Nox

NOx : gaz à fort impact environnemental

Les NOx, plus connu sous le nom d’oxyde d’azote, sont des émissions de gaz avec un fort impact environnemental. Afin de limiter cet effet néfaste sur l’environnement, de nouvelles réglementations ont vu le jour ces dernières années.

Les oxydes d’azote (NOx) : définition

Les oxydes d’azote (NOx) se composent de deux molécules : le monoxyde d'azote (NO) et le dioxyde d'azote (NO2). Nous pouvons différencier trois différentes catégories de NOx puisque ce gaz peut se former de trois manières différentes qui sont les suivantes :

1. les NOx combustibles ;
2. les NOx thermiques ;
3. et les NOx précoces.

Les NOx combustibles sont des oxydes d’azote qui se forment à l’issue du processus de combustion de certains combustibles. Les NOx thermiques sont des oxydes d’azote qui se forment lorsque l’oxygène et l’azote subisse une combinaison chimique dans le cadre d’un processus de combustion à très haute température. Quant aux NOx précoces ce sont des oxydes d’azote créés par une combinaison chimique entre des radicaux hydrocarbonés et l’azote présent dans l’air. Ces radicaux hydrocarbonés peuvent être de type CH et CH2, par exemple. A l’issue de la réaction, les NOx fusionnent avec l’oxygène présent dans l’air.

Sachez que depuis les années 2000, les émissions d’oxydes d’azote diminuent de manière constante. Toutefois, l’Union européenne continue de porter une attention toute particulière sur ces émissions de gaz nocives pour la santé et pour l’environnement.

Les sources d’émission des oxydes d’azote

De haute température sont nécessaires à la formation du dioxyde d'azote. Ainsi, dans le secteur industriel (fabrication de ciment, de métaux, de verre, etc.), ce sont principalement des procédés et des installations de combustion qui en produisent le plus. Tous types de combustible favorisent l'apparition de dioxyde d'azote : gaz naturel comme charbon, combustibles liquides fossiles, gaz de procédés et biomasse.

Sachez que ce sont principalement le secteur de l'industrie (combustion industrielle), les transports routiers (combustions automobiles) ainsi que la production d'énergie (combustion thermique) par combustion qui sont les sources d’émission d’oxydes d'azote les plus importantes.

Depuis une vingtaine d'années, de nombreuses mesures sont prises en France, elles sont pourtant insuffisantes. Les mesures prises sont toutefois efficaces, ce qui est positif pour l'avenir. Les émissions causées par les transports routiers ainsi que les industries ont ainsi pu être réduites, sans pour autant répondre aux engagements internationaux prévus dans les textes de loi de 2012 et de 2016.

Les impacts des oxydes d'azote

Les oxydes d’azote ont des impacts sur la santé et sur l’environnement. En effet, il s’agit d’un gaz irritant qui provoque des difficultés respiratoires. Ce gaz vient en effet attaquer les ramifications les plus fines des voies respiratoires et les personnes sensibles peuvent même être victime d’une hyperréactivité bronchique à cause des oxydes d’azote. Chez l’enfant, les impacts sur la santé peuvent également être très négatifs puisqu’ils rendent leurs bronches plus sensibles aux infections. Sachez que les NOx sont extrêmement toxiques, bien plus que le monoxyde de carbone (CO).

Quant aux impacts sur l’environnement, ils ont pour conséquences d'augmenter la formation d'ozone au niveau de la troposphère, c'est-à-dire au niveau des couches basses de l'atmosphère. Cela est notamment causé par les rayonnements solaires. Les composés organiques volatiles auxquels le dioxyde d’azote vient se mélanger sont aussi à prendre en compte.
De plus, l'autre problème environnemental causé par les NOx se révèle être sa favorisation de la formation des retombées acides. L'acidification de l'environnement est un véritable problème environnemental dont les conséquences se font principalement ressentir au niveau des bâtiments et de la végétation. Les retombées acides sont notamment responsables du dépérissement des forêts.
Les NOx participent également à l’eutrophisation des écosystèmes. Ils sont aussi responsables des particules fines présentes dans l'air ambiant.

Les normes sanitaires sont encore difficilement respectées en France. En effet, si une amélioration notable peut être observée, les taux de dioxyde d'azote rejetés sont encore trop élevés.

Comment mesurer les émissions de NOx ?

Les NOx se composent en fait de monoxyde d’azote (NO) et de dioxyde d’azote (NO2). Si l’on parle davantage des NO2 c’est parce que leur inhalation est particulièrement toxique. Pourtant, on comptabilise moins de 3 % de dioxyde d’azote dans les NOx. Afin de réduire les émissions de NOX, il est devenu obligatoire aux fabricants d’indiquer sur les différents modèles de brûleurs la mesure des émissions de l’appareil.

Une optimisation du parcours du gaz est nécessaire pour certains modèles de chaudières afin qu’ils répondent parfaitement aux exigences d’aujourd’hui. Ainsi, pour répondre aux critères “bas NOx”, les chaudières au fioul doivent avoir un indice de suie situé entre 0 et 1 et les chaudières au gaz doivent avoir un CO (monoxyde de carbone) inférieur à 500 ppm dans les gaz non-dilués.

Réglementation visant à limiter les émissions de NOx

Afin de limiter les émissions d’oxydes d’azote sur le territoire européen, des dispositions réglementaires ont été mises en place sur l’ensemble des pays d’Europe. Les principaux textes de loi relatifs à la réduction des émissions de NOx sont :

• les textes réglementant les actions mises en place pour limiter les émissions d’oxydes d’azote :
  • la Directive 2001/81/CE du Parlement européen et du Conseil du 23 octobre 2001 fixant des plafonds d'émission nationaux pour certains polluants atmosphériques (également appelée directive NEC) ;
  • et le Protocole de Göteborg (amendement au protocole de 1999 relatif à la réduction de l'acidification, de l'eutrophisation et de l'ozone troposphérique).
• le texte imposant des limites d’émission de NOx pour différents secteurs industriels :
  • l’arrêté du 2 février 1998.

Si l’impact environnementale des émissions d’oxydes d’azote est une préoccupation si importante, c’est parce que le rejet de NOx contribue :

1. au dérèglement climatique ;
2. et à l’effet de serre.

Ainsi, la directive sur les émissions industrielles (directive IED) rappelle que les meilleures techniques et technologies possibles doivent être mises en place afin de réduire les émissions d’oxydes d’azote. Ces techniques sont répertoriées dans des documents sectoriels de référence appelés « document BREF » faisant l’inventaire des différentes préconisations sur les rejets de NOx.

Particuliers : installez une chaudière gaz bas NOx

Le secteur industriel n’est pas le seul responsable des émissions d’oxydes d’azote en France et en Europe, les particuliers aussi peuvent réduire leurs émissions de NOx. Pour cela, ils peuvent choisir d’installer une chaudière bas NOx à leur domicile. En effet, les chaudières à combustion sont toutes responsables de rejet d’oxydes d’azote dans l’air. Pour limiter les rejets nocifs pour la santé et l’environnement causés par la combustion nécessaire au fonctionnement des chaudières, il est possible d’opter pour une chaudière gaz dite « Bas Nox ». Ce sont des chaudières relativement récentes conçues par les fabricants de chauffage qui essaient de développer des appareils plus respectueux de l’environnement.

Le principe de fonctionnement d’une chaudière gaz bas NOx

Pour réduire les émissions d’oxydes d’azote des chaudières gaz, les fabricants ont modifié le fonctionnement du brûleur afin que la combustion se réalise à une température beaucoup plus basse que sur les anciens modèles. Pour cela, le brûleur retarde le moment où l’air et le gaz vont se mélanger. Cette solution est relativement efficace puisque les émissions de NOx sont réduites de 90 %.

Un appareil beaucoup moins polluant

Une chaudière gaz bas NOx est un système de chauffage et de production d’eau chaude sanitaire beaucoup moins polluant que les anciens modèles. Il s’agit d’un appareil qui répond aux exigences de la directive ErP (en anglais Energy Related Products) : réglementation européenne en vigueur depuis septembre 2015. Cette dernière impose un rendement saisonnier 86 % meilleur que les anciennes chaudières gaz. De plus, applicable depuis septembre 2018, cette directive prévoit également que leur taux d'émission d'oxydes d'azote doit être inférieur à 56mg/kWh.

Sachez que les chaudières à condensation respectent les préconisations de cette directive. Toutefois, les chaudières basse température ne répondent pour le moment pas à ces exigences.

Entreprises : maîtrisez les émissions de NOx

Pour réduire leurs émissions d'oxydes d'azote, les entreprises et les industries peuvent mettre plusieurs techniques en place en commençant par limiter cette émission à sa source. Toutefois, chaque solution existant aujourd’hui possède des avantages et des inconvénients. Ainsi, il faut prendre en compte les caractéristiques des installations industrielles afin de choisir la solution la plus adaptée pour réduire ou traiter les oxydes d’azote émis. Des recherches sont en cours pour générer de nouvelles technologies (dont certaines sont d’ores-et-déjà en développement) pour aider les entreprises et les industries à réduire leurs émissions de NOx.

Le principe de fonctionnement de la réduction à la source

La première solution technique pouvant actuellement être mise en place par les entreprises et les industries est la réduction à la source des émissions d’oxydes d’azote. Différentes techniques peuvent être mises en place pour obtenir ce résultat, notamment :

1. la technique de la combustion étagée ;
2. la technique de recirculation des gaz de combustion ;
3. la technique de combustion à basse température en lit fluidisé ;
4. le procédé d’oxycombustion ;
5. et le procédé de combustion sans flamme.

Combustion étagée ou recirculation des gaz de combustion

La première technique, celle de la combustion étagée, repose sur un principe d’étagement de l’air de combustion et d’étagement du combustible. Si elle est efficace, la technique de la combustion étagée comporte également des inconvénients. En effet, il reste des imbrûlés solides et du monoxyde de carbone (CO) se forme forcément. Sachez qu’avec la technique de recirculation des gaz de combustion, la consommation d’énergie est l’un des principaux inconvénients puisqu’elle est particulièrement importante.

Il est possible de mettre en place cette technique de combustion étagée ou cette technique de recirculation des gaz de combustion au niveau du brûleur, on parle alors de brûleur bas NOx. Les caractéristiques de chaque installation doivent toujours être prises en compte, tout comme le combustible utilisé. Toutefois, sachez que les brûleurs bas NOx seconde génération développée sont désormais capables de parvenir à une efficacité comprise entre 40 et 60 %.
Veuillez toutefois noter que ces chiffres ne seront pas bons si des combustibles non commerciaux sont utilisés pour la combustion. En effet, ces derniers sont particulièrement chargés en hydrogène ou en azote, ce qui fait grandement varier les performances des brûleurs bas NOx.

Combustion à basse température en lit fluidisé

La combustion à basse température en lit fluidisé est une alternative qui permet de traiter les combustibles solides. Il s’agit également d’une technique de réduction à la source des émissions de NOx. Le lit caractérise le matériau inerte (ou désulfurant) qui assure une température homogène et permet un bon transfert de chaleur. L’efficacité de cette technique est comprise entre 50 et 70 %. Toutefois, comme les solutions précédentes, celle-ci présente des inconvénients. Ainsi, la combustion à basse température en lit fluidisé est propice à la formation de protoxyde d'azote (N2O).

Les solutions en développement

De nombreux travaux de recherche sur la réduction des émissions d’oxydes d’azote sont actuellement en cours. Ces technologies émergentes portent notamment sur le procédé d’oxycombustion et le procédé de combustion sans flamme.

Le procédé d’oxycombustion est une technique permettant de remplacer l’air comburant par un oxygène extrêmement pur. Cette solution a bout objectif de réduire considérablement le volume des fumées produit par la combustion. Les émissions de NOx thermiques sont ainsi réduites et le CO2 est fortement concentré, ce qui permet de le capter plus facilement pour qu’il soit ensuite stocké.

Le procédé de combustion sans flamme se base sur le principe de la dilution du comburant, du combustible et des produits de combustion. Pour cela, les géométries de la chambre de combustion et du brûleur doivent donc être modifiées. Les températures deviennent plus homogènes dans la zone réactionnelle ce qui permet de réduire sensiblement la formation de NOx.

Les différentes techniques de traitement des oxydes d'azote

Pour réduire les émissions de NOx, il existe des techniques de réduction et des techniques de recombustion. Cette dernière est également appelée la technique du reburning. Son principe de fonctionnement se base sur l’utilisation d’hydrocarbures dans les zones légèrement oxydantes afin de réduire les NO. Il est pour cela nécessaire de prendre en compte différents paramètres comme la nature de ce combustible secondaire et la température de la zone de recombustion. D’autres critères comme la concentration initiale en NO, la concentration en O2 dans la zone de recombustion ou encore l’homogénéité du mélange entre les fumées et le combustible secondaire et le temps de séjour dans la zone de recombustion sont également des éléments importants à prendre en compte.

Malgré tout, la technique de recombustion implique souvent la surconsommation du combustible secondaire ce qui a pour conséquence la formation d’émissions de cyanure d'hydrogène (HCN) ou de NH3. Sachez toutefois que selon la quantité d’hydrocarbures utilisée, le rendement de cette technique peut dépasser les 50 %.

La première technique, la technique de réduction des émissions d’oxydes d’azote consiste en la production de vapeur d’eau et de dioxyde gazeux afin de réduire la formation de monoxyde d'azote (NO) et dioxyde d'azote (NO2) dans les zones avec oxygène. Pour se faire, il existe plusieurs solutions qui fonctionnent à différents niveaux de température :

1. la réduction catalytique sélective (SCR) ;
2. et la réduction sélective non catalytique (SNCR).

Dans les deux cas, les agents réducteurs les plus souvent utilisés sont l’ammoniac (NH3) et l’urée (CO(NH2)2). Dans le cas de la réduction catalytique sélective (SCR), l’agent réducteur choisi est injecté dans les fumées du réacteur à l’endroit où le catalyseur est installé. Une fois vaporisé, l’agent de réduction vient se mélanger à l’air. Il est ensuite injecté dans les fumées où il permet la réduction des NOx. Ce processus permet d’augmenter la production de vapeur d’eau et de dioxyde gazeux. La réduction fonctionne alors à un niveau de température de 300 °C.

Dans le cas de la réduction sélective non catalytique (SNCR), la réduction se fait à un niveau de température de 950 °C environ. Le principe de fonctionnement de cette technique est légèrement différent puisque la méthode agit sans catalyseur. Toutefois, comme le précédent mode de fonctionnement, l’agent réducteur choisi est directement injecté dans les fumées. Le rendement de cette solution est moins bon et est également la cause de la production de NH3