Brevet FR3011748A1 — publié le 20150417

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE PRÉTRAITEMENT DE VAPEURS D'HYDROCARBURES LOURDS EN AMONT D'UNE UNITÉ DE TRAITEMENT FINAL L'invention est relative aux équipements de traitement de vapeurs d'hydrocarbures lourds, notamment les goudrons, brais de houille, huiles anthracénique, etc. Elle s'applique plus particulièrement au stockage du brai liquide au niveau des terminaux portuaires desservant les fonderies d'aluminium primaire pour la production des anodes du procédé électrolytique. Le stockage du brai liquide dans ces terminaux est source d'émissions de vapeurs dans les tanks de stockage et les véhicules de transport dans lesquels est transvasé le brai liquide provenant des bateaux. Il est nécessaire de traiter ces vapeurs pour respecter les contraintes réglementaires des pays où ces unités sont implantées. Le traitement de ces vapeurs se révèle complexe de par les nombreuses spécificités de ces terminaux : Flux discontinu à traiter : les vapeurs sont chassées lors des remplissages des tanks de stockage et/ou des véhicules utilisés pour transporter le brai sur son lieu d'utilisation. Il est donc nécessaire d'avoir un système capable de traiter un flux variable de vapeurs. Faible débit (inférieur à 500 m3/h dans la grande majorité des cas). Absence de personnel. Ces terminaux de brai liquide sont le plus souvent entièrement autonomes et dépourvus de supervision sur place. Absence sur le site de stockage de matériau pulvérulent disponible pour le procédé de « dry scrubbing » (captation à sec). Absence d'exutoire pour les déchets générés par les procédés de lavage humide. Zone franche à accès restreint pour la plupart des terminaux portuaires: cela réduit la facilité des opérations de maintenance et amène les exploitants à exiger des systèmes ne nécessitant qu'une maintenance minimale et exceptionnelle. Plusieurs solutions existent pour le traitement des vapeurs d'hydrocarbures : Retour bateau Cette technologie consiste à renvoyer les vapeurs chassées lors du remplissage du tank de stockage dans le bateau approvisionnant l'hydrocarbure liquide. Cette solution n'est plus acceptable d'un point de vue environnemental car il est difficile de prévenir le risque d'un dégazage clandestin une fois le bateau en mer et que ces pratiques illégales entachent l'image des exploitants. Dry scrubber Ce procédé utilise la capacité de condensation/adsorption des vapeurs sur un matériau pulvérulent tel que des fines de coke dans le cas particulier du brai liquide pour les fonderies d'aluminium primaire. Dans un réacteur possédant la turbulence requise, des fines de coke sont injectées dans le flux de vapeurs de brai. Ces dernières sont captées par les fines de coke, lesquelles fines chargées en brai sont ensuite récupérées grâce à un filtre adapté. Ce procédé n'est pas adapté aux contraintes du terminal de brai liquide car il demande une manutention importante pour approvisionner les fines fraiches et génère un déchet (les fines chargées) pour lequel aucun exutoire n'est disponible au terminal de brai liquide. Dans le cas du brai pour les fonderies d'aluminium primaire, la réutilisation de ce déchet est envisageable au niveau de l'unité de production d'anodes sur le site de la fonderie mais cela nécessite une manutention supplémentaire parfois sur plusieurs dizaines de kilomètres. Laveur à huile Les vapeurs à traiter sont mises en contact avec une douche d'huile à contre courant ou encore insufflées par bullage dans un bain d'huile. L'affinité entre l'huile et les vapeurs entraine une absorption de ces dernières. Ce procédé permet donc de capter les vapeurs tout en générant un déchet : de l'huile chargée en brai. Ce procédé n'est pas adapté aux contraintes du terminal de brai liquide car il génère un déchet pour lequel aucun exutoire n'est disponible au terminal de 35 brai liquide. Il nécessite également un approvisionnement régulier en huile propre dont on souhaite s'affranchir. Oxydation thermique On peut distinguer trois procédés de traitement des vapeurs de brai par oxydation thermique: L'oxydation thermique simple (Thermal Oxydizer - TO) qui consiste à porter les vapeurs à une température suffisamment élevée (>800°C) pour qu'elles soient consumées. Ce procédé est très gourmand en énergie et par ailleurs nécessite une chambre de combustion de taille significative pour assurer le temps de séjour nécessaire à la combustion des molécules les plus lourdes. L'inertie thermique qui en résulte n'est donc pas adaptée au flux discontinu à traiter au terminal de brai liquide. L'oxydation thermique régénérative (Regenerative Thermal Oxydizer - RTO) dont le principe est le même que celui de l'oxydation thermique à cela près que, de façon cyclique, on récupère une partie de l'énergie de combustion des vapeurs de brai dans des céramiques qui restituent ensuite leur chaleur dans le cycle suivant de sorte à préchauffer les vapeurs et ainsi de diminuer la consommation du procédé. Cependant le gain apporté au niveau d'un terminal de brai liquide est négligeable du fait de la discontinuité de fonctionnement et des faibles flux à traiter. Par ailleurs, l'inertie thermique complémentaire des lits de céramiques rendent ce procédé encore moins adapté à cette application que les TO. L'oxydation thermique catalytique (Recuperative Catalytic Oxydizer - RCO), qui utilise un catalyseur pour abaisser la température de combustion des vapeurs en dessous de 400°C. L'énergie à apporter aux vapeurs de brai pour permettre leur combustion est donc nettement réduite par rapport à un procédé d'oxydation thermique simple. Par ailleurs un système de récupération de chaleur des fumées permet de réchauffer le flux entrant et réduire encore sa consommation thermique. Notamment ce système peut être maintenu en fonctionnement en air pur entre deux campagnes de déchargement de bateaux, avec une consommation thermique très minimes. Cette caractéristique lui confère une faible inertie thermique et en font le procédé aujourd'hui le mieux adapté à cette application. Cependant, la forte concentration des vapeurs observée lors des déchargements de bateaux (peu fréquents : typiquement 24h par mois) entraine un surdimensionnement du lit catalytique et un coût très important de l'unité tant à l'achat qu'à l'entretien (changement du lit catalytique nécessaire environ tous les deux à trois ans selon les fréquences de remplissage des tanks). L'innovation propose un prétraitement de vapeurs d'hydrocarbures lourds en amont d'une unité de traitement final. Cela permet de réduire de manière drastique les coûts et la consommation du système de traitement final, de 5 réduire son impact environnemental tout en augmentant son efficacité. L'invention concerne plus particulièrement, un procédé et un dispositif de prétraitement de vapeurs d'hydrocarbure lourd par condensation. Ce prétraitement permet un premier abattement des vapeurs avant le traitement 10 final, par exemple par oxydation thermique catalytique. Les vapeurs de brai émises dans les tanks de stockage et les véhicules de transport sont collectées par aspiration d'un flux d'air. La concentration des vapeurs de brai est très variable et dépend aussi des phénomènes 15 d'entrainement d'aérosols. En pratique, on observe des concentrations dans les ciels des tanks allant de 10 g/Nm3, dans un tank calme à faible température, à 80 g/Nm3 en présence de turbulences fortes dans un ciel saturé pour un stockage de brai « chaud », à 210°C, typiquement en fin de déchargement bateau. 20 L'invention concerne principalement un procédé de prétraitement d'un flux d'air chargé en vapeurs d'hydrocarbures, consistant à réduire la concentration en vapeurs d'hydrocarbures de ce flux d'air, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en amont de l'unité de traitement final des vapeurs d'hydrocarbures, et 25 en ce qu'il comprend une étape de réduction, dans un dispositif, de la pression de saturation en hydrocarbures dans le flux à épurer de sorte de condenser une partie au moins des vapeurs d'hydrocarbures. La réduction de la pression de saturation en hydrocarbures dans le flux à épurer est obtenue par refroidissement de celui-ci. 30 Selon un exemple de réalisation de l'invention, le refroidissement du flux à épurer est obtenu par l'injection dans le dispositif d'un fluide avec un débit et à une température adaptés de sorte que la température finale du mélange constitué par le flux et le fluide soit à la température correspondant à la pression de saturation en hydrocarbures visée. 35 Le fluide injecté peut par exemple être de l'air, de l'eau ou de l'azote. Selon un second exemple de réalisation de l'invention, le refroidissement du flux à épurer est obtenu par le refroidissement des parois du dispositif par une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur dont la température conduit à ce que la température du flux à épurer dans le dispositif soit à la température correspondant à la pression de saturation en hydrocarbures visée. Selon un troisième exemple de réalisation de l'invention, le refroidissement du flux à épurer est obtenu par la combinaison d'une injection d'un fluide dans le dispositif et du refroidissement des parois du dispositif. Selon l'invention, le flux à épurer traverse un système de récupération de brouillard avant d'être conduit vers l'unité de traitement des vapeurs d'hydrocarbures. De plus, selon l'invention, pendant les phases de nettoyage du dispositif, les condensats d'hydrocarbures peuvent être évaporés par échauffement des parois du dispositif. L'invention concerne également un dispositif de prétraitement d'un flux d'air chargé en vapeurs d'hydrocarbures, consistant à réduire la concentration en vapeurs d'hydrocarbure de ce flux d'air selon le procédé décrit précédemment, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de refroidissement du flux à épurer et un bac de rétention des condensats d'hydrocarbures. Selon un exemple de réalisation de l'invention, le dispositif est refroidit par une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur. Le dispositif selon l'invention comprend au moins un dispositif de récupération de gouttelettes d'hydrocarbures, par exemple un dévésiculeur, un cyclone ou 25 un précipitateur électrostatique. Selon l'invention, la condensation des vapeurs de d'hydrocarbures lourds est réalisée par un refroidissement à une température suffisante du flux d'air chargé en vapeurs dans un condenseur ajouté selon l'invention. 30 Ce refroidissement peut être obtenu par l'injection directe dans la tuyauterie du condenseur d'un fluide à température inférieure à la température de condensation des vapeurs. Ce fluide peut être, par exemple, de l'air, de l'eau ou de l'azote. Cette injection est pilotée par une vanne pour atteindre une température de consigne nécessaire au procédé du mélange constitué par le flux d'air chargé en vapeurs et le fluide injecté. Il peut également être obtenu par un refroidissement externe des parois du 5 condenseur par exemple au moyen d'une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur à faible température. Avantageusement, il est obtenu par la combinaison de ces deux solutions, une double enveloppe dans laquelle circule un fluide caloporteur à une température 10 un peu plus élevée que dans le cas précédent combiné à l'injection dans la tuyauterie d'un fluide à température légèrement supérieure à la configuration sans double enveloppe. En conservant la même température d'injection du fluide dans la tuyauterie, la combinaison d'une double enveloppe et d'une injection dans la tuyauterie permet de réduire le débit de fluide à injecter. Cela a 15 pour effet de réduire la dilution au niveau du condenseur et donc d'augmenter son efficacité. Cette injection entraine un refroidissement des vapeurs pouvant être accompagné de la formation d'un brouillard de condensats. Selon l'invention, 20 ces condensats sont ensuite séparés du flux d'air et de vapeurs résiduelles allant vers le traitement final, par exemple par oxydation thermique catalytique, et collectés dans un bac de récupération. Une particularité des vapeurs d'hydrocarbures lourds est qu'elles peuvent 25 aisément figer et boucher les tuyauteries. Il est donc avantageux de maitriser la température dans le condenseur et donc le débit de fluide injecté et le refroidissement des parois par la double enveloppe, pour condenser de manière suffisante sans toutefois boucher la zone d'injection. 30 Les hydrocarbures condensés coulant le long de la tuyauterie sont ensuite récupérés par gravité dans un bac présent au niveau du point bas du système. Le brouillard formé est récupéré en aval de l'injection de fluide de refroidissement grâce à un système spécifique, par exemple un dévésiculeur, 35 un cyclone ou un précipitateur électrostatique. Il permet d'augmenter de manière drastique l'efficacité du procédé en évitant que des gouttelettes de condensats ne soient emportées jusqu'à l'unité de traitement final. Les tuyauteries de vapeurs de brai présentes dans les terminaux de brai liquide sont réchauffées aux environ de 200°C grâce à un système de fluide thermique en double enveloppe. Pour le bon fonctionnement du condenseur, il est nécessaire de réguler la température de la double enveloppe dans la zone de 5 condensation au niveau de la température de condensation pour éviter une ré-évaporation des vapeurs condensées. Ce pilotage peut être fait de différentes manière : soit en installant une boucle de fluide thermique spécifique au condenseur dont la température est régulée, par exemple par aéroréfrigérant, soit en se greffant sur une boucle existante et en maitrisant la température par 10 pilotage du débit de fluide thermique envoyé dans la zone de condensation. Un traitement automatique des condensats récupérés dans le bac prévu à cet effet est inclus au condenseur pour éviter leur manutention. Par exemple, deux alternatives sont envisageables : un pompage en direction du tank de stockage 15 des hydrocarbures (ou des camions de transport), ou une ré-évaporation en phase de faible activité du système de traitement final en aval du condenseur. Pour cela il est nécessaire que la régulation de température au niveau du condenseur puisse à la fois permettre d'atteindre la température de condensation et la température de vaporisation des condensats. Cette montée 20 en température du système permet également son nettoyage par fonte des différents éléments ayant figé dans la tuyauterie. Le condenseur possède la particularité de demander une modification minime de la tuyauterie de vapeurs de brai du terminal de brai liquide car il peut se 25 greffer sur la tuyauterie de vapeurs de brai existante descendant le long du tank de stockage du brai liquide pour emmener les vapeurs au système de traitement final par oxydation catalytique. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un 30 certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un exemple de réalisation décrit avec référence aux dessins annexés, mais qui n'est nullement limitatif. Sur ces dessins : . Fig. 1 est un schéma illustrant les principales étapes de l'invention, et, . Fig. 2 est une vue schématique d'un condenseur de vapeurs de brai selon 35 l'invention. En se reportant au schéma de la Fig. 1 annexée, les principaux composants d'un condenseur selon l'invention sont représentés. Celui-ci permet de traiter un flux 4 d'air chargé de vapeurs d'hydrocarbure en circulation dans une canalisation 8. Ce flux 4 est refroidit à une température permettant la condensation des vapeurs d'hydrocarbure. Ce refroidissement est obtenu, par exemple, par l'injection directe dans la canalisation 8 d'un fluide 5 à plus faible température que le flux 4. Selon un autre exemple de réalisation, le refroidissement est obtenu par une double enveloppe 16 de la canalisation 8, dans laquelle circule un fluide 5. Le flux 4 dans lequel ont condensé les vapeurs d'hydrocarbure, sous forme de gouttelettes 9 et de ruissellement 10 le long de la canalisation 8, est ensuite conduit dans un bac 12 de récupération des condensats. Un système de pompage 18 permet l'évacuation des condensats collectés dans le bac 12. Selon un exemple de réalisation de l'invention, un système 20 est placé en amont du bac 12 de sorte de récupérer des gouttelettes d'hydrocarbure présentes dans le flux 4 et/ou de favoriser la coalescence de ces gouttelettes en des gouttes de plus grande dimensions. En sortie du bac 12 de récupération des condensats, un système 13 de récupération de brouillard permet de récupérer la majorité des gouttelettes d'hydrocarbure résiduelles encore présentes dans le flux 4. Celui-ci est enfin canalisé vers une unité 11 de traitement final du flux 4 à épurer. En se reportant à la vue schématique de la Fig. 2 annexée, on peut voir schématiquement représenté un exemple de condenseur 1 selon l'invention, avec un premier flux 2 à épurer provenant d'un premier tank de stockage et un second flux 3 à épurer provenant d'un second tank de stockage conduisant à un flux total 4 à épurer. Considérons un flux total 4 à traiter d'air et vapeurs de brai à 200°C avec une concentration en vapeurs 30 g/Nm3. Selon cet exemple de réalisation de l'invention, le flux 4 est mis en contact avec un flux 5 d'air frais à 20°C régulé au moyen de la vanne 6 de manière à obtenir une température de 140°C en aval du point d'injection 7. Il est à noter que l'augmentation du débit total à traiter par l'unité 11 de traitement final qui résulte de l'injection d'air frais selon l'invention est sans impact sur le dimensionnement de l'unité finale car une injection d'air frais est de toute façon nécessaire en amont de l'unité 11 de traitement final. Cette injection d'air en amont de l'unité 11 de traitement final sera simplement réduite en proportion du débit d'air frais injecté dans le condenseur. La condensation d'une fraction des vapeurs de brai à 140°C abaisse la concentration en vapeur à 4 g/Nm3, ce qui réduit le débit massique de vapeurs 5 dans le flux 4. Les vapeurs condensées sont récupérées dans le bac 12 de récupération des condensats au niveau du point bas du système. Un brouillard de condensats passe également dans ce bac 12 avant de monter dans un système 13 de 10 récupération de brouillard, par exemple un cyclone, où les gouttelettes du brouillard sont séparées du flux d'air. Sur cette figure, la représentation simplifiée du flux 19 du brouillard de condensat dans le bac n'est évidemment qu'illustrative. Le flux d'air 14 dans lequel ne subsiste qu'une faible portion de gouttelettes de vapeurs de brai remonte ensuite vers le procédé de traitement 15 final. Les condensats récupérés dans le système 13 de récupération de brouillard peuvent par exemple descendent dans le bac de récupération des condensats via un tube plongeur. La zone de condensation est maintenue à 140°C par une double enveloppe 16 20 dans laquelle circule un fluide caloporteur, par exemple de l'huile. Dans cet exemple de réalisation, le fluide caloporteur circule dans une boucle spécifique distincte de celle dans lequel circule le fluide caloporteur de la double enveloppe 17 des tuyauteries de vapeurs de brai en amont et en aval du dispositif selon l'invention. Dans la double enveloppe 17, le fluide caloporteur à 25 une température de 200°C. Selon un autre exemple de réalisation de l'invention, les deux doubles enveloppes 16 et 17 sont alimentées par une même boucle de fluide caloporteur. Une vanne permet de piloter le débit de la fraction de fluide 30 thermique traversant la double enveloppe 16 de sorte de maintenir sa température à 150°C. Les condensats présents dans le bac 12 peuvent soit être ré-évaporés en augmentant la température du fluide caloporteur circulant dans la double 35 enveloppe 16. Par exemple, en faisant circuler dans cette double enveloppe un plein débit de fluide à 200°C circulant dans la double enveloppe des tuyauteries de vapeurs de brai situées en amont et aval du dispositif selon l'invention. Le réchauffement de cette zone entraine alors une évaporation progressive des condensats. Ils peuvent également être directement pompés dans l'un des tanks de stockage de brai au moyen de la pompe 18. Le choix de la température de refroidissement du flux 4 conduit à une condensation plus ou moins importante des vapeurs de brai dans le dispositif selon l'invention du fait de l'évolution de la pression de vapeur saturante du brai dans l'air. Cette température est ajustée en production de sorte d'obtenir un régime de fonctionnement optimum et stable de l'unité finale d'épuration par oxydation thermique catalytique. D'autres moyens peuvent également être utilisés pour porter le flux 4 à épurer à une température permettant la condensation des vapeurs ou ré-évaporer les condensats, notamment un traçage électrique régulé, un chauffage par induction, un soufflage ou une circulation d'air froid ou chaud sur les parois. Ces moyens peuvent également être utilisés pour les phases de nettoyage du dispositif 1. REVENDICATIONS1. Procédé de prétraitement d'un flux d'air (4) à épurer chargé en vapeurs d'hydrocarbures, consistant à réduire la concentration en vapeurs d'hydrocarbures de ce flux d'air, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre en amont d'une unité (11) de traitement final des vapeurs d'hydrocarbures, et en ce qu'il comprend une étape de réduction, dans un dispositif (1) de prétraitement, de la pression de saturation en hydrocarbures dans le flux (4) à épurer de sorte à condenser au moins une partie des vapeurs d'hydrocarbures. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la réduction de la pression de saturation en hydrocarbures dans le flux (4) est obtenue par refroidissement de celui-ci. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement du flux (4) est obtenu par l'injection dans le dispositif (1) de prétraitement d'un fluide (5) avec un débit et à une température adaptés de sorte que la température finale du mélange constitué par le flux (4) à épurer et le fluide (5) soit à la température (T) correspondant à la pression de saturation en hydrocarbures visée. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le fluide (5) est de l'air, de l'eau ou de l'azote. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement du flux (4) à épurer est obtenu par le refroidissement des parois du dispositif (1) par une double enveloppe (16) dans laquelle circule un fluide caloporteur dont la température conduit à ce que la température du flux (4) dans le dispositif (1) soit à la température (T) correspondant à la pression de saturation en hydrocarbures visée. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le refroidissement du flux (4) à épurer est obtenu par la combinaison d'une injection d'un fluide (5) dans le dispositif (1) et du refroidissement des parois du dispositif (1). 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un flux (19), constitué du flux (4) à épurer, ou du mélange constituédu flux (4) à épurer et d'un fluide (5), appauvri en vapeurs d'hydrocarbures, traverse un système (13) de récupération de brouillard avant d'être conduit vers l'unité (11) de traitement final des vapeurs d'hydrocarbures. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, pendant des phases de nettoyage du dispositif (1) de prétraitement, les condensats d'hydrocarbures sont évaporés par échauffement des parois du dispositif (1) de prétraitement. 9. Dispositif (1) de prétraitement d'un flux d'air (4) à épurer chargé en vapeurs d'hydrocarbures, consistant à réduire la concentration en vapeurs d'hydrocarbure de ce flux d'air selon le procédé décrit dans les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (5, 16) de refroidissement du flux (4) à épurer et un bac (12) de rétention des condensats d'hydrocarbures. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un dispositif (13, 20) de récupération de gouttelettes d'hydrocarbures. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif (13, 20) de récupération de gouttelettes d'hydrocarbures est un dévésiculeur, un cyclone ou un précipitateur électrostatique. 12. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il e comprend une double enveloppe (16) dans laquelle circule un fluide caloporteur pour refroidir le flux (4) d'air à épurer.