Brevet FR2562442A1 — publié le 19851011

Procédé pour la purification d'un gaz d'échappement La présente invention concerne un procédé à sec pour la purifica- tion d'un gaz d'échappement, selon lequel on utilise un absorbant du type calcium pour absorber et éliminer les substances acides nocives du gaz d'échappement. Les gaz d'échappement chauds provenant des chaudières ou des in- cinérateurs de déchets contiennent habituellement de 10 à 2000 ppm de subs- tances acides nocives telles que des oxydes de soufre (SOx), de l'acide chlorhydrique (HCl) et de l'acide fluorhydrique (HF). On est obligé d'éli- miner de telles substances pour satisfaire aux règlements de contrôle de pollution. Jusqu'à présent, on éliminait en général ces substances acides nocives par un procédé à l'état humide consistant à mettre en contact direct une boue ou un liquide absorbant contenant un absorbant alcalin avec le gaz d'échappement refroidi à une plus basse température afin de le purifier. B5 ien qu'il assure une grande efficacité d'élimination, un tel procédé soulève des difficultés dans le traitement de l'eau de rebut résultante, ce qui oblige à réchauffer le gaz d'échappement et nécessite un équipement onéreux et des frais élevés de fonctionnement. En raison des problèmes indiqués, on a-recherché d'autres procédés pour remplacer le procédé à l'état humide. Par exemple, on a proposé d'adsor- ber les substances nocives sur.du charbon activé et de désorber ensuite, ou de pulvériser une boue de chaux éteinte dans le gaz d'échappement dans le cadre d'un procédé semi-humide Cependant, ces procédés ne permettent'tou- jours pas d'obtenir.des taux élevésd'élimination.-Bien que des recherches aient été effectuées sur un procédé à sec selon lequel on diffuse des parti- cules d'un absorbant du type calcium (chaux vive, chaux éteinte, pierre à chaux;dolomite, ou similaire) à l'intérieur d'un four ou carneau chaud, ce procédé n'a pas été mis en oeuvre sauf dans les cas o les règlements concernant -l'environnement sont extrêmement laxistes, car, l'absorbant a une faible réactivité. Par exemple, la réactivité entre l'absorbant et SOx est au maximum d'environ 20 % tandis que celle de l'absorbant avec HC1 ne dépasse par 50 %. On pense-en général que la réactivité est améliorée avec une diminution de la grosseur des particules mais, en réalité, une réduction de la grosseur des particules ne se traduit pas par une augmentation per- ceptible de la réactivité de la chaux.- La présente invention a pour objet un procédé à sec de purifica- tion d'un gaz d'échappement, qui assure une réactivité améliorée entre- un absorbant du type calcium tel que la chaux éteinte ou la chaux vive et des substances acides nocives. Pour réaliser l'objectif ci-dessus, la présente invention fournit un procédé de purification d'un gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste à disperser des particules fines et individuellement indépendantes d'un absorbant du type calcium dans un gaz porteur jusqu'à une concentra- tion élevée à l'aide d'un dispositif de division et de dispersion auquel sont fournis le gaz porteur et l'absorbant, l'absorbant ayant un diamètre moyen de particules jusqu'à 10 microns; à introduire l'aérosol résultant à haute concentration dans le gaz d'échappement, pour le mélanger de façon uniforme avec ce dernier; et ensuite à introduire le gaz d'échappement dans un collecteur de poussières, de sorte que les fines. particules de l'absorbant qui absorbent les substances acides nocives du gaz d'échappe- ment sont évacuées ensemble avec la poussière et la suie. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront de la description détaillée qui sera donnée ci-après en réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est un graphique montrant le rapport entre le dia- mètre moyen des particules et leurcohésion apparente; la figure 2 est un schéma montrant un mode de réalisation d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention; - la figure 3 est une coupe partielle à plus grande échelle de l'installation; - la figure 4 est une coupe longitudinale montrant un injecteur qui constitue un exemple du dispositif de division et de dispersion utili- sable dans l'installation; - la figure 5 est une coupe longitudinale montrant un tube à orifice qui constitue un autre exemple du dispositif de division et-dis- persion utilisable dans l'installation; - la figure 6 est un graphique montrant le rapport entre le dia- mètre moyen des particules de l'absorbant du type calcium (chaux éteinte) et le taux d'élimination de HCl; et - la figure 7 est un graphique montrant le rapport entre le dia- mètre moyen des particules de l'absorbant (chaux éteinte) et le taux d'élimination de SO. x On commencera par expliquer le concept général de l'invention. D'une façon générale, des particules fines et individuellement indépendantes (qu'on appellera ci-après "particules primaires") d'une granulométrie de l'ordre du micron ont tendance à s'agglomérer. Cette ten- dance augmente à mesure que diminue la grosseur des particules, comme le montre la figure 1. En conséquence, quand on pulvérise des particules de 1 à 2 microns dans un gaz d'échappement à travers un simple conduit ou aju- tage, comme dans le procédé à sec classique, ces particules primaires forment des agglomérats secondaires avant d'être dispersées dans le gaz d'échappe- ment, de sorte que les particules.primaires se comportent comme des parti- cules grossières dans le gaz d'échappement. Ainsi, avec le procédé classi- que, l'absorbant ne présente pas une réactivité-notablement améliorée, même avec une réduction de la grosseur des particules. D'autre part, on sait que lorsque les agglomérats secondaires reçoivent une quantité définie d'énergie de dispersion dans un courant gazeux, ils sont dispersés dans le courant comme s'ils étaient divisés en particules primaires individuelles. A cet égard, on a intérêt à introduire un Venturi (dispositif pour créer de l'énergie de dispersion), par exemple dans un canal de gaz d'échappement et à pulvériser un absorbant, qui est déjà sous forme d'agglomérats secondaires, dans le canal situé en amont du Venturi. L'absorbant peut alors être divisé en particules primaires avant d'être mélangé uniformément avec le gaz d'échappement en vue d'éliminer plus ef- ficacement les substances acides nocives. Cependant, pour diviser les agglo- mérats secondaires en particules primaires initiales, par exemple d'une grosseur allant jusqu'à 5 microns, il est nécessaire d'utiliser un Venturi fortement étranglé et d'augmenter la vitesse du gaz d'échappement à une valeur pouvant être de plusieurs dizaines de m/s à 300 m/s. Cela provoque toutefois une forte chute de pression. En conséquence, pour donner une plus grande vitesse au gaz d'échappement lui-même qui est initialement en une quantité importante, il faut consommer une grande quantité d'énergie et la technique n'est donc pas intéressante. Selon la présente invention, on fournit un absorbant et un gaz porteur à un dispositif de division et dispersion qu'on emploie pour dis- perser les particules primaires de l'absorbant dans le gaz porteur s'écou- lant en petite quantité et à grande vitesse,- en vue d'obtenir un aérosol ayant une concentration élevée de particules, qui est ensuite mélangé de façon uniforme avec un gaz d'échappement. On peut ainsi obtenir une grande efficacité et donc un taux d'élimination important avec une faible consom- mation d'énergie. On va maintenant décrire des modes de réalisation de-l'invention. En se référant à la figure 2, un gaz d'échappement 1 provenant d'une chaudière ou d'un incinérateur de déchets (non représenté) par un canal de gaz d'échappement est introduit dans une zone de mélange 2 prévue dans le canal. D'autre part, un gaz porteur 4 et un absorbant 5, du type Calcium sont envoyés dans un dispositif de dispersion et de division 3 qui divise I'absorbant 5 en particules primaires et disperse ces particules dans le gaz porteur 4, sous une forte concentration. L'aérosol à haute con- centration provenant du dispositif 3 est admis dans la zone de mélange 2 o l'aérosol est mélangé de façon uniforme avec le gaz d'échappement 1. L'absorbant du type Calcium (-par exemple de la chaux vive ou de la chaux éteinte-) réagit avec les substances acides nocives (par exemple SO2 et HCl) du gpz déchappement selon les équations suivantes: CaGO+30 S O2-.CaSO 2 +0 1 Ca(O SO S 02 +H 02 CaSO - Ca(H)2 + S2 + 2 CaS4 + H20 CaO + 2HCl -. CaCI2 + H 20 , Ca(OH)2 + 2HC1 CaC12 + 2HO20 L'absorbant, qui absorbe ainsi les substances acides nocives, est recueilli par un collecteur de poussières6 en même temps que la suie,-la poussière etc. et évacué à la. partie inférieure du collecteur 6, comme représenté en 7. D'autre part, le gaz d'échappement purifié s'échappe dans l'atmos- phère par une cheminée 8. Avec l'installation décrite, la concentration des particules pri- maires d!absorbant dans le gaz porteur est de 50 à 500 g/Nm3 et peut être ramenée entre 1 et 10 g/Nm3 après le mélange. En d'autres termes, la quantité du gaz porteur peut être de 25 à 50 fois inférieure à la quantité du gaz d'échappement. Ainsi, la consommation d'énergie dans ce cas est beaucoup plus faible que lorsque le gaz d'échappement lui-même est amené à s'écouler à une plus grande vitesse. En outre, la diminution de la concentration, par suite du mélange, réduit la fréquence de collision entre les particules primaires de l'absorbant, réduisant ainsi la probabilité d'une réaggloméra- tion des particules primaires., Le dispositif de division et de dispersion 3 peut être notamment un injecteur, un tube à orifice, un tube Venturi, un broyeur à jets, un dispositif d'écrasement mécanique permettant l'écoulement du gaz porteur à travers lui et ayant une fonction de dispersion, ou similaire. Comme on le voit sur la figure 4, l'injecteur comprend un tube intérieur 9 et un tube extérieur 10. Le gaz porteur 4 est obligé de jaillir du tube intérieur 9 et prend ainsi une plus grande vitesse. La dépression produite dans la partie de sortie du tube extérieur 10 aspire les agglo- mérats secondaires 5a de l'absorbant 5 à partir d'un conduit 10a, les divise en particules primaires 5b dans la partie de sortie et disperse les parti- cules dans le gaz porteur. Comme on le voit sur la figure 5, le tube à orifice comprend un tube 11 recevant le gaz porteur 4 et l'absorbant 5 sous forme d'agglomérats secondaires 5a et un organe à orifice 12 présentant un orifice. Le gaz porteur entraînant les agglomérats secondaires prend une plus grande vitesse lors de son passage à travers l'orifice de l'organe 12 de sorte que les agglomérats sont divisés en particules primaires 5b qỉ sont disperséesdans le gaz porteur. Dans le dispositif représenté sur la figure 5 l'organe à orifice pourrait être remplacé par un Venturi. Le dis- positif résultant fonctionnerait bien entendu comme celui de la figure 5. Dans un broyeur à jets, les matières solides entraînées dans le gaz porteur viennent en collision les unes avec les autres et sont ainsi réduites à des dimensions plus faibles. Ainsi, les agglomérats secondaires peuvent être divisés en particules primaires initiales de dimensions spé- cifiées ou les particules primaires d'une dimension telle qu'elles ne peu- vent pas former des agglomérats secondaires peuvent être divisées en parti- cules primaires plus petites. Le broyeur mécanique sert uniquement à divi- ser les particules grossières en particules primaires d'une grosseur spé- cifiée et à les disperser dans un gaz. En tout cas, les particules primaires qui seront éventuellement dispersées dans le gaz porteur doivent avoir un diamètre moyen pouvant aller jusqu'à 10 microns. Pour que le procédé selon l'invention enlève les substancesacides nocives avec une efficacité aussi élevée que le procédé à l'état humide, il faut que les particules primaires soient d'un diamètre moyen allant jusqu'à 5 microns pour éliminer le HCl et de 1 à 3 microns pour l'enlève- ment de SO. x Pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, il est essentiel d'assurer que les particules primaires de l'absorbant, une fois qu'elles sont dispersées, ne puissent être réagglomérées. Dans ce but, il est néces- saire de réduire au minimum la longueur du canal d'aérosol à haute concen- tration allant du dispositif de division et dispersion 3 à la zone de mé- lange 2 et d'éliminer toute section fortement coudée de ce canal pour em- pêcher ainsi une turbulence quelconque. Quand on utilise un injecteur, un tube à orifice ou un tube Venturi en tant que dispositif de division et de dispersion 3, on préfère que le dispositif soit monté de la façon indiquée sur la figure 3. Dans cet agencement, le dispositif 3 est directement fixé à une partie coudée 13a du canal 13 du gaz d'échappement et la sortie du dispositif 3 est orientée dans le même sens que le courant du gaz d'échap-: ; pement qui s'écoule vers l'aval à partir de la partie coudée 13a. Par con- séquent, les particules primaires 5b provenant du dispositif 3 sont directe- ment pulvérisées dans la zone de mélange 2 sans passer par un conduit inter- médiaire On supprime ainsi presqu.'entièrement les risques d'une réaggioméra- tion. De préférence, la zone de mélange 2 comporte un diffuseur 2a pour pro- mouvoir la dispersion des particules primaires 5b dans le gaz d'échappement - 1. Le tronçon du canal 13 pour le gaz d'échappement entre la partie coudée 13a et le collecteur de poussières6 présente un espace d'un volume tel que - les particules primaires 5b sont suspendues dans le gaz d'échappement 1 pendant environ 1 à 3 secondes avant d'atteindre le collecteur 6. Le dif- fuseur 2a, bien que fondamentalement identique au Venturi, n'est pas des' tiné à accélérer le gaz d'échappement 1 et donc à diviser les agglomérats secondaires en particules primaires.De ce fait, il n'est pas fortement étranglé et ne pose pas de problème de chute de pression notable. Les par- ticules primaires,de l'absorbant peuvent être pulvérisées dans la chaudière ou l'incinérateur des déchets. 2562442' Comme exemples d'absorbants du type Calcium utilisables à des températures élevées entre 900 et 1200 C, on citera les composés suivants: oierre à chaux [principalement CaC 03], chaux vive [CaO], chaux éteinte [CaOH], dolomite [CaMg(C03)2] dolomite calcinée [CaMg02] et dolomite éteinte [CaMg(OH)4]. A des températures élevées de 900 à 1200 C, la pierre à chaux, la chaux éteinte, la dolomite et la dolomite éteinte subissent instantanément une décomposition thermique (avec dégagement de H20 et de C02) pour former une chaux vive poreuse hautement réactive ou une dolomite calcinée, de sorte que ces matières assurent de meilleurs résultats que la chaux vive et la dolomite calcinée (le produit du commerce est habituellement cristallisé). Quand on opère à des températures au-dessus de 1200 C, la chaux vive et la dolomite calcinée sont progressivement cristallisées et la réactivité devient donc plus faible. D'autre part, comme exemples d'absorbant du type calcium utilisable à une température de 150 à 400 C,'on peut citer la chaux vive, la chaux éteinte, la dolomite calcinée et la dolomite éteinte, parmi lesquelles on préfère la chaux éteinte et la dolomite éteinte. Habituellement, un filtre à sac ou un précipitateur électrique est utilisé comme collecteur de poussières 6. Les exemples suivants servent à illustrer l'invention sans aucune- ment en limiter la portée; Exemple 1I On utilise une chaux éteinte comme absorbant du type calcium pour l'installation de la figure 2, dans laquelle le dispositif de division et de dispersion est un injecteur (Modèle TB-1, de Atsuji Tèkko Cor LtdI, pour préparer un aérosol à haute concentration. On insère l'injecteur dans un conduit de gaz d'échappement à travers lequel on fait circuler un gaz - d'échappement simulé à une température de 250 C et contenant environ 1OO0 ppm *de HCl, -la sortie de l'injecteur étant orientée dans le sens d'écoulement du gaz d'échappement. Pour mélanger l'aérosol avec le gaz d'échappement d'une façon efficace, le conduit de gaz d'échappement est étranglé à un emplacement immédiatement en aval de l'injecteur pour former un diffuseur. On fait fonctionner l'injecteur en faisant passer de l'air comprimé sous une pression manom2trique d'environ 5.105a (kg/cm2) un dbit de 6,0 Nm3/h une pression manométrique d'environ 5.10 Pa (5kg/cm à un débit de 6,0Nmh et on pulvérise ainsi de la chaux éteinte dans le conduit de gaz d'échappe- ment à raison de 5 kg/h. Une durée d'environ 2 secondes est nécessaire aux particules primaires de chaux éteinte pour atteindre le collecteur de poussières. 5. On répète ce même procédé en utilisant des chaux éteintes de granulométries variées (des particules primaires de diamètres variés). Les résultats apparaissent sur la figure 6. Sur la figure 6, en A sont indiqués les taux d'élimination de ICl obtenus avec de la chaux éteinte selon le procédé de l'invention alors qu'en B on indique les taux d'élimination de HCl obtenus avec de la chaux éteinte selon le procédé à sec classique. On voit que la réactivité augmente avec une diminution de la grosseur des particules d'une façon beaucoup plus marquée dans le cadre de l'invention que dans celui du procédé classique. Exemple 2 - On procède comme dans l'exemple 1 mais avec les conditions suivantes Gaz d'échappement simulé: Substance contenue: environ 1000 ppm de SO x Température: environ 1100 C Débit: environ 1900 Nm3/h Injecteur Débit d'air: 6,3 Nm /h Taux de pulvérisation des particules: 7,4 kg/h La figure 7 indique les résultats obtenus par cet essai. En A' et B' sur la figure 7, apparaissent les résultats obtenus respectivement avec l'invention et avec le procédé classique. On voit que le procédé de l'in- vention est également efficace pour SO. x REVENDICATIONS 1. Procédé pour la purification d'un gaz d'échappement, caractérisé en ce qu'il consiste à disperser des particules. fines et individuellement indépendantes d'un absorbant du type calcium dans un gaz porteur (4) jus- qu'à une concentration élevée à l'aide d'un dispositif de division et de dispersion (3) auquel sont fournis le gaz porteur (4) et l'absorbant (5), l'absorbant (5) ayant un diamètre moyen de particules jusqu'à 10 microns; à introduire l'aérosol résultant à haute concentration dans le gaz d'échap- pement, pour le mélanger de façon uniforme avec ce dernier; et ensuite à introduire le gaz d'échappement dans un collecteur de poussières (6), de sorte que les fines particules de l'absorbant qui absorbent les substances acides nocives du gaz d'échappement sont évacuées ensemble avec la poussière et la suie. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en- ce que le gaz d'échappement est à une température de 900 à 1200 C et l'absorbant du. type calcium est au moins un élément choisi parmi la pierre à chaux, la chaux vive, la chaux éteinte, la dolomite, la dolomite calcinée et la dolomit.e éteinte. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz d'échappement est à une température de 150 a 4000C, et l'absorbant du type calcium est au moins un élément choisi parmi la chaux vive, la chaux éteinte, la dolomite calcinée et la dolomite éteinte. - 4.. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que les particules fines de l'absorbant du type calcium ont un diamètre moyen allant jusqu'à 5 microns, de préférence de 1 à 3 microns. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le dispositif de dispersion et de division (3) est un in- jecteur (9, 10). 6. Procédé selon l'une quelconque-des revendications 1 à 4, carac- tërisé en ce que le dispositif.de division et de dispersion (3) est un tube à orifice (11, 12). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le dispositif de division et de dispersion (3) est un tube Venturi. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le dispositif de division et de dispersion (3) est un r-oyeur à jets. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,' aractérisé en ce que le dispositif de division et de dispersion (3) est installé dans un canal (13) dans lequel circule le gaz d'échappement, sa sortie étant orientée dans le sens d'écoulement du gaz d'échappement. O10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sortie du dispositif de divisicn et de. dispersion (3) est installée dans une partie coudée (13a) du canal (13) dans lequel circule le gaz d'échap- pement. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le canal (13) dans lequel circule le gaz d'échappement comporte en aval de la partie coudée (13a) des moyens (2a) pour faciliter le mélange de l'aérosol hautement concentré avec le gaz d'échappement. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens (2a) qui facilitent le mélange sont constitués par un diffuseur formé dans le canal (13) dans lequel circule le gaz d'échappement.