Guide de déclaration des émissions des tours de refroidissement humides

Les tours de refroidissement sont des échangeurs thermiques utilisés pour dissiper de grandes charges calorifiques dans l'atmosphère. Elles sont une composante importante dans de nombreux procédés industriels et commerciaux.

Le présent document fournit des conseils sur la façon de calculer les émissions de matières particulaires (MP) et de composés organiques volatils (COV) rejetées par les tours de refroidissement humide aux fins de déclaration à l'Inventaire national des rejets de polluants (INRP).

L’INRP a aussi élaboré une feuille de calcul pour vous aider à estimer les émissions de matières particulaires rejetées par les tours de refroidissement humides.

Tours de refroidissement humides et sèches

Une tour de refroidissement humide assure une évaporation de l’eau pour un échange de chaleur avec l’air qui circule à l’intérieur. La chaleur et l’humidité de l’eau augmentent la température et l’humidité relative de l’air, puis cet air chaud et humide est rejeté par la tour.

Les tours de refroidissement peuvent également fonctionner sans eau, mais une surface humide a un potentiel de refroidissement beaucoup plus grand qu’une surface sèche. Les tours de refroidissement humides décrites dans le présent document sont plus couramment utilisées dans les procédés industriels et commerciaux.

Quelles substances peuvent-être rejetées par les tours de refroidissement humides?

Les tours de refroidissement peuvent utiliser soit de l’eau de procédé, soit de l’eau provenant d’une source naturelle à des fins uniques de refroidissement. Quelle que soit la source, cette eau contient presque toujours des matières solides ou particulaires. Lorsque des gouttelettes d’eau de refroidissement non évaporées sont rejetées par la tour de refroidissement, elles sont souvent chargées de matières particulaires.

Les installations comme les raffineries de pétrole et les usines de produits chimiques devront tenir compte des composés organiques volatils (COV).  Dans ces installations, les tours de refroidissement peuvent servir à réduire la température des hydrocarbures ou des COV à certaines étapes du procédé. Les COV sont rejetés par les tours de refroidissement en même temps que les émissions résultant de l’évaporation.

Les tours de refroidissement doivent être déclarées comme des cheminées individuelles si elles sont supérieures ou égales à 25 m au-dessus du niveau du sol. Les informations détaillées concernant chacune des cheminées doivent aussi figurer dans la déclaration. Pour les tours de refroidissement multicellulaires, le regroupement de cheminées peut s’appliquer si certaines conditions sont respectées. Pour plus de détails, veuillez consulter le Guide de déclaration aux fins de l’Inventaire national des rejets de polluants.

Les tours de refroidissement de moins de 25 m au-dessus du niveau du sol doivent être déclarées dans la catégorie des rejets de cheminée ou ponctuels.

Matières particulaires

La feuille de calcul intègre une combinaison des estimations des rejets de matières particulaires totales (MPT), selon les caractéristiques de conception de la tour de refroidissement, et des données expérimentales pour établir les niveaux de rejet des matières particulaires ayant un diamètre inférieur ou égal à 2,5 micromètres (MP_2,5) et celles ayant un diamètre inférieur ou égal à 10 micromètres (MP₁₀). Les données des essais étant limitées, vous devrez choisir les estimations de MP_2,5 et de MP₁₀ selon les paramètres de perte par dérive de votre tour de refroidissement par opposition à ceux fournis par la feuille de calcul.

Vous trouverez, dans les sections suivantes, une explication de la méthode de calcul des rejets de matières particulaires.

Comment les tours de refroidissement humides rejettent-elles des matières particulaires?

Les tours de refroidissement humides rejettent des matières particulaires lorsque le flux d’air sortant de la tour contient des gouttelettes d’eau non évaporées chargées de particules (voir la figure 1). On appelle ces gouttelettes « eau entraînée totale » (EET), et elles sont représentées par la lettre « W » dans le diagramme ci-dessous d’une tour de refroidissement.

Les matières particulaires présentes dans les gouttelettes d’eau entraînées se cristallisent et forment des cristaux de sel solides au moment de l’évaporation des gouttelettes.  Ces matières solides sont déclarées dans les rapports comme des MP_2,5, des MP₁₀ et des MPT.  Les gouttelettes entraînées présentent la même concentration d’impuretés que l’eau d’appoint entrant dans la tour et que l’eau circulant déjà dans la tour (représentées par les lettres « M » et « C » dans le diagramme de la tour de refroidissement).  La perte par évaporation (représentée par la lettre « E » dans le diagramme) est de la vapeur d’eau pure.

Perte par dérive

La perte par dérive (W) est généralement exprimée sous forme d’un pourcentage du débit d’eau de circulation. Cette perte peut être réduite lorsque de l’air est évacué par des déflecteurs, appelés éliminateurs d’entraînement; l’air doit passer à travers ces éliminateurs après avoir quitté les zones de remplissage et de pulvérisation de la tour.

La perte par dérive (W) correspond à la quantité d’eau d’appoint (M) moins la quantité d’eau évaporée (E) et moins la quantité d’eau de purge (D) servant au procédé de refroidissement. (Toutes les valeurs sont en m³/h) :

W = M - E - D

La perte par dérive (W) est généralement exprimée sous forme d’un pourcentage de la quantité d’eau de refroidissement en circulation (C) :

W [%] = W / C × 100 %

Pour résoudre ces deux équations, vous pouvez utiliser les paramètres connus (M, E, D et C) de la tour de refroidissement afin de calculer la perte par dérive (W[%]) sous forme d’un pourcentage de la quantité d’eau de refroidissement en circulation :

W [%] = (M - E - D) / C × 100 %

Eau de refroidissement du système

La concentration de matières particulaires dans l’eau de refroidissement est exprimée sous forme de matières dissoutes totales (MDT).  Il s’agit de la somme des matières organiques et inorganiques, généralement salines et non volatiles, exprimée en ppm ou mg/L. Les matières dissoutes forment des particules solides lorsque l’eau des gouttelettes s’évapore.

Si vous ne disposez pas de données sur les concentrations de MDT dans l’eau de votre tour de refroidissement, vous pouvez en faire une estimation par source en multipliant la concentration de MDT dans l’eau d’appoint par un facteur de concentration. Vous pouvez estimer le facteur de concentration comme le ratio d’un paramètre mesuré (comme la conductivité, le calcium, les chlorures ou les phosphates) de l’eau de la tour de refroidissement à ce même paramètre de l’eau d’appoint.

Estimation des rejets atmosphériques

Calculez au moyen de la formule ci-dessous les matières particulaires totales (MPT) rejetées dans l’atmosphère :

MPT [grammes/heure] = MDT [ppmv] x Perte par dérive [%] / 100 x Débit d’eau de circulation [m³/h]

Multipliez la valeur par le facteur de conversion 10-6 et le nombre d’heures de fonctionnement de la tour de refroidissement pendant l’année et vous obtiendrez les émissions de MPT en tonnes.

Le calculateur permet d’estimer la distribution des particules et la fraction massique des solides dans les gouttelettes de dérive en fonction de trois taux typiques différents de perte par dérive pour les tours de refroidissement.

En utilisant le pourcentage calculé des émissions de PM₁₀ dans les MPT et de PM_2,5 dans les MPT, les émissions de PM₁₀ et de PM_2,5 de la tour de refroidissement peuvent ensuite être estimées à l’aide de l’équation ci-dessus pour les MPT:

PM₁₀ [grammes/heure] =  (% in MPT) * MPT [grammes/heure]

PM_2.5 [grammes/heure] =  (% in MPT) * MPT [grammes/heure

Si la tour de refroidissement est l’unique source de matières particulaires à une installation donnée, il est possible de comparer les valeurs calculées aux seuils d’émissions massiques pour les MP_2,5, MP₁₀ et MPT afin de déterminer s’il est nécessaire de présenter un rapport.

Il faut regrouper toutes les sources de matières particulaires avant de faire la comparaison avec les seuils de rejets. 

Composés organiques volatils

Les émissions de composés organiques volatils (COV) rejetées par les tours de refroidissement (ou échangeurs de chaleur) sont généralement causées par des fuites des systèmes de traitement des hydrocarbures ou par le traitement de l’eau de circulation au moyen de produits chimiques, dont des COV.  On s’attend à ce que les tours de refroidissement des raffineries et des usines de produits chimiques rejettent des émissions de COV, puisque ces installations utilisent de l’eau pour refroidir les systèmes de traitement.

Il y a deux façons d’échantillonner, de mesurer et d’estimer les émissions de COV rejetées par les tours de refroidissement : bilan massique et coefficients d’émissions. Bien que la méthode du bilan massique soit privilégiée, l’utilisateur peut employer la méthode de son choix, pourvu qu’elle soit justifiée et appropriée.

Méthode du bilan massique

Les émissions de COV sont généralement estimées à partir d'un bilan massique : l'eau de refroidissement est échantillonnée à l'entrée et à la sortie de la tour de refroidissement. La variation des concentrations mesurées de COV dans l'eau de refroidissement est multipliée par le débit pour estimer les émissions atmosphériques. L'approche du bilan massique permet une comptabilisation des émissions plus fiable que l'estimation à partir des facteurs d'émission de la méthode AP-42 (voir ci-dessous).

Comme la détermination des émissions de COV par la méthode de mesure implique un calcul du bilan massique, il serait plus approprié d'utiliser le code « C » (bilan massique) d'estimation des émissions de l'INRP pour tenir compte de cette méthode d'estimation et calculer les émissions de COV de la tour de refroidissement.

La formule suivante peut être utilisée pour estimer les émissions de COV de la tour de refroidissement pour le temps écoulé entre chaque mesure :

COV[t] = (C_{V=COV,entrant}- C_COV,sortant) [ppmv] x D_eau [t/m³] x Débit d’eau [m³/h] x H [h]

Où :

C_COV,entrant = Concentration de COV dans l'eau de refroidissement avant d'entrer dans la tour de refroidissement.

C_COV,sortant = Concentration de COV dans l'eau de refroidissement après la sortie de la tour de refroidissement.

D_eau = Densité de l’eau à 1 kg/L ou 10⁶ g/m³ ou 1 t/m³

H = Heures de fonctionnement de la tour de refroidissement depuis la dernière mesure.

La méthode recommandée pour mesurer les COV dans l'eau de refroidissement est décrite dans le manuel des procédures d'échantillonnage de la Texas Commission on Environmental Quality.   

Méthode du facteur d’émission

La compilation des facteurs d’émissions pour les polluants atmosphériques de l’EPA des États‑Unis (méthode AP-42) offre une solution de rechange à l'approche du bilan massique.

Une installation où l'eau de refroidissement fait directement l’objet d’une surveillance devrait disposer de suffisamment d'informations pour utiliser la méthode du bilan massique décrite ci‑dessus. Le facteur d'émissions contrôlées, qui s'applique aux raffineries effectuant une surveillance directe des hydrocarbures, ne devrait donc pas être requis.

Si vous n’effectuez aucune surveillance des émissions de COV, utilisez le facteur d'émissions non contrôlées de 0,7 kg/10⁶ L pour estimer ces émissions.

Utilisez cette formule, basée sur la méthode du facteur d'émission, pour calculer les émissions annuelles de COV d'une tour de refroidissement :

COV[t/a] = FE [kg/10⁶ L] x Débit d’eau [m³/h] x H [h] x 10^-3 [t/kg])

Où :

FE= facteur d’émissions de COV pour la tour de refroidissement

H = nombre d'heures de fonctionnement de la tour de refroidissement au cours de l'année

Références

Matières particulaires

AP-42, CH 13.4: Wet Cooling Towers (epa.gov)

Accès : Cooling Technology Institute

Reisman, J., Frisbie, G. 2001.Calculating realistic PM₁₀ emissions from cooling towers. Compte rendu de la conférence de l’Association pour la prévention de la contamination de l'air et du sol, Floride, 2001. session no. AM-1b.

Missimer, J., Wheeler, D., Hennon, K. 1998. The Relationship between SP and HGBIK drift measurement results. CTI paper TP98-16, 1998.

Composés organiques volatils

Air stripping method for cooling tower monitoring of volatile organic compounds (Annexe P du TCEQ sampling procedures manual). 

Emission estimation protocol for petroleum refineries (version 2.1.1) - Rapport préparé par RTI International pour l’EPA des É.-U. Mai 2011.

International workshop on VOC fugitive losses: New monitors, emission losses, and potential policy gaps. EPA des É.-U. Octobre 2006.

National emission standards for hazardous air pollutants from petroleum refineries; Final rule. U.S. Federal Register, vol.74, N^o 207. 28 Octobre 2009.

U.S. EPA. AP - 42 Chapter 5.1_petroleum_refining.pdf (epa.gov).