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FORMATION · CHIMIE DU PROCÉDÉ

La chimie de l'usine

Quatre volets, quatre chimies qui se répondent : l'eau qui alimente la chaudière, les fumées que produit le four, le filtre à manches qui neutralise les acides, et le DeNOx qui détruit les oxydes d'azote. Chaque volet a son simulateur : on déplace un curseur, on voit ce que la molécule fait.

VOLET 1 · CÔTÉ EAULa chimie de l'eau et de la vapeur

Une chaudière ne consomme pas d'eau : elle la concentre. Tout ce qui entre avec l'eau d'alimentation et ne part pas avec la vapeur reste dans le ballon et s'accumule. Toute la chimie de l'eau tient dans cette phrase — et dans les trois dégâts qu'elle provoque si on la laisse faire : l'entartrage, la corrosion et l'entraînement.

Eau de ville TH · TAC · Cl⁻ Adoucisseur + osmose inverse Bâche alimentaire dégazage ~105 °C Conditionnement PO₄ · réducteur O₂ Chaudière ballon · tubes concentration ×N Vapeur pure Purges déconcentration + fond TH ≈ 0 O₂ < 20 ppb pH 9,2–9,8 conductivité pilotée

Les trois dégâts, et leur cause chimique

DégâtCauseCe qu'on surveilleParade
EntartrageCalcium et magnésium précipitent en carbonates et silicates sur les tubes les plus chaudsTH, silice, FeAdoucissement, osmose, phosphates
CorrosionOxygène dissous, CO₂ dissous, pH trop bas ou trop haut O₂, pH, Fe, CuDégazage thermique, réducteur, alcalinisant
EntraînementEau trop chargée en sels : la vapeur emporte des gouttelettes (primage), qui encrassent la turbineConductivité, silice, mousse Purge de déconcentration

Les réactions à connaître

Ca(HCO₃)₂  →  CaCO₃ ↓ + CO₂ ↑ + H₂O Décomposition thermique des bicarbonates : le tartre se forme, et le CO₂ libéré part avec la vapeur puis acidifie les condensats. CO₂ + H₂O  →  H₂CO₃  →  H⁺ + HCO₃⁻ C'est la corrosion des retours de condensat : un pH qui tombe sous 8,5 en bout de réseau. 4 Fe + 2 H₂O + 3 O₂  →  2 Fe₂O₃·H₂O Corrosion par l'oxygène : piqûres profondes, localisées, bien plus dangereuses qu'une corrosion générale. 3 Fe + 4 H₂O  →  Fe₃O₄ + 4 H₂   (magnétite, couche protectrice) La bonne corrosion : en eau alcaline et désaérée, le fer se couvre d'une couche noire de magnétite qui protège le métal. Tout le conditionnement vise à la former et à la garder. 3 Ca²⁺ + 2 PO₄³⁻  →  Ca₃(PO₄)₂ ↓ Conditionnement phosphate : le calcium résiduel précipite en boue fine, évacuée par la purge de fond, au lieu de s'incruster sur les tubes.
Pourquoi 9,2 à 9,8 et pas plus. La solubilité de la magnétite passe par un minimum autour de pH 9,5 à température de service : en dessous, la couche protectrice se dissout et le fer est attaqué ; au-dessus, on bascule en corrosion caustique, qui attaque les zones où l'eau s'évapore localement, sous un dépôt ou dans un défaut de soudure. C'est une fenêtre, pas un seuil minimal.

Simulateur 1 · Déconcentration

La purge règle le niveau de concentration du ballon. Trop faible, on entraîne et on entartre ; trop forte, on jette de l'eau traitée et de l'énergie. Déplacez les curseurs.

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Simulateur 2 · Fenêtre de pH et oxygène

Le même métal, trois comportements selon le pH. Promenez le curseur et regardez ce que devient la couche de magnétite.

pH 689,29,81112
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Le piège du prélèvement. Un échantillon d'eau de chaudière prélevé trop chaud dégaze et se carbonate à l'air : le pH mesuré n'est plus celui du ballon. Refroidir dans le serpentin, laisser déborder, remplir au ras — sinon on corrige une dérive qui n'existe pas.

VOLET 2 · CÔTÉ FEULa chimie des fumées

Le four ne fabrique pas les polluants : il les révèle. Tout ce qui sort à la cheminée était déjà dans la benne, sous une autre forme. Le chlore du PVC devient HCl, le soufre des plâtres et des pneus devient SO₂, l'azote des protéines devient NOx. La conduite ne change pas la composition du déchet — elle change la part qui se transforme en polluant, et celle qu'on pourra capter ensuite.

Du déchet à la fumée

Dans le déchetDevientOrigine typiqueTraité par
C, HCO₂, H₂Otoute matière organique—
ClHClPVC, sels, papiers couchésNeutralisation sèche
SSO₂plâtre, caoutchouc, textilesNeutralisation sèche
FHFplastiques fluorésNeutralisation sèche
NNOx (NO puis NO₂)matière organique azotéeSNCR / SCR
Métaux volatilsvapeurs de Hg, Cd, Tlpiles, thermomètres, pigments Charbon actif + filtre
Métaux lourdsparticulesferrailles, pigmentsFiltre à manches
ImbrûlésCO, COT, suiescombustion incomplèteConduite du four
La règle des trois T, et le quatrième terme. Température, Temps, Turbulence — et l'oxygène. 850 °C pendant deux secondes après la dernière injection d'air détruisent les molécules organiques. Mais si l'oxygène manque localement, même à 900 °C, le CO monte : c'est une affaire de mélange, pas seulement de thermomètre. Le CO est le mouchard de la turbulence.

Le parcours thermique, et ce qui se joue à chaque palier

1100 → 850 °C FOYER 850 → 450 °C SURCHAUFFEURS 450 → 250 °C ÉCONOMISEUR ~190 °C RÉACTEUR + FAM ~200 °C SCR ~130 °C CHEMINÉE Destruction des organiques 3 T + O₂ · CO et COT au plus bas Corrosion chlorhydrique HCl + métal chaud : usure des tubes Fenêtre de novo 450 → 250 °C : les dioxines se reforment sur les cendres Neutralisation acide réactif + gâteau sur les manches Réduction des NOx NH₃ + catalyseur Les températures sont celles d'une ligne typique : se référer aux consignes de l'installation.

Les dioxines : pourquoi elles reviennent après le four

Détruites à 850 °C, elles se reforment en aval. Sur les cendres volantes, en présence de chlore, de carbone imbrûlé et de cuivre qui joue le catalyseur, les molécules se reconstruisent entre 450 et 250 °C : c'est la synthèse de novo. D'où trois parades complémentaires, qui ne se remplacent pas.

C résiduel + Cl⁻ + O₂  —Cu→  PCDD / PCDF   (250–450 °C) Traverser vite la fenêtre, limiter les imbrûlés et les dépôts de cendres, puis adsorber sur charbon actif ce qui s'est tout de même formé. Le catalyseur SCR en détruit une partie supplémentaire par oxydation.

Pourquoi tout est ramené à 11 % d'O₂

Diluer les fumées avec de l'air en excès ferait baisser toutes les concentrations sans rien enlever à la pollution émise. La correction supprime cette tricherie involontaire : on ramène chaque mesure à une teneur de référence commune.

C11  =  Cmesuré × (21 − 11) / (21 − O₂mesuré) Avec 9 % d'O₂ mesuré, le facteur vaut 10/12 = 0,83 : la valeur corrigée est plus basse que la mesure. Avec 13 %, il vaut 10/8 = 1,25 : elle est plus haute. C'est pour cela qu'une dérive de la sonde O₂ déplace toutes les émissions affichées.

Simulateur 3 · Du déchet aux fumées brutes

Composition du déchet et conduite du four d'un côté, fumées brutes de l'autre. Ordres de grandeur pédagogiques, calculés par les corrélations de Rosin — pas un modèle de conduite. Le PCI est donné en mégajoules, l'unité des bilans et du R1, avec son équivalent en kilocalories, celle des contrats déchets : une ordure ménagère courante se situe entre 2 000 et 2 600 kcal/kg.

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VOLET 3 · NEUTRALISATION SÈCHELa chimie des filtres à manches

Un filtre à manches n'est pas un dépoussiéreur auquel on aurait ajouté un réactif. C'est un réacteur chimique dont le garnissage se reconstruit en permanence : le gâteau déposé sur le tissu capte les acides pendant que les fumées le traversent. Sur la ligne, ils sont deux en série, et les résidus du second repartent en tête — ce qui change complètement l'économie du procédé.

Les deux produits injectés

ProduitNatureRôleCe qu'il devient
Bicarbonate XPBicarbonate de sodium NaHCO₃ Neutralise les acides : HCl, SO₂, HFNaCl, Na₂SO₄, NaF dans le REFIOM
Adsorbant technique XQAdsorbant carboné Piège par adsorption le mercure et les dioxines Chargé en polluants, part au REFIOM
Deux logiques à ne pas confondre. Le XP réagit : une molécule de bicarbonate consomme une molécule d'acide, la stœchiométrie commande. Le XQ adsorbe : rien ne se transforme, les molécules se collent dans la microporosité. D'où leurs dosages, qui n'ont rien à voir — le XP se compte en centaines de kilos par heure, le XQ en dizaines de milligrammes par normo-mètre cube.

La ligne, telle qu'elle est montée

Chaudière fumées brutes HCl 1 200 Réacteur 1 mélange FAM 1 gros de l'abattage + poussières HCl ~80 Réacteur 2 mélange FAM 2 polissage + adsorption Vers SCR HCl < 10 XP frais XP + XQ RECIRCULATION DES REFIOM — le réactif non consommé du FAM 2 retourne en tête REFIOM purgés → silo

Pourquoi deux étages, et pourquoi recirculer

Le premier filtre fait le gros du travail dans des conditions difficiles : HCl élevé, poussières nombreuses, réactif partiellement usé. Le second travaille sur des fumées déjà propres, avec du réactif frais : c'est là que se gagnent les derniers milligrammes, ceux qui séparent 80 de 10 mg/Nm³. Chercher à tout faire en un seul étage obligerait à un excès de réactif considérable, pour un résultat moins stable.

Quant à la recirculation, elle répare un gaspillage : les résidus du FAM 2 contiennent beaucoup de bicarbonate qui n'a jamais rencontré d'acide, puisqu'il n'en restait presque plus à traiter. Les renvoyer en tête, là où le HCl est à son maximum, leur donne une seconde chance. C'est ce qui permet de descendre le facteur stœchiométrique global sans perdre en performance.

Mais la recirculation a un prix. Elle renvoie aussi les sels déjà formés et les poussières, qui ne réagiront plus jamais. La charge solide du FAM 1 augmente, la perte de charge monte, le décolmatage s'accélère et la part réellement active du flux recirculé diminue. Au-delà d'un certain taux, on fait tourner des inertes et on use des manches sans rien gagner sur le HCl.

Les réactions

— Activation du Bicarbonate XP, au-delà d'environ 140 °C — 2 NaHCO₃  →  Na₂CO₃ + CO₂ ↑ + H₂O En se décomposant, le grain s'ouvre : sa surface disponible est multipliée. C'est cette activation qui explique un facteur stœchiométrique de 1,1 à 1,4 là où la chaux en demande 1,8 à 2,5. — Neutralisation par le carbonate formé — Na₂CO₃ + 2 HCl  →  2 NaCl + CO₂ ↑ + H₂O Na₂CO₃ + SO₂ + ½ O₂  →  Na₂SO₄ + CO₂ ↑ Na₂CO₃ + 2 HF  →  2 NaF + CO₂ ↑ + H₂O Tous les sels formés sont solubles : c'est la contrepartie du bicarbonate au stade du traitement des REFIOM. — Adsorbant technique XQ : pas de réaction — Hg⁰, HgCl₂, PCDD/F  ⟶ adsorbés  sur la microporosité Rien ne se transforme : les molécules se fixent et repartent avec le gâteau. Une coupure d'injection de XQ ne se voit ni sur le HCl, ni sur la perte de charge — elle se retrouve dans les mesures périodiques, des semaines plus tard.

Lire la perte de charge

ObservationLecture chimiqueRisque
Δp qui monte lentementle gâteau s'épaissit normalement aucun, c'est le fonctionnement
Δp qui s'effondredécolmatage trop fréquent ou manche percée plus de gâteau, donc plus de réacteur : le HCl passe
Δp du FAM 1 qui dérive à la hausserecirculation trop chargée en inertes usure des manches, décolmatages à répétition
Δp qui monte vite et ne redescend pascolmatage irréversible, condensation acide manches à changer
HCl qui monte à dosage constantXP désactivé, trop froid, ou gâteau insuffisant dépassement de VLE

Simulateur 4 · Dosage sur deux étages avec recirculation

Réglez l'abattage du premier filtre, le taux de recirculation et la température. Le calcul donne le HCl intermédiaire, la consommation de XP frais, ce que la recirculation fait économiser, et les résidus à évacuer.

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VOLET 4 · RÉDUCTION DES NOxLa chimie du DeNOx

Les NOx sont les seuls polluants qu'on ne capte pas : on les détruit. Toutes les autres étapes transfèrent la pollution des fumées vers un résidu solide ; ici, la molécule est renvoyée à l'état d'azote et d'eau. Le prix à payer est un réactif azoté en excès — et tout l'art consiste à n'en mettre ni trop peu, ni trop.

D'où viennent les NOx d'une UVE

En incinération de déchets, le NOx est à plus de 80 % d'origine combustible : l'azote contenu dans la matière organique s'oxyde dès le lit. Le NOx thermique, celui qui naît de l'azote de l'air, demande plus de 1 300 °C et reste marginal — c'est l'inverse d'un brûleur de chaudière classique. Conséquence directe : on ne règle pas les NOx en jouant sur la flamme, mais par l'étagement de l'air, la recirculation des fumées, puis par le traitement chimique.

Les réactions

— Libération de l'ammoniac à partir de l'urée — CO(NH₂)₂ + H₂O  →  2 NH₃ + CO₂ L'urée n'est qu'un transporteur : plus sûre à stocker que l'ammoniaque, elle libère l'ammoniac une fois injectée dans le gaz chaud. — Réaction principale, dite standard — 4 NO + 4 NH₃ + O₂  →  4 N₂ + 6 H₂O Un NH₃ pour un NO. Le NOx devient de l'azote de l'air et de la vapeur d'eau : rien à stocker, rien à évacuer. — Réaction rapide, quand du NO₂ est présent — NO + NO₂ + 2 NH₃  →  2 N₂ + 3 H₂O Deux fois plus rapide que la standard : c'est elle qui permet au catalyseur de travailler à basse température. — La réaction qu'on ne veut pas — 4 NH₃ + 5 O₂  →  4 NO + 6 H₂O   (trop chaud) Au-delà de la fenêtre, le réactif s'oxyde lui-même et fabrique du NOx. Injecter davantage aggrave alors la situation : c'est le contresens le plus coûteux de la conduite. — Le sel qui colmate — NH₃ + SO₃ + H₂O  →  NH₄HSO₄   (bisulfate d'ammonium, sous ~290 °C) Collant, il bouche les pores du catalyseur et encrasse les échangeurs. C'est l'argument décisif du SCR placé en queue de ligne, après la neutralisation : le soufre est déjà parti.

SNCR et SCR : deux philosophies

SNCR — sans catalyseurSCR — avec catalyseur
Oùdans le four, au-dessus de la grilleen aval, après le filtre
Fenêtre850 à 1 050 °C180 à 400 °C
CatalyseuraucunV₂O₅ – WO₃ sur TiO₂
Rendement40 à 65 %80 à 95 %
Réactifbeaucoup, α de 1,5 à 2,5peu, α de 1,0 à 1,1
Fuite d'NH₃élevée, difficile à maîtriserfaible, quelques mg/Nm³
Sous-produitN₂O avec l'uréenégligeable
Faiblessefenêtre qui se déplace avec la charge empoisonnement et colmatage, réchauffage à payer
Le rapport α, en une phrase. α est le nombre de moles d'NH₃ injectées par mole de NOx à détruire. En théorie, α = 1 suffirait. En pratique le mélange n'est jamais parfait, donc il faut un excès — et tout excès qui ne réagit pas sort par la cheminée : c'est la fuite d'ammoniac, le slip. Le réglage du DeNOx est un arbitrage permanent entre NOx et slip, jamais une optimisation d'un seul des deux.

Simulateur 5 · Fenêtre de température et réglage de l'α

Choisissez le procédé, la température d'injection et le rapport α. Observez où le rendement s'effondre, et à partir de quand le slip part.

120 °C40070010001200 °C
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Ce qui tue un catalyseur

MécanismeAgentSigne en conduite
Empoisonnement chimiquesodium, potassium, arsenic, phosphore rendement qui baisse lentement, α qu'il faut monter
Colmatagebisulfate d'ammonium, poussières fines perte de charge qui monte à travers le lit
Masquagesels de calcium, résidus de réactifmême effet, réversible par soufflage
Frittage thermiquesurchauffe durable au-delà de ~450 °Cperte irréversible d'activité
Érosioncendres abrasives à vitesse élevéecanaux ouverts, by-pass du gaz
Le réflexe à avoir quand les NOx montent. Avant d'augmenter l'α, vérifier la température d'injection et la charge : neuf fois sur dix, la fenêtre a bougé parce que le four a changé de régime. Monter le réactif sur une fenêtre fausse ne baisse pas les NOx, mais fait monter le slip, alimente les sels d'ammonium et finit par encrasser l'installation.

POUR FINIRQuiz — douze questions

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Portée de cette fiche. Les simulateurs donnent des ordres de grandeur pédagogiques, calculés par des corrélations simplifiées. Ils servent à comprendre le sens et l'amplitude des variations, pas à régler une installation : les consignes réelles sont celles du constructeur, de l'arrêté préfectoral et des procédures du site.