Brevet FR2709980A1 — publié le 19950324

DESCRIPTION La présente invention concerne un dispositif d'élimination de suies présentes dans des effluents de combustion. Elle s'applique notamment dans le domaine du traitement et de la destruction par incinération de produits chimiques et plus particulièrement d'explosifs. La destruction de produits explosifs pose évidemment des problèmes de sécurité et de pyrotechnique, mais aussi des problèmes de pollution liés à la toxicité des produits de combustion, pour l'homme et l'environnement. Parmi ces produits de combustion, on peut citer des gaz acides tels que NOx, SO2, HCl, HF ou HCN, mais aussi des suies; par suies, on entend des substances carbonées résultant d'une combustion incomplète de produits organiques. De manière générale, la production de suies est due à une température de combustion faible de certains composés chimiques, matériaux et déchets combustibles, comme le benzène, le toluène, les nitrotoluènes, le caoutchouc. Des normes et réglementations en matière de protection de l'environnement entraînent de nombreux aménagements nouveaux et une évolution des dispositifs d'incinération en vue notamment de réduire les émissions d'oxyde d'azote et d'imbrûlés solides comme les suies. Des dispositifs ont été imaginés pour filtrer les effluents de combustion. Ils sont néanmoins loin d'apporter une solution au problème de pollution par les suies. Ces dispositifs permettent au mieux un 2 2709980 "déplacement de la pollution" dans la mesure o les suies et les produits de la filtration doivent être stockés dans des décharges spéciales ou incinérés une seconde fois. Une seconde voie explorée est celle de l'oxydation thermique des effluents des installations industrielles afin d'en soustraire les suies. Néanmoins, et malgré des recherches récentes cette seconde solution est dans de nombreux cas insuffisante. Une troisième alternative est la destruction des suies au moyen de décharges électriques. Cette solution, plus efficace, est décrite dans le document "Simultaneous removal of NOx, COx, SOx and soot in diesel engine exhaust de K. Fujii et al., Université de J. Baraki Japon, 21-25 septembre 1992). Un réacteur à plasma de décharges électriques est utilisé pour éliminer les suies. Malheureusement, le coût énergétique et les dimensions du dispositif mis en oeuvre sont disproportionnés et donc prohibitifs. Par ailleurs, des réacteurs à décharges électriques glissantes, moins coûteux en énergie et plus facilement intégrables ont été étudiés pour le traitement d'effluents toxiques en vue de détruire des composés volatils. Un tel réacteur est décrit par exemple dans le document FR-A-2 639 172 ou encore dans l'article de A. Czernichowski et al. "La chimie des plasmas pour la dépollution", paru dans "des cahiers de l'innovation", novembre 91. Un réacteur à décharges électriques glissantes comporte en général au moins deux électrodes divergentes disposées selon le flux du gaz à traiter. Lorsque le réacteur est parcouru par un gaz et les électrodes soumises à une différence de potentiel élevée, des décharges initiées entre les électrodes en 3 2709980 un point o la distance entre les électrodes est faible, sont "soufflées", et glissent vers les extrémités plus espacées des électrodes. Des arcs électriques produits par les décharges permettent de traiter le gaz. Le document FR-A-2 666 518 donne un exemple d'utilisation d'un réacteur à décharges glissantes dans le traitement de vapeurs de solvants. Malheureusement, les réacteurs à décharges électriques glissantes connus ne sont pas adaptés pour des effluents de combustion contenant des suies. Effectivement, lorsque les suies se déposent sur les électrodes, le glissement des arcs vers les extrémités des électrodes est entravé et le réacteur devient inopérant. En outre, un dépôt de suies dans la région o les électrodes sont faiblement distantes peut constituer un point d'accrochage pour les arcs électriques, ce qui occasionne une détérioration des électrodes. Un but de la présente invention est de fournir un dispositif d'élimination des suies remédiant aux inconvénients de l'art antérieur et permettant notamment un traitement efficace et à coût modéré des suies produites par la combustion de produits explosifs. Un autre but est aussi d'éliminer en même temps que les suies les composés toxiques gazeux produits par la combustion. A cet effet, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif d'élimination de suies présentes dans des effluents de combustion d'une enceinte de combustion pourvue d'une conduite d'admission de gaz comburant et d'une conduite d'échappement d'effluents, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réacteur à décharges électriques 4 2709980 glissantes relié à l'échappement et traversé par les effluents, et un système de contrôle d'au moins un paramètre choisi parmi le débit du gaz comburant et le débit et la température des effluents, en fonction des effluents à traiter. De manière tout à fait surprenante, un dispositif comportant un réacteur à décharges glissantes, utilisé dans des conditions particulières de température, de composition et de débit des effluents, permet de détruire efficacement les suies de la combustion. On entend par effluents de combustion un mélange de gaz extrait de l'enceinte de combustion et composé de gaz de combustion provenant des matériaux incinérés et de gaz comburant n'ayant pas réagi. Le débit des gaz dans l'enceinte de combustion influe sur nombre de paramètres cinétiques de la combustion. Aussi, selon une autre caractéristique de l'invention, le système de contrôle comporte des moyens de contrôle de la vitesse d'extraction et de la température des effluents provenant de l'enceinte de combustion, ainsi que de la proportion du mélange gaz comburant-gaz de combustion. Des moyens de contrôle de la vitesse d'admission du gaz comburant peuvent y être associés. Les moyens de contrôle, pris individuellement, mais bien plus encore en combinaison, permettent la mise au point de la température, du débit et de la composition des effluents de combustion, dirigés vers le réacteur à décharges glissantes. On peut utiliser dans l'invention n'importe quel type de réacteur à décharges glissantes, par exemple celui décrit dans le document FR-A-2 639 172. 2709980 Selon une variante, le dispositif peut comporter plusieurs réacteurs montés en série. Un dispositif expérimental comportant six réacteurs comprenant chacun trois électrodes disposées à 120 et alimentés par des transformateurs à haute tension de 10 kV, s'est avéré particulièrement avantageux. Particulièrement, les moyens de contrôle permettent de régler la proportion relative de gaz de combustion et de gaz comburant dans les effluents dirigés vers le réacteur à décharges glissantes. Un bon réglage des différents paramètres permet non seulement l'usage de réacteurs à décharges glissantes pour l'élimination des suies avec un rendement satisfaisant, mais en autorise l'utilisation en continu en évitant l'encrassement des électrodes. Conformément à d'autres caractéristiques de l'invention, les moyens de contrôle de la vitesse d'extraction comportent un extracteur à débit réglable monté en aval du réacteur à décharges. D'autres systèmes d'extraction contrôlée peuvent bien sûr être envisagés et en particulier, dans le cas d'un dispositif destiné à l'incinération de produits toujours identiques, une cheminée dont le tirage, fixe, mis au point pour le produit particulier une fois pour toutes, peut être une solution intéressante. Les moyens de contrôle de la vitesse d'admission du gaz comburant comportent une pompe à débit réglable montée en amont de l'admission. Là aussi, d'autres organes de contrôle tels que par exemple une vanne ou une buse à débit réglable peuvent selon le cas constituer les moyens de contrôle de la vitesse d'admission du comburant. 6 2709980 Les termes amont et aval s'entendent par rapport au sens d'écoulement des gaz. Les moyens de réglage de la température des gaz comportent une résistance de chauffage des effluents, montée sur la conduite d'échappement des effluents. Selon une autre caractéristique de l'invention, le système de contrôle comporte aussi des moyens de mesure de différents paramètres de la combustion. Ces moyens de mesure sont équipés d'une série de capteurs tels que par exemple des thermomètres, opacimètres, analyseurs de gaz permettant de rendre compte notamment de la température, de la composition et de la teneur en suie des effluents de combustion. De façon avantageuse, le dispositif comporte également des moyens d'asservissement aux moyens de mesure. ainsi, une unité de calcul permet par exemple de déterminer continûment les réglages des débits et températures du gaz d'admission, de l'extraction des effluents en fonction des mesures effectuées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif, en référence à la figure unique annexée qui est une vue schématique en coupe d'une unité d'incinération équipée d'un dispositif d'élimination de suies conforme à l'invention. L'unité d'incinération représentée sur figure comporte une enceinte de combustion 10 pourvue d'une conduite d'admission 12 de gaz comburant, qui en l'occurrence est l'air, et d'une conduite d'échappement 14 d'effluents. L'enceinte de combustion renferme un foyer 16 comprenant une grille 18 surélevée par rapport à la paroi inférieure 20 de l'enceinte. 7 2709980 Sur la grille sont disposés les matériaux à brûler. Un diffuseur 22 est placé sous la grille 18 du foyer 16 et relié à la conduite d'admission 12. L'enceinte de combustion est également pourvue d'une hotte 24 coiffant le foyer 16 et présentant en sa partie supérieure une sortie 26 des gaz effluents, reliée à la conduite d'échappement 14. Par ailleurs, un réacteur à décharges électriques glissantes 28 est relié à la conduite d'échappement 14 et traversé par les effluents provenant de l'enceinte de combustion 10. L'unité d'incinération comporte également un système de contrôle comportant un extracteur 30 des effluents, à débit réglable. L'extracteur 30 est monté en aval du réacteur à décharges glissantes 28 sur la conduite 14 et débouche dans l'atmosphère. Sur la conduite d'admission 12 de gaz comburant et en amont de l'enceinte de combustion 10, est montée une pompe 32 à débit réglable de manière à pouvoir ajuster le flux d'air dirigé vers le diffuseur 22. De plus, une résistance électrique 34 est prévue pour réchauffer les effluents circulant dans la conduite d'échappement 14 de manière à régler leur température. Des moyens de mesure sont disposés en différents sites sur le parcours des gaz pour vérifier des paramètres de la combustion, tels que la température, la quantité de fumée produite,... Dans l'enceinte de combustion 10, par exemple, est disposé un capteur thermique 36. De même, des dérivations 40, 42 disposées de part et d'autre du réacteur 28 sur la conduite d'échappement 14 sont reliées à un analyseur de gaz 44. Un opacimètre 38 est monté en aval du réacteur 28. 8 2709980 Une unité d'asservissement 46 recevant des informations de l'analyseur 44 et des capteurs 36, 38 et reliée à l'extracteur 30, à la pompe 32 et à la résistance 34 permet de contrôler le débit des effluents et/ou les débit et température du gaz comburant en fonction de la composition des effluents avant et après le réacteur. En outre, des aménagements sont prévus pour la sécurité de fonctionnement de l'incinérateur. Par exemple, la hotte est équipée de trappes 48 pouvant être soufflées en cas de surpressions accidentelles. Une enceinte merlonée 50, pourvue d'une chicane (non représentée) pour l'introduction des matériaux combustibles entoure également l'enceinte de combustion 10. Un système d'arrosage d'urgence (non représenté), actionnable à distance peut aussi être prévu. A titre d'exemple, on a traité dans l'installation ci-dessus, 2 kg de produits constitués de trinitrotoluène dans les conditions suivantes débit d'air: 100 m3/h, - température des effluents à l'entrée du réacteur à décharges glissantes 28: 300 C, - débit d'extraction: 250 m3/h, énergie électrique consommée: 0,5 kWh/kg, - durée totale de la combustion: 7 mn environ. On a ainsi obtenu en sortie du réacteur 28 un gaz contenant moins de 100 mg de suies/m3 dans les conditions normales et à 6% d'O2. Une installation à caractère industriel permettrait le traitement de quantités plus importantes. 9 2709980 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'élimination de suies présentes dans des effluents de combustion d'une enceinte de combustion (10), pourvue d'une conduite d'admission (12) de gaz comburant et d'une conduite d'échappement (14) d'effluents, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un réacteur à décharges électriques glissantes (28) relié à la conduite d'échappement (14) et traversé par les effluents et un système de contrôle d'au moins un paramètre choisi parmi le débit du gaz comburant, la température des effluents et le débit des effluents, en fonction des effluents à traiter. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système de contrôle comporte des moyens de contrôle de vitesse d'extraction des effluents de l'enceinte de combustion. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de contrôle comporte des moyens de contrôle de vitesse d'admission du gaz comburant. 4. Dispositif d'élimination de suies selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de contrôle comporte des moyens de contrôle de température des effluents. 5. Dispositif d'élimination des suies selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de la température comportent une résistance de chauffage (34) des effluents, montée sur la conduite d'échappement (14). 6. Dispositif d'élimination de suies selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de vitesse d'extraction des effluents comportent un extracteur (30) à débit réglable monté en aval du réacteur à décharges. 2709980 7. Dispositif d'élimination de suies selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les moyens de contrôle de vitesse d'admission du gaz comburant comportent une pompe à débit réglable (32) montée en amont de l'enceinte de combustion (10), sur le conduit d'admission (12). 8. Dispositif d'élimination des suies selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de contrôle comporte des moyens de mesure de paramètres de combustion. 9. Dispositif d'élimination selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'asservissement aux moyens de mesure d'au moins un des moyens de contrôle choisi parmi les moyens de contrôle de la vitesse d'extraction des effluents, les moyens de contrôle de la vitesse d'admission de gaz comburant et les moyens de contrôle de la température des effluents.