prise en compte des thématiques energie et hse dans le

Prise en compte des thématiques Energie et HSE dans le développement du design des installations

Bruno LEQUIME – Référent Technologique SécuritéAlban SIRVEN – Ingénieur en Chef RaffinageAtelier 8 - Le raffinage, la pétrochimie et leurs talents pour les générations futures

1 23 Octobre 2013

Sommaire

1. Enjeux HSE et énergie en France

2. Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations

3. Evolutions et tendances

Conclusions

Thématiques Energie et HSE dans le développement du design des installations – JAH – 23 Octobre 20132

Contexte réglementaire (ICPE) très renforcé en maîtrise de l’urbanisation / AZF

Acceptabilité des risques pour les riverainsapproche probabilistedémonstration « Risques ALARP » - As Low As Reasonably PracticableL’obligation de démontrer que tout a été mis en œuvre à un coût non disproportionné au regard des bénéfices attendus pour les voisinage –(A.M. du 10 mai 2000)

Plans de Prévention des Risques Technologiques-PPRT toujours sans équivalent hors France

Fortes contraintes sur les Projetsà anticiper



SECURITE INDUSTRIELLE



Directive 2010/75 EC-EU « Emissions Industrielles »Exigence d’usage des MTD- Meilleures Techniques Disponibles (BATs / BATAELs)

Renforcement du rôle des BREF- Best Available Techniques Reference Documents

Apporter la démonstration de performance est parfois plus complexe que la solution technique pour y arriver

12 critères d’évaluations (annexe III de la directive) difficiles d’emploi

ENVIRONNEMENT



Principe de précautionintroduit en droit français en 1995 par la loi « Barnier » n° 95-101 du 2 février 1995 relative au renforcement de la protection de l’environnement suite à la Conférence des Nations Unies sur l’environnement et le développement durable, Rio de Janeiro, 1992

Réglementation communautaire harmoniséeMachines, ATEX, Prévention des Risques Chimiques

REACH – évaluation des produits chimiques

Adoption du Système Global Harmonisé SGH de classification/étiquetage des substances dangereuses

Identification des dangers

Prévention des risques

SANTE

SANTE DES TRAVAILLEURS

Contexte réglementaire ICPEDémonstration de l’efficacité énergétique requise dans le cadre des demandes d’autorisation d’exploiter

Contexte réglementaire Directive Emissions Industrielles (IED / IPPC)Application requise des MTDs issues des BREFs

« efficacité énergétique » « Raffinage »



ENERGIE


2.1 SafetyProcessus de Travail « HSE in design »QRA, mitigationsEtudes AIV (Acoustic induced vibration) / FIV (Flow induced vibration)

2.2 EnvironnementEmissions gazeuses à travers le système de torche Emissions liquides Emissions solides

2.3 Energie avec impact environnementalEfficacité énergétique et ComplexitéEmissions de CO2

9 Thématiques Energie et HSE dans le développement du design des installations – JAH – 23 Octobre 2013

2.1 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations - HSEProcessus de Travail

« HSE in design »

IDENTIFICATIONPHA – Preliminary Hazards Analysis

HAZID- Hazard IdentificationENVID-Environmental Aspects

IdentificationHRA-Health Risk Assessment

QUANTIFICATIONRisk Assessment

Environmental Impact Assessment

VERIFICATION

HAZOP - Hazard andOperability Analysis

REQUIREMENTS SETTINGSIL - Safety Integrity Level Analysis

ALARP DemonstrationBAT Demonstration

Regulations, Codes and Standards

Company requirementsTECHNIP experience

Risk Acceptance Matrix

Environmental Impact Matrix

DESIGNPlot Plan/Layout

Safety Engineering Environmental & Health

Engineering

HSE Safety CriticalElements

Performance standards

« HSE COMPLIANT DESIGN »10 Thématiques Energie et HSE dans le développement du design des installations – JAH – 23 Octobre 2013

- Spécification et achat du matériel de protection incendie et

du personnel- Suivi des exigences

acoustiques et environnementales des

équipements process- Assistance au projet et au

chantier

IDENTIFICATIONdes dangers (HAZID)

des Aspects Environnementaux (ENVID)et santé (HRA)

Best Available TechniquesDéveloppement du Plan d’implantation

- Tests de performances acoustiques et

environnementales- Réception des

équipements de sécurité- Investigations suite à

accident

- Demonstration ALARP- Revues HAZOP, SIL

- Classement de zones/ATEX- Détection Feu et gaz

- Protection incendie…- Permitting !

- Etudes des risques (EDD, QRA, ..)- Etudes d'impact (rejets, bruit, …)

- Propositions de mesures de réduction des impacts et des risques

FaisabilitéAvant projet /“Basic”

“FEED” Etudes de détail

ProcurementConstruction

Opération

Mise en route

DémarrageTest runs

Processus de travail « HSE in design »

2.1 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations - HSE


Approches développées pour le design et

le “permitting”Evaluation Quantitative des Risques – QRA (P, G)Démonstration que le risque est “ALARP”et de nécessité/efficacité de mesures compensatoires

Approche quasi-systématisée en France et dans le monde

toujours plus complexes, et des différences importantessubsistent (bases de données, simulations, critères d’acceptabilité…)

2.1 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations - Safety

FAISABILITE BASIC FEED ETUDES DE DETAIL OPERATION


Thématiques énergie et HSE dans le développement du design des installations – JAH – 23 Octobre 201313

2.1 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations - Safety

* Sources: TECHNIP / Eisinger Method: Data points ref. V. A. Carucci and R. T. Mueller, ASME paper 82-WA/PVP-8.

Etudes AIV / FIV (Acoustic/Flow induced vibration) Objectif: éviter les risques de rupture par fatigue des tuyauteriesMécanismes d’excitation

AIV : forts débits et pertes de charge dans la ligneFIV : fortes vitesses d’écoulement qui font osciller la ligne


Etudes AIV / FIV – Etudes de bruit

Evaluation des risquesAIV : Evaluation de critères semi-empiriques et utilisation éventuelle de techniques de CFDFIV : Evaluation du critère de LOF (Likelihood of failure) des lignes critiques, fonction du ρ.v²

Principales solutions techniques AIV : aménagements du design (minimisation des coudes et piquages), renforts (supports, piquages, épaisseur de ligne), choix d’équipements spécifiés « low noise »FIV : aménagements du design (diamètre retenu minimisation des coudes), renforts (supports, épaisseur de ligne)

Bruit : utilisation d’isolation acoustique, sélection de machines spécifiques


ProcessusIdentification contraintes réglementairesAnalyse des MTDInventaire des émissions (canalisées et diffuses)Vérification du respect des normes :

à l’émissionde qualité d’air ambiant (étude d’impact atmosphérique)

Ajout de traitements complémentaires quand nécessaire


Emissions gazeuses à l’atmosphère

2.2 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations - Environnement

2.2 Principales thématiques énergie et HSE pour design des installations - Environnement

Projets dans certains pays à faible contrainte réglementaire : Si financement des projets par des organisme internationaux :

Conformité requise aux valeurs limites recommandées par l’IFC (ou éq.) et démonstration obligatoire

Sinon :TECHNIP recommande l’alignement sur les IFC mais sans être donneur d’ordre

Tendance générale constatée à l’harmonisation




16

* Source: TECHNIP/Invensys: Etudes de simulations dynamiques pour l’optimisation de réseaux torche


Emissions gazeuses via le système de torche

Réduction des émergences en cas d’upsetEtudes d’optimisation / mesures d’atténuation

Définition de systèmes automatiques d’arrêtChoix de la pression calcul de certains équipementsFiabilisation des Utilités Choix des entraînements moteursConnexion des équipements critiques au réseau électrique secouru

Raccordement au réseau torche des soupapes à l’atmosphèreEtudes de torche incluant l’utilisation de simulations dynamiques

Philosophie « Zéro flaring »En opération normale / discontinue planifiée (maintenance)Gaz de torche collecté, comprimé, refroidi puis lavé avant renvoi au système de Fuel Gaz ⇒ consommation de Gaz combustible réduiteCapacités typiques de systèmes de recompression de gaz de torche :

Raffinerie de condensats (130 kBPSD) : 1000 Nm3/hRaffinerie convertissante (250 kBPSD) : 3000 Nm3/h


17


Emissions gazeuses – Fours et Chaudières


Amélioration de l’efficacité énergétique

Préchauffe de l’air de combustion avec les fumées Récupération d’énergie des fumées par préchauffage d’un fluide froid au niveau de la zone de convectionPréférer le courant forcé au courant naturel

Principales limitationsRécupération de chaleur sur les fumées éventuellement limitée par la qualité du combustible (condensation d’acide sulfurique) Préchauffe de l’air limitée par la spécification en NOx

* Source: TECHNIP: Courbes prédictives de NOx basées sur l’API 535.



Unité CLAUSRécupération max 98%

TGTURécupération >99.5% Incinérateur

18

Emissions gazeuses – Récupération du Soufre


SpécificationsLes spécifications se durcissent pour viser 99.9% de récupération de soufre, avec un minimum de 99.5%Spécifications exprimées récupération (%S) ou rejet:

mg/Nm3 SO2 (Recommandation applicable de la Banque Mondiale pour les unités de récupération de soufre: 150 mg/Nm3 vs 500 mg/Nm3 pour les fours)ppmv

Technologies de récupération du SoufreComplexification de la chaîne de traitement par ajout d’une unité de traitement de gaz de queue (TGTU) de type SULFREENTM , SCOT ou DynaWave®

CAPEX multiplié (x1.5 – x2.0) pour atteindre 99.9% de récupération de soufreAugmentation des consommations énergétiques associées


2.2 Thématiques Energie et HSE pour le design des installations - Environnement


Problème spécifique des émissions de COV au niveau des bac de stockages

Pour rappel : Selon la Directive Européenne, les VOC sont l’ensemble des substances organiques ayant unetempérature d’ébullition égale ou inférieure à 250°c sous pression atmosphérique normale101.3 kPa. La famille des VOCs comporte des composés cancérigènes : le benzène (R45), le1,3-butadiène (R46) et des composés dangereux pour l’embryon : le toluène (R61)

Traitement des émissions de bacs(nécessité ou non selon l’arrêté du 2 Février 98)

Trois techniques possibles selon les MTDRécupération (par refroidissement …)Destruction (torche ….)Système d ’équilibrage entre bacs



20

Unité de traitement des effluents (ETP)


SpécificationsPrise en considération des dernières normes et réglementations nationalesApplication fréquente des directives les plus contraignantes de l’IFC

Les principes conventionnels de design de l’ETP …Ségrégation des effluents salins/huileux, des effluents accidentellement pollués, des eaux contaminées ou nonPrise en compte de la présence d’effluents spécifiques tels que soude uséeTraitements conventionnels consistant en un déshuilage et un traitement biologique, suivi d’un traitement des boues associées en vue du rejet

… s’orientent vers l’application de la Philosophie 3R …Reduce, Reuse, Recycle

Maximisation réfrigération à l’airRéduction appoint eauRéutilisation de flux intermédiaires (eaux de séparateurs, eaux strippées)

… jusqu’à la mise en pratique du concept Zéro Rejet Liquide (ZLD)


2.2 Thématiques énergie et HSE pour le design des installations - Environnement

Emissions solides

« Réduire (éviter), Ré-utiliser (ne pas jeter), Recycler »Aujourd’hui

faire le nécessaire sur le site pour envoyer les déchets dans filière de traitement la plus appropriée(i.e. aménager une zone de transfert de déchets)

Tendance forte actuelle en Francerecyclage et valorisation des gisements de « matières premières secondaires »Améliorer tri/séparation à la sourceOrientation nationale en faveur de l’économie circulaire



22

2.3 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations – avec impact environnemental

Efficacité énergétique et Complexité


Solomon Energy Intensity Index (EII)La référence est établie pour les 6 raffineries du monde les plus performantes

« World best EII » ~ 70Moyenne des raffineries ~ 105

Permet une comparaison de performance énergétique des raffineriesLa mise en œuvre de solutions techniques adaptées permet d’améliorer la performance énergétique :

Efficacité des équipements soumis à la flammeOptimisation des bilans vapeur (y compris niveau de pression) et électricité (récupération)Optimisation des paramètres de contrôle (APC)…

“EDC” – Capacité de distillation équivalente d’une raffinerie Permet de caractériser la complexité d’une raffinerie (capacité à traiter des bruts de qualité variable, à produire des coupes légères à forte valeur ajoutée…)Calculé en fonction de l’indice de complexité de NelsonCe facteur d’EDC permet de mieux apprécier la performance énergétique (auto-consommation) d’une raffinerie



2.3 Principales thématiques Energie et HSE pour le design des installations – avec impact environnemental

Emissions de CO2


Paquet Energie / Climat de l’Union EuropéenneObjectifs 20-20-20 à l’horizon 2020

Réduction des émissions de gaz à effets de serreAmélioration de l’efficacité énergétiquePart des énergies renouvelables dans le mix énergétique

Système européen d'échange de droits d'émission (EU ETS)Initié en 2005 - Troisième période d’échange commencée en 2013Principe de “cap and trade” des émissions de gaz à effet de serre (CO2)Couvre plus de 11 000 installations dans 31 paysObjectif de réduction de 21% des émissions de gaz à effets de serre à l’horizon 2020

Solutions techniquesAmélioration de l’efficacité énergétique

Réduction des duties de combustion (rendement des fours, utiliser plus de gaz naturel)Solutions de récupération d’énergie

Captage / Capture du CO2

24




3.1 Nouveaux enjeux HSE hors France et prospectiveSécurité IndustrielleAnalyse du cycle de vieLes tendances « Mer du Nord »Evolution des méthodesEvolution des métiers/nouveaux besoins

3.2 Traitement des fuméesTechnologies de DeNOxFumées de FCC / RFCCCapture du CO2

3.3 Traitement des liquides De la Philosophie 3R à la mise en pratique du Zéro rejet liquide


3.1 Evolutions et tendances - Nouveaux enjeux HSED hors France et prospective



Sécurité Industrielle

Croissance offshore/onshore des approches « Risk-baseddesign », par objectifs de performances et de la « Démonstration ALARP »

Exigences

Complexité

Démonstration de l’atteinte des objectifs de sécurité Ex. Design offshore à l’explosion « dix- ou cent-millénaire » requiérant jusqu’à plusieurs centaines de calculs de dispersion et d’explosion 3D/CFD de la phase de faisabilité à l’EPCIntégration poussée des risques feu, explosion, cryogéniques et d’effets dominos dans les QRA des futurs « Floating LNG »

Environnement et santé - Analyse du Cycle de VieComparaison quantitative des impacts Santé et

Environnement des différents choix technologiques

Arbitrage entre réduction de la pollution,

efficacité énergétique et impact économique

Aide au choix entre MTDs et à la justification (« démonstration ALARP »)







Les tendances “Mer du Nord”Méthodes & exigences HSE offshore Mer du Nord souvent avancéesex. Règles NORSOK / autorités PSA norvégiennes

« Diffusion » à d’autres projets offshore puis onshore par les grands opérateurs Oil & Gas

Ex. Approche par objectifs de performancesVers une application plus stricte de l’API STD521 :Fin du « cas feu » forfaitaire du dimensionnement du réseau torcheAnalyse des risques & optimisation des systèmes de sécurité actifs (dépressurisation à la torche) et passifs (ignifugeage-PFP/tenue au feu des équipements) pour assurer la tenue de l’installation le temps de l’évacuation la mise en sécurité du personnelHygiène au poste de travail/working environment :Exigences comparables aux règles françaises mais démonstration rigoureuse requise pendant les études d’ingénierieVéritable « show stopper » de projets


Approche prescriptive Approche «Risk based » & « Objectif de Performance »

Augmentation exponentielle du recours à la simulation (3D/CFD, FEA, etc…)Etudes d’incendies / d’explosions / etc.Impact atmosphérique des effluents gazeux d’un « Floating LNG » sur la qualité de l’air dans le quartier vieDispersion marine du panache thermique des eaux de refroidissementCalculs prédictifs de la « dose de bruit » reçue par les opérateurs selon le NORSOKSimulations « champ proche » de la qualité de l’air au poste de travail pour des calculs d’exposition quotidienneConséquences de rupture de tubeEcoulements (combustion, répartition de vaines de flux…)

Recours croissant à la simulation dynamique de ProcédésRéponse transitoire des installations (upsets, arrêt / démarrage)

Fiabilisation du design des installationsDébits de torchage

29

3.1 Evolutions et tendances - Nouveaux enjeux HSED hors France et prospectiveEvolution des méthodes et Outils


* Source: TECHNIP




Evolution des métiers / nouveaux besoinsIngénieurs spécialistes (ou formés) aux calculs de mécanique des fluides/CFD et aux éléments finis/FEA

Ingénieurs maîtrisant les études quantitatives de risques industriels ET les études de comportement des structures aux effets d’accidents (non enseigné)

Technologie DeNox Procédé utilisé Température des fumées

Réduction de NOx

SNCR‐selective non catalytic reduction

Injection d’ammoniac ou d’urée 950°C‐1050°C (cheminée)

~60%

SCR‐selective catalytic reduction

Injection d’ammoniac ou d’urée 300°C‐350°C(cheminée)

~90%

Ozone Oxidation Injection d’ozone dans la zone de quench du scrubber des fumées

~210°C(cheminée)

~90%


3.2 Evolutions et tendances – Traitement des fumées

Limitation des NOx


Réduction à la sourceUtilisation de brûleurs « Low » ou « Ultra Low » NOx(formation NOx thermiques)Contraintes notamment sur la composition du gaz combustible et la préchauffe d’air

Technologies DeNOxContreparties

Extra CAPEXImpact sur l’implantation et la maintenance Emissions de NH3

* Source: TECHNIP



Fumées de FCC / Resid FCC


Exemple du RFCC - Projet RAPID Contribution des fumées du RFCC

48vol% fumées émises par la raffinerieNOx ~70wt% NOx totalSOx RFCC~80wt% SOx total

Choix technologique pour l’élimination des SOx et particules : tour de lavageContact liquide (soude diluée/eau) /gaz, contrôle du pH de l’eau du scrubber par ajout de soude

Chaîne complète de dispositifs de traitementParticules : Cyclones (2 étages, TSS, QSS), Précipitateur Electrostatique, Tour de lavageSOx : Tour de lavage (soude, eau de mer)CO : CO Boiler (possibilité de DeNOX)



Captage / Capture du CO2


Peu de projets engagés en raffinage / pétrochimieExemple de la raffinerie STATOIL de Mongstad (Norvège)

Emissions CO2 de la centrale électrique : 1.2Mton/anCapture du CO2 actuelle à l’échelle pilote : 100 000ton/anTechnologies ALSTOM chilled ammonia et AKER Clean carbonEtape de FEED annulée (défaut de subvention)

Concept de CCR (« Carbon-Capture Readiness »)

Des technologies disponiblesOxy-combustion

Alternatives en cours de développement

Post-combustionDifférentes générations de solvantsExemple de l’accord de coopération Technip – Shell Cansolv

Pré-combustionGaz de synthèse (Gazéification et Production d’Hydrogène)

* Source: TECHNIP (Hydrogen Product Line)

SMR +Shift PSAPG CO2

removalHC Feed

Export steam

Make-up fuel

FG CO2removal

TG CO2removal

PSA Tail Gas

Flue gas

60 -70% CO2

30 - 40% CO2

H2 Product

Target : 60 - 80% capturef (feed, export steam)

6 – 8 t CO2 / t H2

Philosophie 3RRéduire : limitation de la consommation d’eau (tours de refroidissement, installation de pré-traitement si nécessaire), sélection des technologies économes en eauRéutiliser : eaux strippées aux dessaleurs de brut ou lavage de fumées, eaux de séparateurs pour lavage Process, utilisation ultime (sortie ETP) pour l’irrigationRecycler : application de traitements pour réutiliser l’eau

Principaux défisUne partie de l’eau est purifiée, le rejet se concentre en sels/impuretésRejet final : mise à disposition spécifique, évaporation dans des bassins…

Mise en pratique du Zéro Rejet Liquide (ZLD)Élimination des effluents liquides à l’aide d’un évaporateur qui traite les concentrats :

compression mécanique (consommateur électrique)évaporateur multi étages (à film tombant ou courant courant forcé)

Evaporateur associé à un cristallisateur puis une centrifugeuse pour séparer le sel du recyclat


3.3 Evolutions et tendances – Traitement des liquides

De la Philosophie 3R à la mise en pratique du ZLD


35

Conclusions


Conclusions (1/2)


Les réglementations et contraintes sécurité, environnement et santé et attentes sociétales actuelles ne cessent de progresser

La mise en œuvre des réductions des rejets et l’amélioration continue de l’efficacité énergétique de leurs unités reste une priorité pour l’industrie du raffinage et de la pétrochimie

Les technologies se développent pour satisfaire les dernières spécifications et réglementations en vigueur et pour anticiper les évolutions

L’évaluation des performances énergétiques et de la complexité technologique des raffineries est un moteur de compétitivité internationale pour les nouvelles installations

L’aspect économique en l’absence de réglementation précise est encore généralement le premier paramètre de choix des MTD voire de décision du GO/NO GO des projets dans le domaine HSE

Conclusions (2/2)Des approches se développent pour répondre aux exigences croissantes de démonstration de la conformité réglementaire et de justification du choix des MTD, mais :

Méthodes toujours plus sophistiquéesOutils de calcul toujours plus complexesLes ingénieurs et leurs cursus de formation doivent évoluer dans ce sensLes entreprises doivent favoriser le développement et la reconnaissance des filières d’expertise

LES CAPACITES DE JUGEMENT, DE « BON SENS » ET DE RECUL RESTERONT INDISPENSABLES AU DEVELOPPEMENT DE PROJETS SÛRS ET RESPECTUEUX DE L’HOMME ET DE L’ENVIRONNEMENT


www.technip.com

Merci

Llewella Mai-Tam Michel Pringuet

Jean-Luc Grué

Antoine Boullet

Frédéric MarchadierHélène Gauthey

Joëlle CastelManuel Jacques

Eric Picou

Céline Mollet

Jean-Michel Delage

Christophe Héraud

Marc Salavin

Françoise Penven Lher

Alban Sirven

Bruno Lequime


Nicolas Noël