (calibrer, etc.) est de quatre semaines pour un test sur site de trois mois, et de trois mois pour un test sur site de six mois (EN 15267-3:2007).

Vue d’ensemble du marché

L’incinération et la co-incinération des déchets jouent un rôle crucial : ces méthodes permettent de délester les sites d’enfouissement et d’éliminer tout type de déchet non recyclable. Un autre avantage important de ce type de procédé est qu’il permet de produire l’énergie nécessaire au fonctionnement du site même ou de la localité voisine. Une étude de marché récente réalisée par Frost and Sullivan, publiée en juin 2006, révèle qu’il existe plus de 400 sites de valorisation énergétique des déchets en Europe, qui transforment environ 50 millions de tonnes de déchets municipaux solides par an.

La directive 1999/31/CE sur les décharges établit des objectifs détaillés visant à réduire l’enfouissement des déchets biodégradables dans les États membres de l’UE de 69 millions de tonnes en 1995 à 37 millions de tonnes d’ici 2016. Par conséquent, on s’attend à une augmentation significative du nombre de sites de valorisation énergétique des déchets de plus de 100 sites ou lignes d’ici 2012. Les opportunités de croissance future sont particulièrement significatives dans les régions les moins développées en termes de valorisation énergétique des déchets ou les régions ayant des quantités croissantes de déchets sans destination finale. C’est le cas de l’Allemagne, la Péninsule Ibérique, l’Italie et le Royaume-Uni ; les marchés plus développés présentent des possibilités d’adaptation.

Détail des spécifications

L’annexe III de la directive 2000/76/CE spécifie que les substances polluantes dans l’atmosphère, à savoir les oxydes d’azote (NOx), le monoxyde de carbone (CO), les poussières totales, le carbone organique, etc. doivent être surveillées selon les seuils minimaux de mesure et les quantités minimales détectables suivants.

Tableau 1 : Mesure des composés selon le seuil minimal de la plage de mesures et quantités minimales détectables requises

(1) EN 15267-3:2007.

Total (TOC), le chlorure d’hydrogène (HCl), le fluorure d’hydrogène (HF) et le dioxyde de soufre (SO₂) doivent être continuellement mesurés. De plus, toute unité d’incinération et de co-incinération doit réaliser des mesures en continu des paramètres d’exploitation suivants : température à proximité de la paroi interne ou en tout autre point représentatif de la chambre de combustion comme l’autorise l’autorité compétente, concentration d’oxygène, pression, température et teneur en vapeur d’eau des gaz d’échappement. Le temps de séjour, ainsi que la température minimale et la teneur en oxygène des gaz d’échappement doivent faire l’objet de vérifications appropriées au moins après la mise en service de l’installation d’incinération ou de co-incinération et dans les conditions d’exploitation les plus défavorables que l’on puisse prévoir.

La mesure en continu du fluorure d’hydrogène (HF) peut être omise si l’on applique au chlorure d’hydrogène (HCl) des traitements garantissant que les valeurs limites d’émission de HCl ne sont pas dépassées. Dans ce cas, les émissions de HF doivent faire l’objet de mesures périodiques. La mesure en continu de la teneur en vapeur d’eau n’est pas nécessaire lorsque les gaz d’échappement échantillonnés sont séchés avant l’analyse des émissions. L’autorité compétente peut autoriser, dans le permis, que la mesure en continu du HCl, du HF et du SO₂ dans les installations d’incinération ou de co-incinération soit remplacée par des mesures périodiques, si l’exploitant peut prouver que les émissions desdites substances polluantes ne peuvent en aucun cas être supérieures aux valeurs limites d’émission fixées.

Le tableau 1 précise les quantités minimales détectables comme spécifiées par la méthode EN 15267-3 : 2007.

Considérations pratiques lors de la surveillance des émissions

Il existe un certain nombre d’éléments qui permettent d’assurer une surveillance efficace des émissions. Tout d’abord, un échantillon représentatif doit être choisi afin d’assurer la fiabilité des résultats. Le conditionnement correct des échantillons est une autre condition préalable à une mesure précise des différents composés des gaz. L’expérience sur le terrain a démontré que la méthode d’analyse multicomposant la plus pratique s’effectue sur l’échantillon lorsque celui-ci est chaud et humide.

Il existe également quelques mesures de sécurité préalables liées à l’accès, aux conditions des installations et services existants pendant l’analyse des émissions d’incinération et de co-incinération : sécurisation de l’accès au lieu de l’échantillon et de l’espace de travail, sécurisation de l’entrée de l’équipement d’échantillonnage, espace suffisant pour l’équipement et le personnel, services essentiels tels que l’électricité, la lumière et l’eau.

Le spectromètre FTIR : une méthode puissante

Ces dernières années, les systèmes CEMS FTIR (FTIR : infrarouge à transformée de Fourier) sont apparus comme une solution exploitable pour l’analyse des gaz multicomposant dans les applications d’incinération et de co-incinération des déchets.

La méthode FTIR s'avère particulièrement puissante et présente des avantages considérables pour ces types d’analyse. L'acquisition de données haute vitesse à une résolution spectrale élevée permet une analyse des gaz en temps réel. Cette combinaison rapidité/performances permet au système de rassembler des données à une cadence de 1 balayage toutes les 4 secondes à une résolution de 0,5 cm, ce qui est idéal pour une analyse détaillée de mélanges gazeux complexes changeant rapidement.

Caractérisé par un interféromètre aligné de façon dynamique avec des composants pré-alignés et clavetés, le système iMEGA-FT assure un alignement optique permanent. La transférabilité de la méthode est garantie puisqu'il n'existe aucune variation instrumentale dans la collecte des données spectrales ou les étalonnages. De plus, le système ne nécessite quasiment aucune maintenance de méthode, ce qui favorise un fonctionnement et une analyse ininterrompus. Des analyseurs efficaces utilisent un laser à hélium-néon (He-Ne) avec un filtre gris neutre afin d’atténuer la puissance et les phénomènes de réflexion.

Les analyseurs FTIR sont dotés d’une ouverture à diamètre variable, ce qui permet d’optimiser la focalisation du faisceau spectral (résolution) en définissant le nombre et la direction des rayons infrarouges qui atteignent l’échantillon. L’utilisation d'une ouverture présente deux avantages non négligeables : elle permet d’améliorer la précision du nombre d’ondes ; l'ouverture agit comme une source ponctuelle de radiation infrarouge et permet d’éviter que cette dernière ne sature suite à une réponse plus linéaire du détecteur.

Les spectromètres FTIR utilisent d’autres composants tels que des filtres atténuateurs, afin de réduire le niveau d’énergie atteignant le détecteur lors de l’acquisition des données, selon les besoins. Un contrôleur de température garantit également que la cellule de gaz ne chauffe pas trop vite ou à une température supérieure à celle nécessaire pour l’analyse voulue.

Mesurer simultanément jusqu’à dix gaz

Le CEMS multigaz iMEGA-FT de Thermo Fisher Scientific est capable de mesurer simultanément jusqu’à dix gaz dans le cadre de la plupart des applications d’incinération ou de coïncinération, ce qui réduit considérablement les coûts de possession.

Cet analyseur multigaz de surveillance en temps réel intègre la technologie éprouvée FTIR la plus utilisée au monde. Il bénéficie d’une sensibilité, d'une spécificité et d’une plage dynamique assurant des applications de surveillance des gaz de combustion les plus complexes. Grâce à sa capacité à mesurer jusqu’à dix composants par le biais d'une seule technologie, il n’a nul besoin d’unités d’analyseur de gaz multiples et individuelles, ce qui réduit fortement les coûts du système.

L'analyseur iMEGA-FT mesure de nombreux composés, y compris le monoxyde de carbone, l’oxyde d’azote, le dioxyde de soufre, le chlorure d’hydrogène, l’ammoniac, l’eau, le dioxyde d’azote, le protoxyde d'azote, le fluorure d’hydrogène et le dioxyde de carbone. Deux options peuvent également être ajoutées au système : un détecteur à ionisation de flamme (FID, Flame Ionization Detector) pour la surveillance du carbone organique gazeux total et un détecteur de surveillance de l’oxygène. Un système optique puissant a été conçu pour un cycle de trois mois de fonctionnement sans surveillance, soit le cycle le plus long actuellement sur le marché. De plus, grâce à un interféromètre aligné de façon dynamique disposant de composants pré-alignés et clavetés, le système n’a quasiment plus besoin de maintenance de méthode, ce qui permet un fonctionnement et une analyse ininterrompus.

Le iMEGA-FT intègre une interface utilisateur graphique à une programmation rapide et aisée, d’où sa simplicité d’utilisation, y compris pour les néophytes. Tous les composants sont conçus afin d’être facilement accessibles en vue d'une maintenance rapide.

Conclusion

L’incinération et la coïncinération sont des méthodes classiques permettant de réduire l’enfouissement des déchets et d’atténuer leurs effets nocifs. Cependant, ces procédés sont susceptibles de générer des concentrations excessives d’émissions dangereuses pouvant affecter la santé de personnes ainsi que l’environnement.

Par conséquent, des directives très strictes ont été mises en place, imposant aux usines d’incinération et de coïncinération des contraintes considérables afin que les émissions ne dépassent pas les seuils autorisés.

Afin de pouvoir répondre à ces mesures, ces sites doivent disposer d’un système de surveillance efficace, rentable, à la fois facile d'utilisation et capable d’analyser en temps réel avec précision un gaz, qui consiste en multiples composants. Permettant l’acquisition de données à haute vitesse à une résolution spectrale élevée pour une analyse en temps réel de gaz multicomposant, l'analyseur CEMS FTIR est l’outil de tout premier choix.