Traitement des gaz de combustion

Le traitement des fumées ne résout pas un polluant unique mais un mélange de gaz acides : SO₂ et SO₃ dominent en chaudière charbon et biomasse, HCl et HF dominent en incinération de déchets, et dans les fours verriers et céramiques les deux coexistent dans un rapport variable. Tous peuvent être captés par un sorbant calcique — mais pas à la même dose, ni à la même finesse, ni dans la même fenêtre de température.

L'injection de sorbant sec ou semi-sec s'est imposée sur les installations de taille moyenne : pas d'effluent liquide, investissement plus faible, pas de réchauffage des fumées. Le vrai problème d'ingénierie n'y est pas chimique mais de contact : la réaction entre un grain de chaux éteinte et une molécule de gaz ne se produit que sur la surface externe et dans les pores ouverts du grain, et doit s'achever en quelques secondes.

C'est pourquoi la pureté chimique du sorbant passe au second plan dans une ligne de traitement des fumées ; ce qui décide, c'est la surface spécifique BET, le volume poreux et la distribution granulométrique. L'approche de VisneChem consiste à traiter les propriétés du sorbant, le rapport stœchiométrique Ca/S et la température d'approche comme une seule fenêtre de fonctionnement. Modifier l'une de ces trois variables indépendamment des autres augmente le plus souvent la consommation sans abaisser les émissions autant qu'espéré.

Lorsqu'un grain de Ca(OH)₂ rencontre SO₂, il se forme en surface une couche de CaSO₃·½H₂O ; avec HCl, une couche saline à base de chlorure de calcium. Le volume molaire de cette couche de produit est supérieur à celui du réactif : elle obture les bouches de pores et arrête la diffusion du gaz vers le cœur du grain. Conséquence : une part importante du calcium injecté rejoint les cendres du filtre sans avoir réagi. Ce n'est pas une mauvaise conduite d'installation mais la conséquence du mécanisme réactionnel ; l'objectif n'est pas 100 % de conversion mais l'abattement visé à un rapport Ca/S acceptable.

La deuxième limite est le temps de séjour. Le contact en gaine est typiquement de 1 à 3 secondes ; à 15–20 m/s de vitesse de gaz, cela ne représente que 20 à 50 mètres entre le point d'injection et le filtre. La conversion complète y est impossible. L'essentiel de l'abattement réel — 50 à 80 % dans la plupart des installations — se produit dans le gâteau accumulé sur le filtre à manches, où le temps de contact passe à l'ordre de la minute. La fréquence de décolmatage, le rapport air/tissu et l'épaisseur de gâteau sont donc des paramètres chimiques, pas seulement des paramètres de dépoussiérage.

La température resserre la fenêtre par les deux bouts. En injection sèche, Ca(OH)₂ se déshydrate en CaO au-delà d'environ 400 °C et perd sa réactivité avec l'effondrement de sa porosité ; en dessous de 140 °C, SO₃ et vapeur d'eau approchent le point de rosée acide et la corrosion démarre en gaine et au filtre. En semi-sec, le paramètre déterminant n'est pas la température absolue mais l'écart à la température de saturation adiabatique (ΔT). La plage usuelle est 15–30 K : plus ΔT se resserre, plus l'abattement monte — et plus les risques de collage, d'agglomération et de perte de charge augmentent.

Le chiffre le plus trompeur est le pourcentage de Ca(OH)₂ du certificat d'analyse. Deux chaux hydratées peuvent titrer 94 % l'une comme l'autre ; si l'une présente 16 m²/g de surface BET et l'autre 38 m²/g, la dose nécessaire au même abattement diffère de près du double. Deuxième piège : la condition de référence de la valeur d'émission. Si le résultat SO₂ n'est pas ramené sur gaz sec et corrigé à la bonne référence O₂ (6 % en combustion charbon, 11 % en incinération de déchets), l'air de dilution parasite embellit le chiffre à lui seul. Un analyseur sans contrôle de dérive QAL3 selon EN 14181 glisse silencieusement en quelques mois, et le dosage se règle alors sur ce chiffre dérivé.

Le matériau standard de l'injection sèche est la chaux hydratée (Ca(OH)₂, généralement classe CL 90-S selon EN 459-1). Elle est transportée pneumatiquement depuis le silo et injectée directement en gaine ; ni ligne d'eau, ni pompe à suspension, ni agitateur, ni traitement d'effluent. Avec un hydrate standard, le rapport molaire Ca/S typique pour 85–95 % d'abattement SO₂ se situe entre 1,8 et 3,0. Pour abaisser ce rapport, la voie n'est pas plus de chaux mais une meilleure surface.

Un hydrate à surface développée (BET 30–45 m²/g, volume poreux 0,15–0,20 cm³/g) atteint le même abattement à Ca/S 1,3–1,8. Son prix à la tonne dépasse celui de l'hydrate standard, mais la baisse de consommation réduit à la fois la dépense totale en réactif et le volume de résidus à évacuer. La bonne décision se prend sur la somme prix chaux + coût d'élimination des résidus ; comparer les seuls prix à la tonne mène la plupart des sites à la mauvaise conclusion.

Sur une ligne semi-sèche à absorbeur-sécheur par atomisation (SDA), le sorbant est alimenté en lait de chaux. Produire ce lait sur site à partir de chaux vive revient moins cher par mole de Ca que d'acheter de l'hydrate prêt ; mais la granulométrie et la surface du Ca(OH)₂ issu de l'extincteur dépendent entièrement des conditions d'extinction. Sans maîtrise de la température d'eau d'extinction, du rapport eau/chaux et de la réactivité du CaO (essai t₆₀ de EN 459-2), une même matière première donne des laits de qualité très variable et le dosage devient instable.

En chaudière à lit fluidisé circulant, le sorbant est introduit directement dans le lit sous forme de carbonate de calcium naturel. La fenêtre de calcination y est étroite : entre 820 et 870 °C, CaCO₃ se décompose et libère un CaO poreux ; au-delà de 900 °C, le frittage referme la porosité et le rapport Ca/S grimpe vite. La même matière alimente aussi les laveurs humides, mais les paramètres directeurs y sont la vitesse de dissolution et le niveau d'impuretés — MgO et insolubles acides surtout — et non la surface spécifique.

La finesse est le paramètre commun aux deux voies : en injection sèche on vise un D50 de 4–8 µm et un D97 inférieur à 40 µm. La fraction au-dessus de 40 µm ne réagit pratiquement pas ; elle n'ajoute que de la charge au filtre et du volume de résidus. La granulométrie se mesure par diffraction laser selon ISO 13320 et la surface par BET selon ISO 9277 ; sans ces deux chiffres, deux sorbants ne se comparent pas. Comme la chaux libre non réagie dans les cendres du filtre atteint typiquement 40–60 %, leur recyclage réduit de 20 à 40 % la consommation de sorbant frais — pratique également courante sur les lignes d'agglomération et de four à arc électrique.