Les polluants rejetés sont principalement des brouillards de peinture et des solvants organiques issus de la pulvérisation de peinture, ainsi que des solvants organiques produits par volatilisation lors du séchage. Les brouillards de peinture proviennent essentiellement de la pulvérisation de solvants et leur composition est liée à celle du revêtement utilisé. Les solvants organiques proviennent principalement des solvants et diluants utilisés lors de l'application des revêtements ; il s'agit majoritairement d'émissions volatiles, dont les principaux polluants sont le xylène, le benzène et le toluène. Par conséquent, la principale source de gaz nocifs rejetés lors de l'application du revêtement est la cabine de pulvérisation, la salle de séchage et la chambre de séchage.
1. Méthode de traitement des gaz résiduaires d'une chaîne de production automobile
1.1 Schéma de traitement des gaz résiduaires organiques lors du processus de séchage
Les gaz rejetés par les chambres de séchage des procédés d'électrophorèse, de revêtement intermédiaire et de revêtement de surface sont des gaz résiduaires à haute température et à forte concentration, adaptés à l'incinération. Actuellement, les méthodes de traitement des gaz résiduaires couramment utilisées lors du séchage comprennent : l'oxydation thermique régénérative (RTO), la combustion catalytique régénérative (RCO) et l'incinération thermique avec récupération des VNI.
1.1.1 Technologie d'oxydation thermique de type stockage thermique (RTO)
L'oxydateur thermique (oxydateur thermique régénératif, RTO) est un appareil écoénergétique et respectueux de l'environnement, conçu pour le traitement des gaz résiduaires organiques volatils (GVO) à concentration faible ou moyenne. Adapté aux volumes importants et aux faibles concentrations de GVO, il convient aux concentrations comprises entre 100 ppm et 20 000 ppm. Son coût d'exploitation est faible : au-delà de 450 ppm, l'oxydateur RTO ne nécessite aucun ajout de combustible auxiliaire. Son taux de purification est élevé : plus de 98 % pour un RTO à deux lits et plus de 99 % pour un RTO à trois lits, sans émission de NOx. Il est automatisé, simple d'utilisation et offre une sécurité optimale.
Le dispositif d'oxydation thermique régénérative utilise l'oxydation thermique pour traiter les gaz résiduaires organiques de concentration moyenne à faible, et un échangeur de chaleur à lit de stockage céramique permet de récupérer la chaleur. Il se compose d'un lit de stockage céramique, d'une vanne de régulation automatique, d'une chambre de combustion et d'un système de contrôle. Ses principales caractéristiques sont les suivantes : la vanne de régulation automatique située à la base du lit de stockage est reliée respectivement aux conduites d'admission et d'échappement ; le lit de stockage est alimenté par un matériau de stockage céramique qui absorbe et restitue la chaleur ; les gaz résiduaires organiques préchauffés à une température donnée (760 °C) sont oxydés dans la chambre de combustion pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau, puis purifiés. La structure principale d'un dispositif RTO à deux lits comprend une chambre de combustion, deux lits de stockage céramiques et quatre vannes de commutation. L'échangeur de chaleur à lit de stockage céramique régénératif intégré au dispositif permet une récupération de chaleur supérieure à 95 %. Le traitement des gaz résiduaires organiques ne nécessite que peu ou pas de combustible.
Avantages : En cas de débit élevé et de faible concentration de gaz résiduaires organiques, les coûts d'exploitation sont très faibles.
Inconvénients : investissement initial élevé, température de combustion élevée, ne convient pas au traitement des gaz résiduaires organiques à forte concentration, comporte de nombreuses pièces mobiles, nécessite un entretien plus fréquent.
1.1.2 Technologie de combustion catalytique thermique (RCO)
Le dispositif de combustion catalytique régénérative (oxydant catalytique régénératif RCO) est directement appliqué à la purification des gaz résiduaires organiques de concentration moyenne à élevée (1 000 à 10 000 mg/m³). La technologie de traitement RCO est particulièrement adaptée aux exigences élevées en matière de récupération de chaleur, mais convient également aux lignes de production identiques où la composition et la concentration des gaz résiduaires varient souvent selon les produits. Elle est particulièrement adaptée aux besoins de récupération d'énergie thermique des entreprises ou au traitement des gaz résiduaires des lignes de séchage. L'énergie récupérée peut être utilisée dans ces lignes, permettant ainsi des économies d'énergie.
La technologie de traitement par combustion catalytique régénérative repose sur une réaction typique en phase gaz-solide, correspondant à l'oxydation poussée d'espèces réactives de l'oxygène. Lors de cette oxydation catalytique, l'adsorption des molécules réactives à la surface du catalyseur permet leur concentration. L'effet du catalyseur, en réduisant l'énergie d'activation, accélère la réaction d'oxydation et en augmente la vitesse. Sous l'action d'un catalyseur spécifique, la matière organique subit une combustion oxydative complète à basse température (250-300 °C), se décomposant en dioxyde de carbone et en eau, et libérant une importante quantité d'énergie thermique.
Le dispositif RCO se compose principalement d'un corps de four, d'un corps de stockage de chaleur catalytique, d'un système de combustion, d'un système de contrôle automatique, d'une vanne automatique et de plusieurs autres systèmes. Lors du processus de production industrielle, les gaz d'échappement organiques pénètrent dans la vanne rotative de l'équipement par l'intermédiaire d'un ventilateur d'extraction. Les gaz d'entrée et de sortie sont ainsi complètement séparés. Le stockage et l'échange thermique des gaz permettent d'atteindre une température proche de celle définie par l'oxydation catalytique de la couche catalytique. Les gaz d'échappement continuent de se réchauffer dans la zone de chauffage (par chauffage électrique ou au gaz naturel) et se maintiennent à cette température. Ils pénètrent ensuite dans la couche catalytique pour y achever la réaction d'oxydation catalytique, qui génère du dioxyde de carbone et de l'eau, et libère une grande quantité d'énergie thermique, permettant ainsi d'obtenir le traitement souhaité. Les gaz issus de l'oxydation catalysée pénètrent dans la couche de matériau céramique 2, et l'énergie thermique est évacuée dans l'atmosphère par la vanne rotative. Après purification, la température des gaz d'échappement est légèrement supérieure à celle initiale. Le système fonctionne en continu et s'arrête automatiquement. Grâce au fonctionnement de la vanne rotative, toutes les couches de remplissage en céramique achèvent les étapes cycliques de chauffage, de refroidissement et de purification, et l'énergie thermique peut être récupérée.
Avantages : procédé simple, équipement compact, fonctionnement fiable ; efficacité de purification élevée, généralement supérieure à 98 % ; basse température de combustion ; faible investissement initial, faibles coûts d’exploitation, efficacité de récupération de chaleur généralement supérieure à 85 % ; procédé sans production d’eaux usées, le procédé de purification ne génère pas de pollution secondaire par les NOx ; l’équipement de purification RCO peut être utilisé avec la chambre de séchage, le gaz purifié pouvant être directement réutilisé dans la chambre de séchage, permettant ainsi des économies d’énergie et une réduction des émissions.
Inconvénients : le dispositif de combustion catalytique ne convient qu’au traitement des gaz résiduaires organiques à faible point d’ébullition et à faible teneur en cendres ; il ne convient pas au traitement des gaz résiduaires contenant des substances collantes telles que les fumées huileuses et nécessite l’empoisonnement du catalyseur ; la concentration des gaz résiduaires organiques est inférieure à 20 %.
1.1.3TNV Système d'incinération thermique de type recyclage
Le système d'incinération thermique à recyclage (TNV) utilise la combustion directe de gaz ou de combustible pour chauffer les gaz résiduaires contenant des solvants organiques. Sous l'effet de la haute température, les molécules de solvant organique s'oxydent et se décomposent en dioxyde de carbone et en eau. Les fumées à haute température sont ensuite utilisées, via un dispositif de transfert de chaleur multi-étages, pour chauffer le procédé de production nécessitant de l'air ou de l'eau chaude. Ce système permet de recycler intégralement l'énergie thermique issue de l'oxydation des gaz résiduaires organiques, réduisant ainsi la consommation énergétique globale. Le système TNV constitue donc une solution efficace et idéale pour le traitement des gaz résiduaires contenant des solvants organiques lorsque le procédé de production requiert une importante quantité d'énergie thermique. Pour les nouvelles lignes de production de revêtements de peinture électrophorétique, le système d'incinération thermique à récupération TNV est généralement adopté.
Le système TNV se compose de trois parties : un système de préchauffage et d'incinération des gaz résiduaires, un système de chauffage de l'air de circulation et un système d'échange thermique avec de l'air frais. L'élément central du système, le dispositif de chauffage pour l'incinération des gaz résiduaires, est constitué d'un corps de four, d'une chambre de combustion, d'un échangeur de chaleur, d'un brûleur et d'une vanne de régulation des fumées principales. Son fonctionnement est le suivant : un ventilateur à haute pression aspire les gaz résiduaires organiques provenant de la salle de séchage. Après préchauffage par l'échangeur de chaleur intégré du dispositif de chauffage pour l'incinération, ces gaz sont acheminés vers la chambre de combustion, puis chauffés par le brûleur à haute température (environ 750 °C) pour l'oxydation et la décomposition des gaz résiduaires organiques en dioxyde de carbone et en eau. Les fumées à haute température ainsi produites sont évacuées du four par l'échangeur de chaleur et la conduite principale des fumées. Ces fumées réchauffent l'air de circulation dans la salle de séchage, fournissant ainsi l'énergie thermique nécessaire à son fonctionnement. Un dispositif de transfert de chaleur avec de l'air frais, situé en sortie du système, permet de récupérer la chaleur résiduelle pour une valorisation finale. L'air frais provenant de la chambre de séchage est chauffé par les gaz de combustion avant d'être insufflé dans cette dernière. De plus, une vanne de régulation électrique installée sur la conduite principale des gaz de combustion permet d'ajuster la température de ces gaz à la sortie de l'appareil, et de maintenir leur température finale à environ 160 °C.
Les caractéristiques du dispositif de chauffage central par incinération des gaz résiduaires sont les suivantes : le temps de séjour des gaz résiduaires organiques dans la chambre de combustion est de 1 à 2 s ; le taux de décomposition des gaz résiduaires organiques est supérieur à 99 % ; le taux de récupération de chaleur peut atteindre 76 % ; et le rapport de réglage de la puissance du brûleur peut atteindre 26 : 1, voire 40 : 1.
Inconvénients : le coût d’exploitation est plus élevé lors du traitement de gaz résiduaires organiques à faible concentration ; l’échangeur de chaleur tubulaire ne fonctionne qu’en continu et a donc une longue durée de vie.
1.2 Schéma de traitement des gaz résiduaires organiques dans la cabine de peinture et la salle de séchage
Les gaz rejetés par la cabine de peinture et la salle de séchage sont des gaz résiduaires à faible concentration, à débit élevé et à température ambiante. Leur composition principale est constituée d'hydrocarbures aromatiques, d'éthers alcooliques et d'esters de solvants organiques. Actuellement, la méthode la plus répandue à l'étranger consiste en deux étapes : une première concentration des gaz résiduaires organiques afin de réduire leur quantité totale, suivie d'une adsorption (sur charbon actif ou zéolite) des gaz d'échappement à faible concentration et à température ambiante, puis d'un dégazage à haute température et d'une concentration des gaz d'échappement par combustion catalytique ou combustion thermique régénérative.
1.2.1 Dispositif d'adsorption-désorption et de purification sur charbon actif
Utilisant du charbon actif alvéolaire comme adsorbant, ce système combine les principes de purification par adsorption, de régénération par désorption et de concentration des COV avec la combustion catalytique. Un volume d'air élevé et une faible concentration de gaz résiduaires organiques sont ainsi obtenus grâce à l'adsorption sur charbon actif alvéolaire, permettant la purification de l'air. Lorsque le charbon actif est saturé, il est régénéré à l'air chaud. Les matières organiques concentrées désorbées sont envoyées vers le lit de combustion catalytique pour y être oxydées en dioxyde de carbone et en eau, deux substances inoffensives. Les gaz d'échappement chauds ainsi produits réchauffent l'air froid via un échangeur de chaleur. Une partie des gaz de refroidissement est rejetée après cet échange thermique, tandis qu'une autre partie sert à la régénération du charbon actif alvéolaire par désorption. Ce procédé permet la valorisation de la chaleur résiduelle et des économies d'énergie. L'ensemble du dispositif comprend un préfiltre, un lit d'adsorption, un lit de combustion catalytique, un dispositif ignifuge, un ventilateur, des vannes, etc.
Le dispositif de purification par adsorption-désorption sur charbon actif est conçu selon les principes de l'adsorption et de la combustion catalytique. Fonctionnant en continu sur un double circuit de gaz, il utilise alternativement une chambre de combustion catalytique et deux lits d'adsorption. Dans un premier temps, les gaz résiduaires organiques sont adsorbés sur le charbon actif. Lorsque celui-ci atteint rapidement la saturation, l'adsorption est arrêtée et un flux d'air chaud est utilisé pour séparer la matière organique du charbon actif et le régénérer. La matière organique ainsi concentrée (plusieurs dizaines de fois supérieure à sa concentration initiale) est envoyée dans la chambre de combustion catalytique où elle est transformée en dioxyde de carbone et en vapeur d'eau. Lorsque la concentration des gaz résiduaires organiques dépasse 2 000 ppm, la combustion spontanée se poursuit dans le lit catalytique sans chauffage externe. Une partie des gaz de combustion est rejetée dans l'atmosphère, tandis que la majeure partie est envoyée au lit d'adsorption pour la régénération du charbon actif. Ce processus permet de couvrir les besoins en énergie thermique de la combustion et de l'adsorption, et ainsi de réaliser des économies d'énergie. Le charbon régénéré peut ensuite être soumis à un nouveau cycle d'adsorption. Lors de la désorption, l'opération de purification peut être réalisée par un autre lit d'adsorption, adapté aussi bien à un fonctionnement continu qu'à un fonctionnement intermittent.
Performances et caractéristiques techniques : fonctionnement stable, structure simple, sécurité et fiabilité, économies d’énergie et de main-d’œuvre, absence de pollution secondaire. L’équipement est compact et léger, idéal pour une utilisation à grande échelle. Le lit de charbon actif adsorbe les gaz résiduaires organiques. Ces gaz, issus de la combustion catalytique, sont régénérés par stripping et envoyés dans la chambre de combustion catalytique pour y être purifiés. Ce procédé ne nécessite aucune énergie externe, ce qui permet des économies d’énergie significatives. Son principal inconvénient réside dans la faible quantité de charbon actif et son coût d’exploitation élevé.
1.2.2 Dispositif de purification par adsorption-désorption à roue de transfert de zéolite
Les principaux composants de la zéolite sont le silicium et l'aluminium. Grâce à leur capacité d'adsorption, elles peuvent être utilisées comme adsorbants. Le dispositif de filtration sur zéolite exploite les caractéristiques de sa porosité spécifique, permettant l'adsorption et la désorption des polluants organiques. Ainsi, même pour les gaz d'échappement contenant des COV à faible ou forte concentration, il est possible de réduire les coûts d'exploitation des équipements de traitement final. Ce dispositif est particulièrement adapté au traitement de débits importants, de faibles concentrations et de composés organiques variés. Son principal inconvénient réside dans le coût initial élevé de l'investissement.
Le dispositif d'adsorption-purification à zéolite est un système de purification des gaz capable d'effectuer en continu des opérations d'adsorption et de désorption. Les deux faces de la roue de zéolite sont divisées en trois zones par un dispositif d'étanchéité spécifique : une zone d'adsorption, une zone de désorption (régénération) et une zone de refroidissement. Le système fonctionne comme suit : la roue de zéolite tourne en continu à faible vitesse, assurant la circulation des gaz à travers les zones d'adsorption, de désorption (régénération) et de refroidissement. Lorsque les gaz d'échappement, faiblement concentrés et à faible débit, traversent en continu la zone d'adsorption, les COV qu'ils contiennent sont adsorbés par la zéolite de la roue. Après adsorption et purification, ils sont directement rejetés. Le solvant organique adsorbé par la roue est ensuite envoyé vers la zone de désorption (régénération) grâce à la rotation de celle-ci. Un faible volume d'air chaud traverse alors en continu cette zone, régénérant les COV adsorbés. Les gaz d'échappement contenant des COV sont évacués avec l'air chaud. La roue, située dans la zone de refroidissement, permet une réadsorption grâce à la rotation constante de la roue. Ce cycle d'adsorption, de désorption et de refroidissement assure le fonctionnement continu et stable du traitement des gaz résiduaires.
Le dispositif de traitement à la zéolite est essentiellement un concentrateur. Les gaz d'échappement contenant des solvants organiques sont divisés en deux parties : de l'air propre pouvant être rejeté directement et de l'air recyclé fortement chargé en solvants organiques. Cet air propre, rejeté directement et recyclé dans le système de ventilation de la climatisation, présente une concentration en COV environ dix fois supérieure à celle mesurée avant son entrée dans le système. Les gaz concentrés sont traités par incinération à haute température grâce à un système d'incinération thermique de récupération des COV (ou un autre équipement). La chaleur générée par l'incinération sert au chauffage de la chambre de séchage et au chauffage du procédé de traitement à la zéolite. Cette énergie thermique est pleinement exploitée, permettant ainsi des économies d'énergie et une réduction des émissions.
Performances et caractéristiques techniques : structure simple, maintenance aisée, longue durée de vie ; efficacité d’absorption et de désorption élevée, convertissant les gaz résiduaires à volume d’air élevé et faible concentration en COV en gaz résiduaires à faible volume d’air et forte concentration, réduisant ainsi le coût des équipements de traitement final ; perte de charge extrêmement faible, permettant une réduction significative de la consommation d’énergie ; conception modulaire et optimisée pour un encombrement minimal, avec un mode de fonctionnement continu et automatisé ; conforme aux normes d’émission nationales ; adsorbant : zéolite incombustible, pour une utilisation plus sûre ; inconvénient : investissement initial élevé.
Date de publication : 3 janvier 2023
