Brevet FR2555468A1 — publié le 19850531

"Dispositif d'épuration d'un gaz chargé de particules L'invention a pour objet un dispositif d'épuration d'un gaz char- gé de particules. Pour séparer d'un gaz porteur des particules solides ou éventuel- lement liquides, on peut utiliser par exemple un effet électrostatique ou bien, dans les appareils mécaniques, un effet centrifuge. Les appareils mécaniques, appelés souvent cyclones, sont généralement de deux types. Dans les cyclones classiques fonctionnant avec inversion d'écoule- ment, le gaz chargé de particules est introduit tangentiellement dans une enceinte limitée par une paroi latérale de révolution et ayant généralement une partie supérieure cylindrique et une partie inférieure conique. L'intro- duction tangentielle du gaz produit un mouvement tourbillonnaire en spirale qui se maintient jusqu'à la partie inférieure de l'appareil ou s'effectue la séparation, le gaz remontant à l'intérieur du tourbillon en spirale in- versée et étant évacué par un tuyau central. Les particules solides sépa- rées s'accumulent à la base de la partie conique qui débouche dans une con- duite d'évacuation. Les cyclones de type "axial" sont constitués par une enceinte lim- itée par une paroi latérale cylindrique, généralement à axe vertical. Le gaz chargé de particules est introduit à l'extrémité amont du cyclone, c'est-à-dire généralement à la partie inférieure et mis en rotation à l'in- térieur de l'enceinte par un dispositif tel qu'un aubage. Les particules sont introduites avec les gaz suivant l'axe de l'enceinte et, alors que les gaz forment un tourbillon en spirale autour de l'axe et sont évacués par une conduite de sortie placée dans le prolon- gement de l'enceinte, les particules ont tendance à s'écarter vers l'exté- rieur sous l'effet des forces centrifuges et sont évacuées par une ouver- ture annulaire ménagée entre la conduite de sortie et la paroi latérale de l'enceinte. Les cyclones axiaux, dans lesquels les conditions d'écoulement sont plus simples que dans les cyclones classiques sont plus faciles à im- planter et présentent, en outre, une perte de charge plus faible. Cependant, une bonne épuration exige le plus souvent l'évacuation d'une fai- ble partie du gaz avec les particules séparées, dans l'ouverture annulaire. Dans certains cas, pour améliorer les performances de captation d'un cyclone de type axial, on aménage un mouvement en spirale descendante d'un gaz auxiliaire. L'invention a pour objet un dispositif d'épuration de consti- tution analogue à celle des cyclones axiaux, mais ne nécessitant pas de dé- bit de fuite ni de recyclage de gaz. Conformément à l'invention, le dispositif d'épuration comprend, à son extrémité amont, un moyen de mise en rotation du gaz avec les parti- cules le long de la face interne de la paroi latérale de l'enceinte sur la- quelle est ménagée une ouverture circulaire d'évacuation des particules, qui débouche dans une chambre annulaire de récupération des particules en- tourant complètement la paroi latérale de l'enceinte. La chambre de récupération annulaire est fermée du côté opposé à l'enceinte et est munie, de préférence, de moyens, étanches aux gaz, d'éva- cuation des particules récupérées. Le moyen de mise en rotation des gaz est constitué avantageu- sement par une chambre d'alimentation limitée par une paroi cylindrique cen- trée sur l'axe, à l"extrémité amont de l'enceinte, fermée par un fond du côté opposé à l'enceinte et se raccordant de façon continue à la paroi laté- rale de celle-ci, la chambre d'alimentation étant munie d'organes d'in- jection d'au moins un jet mince de gaz chargé de particules, tangentiel- lement à la paroi interne de la chambre d'alimentation pour former dans celle-ci un courant tourbillonnaire se développant jusque dans l'enceinte en restant collé, sous l'action de ce qu'on appelle " effet COANDA", à la paroi interne de la chambre puis à la paroi latérale de l'enceinte. Dans un premier mode de réalisation avantageux, la paroi cylin- drique de la chambre d'alimentation a un diamètre inférieur à celui de l'en- ceinte et s'ouvre vers l'intérieur de celle-ci par l'intermédiaire d'une partie évasée se raccordant à l'extrémité amont de la paroi latérale. Dans ce cas, la chambre d'alimentation peut-être munie d'une entrée en volute d'introduction tangentielle du gaz chargé de particules. Dans un autre mode de réalisation avantageux, la paroi cylin- drique de la chambre d'alimentation à un diamètre égal à celui de la paroi latérale de l'enceinte. Dans ce cas, le gaz chargé de particules est mis en rotation, de préférence, par un diffuseur annulaire entourant la chambre d'alimentation et communiquant avec l'intérieur de celle-ci par une plura- lité d'ouvertures, régulièrement réparties, placées à la sortie de canaux de guidage des gaz débouchant suivant des directions sensiblement tangentes à la paroi interne cylindrique de la chambre d'alimentation. Dans les deux cas, le gaz et les particules, introduits tangen- tiellement dans la chambre d'alimentation, forment un courant tourbillon- naire en couche mince qui reste collé à la paroi latérale de l'enceinte jusqu'à son extrémité aval, et les particules entraînées sont éjectées laté- ralement vers la chambre de récupération entourant l'enceinte lorsque le courant tourbillonnaire arrive à la hauteur de l'ouverture circulaire ména- gée dans la partie médiane de la paroi latérale. En effet, la chambre de récupération étant remplie de gaz à la même pression que dans l'intérieur de l'enceinte, le courant gazeux aspiré par la conduite de sortie continue son mouvement en spirale le long de la paroi latérale jusqu'à l'extrémité aval de celle-ci alors que les particules plus lourdes sont éjectées latéra- lement. Le dispositif d'épuration selon l'invention, en particulier lors- qu'il est réalisé de la seconde façon indiquée, peut avantageusement être associé à une chambre verticale dans laquelle est ménagé un lit fluidisé. L'enceinte cylindrique est alors placée au-dessus de la chambre verticale de fluidisation et entourée à sa base par la partie supérieure de cette der- nière qui forme ainsi le diffuseur annulaire d'introduction du gaz et des particules dans le dispositif d'épuration. Au dessus du diffuseur ainsi formé est placée la chambre annulaire de récupération des particules qui est prolongée vers le bas par un fond en forme de trémie entourant la chambre verticale de fluidisation pour récupérer les particules séparées, celles-ci étant évacuées à la base de la trémie par une conduite de recyclage qui débouche dans le lit fluidisé. Mais l'invention sera mieux comprise par la description détaillée des deux exemples de réalisation représentés sur les dessins annexes. La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'inven- tion, en coupe axiale selon I - I de la figure 2. La figure 2 est une vue en coupe suivant II-II de la figure 1. La figure 3 représente un second mode de réalisation de l'inven- tion, en coupe axiale selon III - III de la figure 4. La figure 4 est une vue en coupe suivant IV-IV de la figure 3. La figure 5 est une vue en coupe axiale d'une application particu- lière du dispositif selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté, à titre d'exemple, un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention qui est constitué essen- tiellement d'une enceinte cylindrique 1 limitée par une paroi latérale de révolution 11 et deux fonds 12 et 13. De préférence, l'axe 10 de l'enceinte 1 est vertical et les gaz circulent de bas en haut entre le fond inférieur 12 qui constitue l'extrémité amont de la chambre et le fond supérieur 13 qui en constitue l'extrémité aval. Ce dernier est muni d'un orifice central débouchant dans une conduite 14 reliée, par exemple, à un ventilateur as- pirant. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le fond inférieur 12 est placé dans le prolongement d'une chambre d'alimentation 2 de forme tubulaire, centrée sur l'axe et du côté amont de l'enceinte 1. La chambre 2 est limitée par une paroi latérale cylindrique 21 qui débouche au centre du fond 12 de l'enceinte et est fermée du côté opposé à l'enceinte par un fond 22. Une conduite d'entrée en volute 23 débouche tangentiel- lement à la base de la chambre 2. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, la paroi la- térale 11 de l'enceinte l est munie dans sa partie médiane, entre les fonds 12 et 13, d'une ouverture circulaire 16 qui s'étend sur toute sa périphérie et débouche dans une chambre annulaire 3 entourant complètement l'enceinte cylindrique 1. La chambre 3, limitée par une paroi cylindrique 31 centrée sur l'axe 10, est fermée vers le haut par un fond supérieur 32 et, vers le bas, par un fond inférieur 33 en forme de trémie à la base de laquelle se rac- corde une conduite 34. Selon une autre caractéristique essentielle, le fond inférieur 12 de l'enceinte 1 s'évase vers le haut en forme de pavillon de façon à rac- corder progressivement la paroi latérale 21 de la chambre d'alimentation 2 au bord inférieur de la paroi latérale cylindrique 11 de l'enceinte 1. Sur les figures 1 et 2, on a représenté schématiquement par des flèches le trajet du gaz et des particules. La volute d'entrée 23 est ali- mentée par un courant 4 de gaz chargé de particules, symbolisé par une flè- che en traits mixtes. Le courant gazeux pénètre tangentiellement dans la chambre tubulaire 2 dont le diamètre est inférieur à celui de l'enceinte cy- lindrique 1, par exemple de l'ordre de la moitié de ce dernier. En pénè- trant dans la chambre 2, le courant 4 de gaz chargé de particules forme donc un tourbillon 41 tournant à grande vitesse et qui remonte dans l'en- ceinte 1 pour être aspiré par la conduite 14. Du fait de sa grande vitesse, de l'ordre de 30 à 50 m/s, le courant tourbillonnaire 41 remonte en spirale en restant collé le long de la face interne du pavillon 12 et de la paroi latérale 11 grace au phénomène connu sous le nom d'effet COANDA. Le rayon de giration du tourbillon augmente donc progressivement et la vitesse ini- tiale de rotation à l'entrée dans la chambre tubulaire 2 doit donc être cal- culée de façon à rester suffisante à l'intérieur de l'enceinte 1 pour main- tenir le courant gazeux en couche mince le long de la paroi latérale 11. Lorsque le courant tourbillonnaire 41 arrive à la hauteur de l'ou- verture circulaire 16, les particules solides ou liquides entraînées en ro- tation avec le courant gazeux sont éjectées latéralement vers l'extérieur de l'enceinte en suivant des trajets symbolisés sur les figures-par les flè- ches 42 et 43. Les particules solides pénètrent ainsi dans la chambre annu- laire 3 o elles sont récupérées et descendent en suivant un trajet en spi- rale inversée 43 pour s'accumuler dans le fond de la chambre 3 formant une trémie 33 d'o elles sont évacuées par la conduite 34. Celle-ci peut- être fermée par exemple par un sas ou bien, simplement, par une masse de parti- cules accumulées 5. Il en résulte que la chambre annulaire 3 forme un es- pace étanche au gaz qui reste calme et à l'intérieur duquel le courant ga- zeux ne peut pénétrer et continue, de ce fait, à remonter le long de la pa- roi latérale l en suivant un trajet 6 en spirale de même diamètre jusqu'au fond supérieur 13 de l'enceinte qui débouche dans le conduit (14) d'aspi- ration des gaz ainsi épurés. On peut ainsi comparer le fonctionnement du dispositif selon l'in- vention avec celui d'un cyclone axial. Comme dans le cyclone axial, on forme un courant gazeux tourbillonnaire entre les deux extrémités amont et aval d'une enceinte cylindrique. Cependant, dans le cyclone axial, le cou- rant gazeux, mis en rotation par des aubages, remplit la totalité de l'en- ceinte et les particules solides sont éjectées dès l'entrée dans l'enceinte en s'écartant progressivement de l'axe de telle sorte que, pour que les par- ticules solides soient récupérées par une ouverture circulaire entourant l'extrémité de sortie de l'enceinte cylindrique, il faut donner à celleci une longueur L importante par rapport à son diamètre D, le rapport L/D étant déterminé de façon bien précise. Au contraire, dans le dispositif selon l'invention, les parti- cules sont mises en rotation avec les gaz pendant toute la première partie de leur trajet en spirale, l'ensemble restant collé en couche mince le long de la paroi latérale et la séparation s'effectue dans la partie mddiane de celle-ci alors que les gaz épurés continuent leur trajet vers le haut. Il en résulte que le rapport L/D peut-être plus faible, la longueur L devant, en pratique, être seulement un peu plus importante que le diamètre D. D'autre part, la hauteur H de l'ouverture circulaire 16 doit être simple- ment assez grande pour permettre l'éjection de toutes les particules soli- des avant que le courant gazeux ne parvienne dans la partie supérieure de l'enceinte cylindrique 1. On notera également que, la chambre de rdcupé- ration 3 étant étanche au gaz, le débit gazeux est évacué en totalité par la conduite d'aspiration 14 et il n'est pas nécessaire d'introduire un débit auxiliaire de gaz porteur. Grace au principe de fonctionnement du dispositif selon l'in- vention, qui permet de lui donner une hauteur réduite par rapport aux cy- clones axiaux usuels, il sera plus facile de l'implanter dans une installation. Un second mode de réalisation du dispositif a été représenté sur les figures 3 et 4. Dans ce cas, la paroi cylindrique 21 de la chambre d'a- limentation 2 a un diamètre égal à celui de la paroi latérale 11 de l'en- ceinte de séparation 1 et est donc placée dans le prolongement de celleci. La chambre 2 est fermée, du côté opposé à l'enceinte, par un fond 22 et elle est entourée par un diffuseur annulaire 25 dans lequel débouche la con- duite d'alimentation 23. Le diffuseur 25 communique avec la chambre d'alimentation 2 par une série d'ouvertures 26 régulièrement réparties autour de l'axe et pla- cées à la sortie de canaux 28 de guidage des gaz qui débouchent à l'inté- rieur de la chambre d'alimentation 2 suivant des directions sensiblement tangentes à la face intérieure de la paroi cylindrique 21 de la chambre 2. Comme on l'a représenté sur la figure 4, les canaux 28 peuvent être limitées par des parois (27) sensiblement tangentes à la paroi cylin- drique 21 et s'écartant vers l'extérieur dans le diffuseur annulaire 25, les ouvertures 26 ayant la forme de fentes allongées, sensiblement paral- lèles à l'axe. Mais les canaux 28 peuvent aussi être ménagés dans l'épais- seur de la paroi cylindrique 21 si celle-ci est appréciable, comme on l'a représenté sur le secteur A de la figure 4. Le gaz chargé de particules et introduit par la conduite d'entrée 23 tourne à l'intérieur de la chambre annulaire 25 en suivant les flèches en traits mixtes 40 et pénètrent dans la chambre 2 par les ouvertures 26 en formant un ensemble de jets minces insufflés vers l'intérieur de la chambre 2 dans des directions sensiblement tangentes à la paroi interne de celle-ci et formant ainsi un courant tourbillonnaire en couche mince 41 qui reste collé et remonte en spirale le long de la face interne de la paroi latérale 11 jusqu'à l'ouverture circulaire 16. Dès que le bord inférieur 17 de celle-ci est dépassé, les particules solides sont projetées latéralement, selon les flèches 50, vers la chambre annulaire 3 et descendent à l'inté- rieur de celle-ci en suivant un mouvement en spirale 51 jusqu'au fond en forme de trémie 33 o elles se rassemblent en 5, le gaz épuré continuant à remonter en tourbillon a l'intérieur de l'enceinte 1 jusqu'à la cheminée d'évacuation (14) Sur la figure 5, on a représenté à titre d'exemple une appli- cation particulièrement avantageuse du mode de réalisation selon les fi- gures 3 et 4. Dans ce cas, le dispositif d'épuration est associé à un lit fluidisé 7 ménagé à l'intérieur d'une chambre verticale 70 en forme de co- lonne, ayant de préférence une section transversale circulaire. La partie supérieure 71 de la chambre verticale 70 entouré la base de l'enceinte 1 de façon à constituer le diffuseur annulaire 25 qui communique avec l'intérieur de la chambre 1, comme indiqué précédemment, par des ouvertures 26. La chambre de réception 3 entourant l'enceinte d'épuration 1 est prolongée vers le bas par un fond en forme de trémie annulaire 34 entourant la partie supérieure de la chambre de fluidisation 70 et convergeant vers un orifice inférieur 35 placé à l'entrée d'une conduite de recyclage 72 qui débouche à l'intérieur du lit fluidisé 7. Ainsi, grâce à la structure axiale et à la faible hauteur du dispositif d'épuration selon l'invention, celui-ci peut servir de cyclone de recyclage associé à un lit fluidisé, no- tamment lorsque la vitesse de fluidisation détermine un fonctionnement en lit circulant. Dans cette disposition, le cyclone selon l'invention cons- titue en effet un simple prolongement du réacteur à lit fluidisé sans aug- menter sensiblement en largeur et en hauteur l'encombrement de la chambre de fluidisation. Le gaz de fluidisation injecté en 73 traverse le lit flui- disé, entraine les particules fines et quitte le réacteur dans la partie su- périeure 71 à travers les orifices 26 qui mettent en rotation le gaz chargé de particules dès son entrée dans l'enceinte d'épuration t. Comme on l'a dé- crit précédemment, les gaz épurés sont évacués par la conduite d'aspiration 14 alors que les particules collectées sont évacuées dans la chambre de rê- cupération 3 entourant l'enceinte 1 et le -réacteur 70, se rassemblent à la partie inférieure de la trémie 34 et sont réinjectées ensuite dans le lit fluidisé par des moyens connus, grace à la conduite de recyclage 72. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux détails des deux modes de réalisation qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple, d'autres dispositions pouvant être imaginées en appliquant les caractéristiques re- vendiquées. C'est ainsi que les ouvertures 26 d'injection du gaz dans la chambre 2 pourraient, de même que les canaux 28, avoir une section 2r55468 circulaire. D'autre part, il est bien évident que le cyclone selon l'inven- tion pourrait être complété par des dispositifs particuliers faisant appel à d'autres principes d'action sur les particules, notamment l'agglomération préliminaire, par exemple sonique, ou bien la précipitation électrostatique. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'épuration d'un gaz chargé de particules, consti- tué d'une enceinte cylindrique (1) limitée par une paroi latérale (11) de révolution autour d'un axe (10) et à l'intérieur de laquelle le gaz chargé de particules et introduit par une extrémité amont forme un courant tourbil- lonnaire autour de l'axe (10) jusqu'à un orifice de sortie (15) placé à l'extrémité opposée, les particules étant séparées du gaz par effet centri- fuge et évacuées par une ouverture circulaire, caractérisé par le fait qu'il comprend, à son extrémité amont (12), un moyen (2) de mise en rota- tion du gaz avec les particules le long de la face interne de la paroi laté- rale (11) de l'enceinte et que l'ouverture circulaire (16) d'évacuation des particules, est ménagée dans la partie médiane de la paroi latérale (11) de l'enceinte et débouche dans une chambre annulaire (3) de récupération des particules, entourant complètement la paroi latérale (11) de l'enceinte (1). 2. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la chambre de récupération (3) est munie d'un moyen (34), étanche aux gaz, d'évacuation des particules récupérées. 3. Dispositif d'épuration selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen de mise en rotation des gaz est constitué par une chambre d'alimentation (2) limitée par une paroi cylindrique (21) centrée sur l'axe à l'extrémité amont de l'enceinte, fermée par un fond (22) du côté opposé à l'enceinte et se raccordant de façon continue à la paroi laté- rale (11) de celle-ci, la chambre d'alimentation (2) étant munie d'organes d'injection d'au moins un jet mince de gaz chargé de particules, tangent à la face interne de la paroi (21) de la chambre (2) pour la formation d'un courant tourbillonnaire se développant jusque dans l'enceinte en restant collé à la paroi interne (21) de la chambre (2) puis à la paroi latérale (11) de l'enceinte (1) jusqu'à la sortie de celle-ci. 4.Dispositif d'épuration selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la paroi cylindrique (21) de la chambre d'alimentation (2) a un diamètre inférieur h celui de l'enceinte (1) et s'ouvre vers l'inté- rieur de celle-ci par l'intermédiaire d'une partie évasée (12) se raccor- dant à l'extrémité amont (12) de la paroi latérale (11). 5.Dispositif d'épuration selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le moyen de mise en rotation du gaz est constitué par une entrée en volute (23) débouchant tangentiellement dans la chambre d'alimentation(2). 6.Dispositif d'épuration selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le moyen de mise en rotation du gaz est constitué par un diffuseur annulaire (25-) alimenté par le gaz chargé de particules, entou- rant la paroi (21) de la chambre d'alimentation (2) et communiquant avec l'intérieur de celle-ci par une pluralité d'ouvertures (26) régulièrement réparties, placées à la sortie de canaux (28) de guidage des gaz débouchant suivant des directions sensiblement tangentes à la face interne de la paroi cylindrique (21) de la chambre d'alimentation (2). 7.Dispositif d'épuration selon la revendication 6, caractérisé parle fait que les ouvertures (26) sont des fentes allongées sensiblement parallèles à l'axe et ménagées entre des parois (27) sensiblement tangentes à la paroi interne (21) et s'écartant vers l'extérieur dans le diffuseur an- nulaire (25) pour limiter des canaux (28) de guidage des gaz. 8.Dispositif d'épuration selon l'une des revendication 6 ou 7, ca- ractérisé par le fait que-les canaux (28) de guidage des gaz sont ménagés dans l'épaisseur de la paroi cylindrique (21) de la chambre d'alimentation (2). 9.Dispositif d'épuration selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il est associé à une chambre verticale (70) dans laquelle est ménagé un lit fluidisé (7), l'enceinte cylindrique (1) étant placée au-dessus de la chambre verticale de fluidisation (70) dont la partie supé- rieure (71) entoure la base de l'enceinte cylindrique de façon à former le diffuseur annulaire (25) la chambre annulaire de récupération (3) étant mu- nie d'un fond (34) formant trémie, débouchant dans une conduite (72) d'éva- cuation des particules récupérées. 10.Dispositif d'épuration selon la revendication 7, caractérisé par le fait que la trémie (34) entoure la chambre de fluidisation (70) à la base de laquelle débouche la conduite d'évacuation (72) pour le recyclage dans le lit fluidisé (7) des particules entraînées avec les gaz et séparées de ceux-ci dans le dispositif d'épuration (1).