Comprendre les émissions de COV dans la manipulation des déchets bruts

Dans l'industrie pétrolière et gazière, les COV sont principalement émis lors de la manutention du pétrole brut, comme le stockage, le transfert, le chargement, le déchargement et le traitement, et ils proviennent des fractions d'hydrocarbures plus légères présentes dans le brut (p. ex. méthane, éthane, propane, butane, benzène, toluène, éthylbenzène et xylène). Ces facteurs influent sur le taux de rejets de COV comprennent la composition du pétrole brut (gravure de l'API, pression de vapeur de Reid), la température ambiante, la turbulence pendant le transfert et le volume d'espace de vapeur dans les réservoirs.

Les COV contribuent de façon importante à la formation d'ozone troposphérique (un élément clé du smog) et peuvent avoir des effets directs sur la santé humaine, y compris des problèmes respiratoires et des risques cancérogènes liés à des composés comme le benzène. De plus, les émissions fugitives de COV représentent une perte de produit précieux.

Cadre réglementaire et importance de la réduction des COV

Aux États-Unis, les nouvelles normes de performance à la source (NSPS) de l'EPA pour le secteur du pétrole et du gaz (p. ex., sous-partie OOOO, OOOOa, OOOOb et OOOOc) exigent des technologies de contrôle et des pratiques de travail spécifiques pour les réservoirs de stockage, les contrôleurs pneumatiques et les opérations de transfert.

La gestion efficace des émissions de COV commence par une compréhension approfondie des sources d'émissions.Les sources ponctuelles les plus importantes durant la manutention brute comprennent les pertes de respiration et de travail des réservoirs de stockage, les pertes de vapeurs de la grille de chargement et les fuites fugitives des vannes, des brides, des pompes et des compresseurs.

Stratégies clés de réduction des COV

1. Unités de récupération de vapeur (VRU)

Les unités de récupération des vapeurs sont parmi les technologies les plus largement utilisées pour capter les COV lors des opérations de stockage et de chargement bruts. Les unités de récupération des vapeurs recueillent les vapeurs déplacées de l'espace de tête des réservoirs pendant le remplissage (pertes de travail) ou lors de l'expansion thermique (pertes de respiration).

Les VRU modernes peuvent atteindre des rendements de capture supérieurs à 95 % lorsqu'ils sont correctement entretenus. Les VRU sont particulièrement efficaces pour les grands réservoirs de stockage (p. ex., les réservoirs de toit flottants externes avec récupération de vapeur) et aux bornes de chargement maritime où les pertes de vapeur sont élevées. Pour une performance optimale, les VRU exigent une inspection régulière des joints, du fonctionnement du compresseur et de l'intégrité des tuyauteries de vapeur. EPA fournit des directives détaillées sur les exigences de VRU] pour les sources nouvelles et modifiées.

2. Systèmes en boucle fermée

Les systèmes à boucle fermée (ou à vent fermé) empêchent la libération de vapeur en contenant physiquement les gaz d'hydrocarbures pendant le transfert. Au lieu de s'évacuer dans l'atmosphère, l'espace de vapeur du réservoir récepteur est relié à l'espace de vapeur du navire de livraison, ou à une ligne de bilan de vapeur qui renvoie les vapeurs à la source. Ceci est courant pendant le chargement du camion, du wagon et de la barge.

La mise en oeuvre de protocoles en boucle fermée exige une conception prudente pour éviter l'accumulation de pression ou l'effondrement du vide. Les soupapes de décompression avec disques de rupture offrent des solutions de rechange en matière de sécurité. L'entretien régulier des matériaux d'étanchéité et des mécanismes d'accouplement est essentiel pour prévenir les fuites.

3. Contrôle de température

La réduction de la température du pétrole brut réduit la pression de vapeur des extrémités de la lumière, diminuant directement le taux d'évaporation. Ceci peut être obtenu par l'isolation des réservoirs, les revêtements réfléchissants (peinture blanche ou aluminium pour rejeter la chaleur solaire) et le refroidissement actif dans les climats chauds.

Même une modeste réduction de 10 à 15 °F peut réduire les émissions de COV des réservoirs à toit fixe de 20 à 40 %, selon la composition du brut. L'isolation du réservoir permet également de réduire les gains de chaleur en été et les pertes de chaleur en hiver, ce qui procure un double avantage environnemental.

4. Détection et réparation des fuites (LDAR)

Les émissions fugitives provenant des composants de l'équipement qui fuient (vapeurs, joints de pompe, connecteurs, brides, lignes ouvertes) peuvent représenter une fraction importante des rejets totaux de COV. Un programme rigoureux de DLAR consiste à surveiller périodiquement les composants à l'aide de caméras de la méthode 21 de l'EPA ou d'imagerie optique par gaz (OGI), puis à réparer en temps opportun les fuites détectées.

De nombreuses installations mettent maintenant en oeuvre un plan de gestion des émissions fugitives qui comprend :

  • Inventaire de toutes les sources potentielles de fuite
  • Criblage de base et calendrier fondé sur les risques
  • Utilisation d'OGI pour la détection rapide et sans contact
  • Suivi des temps de réparation et analyse des causes profondes
  • Formation des travailleurs sur les procédures de serrage, d'étanchéité et de remplacement appropriées

Il a été démontré que les programmes LDAR réduisent les émissions fugitives de 80 % au cours de quelques années. American Petroleum Institute (API) fournit une pratique recommandée (API RP 1115) pour les LDAR dans le service des hydrocarbures.

5. Équilibrage de la vapeur

L'équilibrage de vapeur est une technique simple et peu coûteuse qui relie les espaces de vapeur de deux bateaux lors du transfert de sorte que les vapeurs soient déplacées du réservoir récepteur dans le réservoir de livraison plutôt que évacuées vers l'atmosphère. Ceci est couramment utilisé lors du chargement du produit aux terminaux de commercialisation. Bien qu'efficace pour les réservoirs à toit fixe équipés de lignes de vapeur, l'équilibrage de vapeur n'élimine pas entièrement les émissions, il ne transfère que la vapeur dans le réservoir source, qui peut éventuellement évacuer si elle n'est pas reliée à un VRU ou à une fusée éclairante.

6. Adsorption du carbone

Les systèmes d'adsorption du carbone utilisent des lits de charbon actif pour adsorber les COV provenant d'un flux de gaz d'échappement. Le carbone peut être régénéré à la vapeur ou à l'azote chaud, et les COV désordonnés sont condensés ou envoyés à une torche. Cette technologie est particulièrement efficace pour les flux à faible débit et à concentration élevée typiques des petits réservoirs de stockage ou des terminaux de chargement des camions.

7. Absorption (screbbing)

Dans un système d'absorption, le gaz chargé de COV est contacté avec un pétrole maigre (p. ex. un liquide d'hydrocarbures à forte teneur en carbone) dans une tour remplie. Les COV se dissolvent dans la phase liquide, et le gaz nettoyé est évacué ou envoyé à un VRU. Le pétrole riche est ensuite régénéré dans une colonne de décapage, récupérant les COV pour être réutilisé. L'absorption est courante dans les usines de traitement du gaz et peut traiter de grands volumes de gaz à des concentrations modérées.

8. Condensation

Les systèmes de condensation refroidissent le flux de vapeur à une température inférieure au point de rosée des COV cibles, ce qui les amène à se condenser en liquide pour récupérer. On peut utiliser la réfrigération mécanique ou le refroidissement cryogénique (à l'aide d'azote liquide). La condensation est particulièrement appropriée pour les flux de haute concentration de composés facilement condensés (par exemple, le butane, le pentane).

9. Arrosage et oxydation thermique

Lorsque la récupération de vapeur n'est pas techniquement ou économiquement réalisable, le torchage (combustion ouverte) ou l'oxydation thermique (combustion fermée) peuvent atteindre des rendements de destruction de 98 % ou plus. Les torches ou les oxydants thermiques avec récupération de chaleur sont préférés pour minimiser les émissions visibles et maximiser l'utilisation d'énergie. Cependant, le torchage convertit les COV en CO2 et en eau, ce qui contribue aux émissions de gaz à effet de serre; par conséquent, il est généralement considéré comme un dernier recours après l'épuisement des options de récupération.

Pratiques exemplaires opérationnelles pour compléter la technologie

Conception et amélioration des réservoirs de stockage

Le remplacement des réservoirs à toit fixe par des réservoirs de toit flottants externes (FERT) ou des réservoirs de toit flottants internes (FERT) peut réduire considérablement les émissions de COV. Les toits flottants créent une barrière physique qui réduit l'espace de vapeur, réduit les pertes de respiration et de travail. Pour les nouvelles installations, les TPIF à joints jante de haute qualité (scellements primaires et secondaires) sont la norme aurifère.

Mélanges et calendriers bruts

Par exemple, le fait de diluer un condensat léger avec un brut plus lourd peut réduire la pression de vapeur de Reid (RVP) du mélange. Le calendrier des transferts pendant les parties plus froides de la journée (p. ex., la nuit ou tôt le matin) réduit les taux d'évaporation. De plus, réduire le nombre de rotations de réservoir (carrières de remplissage/vides) réduit les pertes de travail.

Formation et sensibilisation des travailleurs

Tous les employés qui participent à la manutention brute, soit les exploitants, le personnel d'entretien et les inspecteurs, devraient recevoir une formation régulière sur les sources d'émissions de COV, l'exploitation de l'équipement de contrôle et les procédures de détection des fuites.

Surveillance et vérification

Des détecteurs à gaz à point fixe (par exemple, des détecteurs FID, des détecteurs PID ou des capteurs infrarouges) peuvent être installés aux évents des réservoirs, aux racks de chargement et aux clôtures de périmètre. Les essais sur les oxydants thermiques et les fusées éclairantes confirment l'efficacité de destruction.

La conformité réglementaire exige souvent des inventaires périodiques des émissions à l'aide de méthodes de calcul approuvées par l'EPA (p. ex., le logiciel TANKS 4.09 pour les réservoirs de stockage) ou des mesures directes (p. ex., à l'aide d'un débitmètre à vapeur et d'un chromatographe à gaz). Les documents d'orientation de l'EPA sur les inventaires des émissions [ fournissent des équations normalisées pour estimer les pertes de travail et de respiration.

Avantages économiques et environnementaux

Par exemple, une VRU qui capte 200 000 pieds cubes par jour de liquides de gaz naturel (LGN) au prix de 3 $ par MMBtu permettrait de produire plus de 200 000 $ en valeur annuelle de produits. Les pénalités réglementaires évitées représentent également des économies importantes.

Tendances futures de la gestion des COV

Les nouvelles technologies, telles que les réseaux de détection intelligents, les caméras OGI montées sur drones et l'apprentissage des machines pour la maintenance prédictive, sont en passe d'améliorer les délais de détection et de réponse. Les voies de captage et d'utilisation du carbone (CCU) – où les COV capturés sont transformés en produits chimiques ou en combustibles – font l'objet de recherches.

Conclusion

La réduction des émissions de COV lors de la manutention du pétrole brut est réalisable grâce à une stratégie en couches combinant des technologies éprouvées (VRU, systèmes à boucles fermées, contrôle de la température, adsorption du carbone, condensation et torchage) avec des pratiques opérationnelles robustes (LDAR, mise à niveau des réservoirs, mélange, échéancier et formation). Surveillance continue et engagement à améliorer continuellement les niveaux d'émissions de façon à ce que les niveaux demeurent faibles pendant la durée de vie de l'installation.

Pour plus de renseignements sur les pratiques recommandées, consulter le document d'orientation de l'EPA sur la réduction des COV [ et les normes de l'EPA sur la pollution atmosphérique par le pétrole et le gaz naturel .