Brevet FR2666518A1 — publié le 19920313

PROCEDE ET DISPOSITIF DE DEPOLLUTION DE GAZ POLLUES PAR DES SOLVANTS La présente invention concerne la réduction de la teneur en solvants combustibles dans les gaz (par exemple l'air) et elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans la dépollution des gaz d'extraction provenant de cabines, de tunnels et d'étuves de séchage et cuisson de peinture. On sait que les gaz d'extraction des étuves contiennent notamment des solvants (xylène, toluène, produits benzéniques,...) et quelquefois des agents plastifiants ou des acides aminés. Le problème de la dépollution est moins critique pour l'air extrait des cabines de peinture et des sas interposés entre cabines et étuves, mais se posent à terme. La législation impose de réduire à une valeur inférieure à un seuil très faible, de l'ordre de 50 ppm pour des produits tels que le xylole, la teneur en solvants des gaz d'extraction constitués en majeure partie d'air, ayant souvent une hygrométrie élevée, contenant divers solvants combustibles et des produits de dégradation de ces solvants. On a déjà proposé divers procédés de dépollution tels que ceux décrits dans l'article "Réduction d'émissions de solvants sortant de cabines de peinture", la Technique Moderne, mars-avril 1990, pp. 55-61. La faible concentration initiale de ces solvants, de quelques centaines de ppm en général, fait qu'il est difficile d'amorcer et d'entretenir une combustion ou plus généralement une réaction physico-chimique de destruction des solvants, dans les gaz. Une solution jusqu'ici couramment utilisée à est l'incinération des solvants par élévation de température des gaz, grâce à un apport thermique fourni par exemple par des brûleurs ou une torche à plasma. La température à laquelle il faut porter les gaz à traiter pour assurer, conformément aux normes, l'abaissement de la teneur en solvant combustible selon un procédé thermique est de l'ordre de 8500. En conséquence, les matériaux utilisés pour la réalisation de l'incinérateur doivent supporter cette température de travail élevée et sont onéreux. Ces techniques, même lorsque l'on procède à une récupération d'énergie qui permet une réchauffe des gaz avant combustion au moyen d'un échange de chaleur avec les gaz traités, ont une consommation en énergie élevée de l'ordre de 16 kWh par Nm3. De plus il est nécessaire de répartir l'énergie dans tout le volume de l'écoulement car il est impossible d'entretenir la combustion des solvants à l'aide d'un dispositif d'allumage. L'invention vise à fournir un procédé et un dispositif mettant en oeuvre la décharge électrique au sein des gaz, permettant de réduire la teneur en solvants jusqu'au dessous du seuil légal avec une dépense d'énergie plus faible que celle requise par les procédés antérieurement connus, et en économisant les coûteux échangeurs de chaleur ainsi que l'emploi de matériaux "haute température" et cela en opérant à une pression qui peut être proche de la pression atmosphérique. L'invention utilise pour cela la double action de la décharge électrique, qui provoque des phénomènes d'excitation, d'ionisation et de dissociation en même temps qu'un échauffement relativement faible par effet Joule dans le conducteur gazeux que constitue le mélange ionisé par la décharge.La dépollution par décharge n'est possible qu'à condition que les effets de la décharge se fassent sentir dans l'ensemble du volume gazeux à traiter, soit directement sur le trajet ionisé où s'effectue la décharge, soit à proximité des volumes où se développent les décharges. Pour atteindre ce résultat l'invention met en oeuvre des décharges successives amorcées sous tension élevée, d'intensité limitée pour éviter l'établissement d'un régime d'arc, répétitives de façon à intéresser l'ensemble de l'écoulement. L'invention propose de façon plus précise un procédé selon lequel - on fait passer un débit de gaz pollué par des solvants à détruire, tels que des hydrocarbures, dans un espace délimité par un conduit et encadré par des électrodes présentant un écartement croissant dans le sens de l'écoulement du gaz ; et - on établit entre les électrodes une tension suffisante pour amorcer une décharge à l'emplacement où les électrodes sont les plus proches et on limite l'intensité du courant de décharge à une valeur suffisamment faible pour éviter l'établissement d'un régime d'arc, de sorte que la décharge est entrainée par le flux de gaz le long des électrodes dans le sens de l'écoulement et s'allonge progressivement jusqu'à disparaître, pour réapparaitre là où les distances entre les électrodes sont les plus faibles. Un tel procédé permet d'abaisser efficacement la concentration en solvants sans générer une forte élévation de température, ce qui se traduit - par une économie sur l'énergie électrique dépensée, - par une moindre usure des matériaux constituant les conduites et les électrodes et - par une économie sur les échangeurs éventuellement prévus en aval de la zone de réaction pour récupérer la chaleur des gaz traités, par échauffement des gaz admis dans la zone de décharge ; un tel traitement s'est révélé favorable du point de vue du rendement. On a constaté que ce procédé permettait de ramener la teneur en polluants au-dessous des limites légales actuelles, avec une dépense d'énergie beaucoup plus faible que lorsqu'on utilise une torche à plasma, ou d'autres solutions d'incinération. A titre d'exemple, on peut indiquer que l'on a réduit la teneur en xylole ou O-xylène de gaz d'extraction provenant d'étuves de peinture à une teneur inférieure à 50 ppm moyennant une dépense en énergie électrique inférieure à 100 Wh/Nm3, alors que la teneur initiale était de 160 ppm, même sans utiliser d'échangeur thermique de récupération de la chaleur des gaz de sortie, et alors que la décharge à travers le courant gazeux soit provoquée par une alimentation en courant continu, hachée par le phénomène lui-même, ou en courant alternatif. L'invention propose également un dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé ci-dessus défini, comprenant - un réacteur constitué par un conduit de circulation comportant des électrodes dont les surfaces en regard présentent un écartement croissant dans le sens de l'écou- lement, - des moyens pour établir, entre les électrodes, une tension continue ou alternative de valeur de crête suffisante pour créer au moins une décharge entre les électrodes à l'emplacement où leurs surfaces sont les plus proches, et pour limiter l'intensité du courant de décharge, - des moyens de circulation de gaz permettant de faire passer le gaz chargé en polluants dans le conduit entre les électrodes, et éventuellement - des moyens d'échange de chaleur entre les gaz sortant du réacteur et les gaz admis. Dans une telle installation, les décharges se succèdent de façon pseudo-aléatoire sur les électrodes, dans les zones où celles-ci sont les plus rapprochées. Les décharges ont des caractéristiques qui varient dans un large domaine, ce qui évite le fonctionnement en régime unique qui serait de nature à détruire sélectivement certains seulement des polluants ou à laisser subsister les polluants contenus dans des veines de fluide non concernés par les décharges. Les moyens de circulation sont avantageusement constitués par la ventilation d'extraction, de sorte que la pression qui règne dans le conduit reste proche de la pression atmosphérique. Les électrodes peuvent être alimentées en courant continu ou en courant alternatif. Dans ce dernier cas, la fréquence peut notamment être du 50 ou 60 Hz. Le nombre d'électrodes est sélectionné en fonction du débit de gaz à traiter et de la géométrie de l'écoulement. Les électrodes peuvent être implantées (simultanément ou non) à différents niveaux du conduit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif et d'une variante, destinés l'un et l'autre au traitement des gaz de sortie de cabines ou d'étuves de peinture, comprenant une teneur en solvants (dont une fraction notable est constituée par le xylole C6H4 (CH3)2) de quelques centaines de ppm. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'une installation alimentée en courant unidirectionnel. - la figure 2 est un diagramme montrant la variation de la concentration résiduelle de polluant en fonction de l'énergie consommée - la figure 3 est un schéma d'installation comprenant un dispositif de dépollution de gaz extrait d'une cabine de peinture, ayant une ou plusieurs tuyères à trois électrodes fonctionnant en courant alternatif - la figure 4 est une vue schématique d'une tuyère, en coupe suivant le plan passant par le col - la figure 5 montre une disposition plus possible de plusieurs tuyères dans le dispositif de la figure 3 - les figures 6, 7 et 8 montrent schématiquement des installations constituant des variantes de celles de la figure 3. L'installation dont la constitution de principe est montrée en figure 1 comporte un réacteur 10 constitué par un tube à section tranversale aplatie, dans lequel un manchon 12 en matériau isolant, céramique par exemple, délimite une tuyère convergente-divergente de section rectangulaire. Deux électrodes 14, en acier par exemple, revètent les parois en regard du manchon 12 et sont reliées à des moyens d'alimentation électrique qui seront décrits plus loin. La tuyère est alimentée en gaz à dépolluer, provenant par exemple d'une étuve 16 de séchage de peinture. Le gaz pollué à traiter, constitué d'air humide contenant des vapeurs de solvant, traverse un échangeur thermique 18 destiné à le préchauffer légèrement par échange de chaleur avec le gaz qui sort du réacteur 10. Le gaz préchauffé est envoyé par un ventilateur 20 à l'entrée du réacteur 10. Pour un fonctionnement correct de la tuyère, la vitesse des gaz doit être au moins au centre des électrodes, supérieure à un minimum, souvent de l'ordre de 20 m/s. Lorsque le débit de gaz à traiter est trop faible pour arriver à cette valeur, il peut être, au centre de l'écoulement, complété soit par injection de gaz à traiter à forte vitesse juste en amont de la tuyère, à l'aide d'un injecteur 22 et de son alimentation en gaz 21, soit par recyclage d'une fraction des gaz chauds sortant du réacteur 10 ou de l'échangeur 18. Le ventilateur 20 est avantageusement entraîné par un moteur 24 à vitesse variable, permettant un réglage de la vitesse. Sur la conduite 26 de rejet des gaz traités à l'atmosphère peuvent être prévus un appareil de mesure de débit, tel qu'un Venturi 28, un appareil de mesure de la teneur résiduelle en polluants (à fonctionnement continu ou discontinu) et/ou une sonde thermométrique 30. Les moyens d'alimentation peuvent par exemple être constitués par des générateurs de courant continu montés en parallèle - un premier générateur 32, de faible puissance, destiné à fournir la haute tension d'amorçage, d'environ 5 à 10 kV lorsque la distance entre les électrodes 14 au col de la tuyère est d'environ 1 à 5 mm ; - un second générateur 34 destiné à fournir la puissance nécessaire au maintien de la décharge, une fois celle-ci amorcée et alors que la tension fournie par le générateur 32 s'est effondrée à la suite du passage d'un courant. Le second générateur 34 sera généralement à puissance et tension de sortie réglables, par exemple par un circuit de commande 35 dont les paramètres d'entrée sont constitués par la teneur résiduelle en solvants, la température de sortie et/ou le débit. A titre d'exemple, on peut indiquer que, pour un réacteur destiné à traiter un débit d'environ 100 Nm3/h de gaz contenant une teneur d'environ 200 ppm de polluants, il est avantageux d'utiliser un générateur 34 permettant de fournir un courant compris entre 5 ampères et 30 ampères, sous une tension comprise entre 200 et 500 volts (le courant variant en permanence au cours d'une même décharge). Le générateur 34 est protégé contre les courants de retour en haute tension par un élément à conduction unidirectionnelle capable de surporter la haute tension sans claquage, par exemple par une diode 36. L'expérience a montré que l'on peut réduire de 200 ppm à 50 ppm la teneur en xylole d'air avec une dépense d'énergie inférieure à 10 kW/h pour 100 Nm3 d'air pollué à la pression atmosphérique et à une température de l'ordre de 15 C. En augmentant la dépense en énergie jusqu a 12 kW/h, on peut ramener la teneur en xylole à 30 ppm. Le préchauffage de l'air améliore légèrement l'efficacité. La faible augmentation de température constatée au passage dans le réacteur montre que le mode d'action des décharges glissantes n'est pas thermique. Des essais à hygrométrie variable ont montré que l'humidité, lorsqu'elle reste conforme aux valeurs industrielles constatées, n'influence pas les performances, aussi longtemps que l'air ne contient pas des gouttelettes d'eau en quantité importante. Les générateurs peuvent avoir une constitution de nature classique, et par exemple utiliser des composants de redressement de courant à partir du secteur et de régulation de nature classique. On peut par exemple utiliser des alimentations résonnantes ou des alimentations à thyristors GTO. Dans tous les cas on obtient, grâce à la décharge, une combustion quasi-totale des solvants même dans le cas d'un mélange très pauvre. En augmentant la puissance dissipée sous forme électrique, on peut réduire encore la teneur résiduelle, et notamment adapter un réacteur donné à un renforcement possible des normes légales. La figure 2 montre, à titre d'exemple, la variation de la concentration résiduelle c en xylole, en fonction de l'énergie électrique spécifique consommée, pour deux températures d'entrée différentes. On constate une variation continue du taux de dépollution et en conséquence la possibilité de réduire à des valeurs très faibles la teneur résiduelle. Le dispositif de la variante de réalisation montré en figures 3 à 5 (où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro aff#ecté de l'indice a) se différencie notamment du précédent en ce qu'il comporte plusieurs réacteurs disposés en parallèle dans la veine d'air, ce qui permet un contact intime entre l'air pollué à traiter, provenant d'une étuve 16a, et les arcs glissants. Chaque réacteur lOa représenté comporte trois électrodes disposées à 1200 les unes des autres et alimentées par un générateur triphasé 38. Le dispositif peut être complété par un conduit de recyclage 40 muni d'une vanne de réglage de débit 42, permettant de ramener une partie du gaz dépollué dans l'étuve. Dans ce cas, le débit évacué par la conduite 26 peut être ajusté de façon à équilibrer simplement les apports d'air à l'étuve par les ouvertures d'entrée et de sortie des pièces peintes à étuver. Des apports peuvent être réduits par des rideaux d'air transversaux à la direction d'introduction et de sortie des pièces, de constitution classique. Le recyclage de l'air présente de nombreux avantages. Il améliore considérablement le bilan thermique puisque l'air recyclé s'est réchauffé dans les tuyères. Il y a réduction des quantités d'oxydes d'azote rejetées à l'atmosphère, étant donné que la teneur en oxydes d'azote de l'air présente un phénomène d'auto-limitation et qu'au surplus chaque réacteur tend à créer un plasma d'azote qui semble avoir un effet réducteur sur les oxydes NOx. Chaque réacteur de l'installation de la figure 3 peut être muni de son propre générateur 38, associé à une self en série de limitation de courant et à un régulateur de puissance. Il est cependant possible également de prévoir un générateur commun attaquant les divers réacteurs par l'intermédiaire de transformateurs de séparation et de limiteurs de courant. Par ailleurs, les réacteurs peuvent présenter des dispositions relatives différentes de la disposition annulaire montrée en figure 5. En particulier, il est possible de disposer une série de réacteurs sous forme d'une ou plusieurs rangées. L'installation montrée en figure 6 (où les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice b) comporte un dispositif dépolluant dont la sortie traverse un échangeur de chaleur 18b. Alors que dans le mode de réalisation de la figure 1, cet échangeur avait pour but de réchauffer l'air pollué admis au réacteur 10, dans le cas de la figure 6, l'air dépollué, porté à une température de 300 à 400 C, réchauffe un flux d'air de brassage de l'étuve 16b. Cet air de brassage est prélevé par une conduite 44, par exemple dans la partie médiane de la cuve et envoyé par un ventilateur 46 dans l'échangeur 18b. L'air de brassage réchauffé dans l'échangeur est réparti entre des gaines 48 de distribution interne placées en haut de l'étuve 16b, à proximité des parois longitudinales de cette étuve. L'échangeur air/air 18b peut être muni d'une chaîne de régulation thermique classique, dont les paramètres d'entrée sont la température de sortie des gaz dans la conduite 26 et/ou la température des gaz recyclés. L'air sortant de l'échangeur par la conduite 26, a une température qui sera généralement comprise entre 200 et 250 , peut servir au réchauffage d'un fluide caloporteur, par exemple pour le chauffage de locaux. L'installation de la figure 6 améliore considérablement le bilan thermique, du fait qu'une fraction importante de la chaleur apportée sous forme électrique et de celle dûe à la combustion des hydrocarbures polluants est récupérée. Ce bilan est d'autant meilleur que la dépollution est effectuée à une température très inférieure à celle requise dans les brûleurs traditionnels. La variante de réalisation montrée en figure 7 se différencie notamment de la précédente en ce que l'échangeur 18c est placé de façon à réchauffer les gaz envoyés au dispositif 10c et en ce que la totalité des gaz traités est recyclée vers les rampes 48c, exception faite d'un faible débit extrait par un ventilateur 50, équilibrant les apports d'air inévitables par les ouvertures 52 de passage des pièces. Pour éviter des fuites de gaz pollué vers l'atmosphère ambiante, le ventilateur 50 est prévu pour maintenir l'étuve sous une légère dépression. Le mode de réalisation de la figure 7 réduit dans de fortes proportions le débit d'air frais qui doit être injecté pour déconcentrer l'air de brassage. L'économie d'énergie est en conséquence encore accrue. Comme la température ne dépasse pas 4000C (alors que dans l'incinération thermique classique on atteint des valeurs de 750 à 800 C) on peut constituer les matériaux de construction dans des nuances d'acier peu onéreuses, alors que les brûleurs d'incinération thermique doivent être en matériaux nobles et ont des températures de sortie provoquant des pertes thermiques importantes par transmission à travers les parois. La figure 8 montre un exemple d'adaptation du dispositif suivant l'invention à une cabine de peinture dont l'air est chargé de solvants et de particules de peinture. L'air extrait de la cabine 54 à travers un laveur éliminant les particules solides est envoyé par un ventilateur 20d vers un dispositif d'absorption temporaire. Ce dispositif est constitué, dans le cas illustré sur la figure 8, par une roue thermique 56 pouvant avoir la constitution décrite dans l'article mentionné plus haut, contenant par exemple du charbon actif. L'air dépollué par traversée du charbon actif retourne à l'atmosphère, sans s'être échauffé, par une conduite 28d. Du fait de la rotation de la roue 56, le charbon actif chargé en solvants est amené sur un trajet de circulation d'air chaud (généralement à 500C environ) fourni par un ventilateur 58 d'aspiration à l'atmosphère. L'air sortant de la roue 56 contient une concentration importante de solvants, pouvant aller jusqu'à 5.000 ppm. L'air chargé traverse un dispositif 60 comportant un réacteur, ou plusieurs réacteurs en parallèle. Le gaz dépollué qui sort du dispositif 60 traverse un échangeur 62 de réchauffage de l'air sortant du ventilateur 58. Une partie de l'air dépollué sortant de l'échangeur 62 à température nettement supérieure à l'ambiante peut être prélevé et envoyé vers un second étage de récupération 64 muni d'un moto-ventilateur 66 et d'un échangeur 68, permettant de réchauffer l'air soufflé dans la cabine de peinture. Une telle installation, qui associe des moyens de concentration, telle qu'une roue thermique à charbon actif, et un réacteur à plasma de dépollution, permet de ramener la teneur en polluants de l'air extrait à un niveau faible avec une dépense d'énergie bien inférieure à celle nécessaire dans les installations antérieurement connues. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation. En particulier il est possible d'interposer, sur le trajet du gaz à dépolluer, deux réacteurs en cascade, le premier étant prévu pour dissiper une puissance beaucoup plus importante que le second. Une injection d'ammoniaque peut être prévue entre les deux réacteurs pour produire un plasma d'azote excité qui tend à réduire la teneur en oxydes d'azote. REVENDICATIONS 1. Procédé de réduction de la teneur en polluants constitués par des solvants combustibles dans des gaz extraits de cabines de peinture ou d'étuves de séchage de peinture, caractérisé en ce que - on fait passer un débit de gaz pollué par des solvants à détruire dans un espace délimité par un conduit et encadré par des électrodes présentant un écartement croissant dans le sens de l'écoulement du gaz ; et - on établit entre les électrodes une tension suffisante pour amorcer au moins une décharge électrique à l'emplacement où les électrodes sont les plus proches et on limite l'intensité du courant de décharge à une valeur suffisamment faible pour éviter l'établissement d'un régime d'arc, de façon que la décharge soit entraînée le long des électrodes dans le sens de Itécoulement et s'allonge progressivement jusqu'à disparaître, pour réapparaître là où la distance entre les électrodes est la plus faible. 2. Dispositif de réduction de la teneur d'un gaz en polluants constitués par des solvants combustibles, caractérisé en ce qu'il comprend - un réacteur constitué par un conduit de circulation comportant des électrodes dont les surfaces en regard présentent un écartement croissant dans le sens de l'écoulement, - des moyens pour établir, entre les électrodes et en fonction du nombre d'électrodes (14, 14a) des tensions continues ou alternatives de valeurs de crête suffisantes pour créer au moins une décharge entre les électrodes à l'emplacement où leurs surfaces sont les plus proches et pour limiter l'intensité du courant de décharge, et - des moyens (20-20d) de circulation de gaz permettant de faire passer le gaz chargé en polluants dans le conduit entre les électrodes. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par des moyens (18) d'échange de chaleur entre les gaz sortant du réacteur et les gaz admis. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de circulation (20) sont constitués par un dispositif d'extraction. 5. Dispositif selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que les électrodes sont alimentées en courant dont l'intensité est limitée de telle façon qu'elle ne permette pas l'établissement du régime d'arc. 6. Dispositif selon la revendication 2 de réduction de la teneur en solvants de gaz extraits de cabines de peinture ou d'étuve de séchage de peinture, caractérisé en ce que les moyens (20c) de circulation de gaz sont prévus pour recycler le gaz, dépollué par passage entre les électrodes, dans la cabine ou l'étuve. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par des moyens d'échange de chaleur (18c) entre le gaz chargé en polluants envoyé dans le conduit entre les électrodes et le gaz dépollué et sortant du réacteur, avant réintroduction de ce dernier dans la cabine ou l'étuve. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de circulation sont prévus pour évacuer à l'atmosphère une fraction des gaz dépollués équilibrant les entrées d'air dans la cabine ou l'étuve. 9. Dispositif selon la revendication 2 de réduction de la teneur en polluants de gaz extraits d'une cabine de peinture, caractérisé en ce que les moyens de circulation de gaz comprennent - d'une part un ventilateur (20d) d'extraction d'air chargé en solvants hors de la peinture et de circulation du dit gaz à travers des moyens (56) de retenue temporaire des solvants avant rejet à l'atmosphère, et - d'autre part un circuit de désorbtion comportant un ventilateur d'aspiration d'air atmosphérique, de passage de l'air sur les moyens de retenue temporaire et d'envoi d'air chargé en polluants à concentration accrue dans le conduit entre les électrodes.