Au lieu de consacrer des unités distinctes à différentes matières premières, le cotraitement moderne intègre des flux tels que les matières plastiques usagées, les huiles dérivées de la biomasse et les fractions brutes classiques dans un seul train de production flexible. Cette intégration offre des avantages opérationnels importants : elle améliore l'efficacité globale des ressources, réduit l'empreinte carbone des produits finis et renforce la résilience économique face aux marchés volatils des matières premières. À mesure que la pression réglementaire s'accroît et que les objectifs de durabilité des entreprises se resserrent, la capacité de co-transformer divers intrants est passée d'une capacité de niche à une priorité stratégique essentielle pour les producteurs de produits pétrochimiques prospectifs.

Qu'est-ce que la co-processing?

Dans un contexte pétrochimique, cela signifie généralement la combinaison d'hydrocarbures fossiles avec des matières renouvelables ou recyclées, comme l'huile de pyrolyse provenant de matières plastiques résiduaires, l'huile végétale hydrotraitée (HVO) ou les biohuiles dérivées de la lignine, dans un cracker catalytique liquide (FCC), un hydrocraqueur ou un hydrotraitement. Le principe fondamental est que le système de catalyseur et les conditions de procédé existants peuvent accueillir un certain pourcentage de matières premières de remplacement sans nécessiter une unité en aval dédiée.

Contexte historique

Le concept n'est pas tout à fait nouveau; les raffineries ont depuis longtemps mélangé différentes catégories de matières brutes ou de flux intermédiaires pour répondre aux spécifications du produit. Ce qui distingue le cotraitement moderne, c'est l'introduction délibérée de matières premières non traditionnelles pour atteindre les objectifs de durabilité.Les premiers essais réalisés dans les années 2000 ont démontré que jusqu'à 10 % du bio-huile pourraient être traités en commun dans une unité de FAC avec une perte minimale de rendement.

Catégories de matières premières

Trois grandes catégories de matières premières dominent les opérations de co-traitement actuelles :

  • Huiles dérivées de la biomasse:[ Comprend les huiles végétales, les graisses animales et les huiles d'algues qui ont été hydrotraitées pour éliminer l'oxygène. Ces intermédiaires compatibles avec les gouttes peuvent remplacer directement une partie de gazole fossile ou de VGO.
  • Huiles de pyrolyse en plastique d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d'origine d
  • Les flux de lignine et de cellulosique:[ dérivés de biomasse ligneuse ou de résidus agricoles, ces matières premières riches en oxygène posent des défis en désoxygénation et en formation de coke, mais offrent le plus haut potentiel de réduction des gaz à effet de serre.

Progrès technologiques récents

Plusieurs vecteurs technologiques ont convergé pour rendre le co-traitement plus fiable, efficace et évolutif, allant de la chimie fondamentale du catalyseur au contrôle numérique des processus et à la conception de réacteurs nouveaux.

Développement catalyseur

Les catalyseurs traditionnels de la FCC, basés sur la zéolite Y, ont été optimisés pour le gasoil sous vide, non pour les aliments oxygénés ou chlorés. Les chercheurs ont maintenant développé des zéolites modifiées avec acidité, mésoporosité et pièges métalliques adaptés qui tolèrent des niveaux plus élevés de contaminants tout en maintenant l'activité et la sélectivité.

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  • Zéolites dopées au métal[ qui atténuent la formation de coke en favorisant les réactions de transfert d'hydrogène, étendant la longueur de parcours entre les régénérations.
  • Formulations de liant avancées[ qui renforcent la résistance à l'attrition, une exigence critique lors du traitement des matières premières contenant des particules abrasives.

Des études récentes à l'échelle pilote du Groupe de recherche sur la catalyse de l'Université Delft montrent qu'une charge de 15 % d'une zéolite stimulée par le lanthane peut atteindre 92 % de conversion d'un mélange 70/30 de VGO et d'huiles plastiques usagées, dont le rendement en essence dépasse 45 %.

Optimisation des processus et contrôle numérique

Les systèmes avancés de contrôle des processus (APC), alimentés par des algorithmes d'apprentissage des machines, ajustent maintenant en permanence la température, la pression, le débit de circulation des catalyseurs et les schémas d'injection d'aliments pour animaux afin de maintenir des ardoises optimales malgré les fluctuations des matières premières.

Le rapport IEA sur l'innovation en matière de raffinage propre[ souligne que la technologie numérique à double usage a réduit la variabilité des rendements des unités de co-traitement de 40 % au maximum, tout en réduisant la consommation d'énergie de 8 à 12 %.

Intégration des matières premières renouvelables

Bien que les premières opérations de co-traitement aient porté sur les huiles végétales, les efforts récents se sont étendus pour inclure les matières premières de deuxième et de troisième génération qui ne sont pas en concurrence avec la production alimentaire.

  • Liquéfaction hydrothermale (HTL) de la biomasse humide: Produit un biocrude qui peut être co-traité dans des hydrocraques à des rapports de mélange allant jusqu'à 25 %.
  • La pyrolyse rapide (CFP) catalytique des résidus lignocellulosiques: produit un bio-huile à faible oxygène qui nécessite un hydrotraitement minimal avant le co-traitement de FAC.
  • Recyclage chimique des déchets plastiques mixtes: Les technologies avancées de tri et de déchloration permettent désormais des huiles de pyrolyse dont la teneur en chlore est inférieure à 10 ppm, ce qui les rend aptes à l'alimentation de FAC sans endommager les équipements en aval.

Neste, pionnier des matières premières renouvelables, a démontré qu'il était procédé à un cotraitement commercial de l'huile de pyrolyse en plastique résiduaire, parallèlement à des matières premières diesel renouvelables, ce qui a permis de réduire l'empreinte carbone de 70 % par rapport aux opérations uniquement liées aux fossiles.

Technologies de contrôle de l'environnement

Le cotraitement peut modifier les profils d'émission, en particulier pour les oxydes de soufre (SOx), les oxydes d'azote (NOx) et les particules.

  • Les épurateurs de gaz humides qui éliminent les SOx et les HCl avec une efficacité supérieure à 99 %, ce qui est essentiel pour le traitement des huiles plastiques chlorées.
  • Unités de réduction catalytique sélective (SCR) qui réduisent les émissions de NOx de 90 % par injection contrôlée d'ammoniac.
  • Précipateurs électrostatiques et filtres à sacs qui capturent les fines et les particules de suie du catalyseur, assurant ainsi que l'opacité de la pile reste dans les limites réglementaires.

Ces systèmes intégrés de contrôle environnemental permettent aux unités de cotraitement d'opérer selon les mêmes permis d'émission que les unités classiques, évitant ainsi la nécessité de longs processus d'examen des sources.

Principaux avantages de la co-procédure avancée

Les progrès technologiques décrits ci-dessus se traduisent par des avantages opérationnels, environnementaux et économiques tangibles pour les producteurs de pétrochimie.

Efficacité et rendement accrus

Les raffineries signalent que le cotraitement d'un mélange de 10 à 20 pour cent d'huile végétale hydrotraitée dans une unité de FCC peut augmenter les rendements totaux en essence et en oléfine légère de 2 à 4 points de pourcentage, grâce à la teneur en hydrogène plus élevée de la composante renouvelable. Parallèlement, le rendement en coke, mesure de l'inefficacité, diminue souvent parce que les bio-huiles oxygénées ont besoin de moins d'énergie pour se fissurer que les VGO lourds.

Durabilité environnementale

L'analyse du cycle de vie montre constamment que le cotraitement des matières premières renouvelables ou des déchets réduit les émissions de gaz à effet de serre par rapport au traitement des intrants fossiles seulement. L'ampleur de la réduction dépend du type de matière première, du rapport entre les mélanges et l'intensité en carbone de l'hydrogène utilisé dans l'hydrotraitement.

De plus, le détournement des déchets plastiques des décharges ou de l'incinération vers le co-traitement crée une économie circulaire de carbone. La revue Energy & Fuels de l'ACS a publié un examen complet montrant que le co-traitement d'une tonne métrique de déchets plastiques dans une unité de FAC évite 2,7 tonnes d'émissions équivalentes en CO2 par rapport à la mise en décharge avec récupération d'énergie.

Optimisation et circonspection des ressources

La co-transformation permet aux producteurs d'utiliser des matières premières qui seraient autrement rejetées ou recyclées. Les matières plastiques usagées, les résidus agricoles et l'huile de cuisson usée gagnent une nouvelle vie en tant que composantes pétrochimiques de grande valeur. Cette optimisation des ressources réduit la dépendance des matières premières fossiles vierges et tamponne les raffineurs contre la volatilité des prix bruts.

Avantages économiques

La cause économique de la co-transformation repose sur trois piliers:

  • Avantage des coûts des matières premières:[ Les matières premières dérivées des déchets ont souvent un coût négatif (droits de port) ou sont nettement moins chères que le pétrole brut, ce qui améliore les marges brutes.
  • Différenciation du produit: Les produits co-traités peuvent être commercialisés comme «renouvelables» ou «circulaires», imposant des prix élevés sur les marchés à faible teneur en carbone (CLFS) ou des certifications d'énergie renouvelable.
  • Efficacité de capital:[ Le cotraitement évite la nécessité de construire des bioraffineries ou des unités de conversion de déchets; au contraire, les actifs existants sont exploités grâce à des rénovations relativement modestes, réduisant l'intensité des immobilisations et le risque de projet.

Une analyse technico-économique récente de l'Agence internationale de l'énergie suggère que le cotraitement dans les raffineries existantes peut atteindre des taux de rendement internes (RIR) de 15 à 25 % à des taux de mélange modérés, dépassant ainsi les projets de déchets autonomes à combustibles dans de nombreux scénarios.

Défis et considérations

Malgré les progrès réalisés, le co-traitement ne se fait pas sans obstacles techniques et opérationnels qui doivent être gérés avec soin.

Variabilité des matières premières et contaminants

Les matières premières dérivées des déchets présentent une variabilité inhérente dans la composition, la densité, la viscosité et les niveaux de contaminants.Le chlore provenant des plastiques en PVC, les métaux provenant de l'emballage et les composés azotés provenant des protéines peuvent empoisonner les catalyseurs, corroder les équipements et générer des sous-produits indésirables.

Désactivation et régénération du catalyseur

Le co-traitement accélère la désactivation du catalyseur en raison de l'augmentation des dépôts métalliques, de la formation de coke et de la neutralisation des sites acides par des composés azotés de base.

Qualité des produits et certification

Dans certains cas, le mélange de molécules bio-dérivées modifie la distribution des composés aromatiques, des oléfines ou des composés du soufre, nécessitant des ajustements en aval. Les systèmes de certification, comme le système ISCC PLUS de la certification internationale de durabilité et de carbone (ISCC), exigent une comptabilité rigoureuse du bilan massique pour attribuer le contenu renouvelable à des produits spécifiques.

Incertitude en matière de réglementation et de marché

L'appui politique aux produits transformés varie selon les pays. Si la Directive de l'Union européenne sur les énergies renouvelables (RED II) et la norme californienne sur les combustibles à faible teneur en carbone offrent de fortes incitations, d'autres marchés ne disposent pas de mandats clairs ou de prix du carbone, ce qui complique les décisions d'investissement et peut ralentir le déploiement des capacités de co-traitement dans certaines régions.

Perspectives d'avenir

Plusieurs tendances émergentes façonneront la prochaine génération de technologies de co-traitement.

Digitalisation et intelligence artificielle

L'application de l'intelligence artificielle au contrôle des processus en est encore à ses débuts, mais les premiers adoptants signalent des gains significatifs.Les modèles d'apprentissage automatique qui prédisent la qualité des matières premières à partir de données spectroscopiques, optimisent les rapports de mélange pour une rentabilité maximale en temps réel et anticipent les modèles de désactivation des catalyseurs deviennent opérationnels.Ces systèmes apprennent continuellement, améliorant leurs recommandations à mesure que les données s'accumulent.

Conceptions de réacteurs nouveaux

Bien que l'unité de FAC demeure le moteur du co-traitement, de nouveaux concepts de réacteurs émergent. Des hydrocraques en phase lubrifiée capables de traiter des matières premières lourdes chargées de solides sont testés pour le co-traitement direct des boues de biomasse et des déchets de plastiques sans pyrolyse intermédiaire. Les réacteurs à microcanaux, avec leurs caractéristiques supérieures de transfert de chaleur et de masse, offrent le potentiel de co-traitement hautement sélectif à petite échelle, permettant des pôles de production répartis à proximité des sources de déchets.

Élargir les horizons des stocks intermédiaires

La recherche explore activement les matières premières au-delà de l'état actuel des connaissances.Le dioxyde de carbone capturé à partir de sources industrielles, combiné à l'hydrogène vert, peut être transformé en hydrocarbures synthétiques (carburants électroniques) qui pourraient être co-traités aux côtés des flux fossiles.Les matières premières d'origine océanique, comme les algues et la biomasse d'algues, offrent une productivité élevée sans concurrence sur l'utilisation des terres.

Intégration avec la capture et le stockage du carbone

Les unités de cotraitement produisent un flux concentré de CO2 lors du traitement des matières premières oxygénées (l'oxygène se laisse sous forme de CO2 pendant la désoxygénation), ce qui offre une possibilité d'intégration avec l'infrastructure de captage et de stockage du carbone (SCC), ce qui pourrait permettre des opérations carbone-négatives si la matière première elle-même est biogénique.

Conclusion

Les progrès réalisés dans le domaine des technologies de co-traitement ont transformé le paysage de production pétrochimique, permettant la conversion simultanée de matières premières fossiles, renouvelables et déchets dans les infrastructures de raffinerie existantes. Les innovations catalyseurs, le contrôle numérique des procédés et des systèmes environnementaux robustes ont permis de surmonter nombre des obstacles techniques initiaux, tandis que les mesures économiques et les mesures d'incitation favorables favorisent l'adoption commerciale.