Brevet FR2645673A1 — publié le 19901012

Bougie filtrante sans amiante pour la filtration de gaz chauds radioactifs. L'invention concerne une bougie filtrante pour la OS filtration de gaz chauds radioactifs, ne contenant pas d'amiante. Les installations d'incinération de déchets nucléaires produisent des gaz chauds (la température de combustion pouvant atteindre 1 200 C, elles sont en général de 600 à I 000 C) radio- actifs. Ils sont charges en particules solides radioactives (plutonium par exemple), en noir de carbone et en vapeurs corrosives (Cl2, HCl,...), ce en plus ou moins grande quantité selon la nature des déchets brûlés. Ils circulent à des débits en général de l'ordre de 30 à 60 Nm3/h. Pour épurer ces gaz avant leur rejet dans l'atmosphère, on dispose de deux barrières de filtres en série; la première est constituée par des bougies filtrantes qui doivent arrêter 99 % au moins des particules de diamètre de l'ordre de 1 pm, et la seconde est un filtre de très haute efficacité (T.H.E.) qui arrête plus de 99 % des particules de diamètre supérieur à 0,3 ym. Le doublement des barrières permet d'augmenter la durée de vie du filtre (T.H.E.) qui est un dispositif très onéreux. La barrière de filtration avec les bougies filtrantes est décrite dans le brevet français 1 503 631, elle est schématisée sur les figures 1 et 2. Les bougies filtrantes I1 sont constituées d'un cylindre support 2 et d'une cartouche filtrante 3. Le cylindre support 2 est poreux de façon à laisser passer les gaz au travers de ses parois, il est constitué par exemple par une toile métallique enroulée dont les extrémités sont soudées. L'une des extrémités 4 du cylindre est fermée, l'autre extrémité 5 ouverte comporte des moyens pour la liaison de la bougie à une platine 6. Ces moyens sont par exemple un manchon 7 fixé au cylindre et à la platine; dans ce cas, la platine avec toute ses bougies est ôtée et remplacée. Dans le brevet français 83 20 394, 'on procède au remplacement individuel d'une bougie, lesdits moyens étant consti- tués par une collerette fixée sur l'extrémité 5 et venant simplement en appui sur la platine. La cartouche filtrante 3 est constituée d'un feutre de fibres d'amiante défibrée. Ces fibres assurent la filtration. Pour limiter leur retrait à la chaleur, elles sont mélangées à des fibres de verre, de silice, de mullite, kaolin,... Les bougies avec fibres d'amiante donnent toute satisfac- tion au point de vue filtration et coût. Mais actuellement, les autorités administratives limitent, voire interdisent dans certains pays l'emploi d'amiante. Il fallait donc trouver un matériau de substitution: - efficace contre les poussières (99 % pour des poussiè- res de I um environ) pour des épaisseurs raisonnables; - à vitesse de colmatage lente; - résistant aux chocs thermiques et à l'agressivité chimique; - à prix modéré. Par ailleurs, on s'est volontairement écarté des bougies céramiques trop onéreuses et dont les vitesses de colmatage sont encore trop rapides. Selon l'invention objet de la présente demande, La cartouche filtrante est un corps sensiblement cylindrique, creux, fermé à l'une de ses extrémités et ouverte à l'autre extrémité, coopérant avec des moyens pour son supportage par une platine, ladite cartouche étant constituée d'un feutre de fibres, caractérisée en ce que les fibres ont un diamètre inférieur à20jum, une longueur inférieure à 25 mm et sont constituées d'alumine, de zircone, d'un mélange alumine/silice ou d'un mélange zircone/silice. On a sélectionné les fibres selon leurs dimensions et leur nature pour former un feutre filtrant. Le feutre est un enchevêtrement de fibres avec des chemins de passage des gaz distribués de façon aléatoire et non réguliers dans leurs sections. Les fibres sélectionnées ont une longueur inférieure à 25 mm (10 à 15 mm de préférence) et un diamètre inférieur à 20jim (1 à 10 pmde préférence). Le matériau constituant la cartouche est choisi parmi l'alumine, la zircone, un mélange alumine/silice, un mélange zircone/silice. La zircone est employée lorsque les gaz sont très corrosifs, L'alumine lorsqu'ils le sont à un niveau moindre. D'une façon générale, on préfère les mélanges alumine/ silice ou zircone/silice qui contiennent plus de 50 % d'alumine ou de zircone (% après cuisson). La cartouche filtrante peut être préparée par deux procédés connus différents, l'un en voie sèche, l'autre en voie humide. Dans le procédé par voie sèche (celui de l'art antérieur cité), la cartouche est formée d'un feutre de fibres déposé sur un cylindre support constituant un moyen de supportage sur une platine. Le procédé de dépôt employé est celui de l'art antérieur qui est décrit en détail dans le brevet français 83 20 394. Brièvement, on place les cylindres support verticalement sur une platine dans une enceinte séparée en deux parties par ladite platine. Un mélange des fibres dans de l'air est envoyé dans l'une des parties; dans l'autre partie, on crée une dépression de façon à produire un courant d'air. Les fibres sont alors déposées sur la paroi trouée du cylindre support, avec une épaisseur sensiblement constante, pour former un corps cylindrique. Ledit corps est fermé à l'une de ses extrémités par le cylindre support, l'autre extrémité reste ouverte. Une cartouche filtrante est ainsi formée dans le cylindre support, les gaz à filtrer entrent alors par l'extrémité ouverte dans l'espace creux de la cartouche, puis traversent ladite cartouche et le cylindre support. Les contraintes au niveau des trous du choix du cylindre support sont explicitées dans le brevet de l'art antérieur 1 503 631. La demanderesse a constaté qu'en utilisant ce procédé, avec Les fibres d'alumine, il est pratiquement nécessaire d'ajouter des fibres de verre pour obtenir, après cuisson, la couche filtrante sous forme d'un bloc monolithique. Dans le procédé par voie humide, on élabore La cartouche filtrante à partir d'un mélange en milieu liquide (aqueux de préférence)- de fibres et d'un Liant (mélange appelé barbotine), ledit méLange est déposé dans un moule (de préférence de forme adéquate pour former un corps cylindrique avec une extrémité fermée sinon, La fermeture de l'extrémité est réalisée ultérieurement par assemblage avec une pièce rapportée), puis par mise sous vide, une couche est obtenue, qui est ensuite séchée. C'est un procédé de moulage classique. Dans ce procédé, on emploie de préférence des fibres de pLus petits diamètres que dans la voie sèche, 1 à 6,um en général, la valeur moyenne de3,im étant avantageuse. Le liant peut être de la silice colloidale (commercialisée sous la marque LUDOX par exemple) ou un produit pouvant s'éliminer au chauffage (amidon, alcool polyvinylique...). Dans le cas de la silice colloîdale, après chauffage, on obtient SiO2, les autres composants s'éliminent sous forme gazeuse. On peut considérer qu'après cuisson, le résidu de liant (SiO2 n'étant pas compté dans le résidu) représente 2 % au plus du poids de la cartouche. La silice d'un mélange alumine/silice ou zircone/silice peut être amenée sous forme de fibres et/ou de silice colloidale, la silice colloidale jouant à la fois le rôle de liant et celui de fournisseur de SiO2; la silice colloidale ne contenant pas de fibres de silice, les fibres du feutre proviennent de l'alumine ou de la zircone. La cartouche moulée séchée obtenue peut être cuite dans un four ou bien être placée telle que sur la barrière de filtration de l'installation, la cuisson ayant lieu in situ avec le passage des gaz chauds. Les proportions des composants de la barbotine sont choisies de façon à ce que, après cuisson, le matériau fibreux obtenu contienne au moins 50 % (en poids) d'alumine ou de zircone. Une composition préféree est: - 85 - 98 % de fibres d'alumine 1-6 um de diamètre et -15 mm de longueur; - 0 - 15 % de silice sous forme de fibres de 1-6jum de diamètre et 10-15 mm de longueur ou de silice provenant de silice colloidale; - * 2 % autres. La cartouche obtenue par voie humide, moulée et séchée, peut être: - soit placée dans le cylindre support, celui-ci disposant au niveau de son extrémité ouverte d'un moyen pour le supportage de la bougie par la platine. Il dispose également au niveau de cette extrémité d'un moyen pour fermer l'espace libre entre le cylindre et la cartouche, de façon à ce que les gaz à filtrer soient dirigés en entrant dans l'espace creux de la cartouche. Le cylindre support est avantageusement constitué d'une toile métallique soudée (tel que décrit dans l'art antérieur) ou d'une "chaussette": c'est un tube tissé fermé à une extremité, le tissage étant de préférence exécuté avec un fil d'aluminosili- cate et avec le maillage le plus fin possible. - soit utilisée telle que, on lui adjoint alors sur son extrémité ouverte un moyen pour son supportage par la platine, ce moyen étant évidemment conçu et disposé de façon à ce que les gaz à filtrer soient dirigés uniquement dans l'espace creux de la cartouche. Ce peut être un manchon enfoncé dans l'espace creux de la cartouche et avec une collerette venant en appui sur la platine, le diamètre de l'évidement de la platine étant légèrement supérieur au diamètre externe de la cartouche, de façon à la changer facilement. On peut également prévoir au moulage un épaulement au niveau de l'extrémité ouverte de la cartouche, qui viendra en appui sur la platine. La figure 3 montre un exemple de mise en place de la cartouche. Dans un évidement évasé de la platine 8, un manchon 9 a été placé qui comprend une partie cylindrique 10 débouchant hors de la platine et une partie évasée 11 dont la surface coopère exactement avec celle de l'évidement. Ce manchon reste constamment en place. Une cartouche 12 est introduite dans le manchon, les diamètres internes de la partie du manchon et externe du corps cylindrique de la cartouche sont sensiblement égaux, juste pour permettre le glissement de la cartouche. Celle-ci est fermée à son extrémité 13, son autre extrémité ouverte comporte une partie évasée 14 dont la surface externe coopère exactement avec la surface interne de la partie 11 du manchon. On observe qu'on peut très bien rajouter sur ce schéma un cylindre support 14 troué, sans que cette disposition soit obligatoire. Le choix du montage de la cartouche dépend principalement de sa rigidité. La cartouche préparée à partir de la composition préférée possède une résistance mécanique suffisante pour être montée sans cylindre support. Dans les deux cas ci-dessus, il est préférable d'usiner la cartouche séchée avant sa mise en place. Pour cela, on dépose une couche d'alumine autour de la cartouche pour la durcir et on usine pour obtenir des résultats plus reproductibles en filtration et afin également de faciliter la mise en place de la cartouche sur la platine. Lorsque la cartouche est usée, on peut: - ôter la bougie (cartouche + cylindre support) et procéder au remplacement hors de L'installation; aspirer le feutre lorsqu'il a été déposé par voie sèche sur le cylindre support (cette technique est connue) et en redéposer un autre neuf; - ôter la cartouche seule, le cylindre support reste en place (dans le cas d'une cartouche préparée par voie humide et montée dans le cylindre support), une autre cartouche neuve étant mise en place in situ; - ôter la cartouche avec son moyen de supportage (dans Le cas o il n'y a pas de cylindre support), et une nouvelle cartouche munie d'un moyen de supportage est ramenée; - casser la cartouche usée et La faire tomber dans Le S05 fond de l'enceinte de la barrière de filtration, le moyen de supportage restant en place sur la platine, la cartouche neuve est réintroduite in situ sur le moyen de supportage (réalisation de la figure 3). Les cartouches usées sont chargées en radioéléments et donc traitées comme des déchets nucléaires. Les exemples ci-après montreront que de telles cartouches présentent une efficacité de filtration équivalente aux cartouches à fibres d'amiante. On préfère élaborer et utiliser des cartouches préparées par voie humide car: - la préparation par moulage est plus facile à mettre en oeuvre; - on peut s'affranchir du cylindre support qui est coûteux et qui se corrode rapidement lorsqu'il est en métal; - le remplacement des cartouches usées est simplifié: il suffit de retirer ou casser la cartouche usée et en remettre une autre fabriquée à l'extérieur de l'installation. EXEMPLE 1: Cartouche obtenue par voie humide Une cartouche a été obtenue à partir de fibres broyées pour avoir 3 de diamètre moyen et 10-15 mm de longueur moyenne chargées en silice (10 %) et en alumine (85 %) de quelques % de silice colloidale et d'amidon (9 % du mélange aqueux), le tout étant mélangé en milieu aqueux pour obtenir une barbotine. Celle-ci est disposée dans un moule. Il reste après 4 à 5 heures de cuisson à 700 C: 93,5 % Al203, 5,5 % SiO2, 4 1 % autres. On dispose autour de la cartouche une couche d'alumine et on procède à l'usinage pour obtenir une cartouche de 850 mm de longueur, 26 mm de diamètre intérieur et 10 mm d'épaisseur. Cette cartouche est placée dans le cylindre support qui a sensiblement son diamètre intérieur égal au diamètre extérieur de la cartouche, on enfonce dans le cylindre un manchon possédant une collerette et on dispose la bougie obtenue dans un évidement de la platine. EXEMPLE 2: Cartouche obtenue par voie sèche Des cylindres support sont placés sur la platine de la barrière de filtration. Un courant d'air est créé pour amener dans l'espace creux du cylindre une dispersion de fibres dans l'air composée de - essai ne I: 90 % fibres d'alumine (3um de diamètre) - 10 % fibres Vitrotex (5-13,um de diamètre) - essai n 2: 80 % fibres d'alumine (3,um) % fibres Vitrotex (5-13pm) Dans les deux essais, la Longueur des fibres est 10-15 mm et l'épaisseur de la couche obtenue de 5 mm. EXEMPLE 3: Résultats de filtrations et de colmatage 1. Filtration Des essais ont été menés sur une installation d'incinéra- tion équipée d'un brûleur à gaz naturel délivrant 100 à 120 Nm3/h de gaz à haute température variant de 600 à 1 000 eC et d'une barrière de filtration pouvant recevoir 7 bougies filtrantes. Deux lignes de dilution permettent de contrôler la température du brûleur et d'ajuster le débit et la température au niveau de la barrière. Différents piquages ont été installés par l'injection et le prélèvement d'aérosols. La distribution granulométrique de l'aérosol test qui est une dispersion de dioctylphtalate montre un diamètre moyen médian des gouttelettes générées se situant autour de 0,6 avec un écart type de 1,7. L'aérosol a été produit par un générateur pneumatique à 6 buses de pulvérisation alimenté en air comprimé à 2 bars de pression. Il règne dans l'enceinte une dépression de - 30 à - 50 mm de colonne d'eau. L'efficacité de la bougie filtrante est déterminée par: E (%) = 100 x (1 C1) Co avec Co = concentration en amont des bougies (avant filtration) C1 = concentration en aval des bougies (après filtration). 2. Colmatage Sur la même installation, on a réglé le débit d'air à 58 m3/h réels, ce qui correspond à une vitesse de passage de 2,4 cm/s au niveau de la traversée de la cartouche. De la poussière d'alumine a été introduite à intervalles réguliers, au total 1 500 g ont été dispersés à raison de 40-60 g/h, ce qui représente une cadence d'empoussiérage de 25 à 35 fois plus rapide que dans la réalité. 3. Les résultats Cartouche Perte de charge Efficacité (colonne d'eau) de filtration obtenue par voie humide 17 mm 99,1 % obtenue par voie sèche essai 2 9 mm 86,6 % avec fibres d'amiante (art antérieur) 22 mm 99,0 % REVENDICATIONS 1. Cartouche filtrante pour La filtration de gaz chauds radioactifs, composée d'un corps sensiblement cylindrique creux fermé à une extrémité et ouverte à l'autre extrémité, coopérant avec des moyens pour son supportage par une platine, ladite cartouche étant constituée par un feutre de fibres, caractérisée en ce que les fibres ont un diamètre inférieur à 20jum, une Longueur inférieure à 25 mm et sont constituées d'alumine, de zircone, d'un mélange alumine/silice ou d'un mélange zircone/silice. 2. Cartouche filtrante selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que les fibres ont un diamètre de 1 à 10,um et une longueur de 10 à 15 mm. 3. Cartouche filtrante selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que les fibres sont en mélange alumine/ silice ou zircone/silice avec, après cuisson, une proportion de % au moins d'alumine ou de zircone. 4. Cartouche filtrante selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par moulage d'une barbotine, séchage et cuisson, ladite barbotine étant constituée d'un mélange en milieu liquide de fibres d'alumine, éventuellement de silice et d'un liant, lesdits constituants étant en quantité telles que l'alumine représente après cuisson au moins 50 % en poids du feutre, te liant représentant moins de 2 %, le reste étant éventuellement de la silice. 5. Cartouche filtrante selon la revendication 4, caractéri- sée en ce que la silice est apportée sous forme colloîdale. 6. Cartouche filtrante selon la revendication 4, caractéri- sée en ce que la silice est apportée sous forme de fibres de verre. 7. Cartouche filtrante selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que le liant est un produit s'éliminant au chauffage, par exemple l'amidon ou l'alcool polyvinylique. 8. Cartouche filtrante selon l'une des revendications précé- dentes, caractérisée en ce que le feutre contient 83-98 % de fibres d'alumine et 0 à 15 % de silice. 9. Cartouche filtrante selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est formée par dépôt sur un cylindre support d'un feutre de fibres. OS 10. Cartouche filtrante selon la revendication 9, caractéri- sée en ce que le feutre contient-75 à 95 % de fibres d'alumine de 1 à 6} um de diamètre, 10-15 mm de longueur et 5-25 % de fibres de verre de 3pmà 20,umdediamètre, 10-15 mm de longueur. 11. Cartouche filtrante selon la revendication 10, caractéri- sée en ce que les fibres d'alumine ont un diamètre moyen de 3jum et celles de verre un diamètre moyen de 5 à 13,um.