Brevet FR2628410A1 — publié le 19890915

La présente invention concerne un procédé pour produi- re simultanément, à partir de l'eau polluée, de l'eau chaude bas- se température de qualité dite eau potable et du dioxyde de car- bone. Pour la production d'eau potable à partir d'eaux polluées on connaît de nombreux procédés qui sont le plus souvent basés sur un cycle d'évaporation des eaux polluées - condensation des vapeurs d'eaux. La mise en oeuvre de tels procédés conduit à une consommation d'énergie très importante et nécessite l'utilisation d'installations relativement complexes et coûteuses. La présente invention a pour objet de concevoir un pro- cédé permettant de produire de l'eau potable à partir d'eaux pol- luées, qui est simple et dont la mise en oeuvre peut être réali- sée avec une très faible consommation d'énergie et à un coût ré- duit. Le procédé selon l'invention consiste à envoyer l'eau polluée à travers une chaudière à gaz du type dite chaudière à condensation à circuit ouvert, à récupérer l'eau à la sortie de la chaudière dans un réservoir de stockage et à prélever du C02 à partir des gaz d'échappement de ladite chaudière. En effet, les déposants ont participé depuis longtempsau développement et à la mise au point de chaudières à condensation pour différentes applications. Au cours de très nombreux essais, ils ont pu constater que des eaûx chargées envoyées à traversune telle chaudière présentaient à la sortie de la chaudière un as- pect d'eaux claires. Des analyses d'eaux comparatives ont démon- tré d'une manière inattendue, qu'en réglant convenablement le fonctionnement d'une chaudière à condensation alimentée avec des eaux polluées, on obtient des eaux de qualité eau potable. Dans la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, cet effet est obtenu comme effet secondaire sans coût complémentaire car la chaudière sert essentiellement à produire de l'eau chaude pour des applications de chauffage et du C02 pur pour des appli- cations agricoles. La présente invention concerne également un générateur pour la mise en oeuvre dans des conditions particulièrement ef- ficaces et économiques du procédé selon l'invention. Le générateur suivant la présente invention comporte une enveloppe cylindrique extérieure verticale en une matière non ré- 2 2628410 fractaire; une chemise cylindrique intérieure en une matière ré- fractaire disposée à l'intérieur de ladite enveloppe extérieure et dont la partie supérieure délimite une chambre de combustion tandis que sa partie inférieure délimite une chambre d'échange thermique communiquant avec un bac de récupération d'eau dispo- sé à l'extrémité inférieure du générateur; dans l'espace annulai- re délimité par l'enveloppe extérieure et la chemise intérieure un lit supérieur d'anneaux céramiques et un lit inférieur d'an- neaux métalliques réfractaires; un brûleur à gaz disposé à l'ex- trémité supérieure de ladite chambre de combustion; une rampe de pulvérisation d'eau disposée à l'extrémité supérieure du généra- teur pour projeter l'eau à traiter sur l'extrémité supérieure du- dit lit supérieur d'anneaux céramiques; des moyens pour alimen- ter ladite rampe avec de l'eau à partir d'un réservoir de stocka- ge d'eau polluée et un conduit d'évacuation de gaz de combustion communiquant avec l'extrémité supérieure dudit lit supérieur et qui comporte des moyens de prélèvement de gaz de combustion. Grâce à cette structure selonl'invention et notamment grâce à l'utilisation des deux dits lits d'anneaux on obtient un traitement des eaux polluées assurant la qualité eau potable après un seul passage à travers le générateur. Suivant une autre caractéristique du générateur selon l'invention la hauteur de ladite chambre de combustion est suf- fisante pour permettre une combustion sensiblement complète de gaz à l'intérieur de la chambre de combustion. On obtient ainsi un très haut rendement de la combustion et des gaz de combustion d'une très faible teneur en CO de sorte que les gaz de combustion recueillis au niveau du conduit d'évacuation peuvent être utili- sés directement pour des applications agricoles. Suivant un mode de réalisation préféré du générateur selon l'invention la configuration dudit lit inférieur d'anneaux métalliques est telle que la température instantanée des goutte- lettes d'eau est supérieure à 100WC au moment de l'impact des gouttelettes sur les anneaux métalliques du lit inférieur et à cet effet la section dudit lit inférieur d'anneaux métalliques diminue vers le bas. De plus selon l'invention la paroi délimitant ladite chambre d'échange thermique présente des perforations régulière- ment espacées, ce qui constitue une structure particulièrement simple et peu coûteuse. 3 2 6 2 2628410 Suivant un autre mode de réalisation préféré de l'in- vention ledit lit supérieur d'anneaux céramiques comporte unepar- tie supérieure extrême annulaire qui n'est pas traversée parl'eau projetée à partir de ladite rampe. Cette caractéristique assure une élimination efficace des gouttelettes d'eau dans les gaz de combustion traversant les deux lits d'anneaux avant leur évacua- tion et/ou utilisation ultérieures. De plus selon l'invention lesdits moyens de prélèvement de-gaz sont constitués par une simple canalisation branchée en dérivation sur le conduit d'évacuation du générateur. De plus le générateur selon l'invention comporte au ni- veau dudit bac de récupération une canalisation d'évacuationd'eau traitée dont l'extrémité d'admission comprend un siphon disposé au centre du bac de récupération. Grâce à l'ensemble de cette structure concentrique on obtient un écoulement régulier et uniforme dans tout l'espace an- nulaire délimité par l'enveloppe extérieure et la chemise aussi bien de l'eau que des gaz de combustion tout en évitant la for- mation de circuits préférentiels et ceci en particulier au niveau dudit lit inférieur dans lequel on obtient un contact uniforme entre les gaz, l'eau et les anneaux métalliques. A titre d'application du générateur selon l'invention, l'invention concerne également une installation pour la produc- tion et distribution d'eau chaude de basse température et de dio- xyde de carbone dans une serre agricole. L'installation selon l'invention comporte un premier réservoir de stockage d'eau froide, un générateur suivant l'in- vention, un deuxième réservoir d'eau chaude, des moyens pour en- voyer de l'eau chaude traitée à partir du bac de récupération du générateur dans ledit deuxième réservoir; une pompe refoulant de l'eau chaude à partir dudit deuxième réservoir dans un système de chauffage basse température disposé dans la serre et de moyens pour envoyer de l'eau dans un réseau d'irrigation; une canalisa- tion reliant le conduit d'échappement du générateur à un ventila- teur injectant les gaz de combustion dans la serre; et des moyens pour envoyer de l'eau à partir dudit deuxième réservoir dans le- dit premier réservoir. 4 2628410 D'autres réalisations et avantages de l'invention ressorti- ront de la description, qui va suivre, et en se reférant aux des- sins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale schématique d'un mo- de de réalisation préféré d'un générateur suivant la présente invention pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon la présente invention, et la figure 2 est une vue schématique d'un mode de réalisation préféré d'une installation selOn la présente inven- tion produisant de l'eau de chauffage, de l'eaud'ir- rigation et du dioxyde de carbone destinés à être envoyés dans une serre agricole, l'installation uti- lisant de l'eau polluée et produisant de l'eau de qualité dite eau potable. Le générateur selon la présente invention représenté à la figure 1 comporte une enveloppe cylindrique verticale extérieure (1) qui est réalisée en une matière non réfractaire par exemple en polyéthylène moulé. Ceci est possible car cette enveloppe(l) n'est pas en contact avec les parties de haute température du gé- nérateur et permet la réalisation d'une structure très légère et peu coûteuse. A l'intérieur de l'enveloppe extérieure(l) est disposée une chemise cylindrique(2) concentrique à l'enveloppe(l) et qui est réalisée en une matière résistant à des.hautes températures tel- le qu'en acier inoxydable. La chemise(2) s'étend sensiblement sur toute la hauteur de l'enveloppe(l) et comporte une partie supé- rieure formée en tôle pleine(3) et une partie inférieure(4) en tôle perforée. La partie supérieure(3) délimite une chambre de combustion(5) à l'extrémité supérieure de laquelle est prévu un brûleur à gaz(6) dont la flamme est indiquée schématiquement en (7). La partie inférieure(4) de la chemise intérieure(2) quiest réalisée en une matière réfractaire et incorrodable délimite une chambre d'échange thermique(8) et suivant une caractéristique es- sentielle de la présente invention les dimensions de la partie supérieure(3) délimitant la chambre de combustion(5) sont telles qu'on obtienne dans cette chambre(5) une combustion sensiblement complète de gaz brûlés par le brûleur(6). L'espace annulaire délimité par l'enveloppe extérieure(l) et la chemise intérieure(2) est occupé par un lit supérieur d'an- 2628410 neaux céramiques(9) et un lit inférieur d'anneaux en acier ino- xydable(10). Le dernier lit(10) présente une configuration tho- rique dont la section diminue vers le bas et est à cet effet dé- limitée par une tôle réfractaire(11). Cette structure présente également une caractéristique essentielle de la présente inven- tion comme décrit ci-après. Dans la partie supérieure du générateur selon la présen- te invention est prévue une rampe de pulvérisation d'eau(12) ali- mentée à travers une canalisation(13) et à l'aide d'une pompe(14) avec de l'eau polluée prélevée dans un premier réservoir de sto- ckage d'eau(15). Cette rampe(12) pulvérise l'eau sur la partie supérieure du lit d'anneaux céramiques(9) et l'eau s'écoule à travers ce lit(9) et le lit d'anneaux métalliques(10) dans la chambre d'échange thermique(8) et est récupérée dans un bac de récupération(16) prévu à l'extrémité inférieure du générateur. A partir de ce bac(16) l'eau est envoyée à travers une canalisation de récupération(17) dans un réservoir d'eau traitée(18) repré- senté à la figure 2. A l'extrémité d'admission de la canalisation(17) est de préférence prévu un siphon(17') disposé au centre du bac de ré- cupération(16). A l'extrémité supérieure du lit d'anneaux céramiques(9) est prévue selon l'invention une partie annulaire extérieure(19) qui communique avec un conduit d'évacuation des gaz de combustion (20) et qui n'est pas traversée par l'eau pulvérisée à partir de la rampe(12). De préférence les anneaux céramiques du lit supérieur(9) sont des anneaux en une matière céramique tels que distribués par la Société dite FUCH LETSCHERT sous la dénomination commerciale "F llkorperaus Steinzeug Rachy - Ringe" et les anneaux du lit inférieur(10) sont réalisés en un acier réfractaire austénitique au chrome nickel tel que par exemple distribué par la société dite Ugine Aciers sous la dénomination commerciale "NS 30". Le générateur selon l'invention représenté à la figure 1 et décrit cidessus fonctionne de la manière suivante: De l'eau polluée est prélevée à l'aide de la pompe(14) à partir du premier réservoir de stockage(15) et envoyée à travers la canalisation(13) à la rampe de pulvérisation(12) du générateur selon l'invention. A partir de la rampe(12) l'eau est projetée sous forme de jets finement divisés et s'écoule à travers le lit 6 2 628Z628410 supérieur d'anneaux céramiques(9) et à travers le lit inférieur d'anneaux métalliques(10) dans la partie inférieure du généra- teur pour être recueillie dans le bac de récupération(16). A par- tir de ce bac(16) l'eau chauffée et traitée peut être prélevée à travers la canalisation(17) pour être envoyée dans le deuxième réservoir de stockage(18) représenté à la figure 2. Dans le bac de récupération l'eau est maintenue à un niveau constant comme indiqué en (20). Le prélèvement des eaux chaudes et traitées est réalisé à travers une cloche siphonnée(17') pour éviter les pas- sages des gaz de combustion à travers la conduite d'évacuation (17). Le brûleur à gaz(6) est réglé en fonction de la section et la hauteur de la chambre de combustion(5) de sorte que les gaz de combustion produits par la flamme subissent une combustion com- plète avant d'atteindre la chambre d'échange thermique(8). On as- sure ainsi la production de gaz de combustion contenant essentiel- lement des molécules de dioxyde de carbone qui peuvent après re- froidissement, lavage et séchage dans le générateur selon l'in- vention être utilisés directement pour l'alimentation de serres agricoles comme décrit plus loin en se reférant à la figure 2. Ensuite les gaz de combustion s'écoulent vers le bas à travers la chambre d'échange thermique(8) et vers le haut à tra- vers les lits d'anneaux(l0 et 9) pour être récupérés dans le con- duit d'évacuation(20). Pendant ce passage les gaz de combustion produisentun échauffement des gouttelettes d'eau s'écoulant vers le bas à partir de la rampe(12). La puissance du brûleur(6) et le débit d'eau à partir de la rampe(12) sont réglés suivant l'invention d'une manière telle qu'on obtienne au niveau du lit inférieur(10) une charge thermique suffisante pour assurer que la température instantanée de gouttelettes d'eau est égale ou supérieure à 100 C au moment de leur impact avec les anneaux métalliques du lit inférieur(l0). Grâce à cette caractéristique de l'invention on obtient un effet de stérilisation de l'eau polluée envoyée à travers le générateur selon l'invention et l'eau récupérée au niveau du bac(16) est d'une qualité dite "eau potable". Lors de leur passage à travers le lit supérieur d'anneaux céramiques(9) les gaz de combustion subissent un refroidissement notable. Ce lit(9) permet également l'élimination de toute trace de SO2 dans les gaz de combustion qui pourrait être nuisible aux plantes. La partie annulaire(19) du lit supérieur(9) assure une élimination des gouttelettes d'eau des gaz de combustion. On ob- tient ainsi au niveau du conduit d'évacuation un gaz de faible température saturé sans gouttelettes d'eau et purifié pouvant être envoyé directement dans une serre agricole pour favoriser le développement des plantes. Au cours d'une série d'essais du générateur selon l'in- vention on a utilisé des eaux polluées de qualité eau non pota- ble dont l'analyse d'eau donnait les résultats suivants: - germes totaux 37/ML: 300 - germes totaux 20-22/ML: 400 - escherichia coli/100 ML: 0 coliformes/100 ML: 0 - anaerobies sulf.red/100 ML: 17 - streptocoques fécaux/100 ML: 6 Les eaux furent envoyées à travers un générateur selon l'invention convenablement réglé suivant les enseignements de l'in- vention et l'analyse des eaux récupérées après un seul passage à travers le générateur a donné les résultats suivants: - germes totaux 37/ML: 320 germes totaux 20-22/ML: 800 - escherichia coli/100 ML: 0 - coliformes/100 ML: 0 - anaerobies sulf.red/100 ML: 0 - streptocoques fécaux/100 ML: 0 De telles eaux sont des eaux de qualité potable et l'ef- fet recherché par l'invention est ainsi parfaitement obtenu. Les analyses d'eau ci-dessus furent effectuées par les Laboratoires de Bromatologie du Groupe Bureau Veritas à Eguilles, France. Des prototypes du générateur selon l'invention furentéga- lement testés par un Centre d'Essais Officiel. Le tableau ci-après montre les résultats obtenus au cours de ces essais. T A B L E A U N 1 Tempeérature Température d'eau des fumées ANALYSE DES PRODUITS DE COMBUSTION ( C) ( C) NOx NOx Rendement PDbit Claudièreentrée sortieTST CO 'eneur N02 NOx m3/m3g Nb2/m3 de Dbit 1 des Vpm en CO2n mesuré mesure fuméefumées x resurée pp 1 31 44,6 31 30 2 31,8 46,5 33,5 32,5 3 33 47 34,533,5 4 33 44 36,5 35 9 2628410 A la figure 2, on voit une installation selon l'inven- tion comprenant un générateur selon l'invention produisant si- multanément de l'eau chaude basse température et du CO2 froid et qui est du type tel que représenté à la figure 1. L'eau chaude basse température et de qualité eau pota- ble produite par le générateur portant la référence générale(22) est récupérée dans le réservoir d'eau traitée(18). Ce réservoir sert d'une manière générale de source d'eau potable pour les hom- mes et les animaux. De plus cette eau basse température peut être utilisée pour le chauffage et/ou l'irrigation d'une serre agricole(23). A cet effet l'eau est prélevée à travers une canalisation(24) et par une pompe(25) à partir du réservoir(18). Le conduit de refou- lement(26) de la pompe alimente à travers une vanne de réglage de débit d'eau(27) un paillage radiant connu en soi(28) ou tout autre dispositif convenable disposé dans la serre. L'eau est ren- voyée au réservoir(18) par une canalisation de retour(29). L'eau peut également être refoulée par une pompe(38) à travers une canalisation(39) dans un système localisé d'irriga- tion quelconque par exemple goutte à goutte, aspersion, par pul- vérisation. Ce système d'irrigation peut être de préférence un système d'irrigation par tubes poreux tel que distribué par la société française dite "Irricope" sous la dénomination commercia- le "COPE". Ce système comporte comme représenté à la figure 2 une canalisation d'alimentation(31) pouvant être alimentée par la ca- nalisation(39). Cette canalisation(31) alimente à travers un ré- gulateur(33) une rampe de distribution(30) constituée par exemple d'un tuyau souple en polyéthylène. Sur ce tuyau(30) est branchée en dérivation une série de tubes poreux d'irrigation(34) destinés à être enterrés ou disposés sur le sol de la serre le long des rangées de plantations. Dans un tel système le régulateur(33) permet de réduire la pression d'eau à environ 200 gr/cm2 ce qui se traduit par une très faible consommation d'eau d'irrigation. De ce fait ce sys- tème autorise une irrigation continue des plantes. L'utilisation de l'eau chaude basse température qui présente au niveau des tu- bes poreux une température de l'ordre de 20 à 25 C permet une ir- rigation évitant le stress des plantes dû à la différence de tem- pérature des plantes dans la serre et l'eau d'irrigation amenée 2628410 aux plantes. Lorsqu'une telle installation selon l'invention sert à produire en continu de l'eau potable, on utilise avantageusement, en période chaude, une partie de l'eau produite pour l'irrigation des plantes et, en période froide, une partie de l'eau pour le chauffage de la serre(23). De plus les gaz de combustion purifiés et refroidis pro- duits par le générateur(22) sont prélevés à partir du conduit d'évacuation(20) par une simple canalisation en dérivation(35,36) et envoyés par un ventilateur dans la serre(23). Ce montage par simple dérivation présente l'avantage d'éviter toute perturba- tion de l'évacuation des gaz à travers le conduit(20) quel que soit le volume de gaz prélevé par la canalisation(35,36) pour être envoyé dans la serre. Ceci permet d'ajuster la quantité de C02 envoyée dans la serre en fonction des variations du cycle d'absorption naturelle du CO2 par lés plantes. Pour la régularisation des niveaux d'eau dans les réser- voirs(15 et 18), il est prévu entre ces réservoirs un déversoir (40) permettant un transfert d'eau à partir du réservoir(l8) dans le réservoir(15). De plus le réservoir(15) comporte un trop-plein (41) pour évacuer l'excédent d'eau et qui est disposé à un niveau plus bas que celui du déversoir(40). Le déversoir(40) et le trop- plein(41) sont de préférence des dispositifs du type dit à si- phon. L'invention n'est bien entendu pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés ici, mais on peut y apporter des nombreuses modifications sans pour cela sortir du cadre de l'invention. il 2628410 REVENDICATIONS 1) Procédé pour produire simultanément, à partir de l'eau polluée, de l'eau chaude basse température de qualité dite eau potable et du dioxyde de carbone, caractérisé en ce qu'il consis- te à envoyer l'eau polluée à travers une chaudière à gaz du type dite chaudière à condensation à circuit ouvert, à récupérer l'eau à la sortie de la chaudière dans un réservoir de stockage et à prélever du CO2 à partir des gaz d'échappement de ladite chaudière. 2) Générateur du type dit chaudière à condensation pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comporte une enveloppe cylindrique extérieure verticale(l) en une matière non réfractaire, une chemise cylin- drique intérieure en une matière réfractaire(2} disposée à l'in- térieur de ladite enveloppe extérieure(l) et dont la partie su- périeure délimite une chambre de combustion(5) tandis que sa par- tie inférieure délimite une chambre d'échange thermique(8) com- muniquant avec un bac de récupération d'eau (16) disposé à l'ex- trémité inférieure du générateur; dans l'espace annulaire délimi- té par l'enveloppe extérieure(l) et la chemise intérieure(2) un lit supérieur d'anneaux céramiques(9) et un lit inférieur d'an- neaux métalliques réfractaires(l0); un brûleur à gaz(6) disposé à l'extrémité supérieure de ladite chambre de combustion(5); une rampe de pulvérisation d'eau(19) disposée à l'extrémité supérieu- re du générateur pour projeter l'eau à traiter sur l'extrémité supérieure dudit lit supérieur d'anneaux céramiques(9); des moyens (13,14) pour alimenter ladite rampe avec de l'eau à partir d'un réservoir de stockage(15) d'eau polluée, et un conduit d'évacua- tion de gaz de combustion(20) communiquant avec l'extrémité su- périeure dudit lit supérieur(9) et qui comporte des moyens de pré- lèvement de gaz de combustion. 3) Générateur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les dimensions de ladite chambre.'de combustion(5) sont suffisantes pour permettre une combustion sensiblement complète de gaz à l'intérieur de la chambre de combustion(5). 4) Générateur suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 ou 3, caractérisé en ce que la configuration dudit lit inférieur d'anneaux métalliques(l0) est telle que la température instantanée des gouttelettes d'eau est supérieure à 100 C au mo- ment de l'impact des gouttelettes sur les anneaux métalliques du lit inférieur(10) et qu'elle est uniforme dans le volume dece lit. ) Générateur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la section dudit lit inférieur d'anneaux métalliques(10) diminue vers le bas. 6) Générateur suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 5, caractérisé en ce que la paroi délimitant ladite chambre d'échange thermique(8) présente des perforations réguliè- rement espacées. 7) Générateur suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 6, caractérisé en ce que ledit lit supérieur d'anneaux céramiques(9) comporte une partie supérieure extrême annulaire (19) qui n'est pas traversée par l'eau projetée à partir de la- dite rampe(12). 8) Générateur suivant l'une quelconque des revendica- tions 1 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de prélèvement de gaz sont constitués par une simple canalisation(35) branchée en dérivation sur le conduit d'évacuation(20) du générateur muni d'un ventilateur extracteur. 9) Générateur suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte au niveau dudit bac de récupération(16) une canalisation d'évacuation(17) dont l'ex- trémité d'admission comprend un siphon(17') disposé au centre du bac(16). ) Installation pour la production et distribution d'eau chaude de basse température et de dioxyde de carbone dans une ser- re agricole, caractérisée en ce qu'elle comporte un premier ré- - servoir de stockage d'eau froide(15), un générateur(22) suivant l'une quelconque des revendications 2 à 8, un deuxième réservoir d'eau chaude(18), des moyens pour envoyer de l'eau chaude traitée à partir du bac de récupération(16) du générateur(22) dans ledit deuxième réservoir(18); une pompe(25) refoulant de l'eau chaude à partir dudit deuxième réservoir(18) dansun système de chauf- fage basse température(28) disposé dans la serre(23) et demoyens pour envoyer de l'eau dans un réseau d'irrigation(31 à 34); une canalisation(35 et 36) reliant le conduit d'échappement(20) du générateur(22) à un ventilateur(37) injectant les gaz de com- bustion dans la serre; et des moyens pour envoyer de l'eau à par- tir dudit deuxième réservoir(18)dans ledit premier réservoir(15).