Brevet FR2187396A1 — publié le 19740118

L'invention concerne un procédé d'épuration des fumées des installations de chaudières chauffées au charbon et aux hydrocarbures dans lequel on neutralise chimiquement l'anhydride sulfureux (S02) évacué avec le produit de la combustion. Fait également partie de ltobjet de l'invention le dispositif servant à la mise en oeuvre du procédé de neutralisation. Il est bien connu que le maintien de la pureté de l'air ambiant pose un problème important, aussi bien dans les pays industriels que dans les pays en voie de développement. La technique et le chauffage industriels, et comme facteur au moins aussi important les installations de chaudières destinées à assurer le chauffage des habitants dont le nombre va en augmentant sans cesse en raison des besoins en main oeuvre des industries, donnent naissance à des produits de combustion qui entraient des dommages du point de vue de la santé et des dommages matériels qui nront e été jusqu'ici identifiés qu'en partie. On stefforce d'assurer la pureté de l'air - d'une manière traditionnelle - avec différentes combinaisons de cyclones de sépia~ ration des cendres volatiles, de filtres électriques, ainsi qutà l'aide de cheminées de grande hauteur réalisant une dispersion des produits de la combustion qui sont nuisibles à la santé. Quoique les dispositifs cites fixent une partie des particules qui polluent l'air mécaniquement, l'anhydride sulfureux (sou) qui stéchappe avec les gaz dtéchappement n'est pas neutralisé. Sous l'action de la vapeur d'eau, il se forme, à partir de l'anhydride sulfureux, de l'acide sulfureux qui, en se répandant, nuit tant aux installations mécaniques qu'aux entres vivants des environs. On en a un exemple par la catastrophe, bien connue dans la presse spécialisée, qui s'est produite à Londres lorsque, au cours de la période du 4 au 9 décembre 1952, il est mort 4000 personnes de plus que ce qui correspond à la mortalité habituelle, sous l'effet de l'anhydride sulfureux qui stétait accumulé par suite de 1' absence complète de vent~, et sous lleffet d'autres impuretés, En deux mois, 8000 autres personnes moururent sous l'effet des séquel- les, et, parmi celles qui furent guéries, un certain nombre moururent, même après de longues années, d'affections des organes- respiratoires, affections qui avaient e'été réveillées par les phénomènes rappelés ci-dessus (voir le rapport intitulé :Smoke Control 19621966, Ministry of Housing and Local Government. Her Majesty's Stationary Office). A l'aide du procédé conforme à l'invention et du dispositif adapté pour sa-mise en oeuvre, on peut obtenir que les effets nuisibles puissent ètre éliminés avec un très bon rendement. L'invention a pour but d'assurer la pureté de l'atmosphère par lavage des gaz d'échappement pollués-avec des produits chimiques, ou par neutralisation du produit de la combustion (par neutralisas tion de l'anhydride sulfurique (S02) ) l'air en majeure partie épuré étant refoulé en altitude au moyen d'une cheminée virtuelle. Le procédé est basé sur un processus chimique qu'on met en oeuvre dans un séparateur de poussière fonctionnant par voie humide, par lavage des gaz-avec une solution dthyEoxyde de calcium (Ca(OH)2). Ltefficacité du séparateur de poussières est assurée par mise en circulation rotationnelle intense de l'air chargé de poussière au contact des surfaces humectées assurant la séparation des poussières, ce qu'on obtient à l'aide dtune chambre de brassage d'une conformation correspondante et par des fentes pour l'air qui débouchent dans la chambre de brassage, tel que ce processus staccomplit dans le séparateur de poussières, fonctionnant par voie humide, décrit dans le brevet hongrois SE-1519 (dans la suite, ce dispositif sera désigné sous la marque 'tHIDROKLON-T"). Le CaSO3 formé au cours du processus chimique s'accumule sous la forme d'une matière granuleuse dans La partie inférieure de l"'Hidroklon-T't et peut en être extrait par écoulement ou à l'aide d'une channe transporteuse à racleurs. La réaction chimique se déroule de la manière suivante: CaO + H20 = Ca ( OH)2 Ca ( OH)2 + S02 = Ca S03 + H20 Le gaz dtéchappement qui sort de la chaudière ou des dispositifs correspondants et qui a été neutralisé de la manière indi quée parvient dans un dispositif mélangeur et de refroidissement, dans lequel le gaz- d'échappement est refroidi au contact de surfaces d'échange et mélangé à de l'air frais puis pulsé par un ventilateur de grande puissance pour ètre envoyé, en formant une cheminée virtuelle, à l'air libre où il se disperse à une hauteur d'environ 80 m. L'équilibre calorifique technique du procédé conforme à Il invention est représenté par les relations suivantes V. i1 + C1 * il + C5 . i5 ( C2 - C3) . t3 = V. i2 + C2 . i2 (I) C5 = C3 - ( Cl + C4) (2) V. i2 + C2. i2 + L . i4 = ( C22 C3) ) . t3 + (L+ V) . i3 + + C3 . i3' (3) V. i1 + Cl . i1 + C5 ~ i5 + L.i = = ( L + V) . i3 + C3 . i3' (4) L = V (5) Les signes utilisés désignent les paramètres suivants V = quantité des gaz d'échappement (kg/h) C1-4 = teneur en eau du mélange de gaz d'échappement et d'air (kg/h) C5 = quantité d'eau additionnelle (ajoutée dans 1'"Hidroklon-T") (kg/h) L = quantité d'air frais- (kg/h) i'1-4 = quantité de chaleur contenue dans la vapeur d'eau que con tient le mélange de gaz d'échappement et d'air (kcal/kg) i5 = quantité de chaleur contenue dans la quantité d'eau addition nelle (kcal cg > tH. température de l'eau dont on a rempli 1'"Hidroklon-T" ( C) tFKM = température de l'enceinte à eau du dispositif de refroidis sement et de mélange ( C) t1-4 = température du mélange de gaz d'échappement et d'air ( C) Ca(OH)2 = quantité d'hydroxyde de calcium (kg/h) CaS03 = quantité de sulfite de calcium (kg/h) En tenant compte de ce qui a été exposé ci-dessus - et des significations données aux paramètres - , la quantité de poussières contenue dans la quantité de gaz d'échappement et d'air est égale à: En appliquant une méthode d'approximation et le diagramme i - x, on peut déterminer les valeurs des constantes d'état du processus. La méthode de mise en oeuvre va etre décrite ci-après de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple de réalisation. Dans une chaudière chauffée au mazout de 50.000 thermies il se forme à peu près 66.000 Nm#3 de gaz d'échappement par heure, cette quantité contenant 55,3 Nm3 d'anhydride sulfureux par heure, ou 2,52 kilomoles par heure. En vue de la réaction représentée, il faut théoriquement, pour la neutralisation, environ 141,3 kg de CaO (chaux vive) par heure. Dans la pratique, on peut compter sur un supplément de 10%, il faut donc prévoir 155,4 kg par heure. Lors de la neutralisation chimique qui se déroule dans le dispositif dit "Hidroklon-T", il se forme, dans le présent cas, 302 kg de sulfite de calcium (CaS03) par heure, ayant un volume à sec de 150,5 décimètres cubes. Capacité calorifique utile de la chaudière 50.000 thermies/heure Rendement de la chaudière 85 Huile brûlée Fuel léger sans soufre type FM 60/130 Caractéristiques principales de l'huile Pouvoir calorifique 9500 kcal/kg Teneur en soufre 1,2% Teneur en cendres 0,5% Teneur en eau 2,0% Température de sortie des gaz d'échappement tl = 1600C Valeurs trouvées par le calcul Quantité des gaz d'échappement à l'état sec (dans le cas d'un coefficient d'excès d' air de 1,1) V = 88700 kg/h Composition du gaz d'échappement sec 2 9800 Nm3/h S02 55s3 " N2 51,8 " Air 6800 Vapeur d'eau contenue dans le gaz d' échappement r Cl = 6200 kg Paramètres du gaz d'échappement 10/ Après la chaudière et avant l'1'Hidroklon-T" Quantité de chaleur contenue dans le gaz d'échappement sec il = 38,5 kcal/kg Quantité de vapeur d'eau contenue dans un kilo de gaz d'échappement xl = 0,07 kg/kg Quantité de chaleur contenue dans xl kilogs de vapeur d'eau 91. = 47t5 kilocalories q1. Quantité de chaleur contenue dans (1 + x1) de gaz d'échappement (à l' état humide) il = 86 kilocalories 20/ Après l"'Hidroklon-r' (état de saturation) i2 = i Teneur en humidité du gaz d'échappe ment saturé X2 = 0,116 kg/kg Température de saturation t2 = 550C Quantité d'eau additionnelle néces saire dans l"'Hidroklon" (rapportée à x kg de gaz d'échappe ment sec) X2 -x1 = 0,046 kg/kg (rapportée à la quantité totale de gaz d'échappement) c3 = 4100 kg/h On décrira ci-après de façon plus détaillée un exemple d' un dispositif adapté pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention avec référence aux dessins ci-annexés dans lesquels Fig. 1 représente le schéma de l'installation et les raccordements entre les différents éléments; Fig. 2 représente le dispositif mélangeur et de refroidissement faisant partie de l'installation. Ainsi qu'on le voit dans la figure 1, la chaudière l est raccordée, par la conduite 2 traversant le réchauffeur préalable 3, à l"1Hidroklon" 4 en lui-m#me connu qui comporte une conduite 5 à lait de chaux, également connue en elle-même qui est raccordée à l'installation de production du lait de chaux. Sur l"1Hidroklon" 4 sont branchées la conduite d'eau 6 et la conduite 7 pour les boues. La conduite 19 de sortie de l"'Hidroklon" 4 est reliée au réchauffeur 8 pour l'eau chaude. La conduite 19 débouche, à travers le ventilateur 9 d'aspiration des gaz d'échappement, dans le dispositif mélangeur et de refroidissement, la conduite 10/a reliant entre eux le dispositif mélangeur et de refroidissement 10 et 1 !' > lidroklon" 4. La figure 2 représente l'agencenent du dispositif mélangeur et de refroidissement. Sur l'un des côtés, la conduite 19 est branchée sur le dispositif par le tube 12 des gaz d'échappement et sur l'autre côté est réalisée une fente à air frais quton peut régler au moyen de jalousies. Les tubes 14 à ailettes constituent un prolongement du tube 12 des gaz d'échappement, prolongement en-dessous duquel es#t fixée une cuve 17 servant à recueillir l'eau de conden sation, l'évacuation se faisant par une conduite 15 pour les précipitations. Dans le présent exemple de réalisation, on a disposé dans la partie supérieure du dispositif mélangeur et de refroidissement 10, deux ventilateurs axiaux 16 qui sont entrainés par des moteurs 11. Du fait du fonctionnement des ventilateurs, il se forme ce quton appelle des cheminées virtuelles (colonnes de gaz libres) désignées par 18, Le dispositif conforme à l'invention fonctionne de la manière suivante Le gaz d'échappement qui sort de la chaudière 1 parvient par la conduite 2 dans le préchauffeur d'air 3 où il est en quelque sorte refroidi. Comme préchauffeur on utilise avantageusement un dispositif type "Ljungström" fonctionnant suivant le principe de récupération.Le gaz dtéchappement refroidi de cette façon parvient, en parcourant une autre partie de la conduite 2, dans 1'"Hidroklon" 4 dans lequel a lieu le processus chimique sous la forme d'un lavage du gaz avec une solution d'hydroxycede calcium (Ca(OH)2). Le sulfite de calcium (CaS03) qui se forme au cours du processus s' accumule dans la cuve inférieure collectant les poussières, d'où on peut ltévacuer à l'aide d'une channe transporteuse à racleurs ou dtune conduite à boues 7. Le lait de chaux, qu'on prépare d'une manière en elle-m#me connue, parvient, par la conduite 5, dans lst'Hidroklont'. La conduite d'eau fournit la quantité d'eau additionnelle éventuellement né- cessaire. La préparation et le transport du lait de chaux peuvent entre automatisés en tout ou en partie. Le gaz d'échappement neutralisé de la manière indiquée cidessus est transporté ensuite par la conduite 19 dans le préchauffeur 8 destiné à l'eau de chauffage, préchauffeur dont la conduite dérivée Sa est raccordée au récupérateur et à la chaudière à eau chaude, cependant que la conduite dérivée 8b sert de conduite de retour. A l'aide du préchauffeur 8 monté à la suite de l"'Hidroklon" 4 et servant à l'eau chaude (préchauffage de liteau chaude circulant à contre-courant avec le gaz d'échappement humide et saturé), on peut, sans perte éventuelle de calories, réduire les surfaces de chauffe complémentaires de la chaudière dans une mesure telle que la température du gaz dtéchappement sortant de la chaudière ne descende pas en dessous d'un minimum de 2000C ce qui permet d'éviter la corrosion qui se produit à une température plus basse; de plus l'eau de condensation formée peut aussi etre ramenée dans 1' Hidroklon, Par l'intercalation du récupérateur, dans lequel a lieu le refroidissement par surfaces dréchange-thermique ou par mélange, le gaz d'échappement saturé passe à un état fortement saturé ce par quoi, surtout au cours des saisons froides, la séparation du précipité cesse dans la colonne gazeuse ascensionnelle libre, sépa- ration qui, lorsque le vent est défavorable, peut avoir des effets fort gênants sur les environs. Le problème qui se pose du fait de L'humidité séparée d' avec le gaz dtéchappement évacué, se présente dtune manière importante principalement dans les installations thermiques qui ne disposent pas d'installations d'utilisation pour le chauffage (comme par exemple dans les centrales à condensation, les centrales industrielles, les installations de chaudières et les centrales thermi ques de chauffage fonctionnant àla vapeur).Dans ces cas, il ap- parait qu'il est avantageux de monter dans la portion de tuyauterie située avant le ventilateur d'extraction des gaz dréchappement une installation de refroidissement a' surface d'échange pour le gaz dl échappementss installation dans laquelle on refroidit avec l'air ambiant le gaz d'échappement qui se trouve à l'état saturé.Dans le cas d'un rapport d'environ 1/1 entre le gaz d'échappement et l'air, qui a été admis dans la relation (5), pour une humidité relative de l'air de 40S et une température de l'air de 300, on peut, en été, abaisser la teneur en humidité du gaz d'échappement de la valeur x2 = 0,116 kg/kg déterminée dans l'exemple, à une valeur d'à peu près x2 = 0,08 kg/kg. Pendant les mois d'niver, les possibilités dans le sens d'une réduction sont encore meilleures. En utilisant le dispositif 10 de refroidissement et de mélange, la teneur en eau des gaz dtéchappement évacués est également bien moindre en été que celle du gaz d'échappement qui sort des cheminées des installations traditionnelles de chaudières. L'eau de condensation formée dans l'installation 10 de refroidissement et de mélange peut être ramenée à l"'I-Iidroklon". Les différentes quantités d'eau qui se forment au cours du processus technique suffisent à alimenter l"'Hidroklon" avec la quantité d'eau additionnelle nécessaire. Par l'application du procédé de l'invention, les dommages causés à l'environnement des installations de chaudières sont pra- tiquement supprimés. Le procédé, conforme à l'invention, d'épuration des gaz di échappement peut Etre utilisé -avec toutes les chaudières chauffées au charbon, complétées par les cyclones traditionnels, si l'on assure la séparation préalable des cendres et des cendres volatiles produites en grandes quantités. REVENDICATIONS 1.- Un procédé pour supprimer la pollution de l'air provo quée paroles installations de chaudières chauffées au charbon et aux hydrocarbures caractérisé en ce que le gaz d'échappement contenant de l'anhydride sulfureux (S02) est introduit dans un séparateur de poussières muni d'une chambre de brassage et fonctionnant par voie humide dans lequel on lave le gaz dtéchappement avec une solution dthyixxyde de calcium (Ca(OH)2) et, après avoir utilisé le reste de la chaleur contenue dans ce gaz d'échappement, celui-ci est évacué dans l'atmosphère à l'aide d'un ventilateur sous la forme d'une colonne gazeuse libre. 2.- Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce quton introduit, comme eau additionnelle dans le séparateur de poussières fonctionnant par voie humide, l'eau de condensation recueillie au cours du procédé. 3.- Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que sur le côté entrée du séparateur de poussières par voie humide sont raccordées la conduite de sortie de la chaudière qui traverse un préchauffeur d'air, une conduite à lait de chaux, de meme qutune conduite pour la quantité d'eau additionnelle, et en ce qu'en outre sur le côté sortie est raccordée une conduite qui est au contact de la surface d'échange d'un préchauffeur d'eau chaude et qui débouche dans le dispositif mélangeur et de refroidissement. 4.- Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement et de mélange est connecté par construction à un ventilateur qui est avantageusement du type axial, la colonne gazeuse sortante forme une cheminée virtuelle, tandis qu'une conduite pour le précipité condensé est connectée au préchauffeur pour l'eau chaude et au séparateur par voie humide. 5.- Un dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4 caractérisé par le fait que dans la conduite comprise entre le préchauffeur pour l'eau chaude et le dispositif mélangeur et de refroidissement est monté un ventilateur.