La diffusion des polluants

 

Quatre phases successives sont à noter : l’ascension, la dispersion locale, la diffusion à l’échelle régionale et le transport sur de longues distances.
Au cours des dernières phases, le temps de séjour des polluants varie en fonction de divers mécanismes météorologiques, de la géographie des lieux, de l’urbanisation et des phénomènes de dépollution naturelle.

Nous allons porter notre attention sur
• l’évolution des panaches de pollution.
• les mécanismes naturels de dépollution
• les facteurs météorologiques influençant la dispersion des polluants

                                                     Évolution des panaches de pollution
Pour comprendre la pollution atmosphérique, il faut connaître les polluants primaires et secondaires et leur dynamique dans l’atmosphère.
1ère phase  : « sortie des fumées »  Le panache de fumées s’élève et sa trajectoire dépend essentiellement :
-de sa température.
les effluents gazeux ont une température > température ambiante => cette énergie thermique entraîne une surélévation variable du
panache, ;
-de sa vitesse d’éjection Vs qui peut atteindre 10 m/s ;
-de la vitesse u et de la direction du vent au voisinage du débouché de la cheminée :
plus le rapport Vs/u est grand, plus la surélévation est importante.

                                                                     Influence de la vitesse de sortie des gaz

On appelle hauteur effective d’une cheminée la somme de sa hauteur et de la « surhauteur » du panache (h)

On appelle hauteur effective d’une cheminée la somme de sa hauteur et de la « surhauteur » du panache (h)

Au cours de son ascension, le panache se refroidit par détente, et sa vitesse d’ascension diminue. À une certaine altitude nommée surhauteur, il va s’infléchir et, entraîné par le vent, tendre vers l’horizontale.
On appelle hauteur effective = hauteur de la cheminée + « surhauteur » du panache.
Au cours de cette première phase, les paramètres d’émission (vitesse d’éjection, température d’éjection, hauteur de la cheminée) jouent un rôle prédominant qui s’atténue progressivement.
En agissant sur ces paramètres, on peut augmenter l’élévation des panaches en altitude, ce qui réduit les risques de pollution locale.
À titre d’exemple, en doublant la hauteur effective d’une cheminée, on peut diviser par quatre la concentration maximale au sol des polluants au voisinage de la source émettrice.

Situation normale de diffusion (© CRDP de l’académie d’Amiens)

En doublant la hauteur effective d'un conduit de cheminée on divise par 4 le risque de pollution dans les zones proches.

En doublant la hauteur effective d’un conduit de cheminée on divise par 4 le risque de pollution dans les ones proches.

2e phase :  « le panache d’évacuation »
Elle débute lorsque le panache acquiert une densité sensiblement égale à celle de l’air ambiant : devenu horizontal, sa diffusion dépend des conditions météorologiques et de la turbulence atmosphérique.
Diffusion d’un panache en fonction de la turbulence atmosphérique :

Diffusion d’un panache en fonction de la turbulence atmosphérique

Diffusion d’un panache en fonction de la turbulence atmosphérique

deux origines :
– une origine dynamique due au relief et aux obstacles à la surface du sol et aux cisaillements du vent ;
– une origine thermique due à la variation de la température de l’air avec l’altitude (structure thermique verticale).

3e phase : elle concerne la diffusion du panache à l’échelle régionale (distances de l’ordre de 20 à 400 kilomètres en aval de la source). Progressivement, les polluants tendent à se répartir uniformément à l’intérieur d’un volume d’atmosphère appelé couche de mélange. Le panache perd alors ses paramètres d’émission.

4e phase : les polluants se déplacent alors sur de longues distances, à plusieurs centaines, voire plusieurs milliers de kilomètres des points d’émission

                                                         Les autres facteurs influents

La vitesse du vent augmente avec l’altitude. Au fur et à mesure que les polluants s’élèvent, la dispersion est facilitée par le vent. Plus le vent est fort, plus les niveaux de pollution seront bas. En revanche, un vent de faible vitesse favorise l’accumulation

Lois thermodynamiques.
Si les fumées sortie cheminée sont plus froide que l’air ambiant, elles seront plus dense et donc redescendront à leur niveau de départ (atmosphère stable) => pollution immédiate de l’environnement.

Si les fumées sortie cheminée sont plus chaude que l’air ambiant, elles seront plus
légères et subiront donc une élévation (atmosphère instable) => dégagement immédiat=>pollution atténuée.

Néanmoins il peut exister des situations d’inversion de température à partir d’une certaine hauteur. Dans cette situation, une couche d’air chaud se trouve au-dessus d’une couche d’air plus froid et joue le rôle de couvercle thermique => l’air pollué, qui se disperse vers le haut en situation normale de diffusion, est alors bloqué par cette couche d’air chaud => pollution locale (pics de pollution).
• en début de matinée, suite à une nuit dégagée et sans vent, les couches d’air au sol sont froides, les couches immédiatement supérieures restent plus chaudes
• en hiver, lors de conditions anticycloniques (belle journée d’hivers ensoleillée, zone de hautes pressions) avec de faibles vents.
(Laboratoire De Matériaux & Energies Renouvelables, Facultés Des Sciences, Université De Tlemcen

Effet de vallée
La présence d’un creux ou un encaissement (vallée) est défavorable à la dispersion des polluants. Les couches d’air froid, plus denses s’accumulent dans le fond, déterminant un écart de température anormal. Les polluants ont alors tendance à s’accumuler dans le fond de la vallée.

Avec les hautes pressions (anticyclone= pas de vent, pas de mouvement) les fumées retombent au sol => concentration et pollution maxi pour les riverains et l'environnement.

Avec les hautes pressions (anticyclone= pas de vent, pas de mouvement) les fumées retombent au sol => concentration et pollution maxi pour les riverains et l’environnement.

Par contre, la présence d’une vallée dans une plaine peut favoriser la dispersion des polluants par suite des vents qui naissent entre la vallée et la plaine (brise de vallée) et l’absence d’obstacle.

Rugosité et revêtement du sol
La rugosité et le type de revêtement du sol influencent l’écoulement des flux gazeux, donc la turbulence des masses d’air et par conséquent, la dispersion des polluants.
Un sol rugueux (arbres, immeubles…) augmente la turbulence et stimule le dépôt des particules par capture.
(Laboratoire De Matériaux & Energies Renouvelables, Facultés Des Sciences, Université De Tlemcen)

                                                     Cas d’une installation ICPE

Rappel : la hauteur de la cheminéeexprimée en mètres est déterminée, d’une part, en fonction du niveau des émissions de polluants à l’atmosphère, d’autre part, en fonction de l’existence d’obstacles susceptibles de gêner la dispersion des gaz. Cette hauteur, qui ne peut être inférieure à 10 m, est fixée par l’arrêté d’autorisation conformément aux articles 53 à 56 ci-après ou déterminée au vu des résultats d’une étude des conditions de dispersion des gaz adaptée au site.

Elle est également obligatoire dans les vallées encaissées ainsi que lorsqu’il y a un ou des immeubles de grande hauteur (> à 28 m) à proximité de l’installation 

Article 56 de l’arrêté du 2 février 1998
Les bâtiments ou autres relief dans le voisinage sont considérés comme des obstacles entrainant une correction de la hauteur de cheminée s’il sont vus de la cheminée considérée sous un angle >à 15 °C dans le plan horizontal .

      Hauteur de cheminée pour une station d’enrobée en limite de lotissement 

Localisation géographique : (plan cadastral-calcul)
Situation  de l’installation : en fond de vallée
Proximité du relief le plus proche : 100 m
Altitude de la station : 225 m
Altitude des reliefs les plus proches :255 m
Ecart constaté d’altitude : 30 m
Angle du relief/ au plan horizontal : α = 19,5

Composition polluants/standards réglementaires ( mesure effectuée :02/09/2013)
Valeur moyenne/ (valeur réglementaire ):
O2 (mg/m3 sec) = 13,1 / (13.1)
CO2 (mg/m3 sec) = 5,6 / (5,6)
CO (mg/m3 sec) = 56 / (56)
NOx (mg/m3 sec) = 81 / 56
COV (mgC/m3 sec) = 5,1 / (4,9)
IP poussières (mg/m3 sec) = 9,1 /(9,1) 

Σhap (ng/m3 sec)    <288 /(288)

Caractéristiques installation : TSM 15 CITY STAR UT 160 MARINI-ERMONT
Capacité nominale : 110 à 250 t/h, moyenne 160 t/h soit Pu  => 10 Mw
Température des gaz : 95 °c (203°K)
Vitesse des gaz sortie cheminée : 13,3 m/s
Hauteur de cheminée :   13,2 m
Vent dominant et vitesse (moyenne annuelle, station proche (<10 km)) : 30 à 40 °Nord Nord Est
de 3 à 10 nœuds (de 5,4 à29,5 km/h)

Calcul de la hauteur nécessaire :( Rubrique n° 2910 : Combustion (JO 27/09/97) 
Hi = 5/4(hi+5)(1-d/5D)
          avec : hi = altitude d’un obstacle situé à une distance d de l’axe cheminée
d  = distance d’un obstacle à l’axe de la cheminée
D = 25 m si Pu < 10MW et = 40 m si Pu =>10 MW

alors Hi = 5/4(35)(1-100/200)= 21.87 m  pour une cheminée installée de  13,2 m soit 8.67 m d’écart

 

 

 

 

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