Brevet FR2642989A1 — publié le 19900817

La presente invention concerne un systeme pour debarrasser de marieres particulaires les gaz d'échappement et de carneaux produits par la combustion de combustibles fossiles. Plus precisément, elle concerne un système pour éliminer ou au moins abaisser dans une large mesure l'émission de matières particulaires par les- échappements de moteurs Diesel et par les gaz de carneaux résultant de toutes les appiications qui font intervenir la combustion de gazole ou d'huiles plus lourdes. meme en melange avec des fractions aromatiques installations de chauffage, génerateurs électriques portables, centrales thermiques, etc.), ou de charbon. Pour simplifier, il sera principalement fait référence aux moteurs Diesel dans la suite de la description, mais il va de soi que les points qui y sont exposes et les conclusions tirees s'appliquent également et demeurent valables pour d'autres applications. La combustion d'hydrocarbures, à partir de molécules contenant environ dix atomes de carbone ou de molécules aromatiques simples, donne lieu, non seulement aux produits de combustion usuels tels que CO, COm et H20, mais aussi a des produits tels que des composés organiques non brûlés, des suies et des oxydes d'azote. La composition des gaz d'échappement peut varier considérablement, selon la quant.ité d'air utilisée pour la combustion. Toutefois, pour un bon rendement du processus (par exemple pour obtenir une puissance suffisante> , le rapport air/carburant est fixé aux alentours de certaines valeurs, ce qui rend difficile d'eviter l'émission de matieres particulaires. Le phénomene est particulièrement évident pour l'observateur dans le cas des moteurs Diesel d'automobiles, oui sont donc accuses de produire une forte pollution et de mettre gravement en danger la santé publique. D'une maniere generale, ces accusations sont sans fondemer.t. En effet, comparés aux moteurs à essence, les moreurs Diesel emettent de quatre à six fois mains d'oxvde de carbone oaui est un poison dangereux, par le fait qu'il biocue les échanges entre le sang et l'oxygene), environ ia moitié de la quantité d'hydrocarbures non brûles (qui sont très cancérigènes) et à peu pres la moitié d'oxydes d'azote (qui font partie des substances responsables des pluies acides). En revanche, ies motceurs Diesel émettent quelque quarante fcis plus de particules de carbone (qui peuvent zrodu.re à long terme des bronchites et d'autres affecti.ons broncho-pulmonaires), ainsi que d'anhydride sulfureux {également responsable des pluies acides, mais aui pourrait être elimine si le carburant Diesel était desulfure, comme tei est le cas de l'essence). il convient aussi d'observer que les suies adsorbent les hydrocarbures non brûlés et qu'elles se comportent ainsi comme un vecteur pour ces agents cancérigènes. En resume, il ne fait aucun doute que les suies produites par la combustion de gazole, de fioul ou similaires sont extrêmement désagréables et que de telles émissions doivent être éliminées ou au moins réduites dans une large mesure. Une certaine réduction de la quantité de matières particulaires produite par la combustion d'hydrocarbures peut être obtenue par réglage de la combustion par des moyens électroniques. Toutefois, ce réglage ne fait que réduire d'environ 20% la teneur en fumée, ce qui est insuffisant dans de nombreuses applications. De multiples efforts ont été faits pour résoudre ce problème. De nombreux brevets ont jusqu'ici rendu peu économique l'emploi de ces filtres, notamment pour des véhicules. Le brevet US 4741746 suggère l'utilisation d'un dispositif de precipitation électrostatique a effet corona pour précipiter les particules de carbone à partir des gaz d'échappement de moteurs Diesel. Le brevet US 4587808, concernant aussi des moteurs Diesel, prévoit l'utilisation d'un dispositif de dissociation moléculaire qui, avec une charge pouvant aller jusqu'à 150 kV, cause la dissociation des molécules de CO, de C0O et de NO0 et des hydrocarbures non brûlés en leurs éléments chimiques constitutifs et l'élimination ultérieure des particules de carbone ainsi produites, ainsi que de celles qui sont déjà présentes dans les gaz d'échappement, au moyen d'un dispositif de précipitation électrostatique et d'un cyclone. A la Conférence sur la pollution de l'air due au transport, réunie a Paris en 1987, il a été toutefois rapporté que quand des systèmes dérivés de l'industrie sont installés dans des voitures, leur efficacité est douteuse (comme dans le cas de cyclones) ou leurs dimensions sont excessives et leur complexité est prohibitive séparateurs électrostatiques)(cf. Pollution Atmosphérique, numero spécial, decembre 1987, pp. 268- 2857. -i est evident d'apres ce qui precede que dans le cas d'applications de dimensions limitées (telles que des mrteurs Diesel d'automobiles, etc. ou des installations de chauffage domestique), les problèmes techniques et économicues liés à la reduction de la teneur en fumée de gaz resultant de la combustion d'hydrocarbures sont loin d'être resclus. Le but de la présente invention est d'éliminer ces inconvenients en mettant à disposition un dispositif simple, bon marché et compact assurant une diminution marcuee des émissions de rmatières particulaires dans les gaz résultant de la combustion d'hydrocarbures, ainsi cue des moyens simples, coopérant avec ledit système, pour éliminer les suies séparées. D'apres la présente invention, un système d'élimination des poussières, caractérisé par la combinaison des éléments suivants, est introduit dans le tuyau d'échappement ou le carneau de systèmes qui brûlent des combustibles fossiles: - un générateur de haute tension - des moyens pour la séparation électrostatique des suies - des moyens pour l'élimination des suies ' recueillies. Lesdits moyens pour la séparation electrostatique des su-ies comprennent au moins une paire de conducteurs &à. travers lesquels passent les gaz d'échappement ou de fumée. chacun de ces conducteurs étant relié de façon appropriée à l'une des bornés dudit générateur de tension, l'un des conducteurs ayant une charge dont le signe est l'opposé de celui de l'autre conducteur. A titre de variante, lesdits conducteurs peuvent être constitués par un conducteur dont au moins un point fait face à l'autre conducteur, dont il est isolé de façon convenable. Dans une autre forme de réalisation, l'un desdits conducteurs peut - être constitué par la surface interfeure d'un conduit et l'autre - convenablement isole de celui-ci - par un conducteur de forme allongée, placé le long de l'axe dudit conduit. Lesdits moyens pour l'élimination des suies recueillies peuvent consister en des moyens qui élèvent la temperature des matières particulaires et brlent celles-ci sous l'effet des gaz d'échappement eux-mêmes ou d'air. On peut également éliminer les suies recueillies en utilisant des moyens interchangeables et remplaçables qui sont retires du système et nettoyés, tandis que des moyens connus peuvent être adoptés pour certaines applications. Lesdits moyens qui elevent la température des matières particulaires recueillies peuvent prendre la forme - d'un petit brûleur auxiliaire qui envoie sur les matières particulaires des gaz chauds riches en agents oxydants, - d'un élément chauffant électrique qui chauffe les matières particulaires dans un courant de gaz d'échappement, d'air ou d'un mélange de ceux-ci. Dans des applications dans lesquelles la conduite de gaz d'échappement ou de carneau s'étend verticalement, comme tel est le cas de cheminées, de conduits de fumée et des échappements de certains véhicules commerciaux, lesdits moyens pour l'élimination des poussières peuvent etre constitues par un piege collecteur installé dans la partie la plus basse du système d'élimination des matières particulaires, au point o les gaz pénètrent dans le trajet vertical. La collecte des matières particulaires dans le piege est facilitée par l'utilisation d'un système approprié, tel qu'un vibreur ou- est mis en marche pendant une interruption du pr=cessus de comDusticn ou de l'écoulement des gaz. Dans une autre forme de realisation, il est prévu un systeme d'élimination des matières particulaires de dimensions appropr-ees oui sert aussi de récipient à suies et qui peut être separé de la conduite de gaz d'échappement ou de carneau, ce qui permet de l'enlever et de le nettoyer de temps en temps, puis de le remettre en place et de le réutiliser. La preser.nte invention est ci-après décrite de façon plus détailelée, en réference aux dessins annexés qui l'illustrent a seul titre d'exemple, sans limiter aucunement ses ob4ectifs et sa portée. La fiz. i est une vue en coupe de l'une des formes de realisaticn de l' invention. La fig. 2 est une vue de i'element d'élimination des matières part4cuiaires qui peut être retiré du reste du systeme de gaz d'échappement ou de carneau. D'après ce qui est représenté sur la fig. 1, le tuyau de gaz d'échappement ou de carneau 1 en acier (de préférence inoxydable) constitue aussi l'un des conducteurs du système d'élimination de matières particulaires et est relié au pôle positif d'un génerateur de haute tension (non représenté). Les gaz d'échappement entrent par un conduit 9. L'autre conducteur 2, relié à l'autre pôle du générateur, pénètre dans le tuyau 1 à travers un isolateur 8 et s'étend le long de l'axe dé ce tuyau sur une certaine distance, étant partiellement isolé au moyen d'un isolateur 3, L'extrémité libre du conducteur 2 est supportée par un isolateur approprié 4, sous la forme de petites barres espacées, placées entre le tuyau 1 et le conducteur 2. Le tuyau 1 comporte également un élément chauffant extérieur 5, une conduite 6 et des bougies d'allumage ou à incandescence 10. En service, les gaz d'échappement sont introduits par la conduite 9 dans le tuyau 1, parcourant celui-ci de droite à gauche. Dans l'espace S entre le conducteur 2 et le tuyau 1, tous deux reliés aux bornes d'un générateur de tension, les particules de carbone sont chargees électriquement et sont attirées vers la paroi intérieure du tuyau 1 o elles se déchargent et se déposent en formant un dépôt 7. Lorsque ce dépôt a atteint une certaine épaisseur ou lorsaue l'accumulation de carbone dans l'ensemble du conducteur 1 a atteint un stade o les conducteurs 1 et 2 ne peuvent pas être parfaitement isolés l'un de l'autre, la tension entre les conducteurs baisse, de façon très considérable dans certains cas, A ce moment, l'élément chauffant 5, qui peut se m-résenter sous la forme d'une résistance électrique, est mis en service et/ou les bougies à incandescence ou d'allumage 10 sont mises en circuit et/ou des gaz très chauds, provenant d'un brûleur auxiliaire, ou de l'air sont soufflés à travers le dispositif. Ces opérations, effectuées séparément ou en combinaison de l'une avec l'autre au moins, sont destinées à. élever la température du dépôt de carbone 7 entre 400 et 550C en général, temperature à laquelle le carbone brûle. Afin de faciliter cette opération, au moins deux desdits tuyaux 1 sont disposés en.parallèle et les suies sont séparées des gaz d'échappement dans l'un au moins de ces tuyaux, tandis que les poussières précédemment déposées sont éliminées dans l'un au moins des autres tuyaux. De cette manière, chacun des tuyaux sert alternativement de séparateur de suies et d'éliminateur. La sélection des fonctions désirées et l'actionnement des valves qui dirigent les gaz d'échappement d'un tuyau à l'autre peuvent être avantageusement commandés automatiquement par un programmateur ou - un microprocesseur qui reçoit ses informations de sondes spéciales. Sur la fig. 2, o les mêmes numeros désignent les memes eéléments que sur la fig. 1. on peut voir que le tuyau 1 constitue la partie terminale du tuyau d'echappement i auquel il est raccordé par un joint 12 qui peut par exemp:e se présenter sous la forme d'un j oint a bajcnnette. Le mode de Fonctionnement de l'appareil en ce qui concerne la séparation des suies est exactement le même que celui qui a été décrit à propos de la forme de realisation de la fig. 1. Ici aussi, il est possible de disposer au moins deux tuyaux en parallèle, les gaz d'echappemen- étant amenés a passer alternativement à travers un seul de ces tuyaux ou, s'il y a plus de deux tuyaux, à travers quelques-uns seulement de ceux-ci, pour l'cperation de séparation des suies. Avec le dispositif de la fig. 2, une fois que la couche de suies déposées a atteint un niveau pré-établi, la partie terminale 1 est détachée du tuyau principal 11 pour être nettoyée separement et elle est remplacée par une autre partie terminale propre. Des essais démontrent que la teneur en matières particulaires des gaz d'échappement ou de fumee peut être facilement abaissée d'au moins 50%. A titre de variante de réalisation, il a été constaté que de l'air peut être envoyé dans le tuyau 1, même sans interrompre le passage de gaz d'échappement. De cette manière, il est possible d'éviter les complications qu'entraîne la disposition de plus d'un conduit en parallèle et d'éviter l'accumulation de suies qui pourraient sortir en bloc du tuyau d'échappement sous l'effet de vibrations, de chocs ou d'événements similaires. Le dispositif de la présente invention a été essayé sur le système d'échappement d'un groupe Diesel- électrique comprenant un moteur de 3860 cm3 et un generateur d'une puissance nominale de 40 kW à 1500 tr/mn. Au cours des essais, on a fait tourner le moteur a une vitesse comprise entre 1300 et 1480 tr/mn. Le dispositif de separation des suies se composait d'un ou de deux cylindres en acier de 1000 mm de longueur et de 150 mm de diamètre intérieur , contenant une barre d'acier de 15 mm de diamètre disposee axialement. Une tension de 30 kV à 0,5 mA a été appliquée entre le cylindre extérieur et la tige axiale. Chaque essai a eté conduit pendant 1 h, un échantillon continu de 500 litres étant prélevé sur les gaz qui passaient & travers le dispositif. On a fait passer l'échantillon & travers un filtre poreux et on a pesé les matières particulaires recueillies de cette manière. Les résultats sont présentés dans le tableau. Tableau Tr/mn du Nombre Oe Tension Matières DarticulairesPourcentage séparé moteur tuyaux utilisés recueillies en parallèleOui/Non (ag/M3) (fi-B/A) A 1300 1 - Non 13,46 B 1300 1 Oui 6,4 52,4 A 1350 2 Non 15,0 B 1350 2 Oui 4, 9 67,3 A 1380 2 Non 16,4 M B 1380 2 Oul 7,32 55,4 ------------....---.....-------......-------------.....---------------mmm --------mm ------ A 1410 1 Non 17,5 B 1410 1 Oui 7,2 58,9 A 1430 i Non 21,3 A 1430 i Oul 9, 83 53,8 A 1430, Non 22,0 E;430 2 Oui 7,33 66,7 A;480 i Nan 24,8 A 1480 1 Oul 13,9 43,9 Les suies deposées ont été rapidement brûlées lorsqu'un courant d'air à 490'C a été envoyé à travers le conduit de separation. Si les gaz d'échappement étaien- enrichis d'air, elles ont ete brûlées au cours du processus de separation, le chilfre de pourcentage de matières séparées étant amélioré de 12 à 13 points. REVENDICATIONS i.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires dans des gaz d'échappement ou de fumée produits par la combustion de combustibles fossiles, dans leouel un système de séparation des suies, est introduit dans un tuyau acheminant lesdits gaz d'echappement ou de carneaux, système de séparation caractérisé par la combinaison des éléments suivants: - un générateur de haute tension, - des moyens pour la séparation électrostatique des matières particulaires, - des moyens pour l'élimination des particules recueillies, dans lequel lesdits moyens de séparation électrostatique des matières particulaires sont constitués par au moins une paire de conducteurs entre lesquels passent les gaz d'échappement ou de carneaux, chacun de ces conducteurs étant relié de façon appropriée a l'une des bornes dudit génerateur de tension. 2.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits conducteurs d'une paire de conducteurs sont constitués par deux parois se faisant face dans un conduit, convenablement isolées l'une de l'autre. 3.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un desdits conducteurs d'une paire de conducteurs comporte au moins un point dirigé vers l'autre conducteur qui est constitué par une paroi s'étendant en face de l'autre conducteur dont elle est isolée électriquement. 4.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un des conducteurs de ladite paire de conducteurs est constitué par la surface intérieure d'un conduit ( ci - est constitue par un conducteur de forme allongée ó2) s'étendant le long de l'axe dudit conduit (1). 5.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que iesdits moyens d'élimination des matières particulaires sont constitués par des moyens (5) pour élever la température des matières particulaires et les brûler, soit & l'aide des gaz d'échappement eux-mêmes, éventuellement enrichis en air, soit à l'aide d'air. 6.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'élimination des, matières particulaires sont constitués par des moyens amovibles et interchangeables qui peuvent être démontés du système pcur être nettoyés à part et être remplacés par d'autres moyens semblables déjà propres. 7.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour élever la température des matières particulaires sont constitués par un brûleur auxiliaire qui envoie sur lesdites matières particulaires des gaz chauds riches en substances oxydantes. 8.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdits moyens pour élever la température des matières particulaires sont constitués par un ensemble chauffant électrique qui chauffe lesdites matières particulaires en présence d'un courant de gaz d'échappement, d'air ou d'un mélange d'air et de gaz d'échappement. 9.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit ensemble chauffant est constitue par au moins une bougie d'allumage ou à incandescence (10). 10.- Système pour abaisser la teneur en matières particulaires selon la revendication 1, caracterisé en ce que les gaz d'échappement sont enrichis en air pendant les opérations de précipitation des matières particulaires, afin de provoquer la combustion d'une partie au moins des matières particulaires.