Brevet FR2496487A1 — publié le 19820625

La présente invention concerne un appareil et des procédés pour enlever des particules d'un gaz, et plus particulièrement à un tel appareil et de tels procédés utilisant un filtre à lit granulaire. Les systèmes pour centrale thermique à haut rendement couramment proposés qui utilisent les gaz de combustion produits comme fluide moteur pour une turbine à gaz associée, nécessitent l'élimination des particules du gaz produit à des températures élevées, supérieures à 8500C. On connait des dispositifs qui utilisent des forces électrostatiques pour l'élimination des fines particules (c'est-à-dire de 0,1 à 20 micromètres environ). Cependant, leur utilisation s'est prin- cipalement limitée aux applications à température relative- ment basse. Par exemple, des précipitateurs électrostatiques qui conviennent pour l'élimination de fines particules à des températures bien inférieures à 8501C, s'avéreraient de dimension non économique (si même ils fonctionnent) aux températures égales ou supérieures à 850WC. De même, les systèmes à lit électro-fluidisé dans lesquels on impose un champ électrique au matériau du lit du filtre ne conviennent pas à l'heure actuelle pour l'élimination de fines particules à haute température, car il faudrait une puissance d'entrée démesurée pour nettoyer convenablement un grand volume de gaz du fait que la conductivité des matériaux du lit dépend de la température. Au contraire, des systèmes mécaniques pour l'élimination de particules, tels que des séparateurs à cyclone, s'avèrent généralement adéquats pour la filtration primaire à des températures élevées, mais éliminent diffici- lement les fines particules. La filtration sur lit granulaire est une autre techno- logie disponible qui utilise un mécanisme mécanique de séparation et qui semble capable d'éliminer des fines parti- cules d'un courant de fluide à des températures de l'ordre de 8500C. Les filtres à lit granulaire utilisent des iiatéri.aux granulaires tels que des particules de verre ou de sable pour former un lit de filtration qui est relativement inerte vis- à-vis de l'attaque thermique et chimique. En fonctionnement un courant souillé d'un fluide contenant de petites particules solides ou liquides indésirables traverse un lit dense de matériau granulaire o les particules sont séparées du courant de fluide et se déposent sur le matériau du lit. On peut décharger le matériau souillé du lit, le nettoyer, et le recycler au lit du filtre. On a utilisé intensivement cette technique pour la filtration de l'eau, cependant, son utili- sation en liaison avec des matériaux transportés par de l'air est relativement récente. Malheureusement, le mécanisme méca- nique de séparation des particules exploité dans ces disposi- tifs à lit granulaire est peu efficace, nécessitant par conséquent l'usage de lits profonds pour une filtration convenable. L'invention a donc pour but - de former un nouveau système perfectionné de sépara- tion de particules qui fonctionne à des températures relati- vement élevées (par ex. 8501C); - de fournir un système capable de séparer de fines particules d'un courant souillé; - d'améliorer le rendement de filtration des systèmes de filtration à lit granulaire, et plus particulièrement, d'amé- liorer le rendement de filtration de ces systèmes par l'utilisation de forces électriques. Selon l'invention, on fournit un nouvel appareil perfec- tionné et un nouveau procédé de séparation des fines particu- les (c'est-à-dire des particules de 0,1 à 20 micromètres de diamètre environ) d'un volume de gaz chaud en écoulement. L'appareil comprend des moyens électriques pour charger électrostatiquement les particules dans le gaz avant son introduction dans un filtre à lit granulaire associé. Les particules électriquement chargées créent une charge virtuel- le dans un granulé du matériau du lit lorsqu'elles s'écoulent à proximité. La charge virtuelle est de signe opposé à celles des particules et une force électrique d'attraction s'établit donc entre le granulé du lit et ces particules chargées. La force d'attraction dévie la trajectoire normale de ces particules à proximité de ce granulé, et, lorsque la force d'attraction a une amplitude suffisante, ces particules 24964E percutent la surface du granulé. Les particules sont ainsi séparées du gaz et recueillies sur la surfacedesgranulés du lit. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement': Figures 1,3 et 4 des coupes longitudinales de disposi- tifs de filtration à lit granulaire construit suivant diffé- rentes réalisations de la présente invention; et Figure 2, une coupe transversale du dispositif de la figure 1 faite suivant la ligne 2-2 et en regardant dans la direction des flèches. Sur les figures 1 et 2, un dispositif de filtration à lit granulaire comporte une cuve extérieure cylindrique. Dans cette cuve 2 un premier jeu d'ouies annulaires 4 est disposé coaxialement, intérieurement écarté/ à un second jeu d'ouies annulaires 6. L'espace délimité entre les jeux d'ouies 4 et 6 par leurs surfaces inclinées vers le bas 10 et 12, respecti- vement, forme une chambre 8. Les ouies des jeux 4 et 6 sont verticalement espacées par des organes de support convenables classiques 14 et sont disposées coaxialement les unes par rapport aux autres à l'aide d'organes structuraux 16. Le jeu extérieur d'ouies 6 est à son tour disposé dans la cuve extérieure 2 au moyen d'organes structuraux convenables comme en 18.Des granulés structurellement stables comme, par exem- ple, du sable, du verre et analogue sont introduits dans la chambre 8 du filtre par un conduit d'entrée 20 situé près du sommet de la cuve extérieure 2. Comme le mécanisme de collecte de l'invention dépend fortement de la taille des granulés du matériau de lit utilisé, le diamètre des granulés du matériau granulaire est de préférence d'environ 0,1 à 5 mm. Le matériau granulaire est dispersé à partir de l'entrée et remplit la chambre 8, reposant sur des parties des surfaces 10 et 12 des ouies. En utilisant cette configuration de lit on accroît avantageusement la section droite du matériau du lit exposée au flux de gaz dirigé à travers les ouies 4 et 6. Le matériau granulaire se déplace continuelle- ment vers le bas dans la chambre 8 et est recueilli au fond du dispositif dans une partie conique 22. Le matériau du filtre, recueilli, est acheminé par des moyens de convoyage appropriés (non représentés) via un conduit de raccordement 24 à un appareil de nettoyage classique 26 tel qu'un dispositif à pulvérisation d'eau. En conséquence, les particu- les séparées d'un flux gazeux et adhérant au matériau granulaire du lit en sont retirées dans l'appareil 26 et sont ensuite acheminées via un conduit 28 pour le rejet final. Le matériau granulaire propre résultant est renvoyé via un conduit de raccordement 28 et le conduit d'entrée 20 au lit 8. En variante, on peut rejetter directement du matériau granulaire usé du conduit 24 sans recyclage, du matériau granulaire propre étant introduit par le conduit 20. Le conduit 24 comporte une vanne 30 pour permettre de commander l'élimination du matériau granulaire usé. On introduit, par une entrée 32, en contact avec le matériau de lit contenu dans le chambre 8, un courant de gaz contenant des particules entraînées. De même, on prévoit une sortie 34 pour décharger du gaz propre du dispositif. Le trajet d'écoulement du gaz comporte aussi une partie traversant un moyen 36 pour charger électriquement les particules o les particules entraînées dans le courant gazeux sont électriquement chargées. Dans la réalisation de la figure 1, le moyen de chargement comporte une électrode à décharge couronne 38 disposée dans le trajet d'écoulement et reliée convenablement à une source de tension élevée externe 40. En fonctionnement, un volume de gaz contenant des particules solides s'écoule autour de l'électrode 38. Lors de l'excitation de cette électrode 38, une charge électrique est conférée aux particules du courant gazeux par ce dispositif à décharge couronne. La température du gaz circulant est classiquement de l'ordre de 850C à 1000 OC et ce gaz pénètre par l'entrée 32. On prévoit une chicane annulaire 42 pour diriger le courant gazeux à travers le matériau du lit contenu dans une partie inférieure 44 de la chambre 8. En sortant de la partie inférieure de la chambre 8, le gaz s'écoule vers le haut à travers la partie ouverte centrale 46 du jeu d'ouies 4. Le gaz doit alors traverser le matériau de lit contenu dans une partie supérieure 48 de la chambre 8 et soit par la sortie 34. De cette manière, le courant gazeux a une seconde chance d'avoir ses particules enlevées. De plus, le gaz entrant est initialement nettoyé dans l'étage inféri- eur 44 de la chambre qui contient le matériau de lit qui est le plus sale, alors que l'étage supérieur 48 de la chambre retire toute particule restante grâce au matériau granulaire Io de lit qui est relativement le plus propre. Ainsi, la réalisation de la figure 1 fournit une séparation effective des fines particules. La figure 3 représente une autre réalisation de la présente invention sur laquelle les mêmes numéros de référen- ce désignent les mêmes éléments, fonctionnant de la même manière que sur la figure 1. Dans ce cas, le dispositif de filtration à lit granulaire comporte un passage unique à travers les granulés du lit contenus dans la chambre 8. En conséquence, la chicane 42 est absente et. le conduit de décharge 34 est situé près du sommet de la cuve 2. Aussi, contrairement à la réalisation de la figure 1, le dispositif de la figure 3 comprend un tamis cylindrique 50 disposé dans la chambre 8 transversalement au trajet d'écou- lement du courant gazeux afin de définir des sections amont et aval distinctes 49 et 51, respectivement, de la chambre 8. Comme le matériau du lit contenu dans la section amont 49 est en contact initial avec un courant gazeux souillé, il tend à se souiller plus vite, nécessitant par conséquent une plus grande vitesse de décharge que le matériau de lit contenu dans la section aval 51. En conséquence, on prévoit des moyens pour enlever indépendamment du matériau granulaire des sections amont et aval incluant des parties coniques 52 et 54, des conduits de raccordements 56 et 58, et des vannes 60 et 62, distincts. En réglant les vannes 60 et 62 on peut régler indépendamment le débit du matériau de lit des deux sections de lit 49 et 51 de sorte que le matériau contenu dans la section amont peut être déchargé suffisamment rapide- ment pour empêcher un colmatage du filtre, tandis que le matériau dans la section aval 51 peut être déchargé plus lentement pour accroître le temps de séjour et ainsi améli- orer le rendement d'utilisation du matériau de lit. En fonctionnement, on obtient la séparation des particu- les du courant gazeux selon la présente invention à la fois mécaniquement et électriquement. Le moyen mécanique comporte io la collecte ou capture des fines particules lorsqu'une particule contenue dans le courant gazeux entre en contact avec la surface d'un granulé du matériau du lit. Dans les systèmes de l'art antérieur, on augmentait la probabilité en augmentant le nombre de granulés du lit (c'est-à-dire la profondeur du lit) avec lesquels la particule pouvait entrer en contact. Les particules qui n'entrent pas en contact avec le matériau du lit, et par suite ne sont pas capturées, restent dans le courant gazeux effluent résultant. Au contraire, la présente invention incorpore des moyens pour conférer, à partir d'une source d'énergie externe, une charge électrique aux particules d'un courant gazeux avant sa traversée du matériau du lit afin d'accroître la quantité de fines particules recueillies par granulé du matériau du lit. Ainsi, on améliore le rendement de collecte sans augmenter la profondeur du lit. Plus particulièrement, à une température élevée de l'ordre d'environ 850'C à 10000C, le matériau granu- laire dans le lit 8 devient conducteur ou semi-conducteur. Les fines particules électriquement préchargées dans le courant gazeux induisent une "charge virtuelle" dans les granulés du lit électriquement conducteurs. La charge vir- tuelle est de signe opposé à celles des fines particules ce qui, par conséquent, se traduit par une force électrique d'attraction. De fines particules s'écoulant à proximité de la surface des granulés du lit sont attirées par les granulés comme si une particule chargée de signe opposé était située à proximité de sa position image dans le granulé du lit. Par conséquent, une plus grande proportion de fines particules est recueillie par chaque granulé du lit et, ainsi, de fines particules qui normalement échapperaient à la capture par le granulé sont maintenant recueillies. On désigne ce mécanisme par collecte par charge virtuelle. Le rendement de collecte des fines particules électri- quement chargées de taille inférieure au micromètre se trouve fortement amélioré comparé à celui des fines particules neutres dans les systèmes de l'art antérieur. Par exemple, des essais ont montré que le rendement de collecte des fines particules par l'emploi du mécanisme à charge virtuelle selon la présente invention dépasse 95% pour des particules de 0,1 à 20 micromètres et avec des granulés de lit de 0,1 mm de diamètre et une vitesse superficielle du gaz ne dépassant pas 0,1 m/s. Ceci s'effectue sans qu'il soit directement néces- saire d'électrifier le matériau granulaire du lit du filtre comme dans un dispositif à champ imposé. Le rendement de collecte est fortement fonction de la dimension du matériau du lit, les granulés de moins de 0,1 mm étant entraînés dans le courant de gaz propre effluent, et les granulés supérieurs à 5 mm environ présentant un rendement de collecte par charge virtuelle grandement diminué. Le rendement de collecte est également fonction de la vitesse du gaz et classiquement décroît lorsque la vitesse augmente. Bien sûr, des particules dans un courant gazeux donné peuvent être partiellement préchargées par un phénomène naturel. Cependant, la présente invention permet de conférer de façon certaine aux particules une charge électrique à partir d'une source d'énergie externe pour exploiter à fond le mécanisme de collecte par charge virtuelle. En référence à la figure 4, on y a représenté une autre réalisation de la présente invention qui successivement incorpore les mécanismes de collecte mécanique et électrique décrit ci-dessus. Tous les éléments de la figure 4 repérés par les mêmes numéros de référence que sur les figures 1 et 3 sont identiques et fonctionnent de la même façon.Dans cette réalisation, on dispose une électrode à décharge couronne 64 coaxialement dans la région intérieure 46 du jeu d'ouies 4 pour y établir une décharge couronne. Une source de haute tension convenable 66 et des moyens d'isolation 68 sont prévus comme cela est connu dans la technique. Dans cette réalisation, les particules contenues dans un courant gazeux peuvent ou non être électriquement chargées avant d'entrer dans l'étage inférieur de la chambre. Des particules relati- vement grosses sont éliminées dans cet étage inférieur. Après avoir traversé les sections 49 et 51 de l'étage inférieur de la chambre le courant de gaz traverse la région 46 o les fines particules entraînées dans le courant gazeux passent - autour de l'électrode à décharge couronne et sont ainsi électriquement chargées. Ces particules électriquement char- gées résultantes sont ensuite séparées au moyen du mécanisme de collecte par charge virtuelle lors du passage à travers le matériau du lit dans l'étage supérieur 48 de la chambre. Comme les problèmes de colmatage associés à la séparation de particules relativement grosses sont limités dans cette réalisation à l'étage inférieur 44, le tamis 50 et les sections 49 et 51 associées de la chambre ne sont inclus que dans cet étage inférieur 44 de la chambre. REVENDICATIONS 1. Dispositif de filtration à lit granulaire pour séparer des particules d'un courant gazeux caractérisé en ce qu'il comprend: - une chambre (8) à lit de filtration adaptée pour contenir un lit de matériau granulaire de filtration; - une entrée (32) communiquant avec la chambre pour introduire dans la chambre un courant gazeux incluant des particules entraînées; - un trajet d'écoulement du courant gazeux dans cette chambre amenant les particules entraînées en contact avec le matériau du lit contenu dans la chambre; - une sortie (34) pour évacuer le courant gazeux de la chambre; et - un moyen électrique (38) dans le trajet d'écoulement du courant gazeux avant au moins une partie de la chambre pour conférer une charge électrique à partir d'une source d'énergie externe (40) aux particules entraînées dans le courant gazeux suivant le trajet d'écoulement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (81) est agencée pour contenir un matériau de lit granulaire d'un diamètre compris entre 0,1 et 5 mm. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (81) contient un matériau de lit granulaire d'un diamètre compris entre 0,1 et 5 mm. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen (38) pour charger les particules comprend une électrode disposée dans le trajet d'écoulement du courant gazeux avant au moins une partie de la chambre. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre 8 comprend un premier (44) et un second (48) étage disposé en série le long des trajet d'écoulement du courant gazeux. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen pour charger électriquement les particules (38) comporte une électrode disposée dans le trajet d'écoule- ment du courant gazeux entre les premier et second étages de la chambre (8). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un tamis perméable au gaz (50) disposé dans la chambre transversalement au trajet d'écoulement du courant de gaz afin de séparer des sections amont (49) et aval (51) de la chambre, et des moyens (54, 58,82; 52,56,60) coopérant avec ces sections amont et aval pour enlever indépendamment des matériaux granulaires de ces sections. 8. Procédé de séparation de particules entraînées d'un courant gazeux caractérisé en ce qu'il comprend: (a) la fourniture d'un matériau granulaire de filtration à une chambre (8; (b) la dotation d'une charge électrique à partir d'une source d'énergie externe (40) à des particules entraînées dans un courant gazeux; (c) le passage de courant gazeux comportant les particu- les entraînées chargées à travers au moins une partie du matériau de lit contenu dans la chambre (8) grâce à quoi les particules chargées sont électriquement attirées vers le matériau du lit et sont par conséquent séparées du courant gazeux et déposées sur ce matériau du lit afin de produire un courant gazeux appauvri en particules; et (d) le déchargement du courant gazeux appauvri en particules de la chambre. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau granulaire de filtration a un diamètre compris entre 0,1 et 5 mm. 10. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le diamètre moyen des particules entraînées dans le courant gazeux est compris entre 0,1 et 20 micromètres. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la température du courant gazeux est supérieure à 850'C. il 12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le passage du courant gazeux à travers une première partie du matériau de lit avant l'étape (b) afin d'éliminer une partie des particules entraînées, et ensuite l'établissement d'une charge électrique aux particu- les entraînées restantes du courant gazeux à l'étape (b) avant le passage du courant gazeux à une seconde partie du matériau de lit à l'étape (c). 13. Procédé selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'au moins une partie du matériau de lit est fournie à l'étape (a) à des sections aval (49) et amont (51) distinc- tes de la chambre, et le courant gazeux à l'étape (c) passe successivement à travers le matériau de lit contenu dans les sections amont et aval, respectivement. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau de lit dans les sections amont (49) et aval (51) à travers lesquelles passent au moins une partie du courant gazeux est déchargé séparément de ces sections amont et aval.