L'épuration des gaz de combustion par centrifugation

Description et principes

L’ensemble de l’appareil est représenté sur la figure 1, et le rotor, qui constitue son organe principal, fait l'objet de la figure 2.

Comme on le voit sur la figure 1, le gaz à épurer traverse le dispositif de bas en haut. Le rotor est construit de telle sorte qu'il matérialise des canaux hélicoïdaux que suit le gaz dans son trajet ascendant. Sous l’action de l’extracteur, situé en aval de l'appareil, le gaz parcourt de bas en haut ces canaux, et acquiert une vitesse tangentielle par rapport au rotor ; si l'on examine celui-ci par-dessus, cette rotation se produit dans le sens inverse du sens trigonométrique. Le rotor étant lui-même entraîné dans le même sens, les deux vitesses de rotation s’ajoutent. Il est ainsi possible, grâce à ce dispositif breveté, d’engendrer avec des vitesses mécaniques courantes, des vitesses aérauliques et corrélativement des champs centrifuges très élevés. On peut dire que le champ centrifuge engendré par un tel appareil est sensiblement quadruple de celui qui serait engendré par un séparateur centrifuge conventionnel.

Cette propriété peut s’expliquer également en examinant le bilan des énergies transmises au gaz :

• l’énergie de rotation du rotor provient du moteur d’entraînement de celui-ci ;

• l’énergie supplémentaire de rotation du gaz par rapport au rotor provient du moteur d’entraînement de l’extracteur.

Dans la pratique, ces deux énergies sont sensiblement égales.

Sous l’action du champ centrifuge ainsi engendré, tous les aérosols contenus dans le gaz sont collectés sur la surface inférieure, à l’intérieur des cônes, ce qui assure une coalescence ou une agglomération. Le champ centrifuge les fait ensuite glisser vers la périphérie et les transfère sur la surface intérieure du corps.

À ce niveau, les produits collectés doivent descendre, sous l’action de la pesanteur, vers la sortie correspondante, à la partie inférieure, ce qui impose certaines conditions :

• • ils ne doivent pas adhérer à la paroi ;
• • ils ne doivent pas être remis en dispersion et, à la limite, remontés vers la sortie de gaz épuré par les fuites périphériques.

L’adhérence à la paroi est directement liée à l’angle du cône de frottement des produits sur celle-ci ; cet angle est réduit ou même annulé par le mouvement tangentiel des matières séparées sous l’action de la vitesse périphérique du rotor (phénomène de louvoiement). La descente des fractions les plus fines de ces produits peut être freinée ou même inversée par les fuites verticales ascendantes de gaz, dues à la dépression existant en aval du rotor (c’est-à-dire au-dessus de celui-ci). L’appareil comporte par suite un dispositif*, représenté sur la figure 3, constitué par une fente circulaire traversant la paroi au niveau de la partie supérieure du rotor, et comportant des ailettes directrices débordant à l’intérieur du corps. Les particules ou gouttelettes remontant le long de la paroi sont éjectées par ces ailettes vers l’extérieur de l’appareil, sous l’action de leur propre vitesse tangentielle. Elles sont ensuite collectées dans une goulotte.

On voit que, dans ces conditions, le TCG** peut fonctionner comme un véritable classificateur :

• • les fractions les plus lourdes et les plus grossières sont évacuées à la partie inférieure du corps ;
• • les fractions les plus fines et les plus légères sont évacuées par la goulotte associée à la fente circulaire. Ce dispositif peut être lui-même complété par un moyen régularisant l’évacuation continue des produits fins.

* Également breveté.

** Turbocyclone à gaz.

* Turbocyclone à liquides.

Caractéristiques spécifiques

Il découle de la description ci-dessus plusieurs constatations :

• • le champ centrifuge est beaucoup plus élevé, pour une même vitesse de rotation et une même technologie mécanique, que dans un séparateur centrifuge conventionnel. Les champs se chiffrent en milliers de G***. Le pouvoir séparateur obtenu est donc exceptionnel ;
• • l’évacuation des produits extraits est totale et continue, sans aucune intervention autre que le raccordement des deux sorties sur des capacités de réception ;
• • corrélativement, il n’existe pas de problèmes de nettoyage périodique, qu’ils soient manuels ou automatiques, ni de besoins de remplacement de media colmatés ;
• • l’absence de tout dispositif cyclique de nettoyage, et la continuité absolue du fonctionnement assurent la permanence de l’efficacité de la séparation, qui n’est jamais fluctuante et reste établie toujours à son maximum (sauf momentanément, dans le cas de variation sensible très brutale de l’alimentation) ;
• • l’utilisation du champ centrifuge comme facteur séparateur rend l’appareil insensible à la nature de l’aérosol à séparer ; il fonctionne donc, suivant les besoins, comme dépoussiéreur ou dévésiculeur. Il peut également traiter un aérosol constitué d’un mélange de gouttelettes et de particules. En tant que dévésiculeur, il est beaucoup plus efficace que tous les autres dispositifs employés, par suite du niveau du champ centrifuge mis en œuvre ;
• • comme il est précisé ci-après, il se combine efficacement à un dispositif de lavage très puissant, pour atteindre des rendements très élevés, mais avec des aérosols microniques.

*** G = Intensité de la pesanteur.

Ensemble lavage-séparation

Le lavage comporte en réalité deux phases successives complémentaires qui sont bien connues : d’une part, la pulvérisation dans le gaz d’un liquide dont la présence a pour but de mouiller et de rassembler les particules dans des gouttelettes moins fines et d’autre part, la collecte de ce liquide et les particules qu’il contient.

Pour que le mouillage et la concentration dans les gouttelettes soit efficace, il est nécessaire que la surface de contact entre le liquide et le gaz soit aussi élevée que possible, pour une quantité de liquide déterminée. Ceci signifie que la pulvérisation (c’est-à-dire la division du liquide) doit être très poussée. On peut également dire que, dans ce cas, le nombre de gouttelettes, donc la probabilité de contact avec les particules à extraire, est accru.

Or, plus les gouttelettes sont fines, et plus il est difficile de les rassembler. Dans la majorité des cas, il subsiste dans le gaz dit « lavé » un aérosol de

liquide lui-même chargé de poussières, d’autant plus abondant que les gouttelettes sont plus fines, lequel est partiellement récupéré par un « dévésiculeur » généralement simple, dont l’efficacité est limitée.

Dans le cas du TCG, le lavage et la séparation centrifuge poussée sont combinés de la façon suivante :

• le TCG est précédé d’une « tour de pulvérisation » ou « tour de lavage », représentée sur la figure 4. Cette tour comporte plusieurs étages, leur nombre dépendant de la difficulté du problème à résoudre. Chaque étape comporte plusieurs buses de pulvérisation sous pression (2 à 5 bars en général), dont la finesse de pulvérisation peut, pour certains modèles (buses supersoniques), être de l’ordre du micron, finesse de séparation que le TCG peut atteindre. Chaque étage comporte un « distributeur » qui maintient le gaz en rotation afin d’homogénéiser la répartition des gouttelettes, et d’accroître la probabilité de contact avec les particules ;

• le TCG, par l’intervention du champ centrifuge, collecte aussi bien les gouttelettes que les poussières non mouillées. La masse totale de l’aérosol est acheminée vers les cônes, puis vers la paroi comme précité ci-dessus. Il se produit alors un véritable « balayage » du gaz par les gouttelettes, qui complète l’effet de la tour de lavage. Le TCG constitue donc lui-même un laveur de finition en même temps qu’un dévésiculeur et un séparateur de poussières sèches éventuelles. Cette supériorité sur les laveurs conventionnels présente l’avantage de permettre la réduction du débit d’eau de lavage, ou bien d’atteindre des résultats très supérieurs pour le même débit.

La tour de lavage représentée sur la figure 4 constitue en elle-même un exemple particulier du fait qu’elle a été étudiée pour être montée sur le côté du séparateur. Il existe en effet des tours montées directement sous l’appareil, afin de réduire la surface au sol de l’ensemble. Les dimensions de la tour, le nombre d’étages, le nombre de buses par étage sont adaptés aux problèmes à résoudre. Il existe toutefois des dimensions standard qui conviennent dans la plupart des cas, pour chaque dimension du TCG. Il est à noter que la tour comporte à sa partie inférieure un orifice de sortie de l’eau de lavage qui ne serait pas entraînée vers le haut par le gaz (gouttelettes les plus grosses).

Adaptation au traitement des gaz de combustion.

Déchloruration et désulfuration

Les gaz de combustion, outre les poussières qui sont éliminées par lavage simple, contiennent des gaz toxiques nécessitant un traitement physicochimique.

Les exemples les plus connus concernent :

• les gaz de combustion de charbon à haute teneur en soufre, qui sont par ailleurs très chargés en poussières ;

• les gaz de combustion de certains hydrocarbures lourds, également chargés en soufre ;

• les gaz d’incinération de déchets ménagers contenant des plastiques chlorés.

Pour éliminer les composés à base de soufre ou de chlore, il n’est pas suffisant de procéder à une épuration conventionnelle. Il faut introduire un composé basique, qui est le plus fréquemment calcique. Ces procédés ont, sur un plan général, fait l’objet de nombreuses publications, et un certain nombre d’installations de ce type fonctionnent dans le monde.

Il est à noter que trois méthodes fondamentales sont utilisées actuellement :

• le procédé sec, dans lequel le corps neutralisant est constitué par une poudre fine dispersée dans le gaz. Le réacteur correspondant peut être un lit fluidisé et le séparateur peut être un filtre à manche ou un électrofiltre. Ce procédé est le moins efficace (rendement 95 % environ), mais le moins coûteux et le plus simple de mise en œuvre. L’adoption du TCG comme appareil de séparation améliore l’efficacité ainsi que la récupération des métaux lourds, par suite de leur densité élevée. Il réduit les problèmes d’entretien ;

• le procédé dit « semi-sec », dans lequel le réactif neutralisant est une boue compacte. Une évaporation ultérieure permet d’obtenir un rejet sous forme de poudre sèche. Le réacteur peut être une tour équipée d’un pulvérisateur tel qu’une turbine d’atomisation ; le séparateur final peut encore être un filtre à manches, un électrofiltre, ou un TCG, avec les avantages d’efficacité et d’absence d’entretien de ce dernier. L’efficacité d’élimination du composé acide peut atteindre 99 %. Le TCG est particulièrement efficace pour éliminer les métaux lourds ;

• le procédé dit « humide » utilise un réactif plus dilué, qui peut être introduit dans une tour de lavage telle que celles décrites plus haut. Le TCG, fonctionnant simultanément comme dévésiculeur et comme dépoussiéreur, par suite de l’hétérogénéité de l’aérosol, permet d’atteindre les efficacités de séparation les plus élevées, aussi bien pour les composés de chlore ou de soufre que pour les métaux lourds, et divers autres polluants spécifiques.

En résumé, le TCG est le seul séparateur existant qui peut être employé indifféremment dans la mise en œuvre des trois procédés susvisés. Il permet de choisir, pour le liquide ou la bouillie de lavage, la concentration la plus efficace, sans que cela n’affecte sa propre efficacité de séparation des composants de l’aérosol final.