Brevet FR2728483A1 — publié le 19960628

L'invention concerne un dispositif rotatif perfectionné de transfert pour des effluents gazeux, adapté à fonctionner comme échangeur de chaleur et comme épurateur à effet thermique et'ou catalytique. L'invention trouve des applications notamment dans les systèmes d'échange de chaleur ou adaptés à purifier de l'air chargé de substances telles que des composés organiques volatils (C.O.V), qui pouvent être oxydées et éliminées par incinération thermique ou catalytique. Par la demande de brevet 94/06.282 du demandeur, on connait un dispositif d'échange thermique et d'épuration par effet thermique etlou catalytique de gaz pollués tels que des C.O.V Il comporte une enveloppe ou cage, une couronne contenant une charge de matériaux solides particulaires choisis du fait qu'ils présentent une grande surface d'échange thermique (silice, granit ou matériaux plus légers tels que structures alvéolaires métalliques ou autres, ou encore nodules cryogéniques pour les températures négatives, etc) qui est disposée à l'intérieur de la cage dans toute sa profondeur. La couronne est divisée en plusieurs parties par un cloisonnement intérieur ou bien selon les cas, elle sert de support à un certain nombre de paniers.Des moyens moteurs sont utilisés pour animer la couronne et la cage d'un mouvement de rotation l'une relativement à l'autre autour d'un axe vertical (soit que la couronne tourne, la cage étant fixe, soit que la couronne au contraire est fixe et la cage tourne autour d'elle). Le dispositif antérieur comporte un conduit pour l'introduction d'effluents dans la cage et un conduit pour l'évacuation d'effluents hors de la cage. La couronne comporte un premier secteur pour faire communiquer à tout instant le conduit d'introduction avec la partie centrale de la cage, où s'effectue un premier transfert de chaleur entre les effluents et la charge dans la couronne. Par un deuxième secteur de la couronne, où s'effectue une deuxième transfert de chaleur entre des effluents et la charge dans la couronne, la partie centrale de la cage communique à tout instant avec le conduit d'évacuation. Ce dispositif antérieur peut être utilisé seulement comme échangeur de chaleur simple ou pour un emploi mixte d'échangeur de chaleur et d'incinérateur pour effluents pollués. Dans ce cas, le conduit d'introduction reçoit des effluents contenant des substances polluantes. Le premier secteur et le deuxième secteur communiquent directement l'un avec l'autre par l'intermédiaire de la partie centrale de la cage. Un réacteur thermique pourvu éventuellement d'un lit catalytique choisi pour provoquer une réaction exothermique en présence des substances polluantes, est disposé dans cette partie centrale pour brûler les substances polluantes dans les effluents canalisés par la première zone angulaire. Avec cet agencement, la couronne tourne entre deux parties fixes: le réacteur central et l'enveloppe. Pour empêcher les fuites par contournement du réacteur de la zone centrale, il est nécessaire de prévoir une double étanchéité annulaire. On l'obtient en imposant des tolérances serrées de forme et de concentricité ttant au stade de la fabrication qu'à celui du montage. Le dispositif perfectionné selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur thermique d'épuration pour brûler les substances polluantes mêlées aux effluents canalisés par par la première zone angulaire pourvu d'au moins un lit catalytique disposé contre la paroi intérieure de la couronne. Suivant un mode de réalisation préféré, on dispose dans la couronne une charge d'un matériau présentant une grande surface d'échange thermique ou masse thermique disposée à l'extérieur de ce lit catalytique. Avec cet agencement, les effluents pollués (éventuellement préchauffés dans un échangeur extérieur) après s'être réchauffés au contact de la masse thermique dans la partie extérieure du premier secteur angulaire de la couronne, sont épurés en traversant une première fois le lit catalytique annulaire tapissant la paroi intérieure de la couronne. Ils traversent une deuxième fois le lit de l'autre côté de la partie centrale, avant de céder une partie de la chaleur acquise par la réaction catalytique, à la masse thermique dans le deuxième secteur angulaire de la couronne avant leur évacuation. Les trois zones du dispositif précédent: enveloppe, couronne, réacteur central sont ici réduites à deux; enveloppe et couronne, du fait que le lit catalytique du réacteur est placé dans la couronne autour de la partie centrale. Cette disposition de la masse thermique et du catalyseur dans la partie tournante du dispositif permet de diminuer la masse et le volume de la couronne ce qui simplifier la conception; elle facilite le montage et abaisse les coûts de fabrication et de maintenance. Suivant un mode de réalisation, la couronne comporte un axe de rotation disposé verticalement, et des moyens d'entraînement en rotation sont disposés au-dessus de la cage. La couronne étant centrale, son axe de rotation peut être disposé suivant l'axe du dispositif. Deux paliers suffisent pour le maintenir et encaisser les efforts. Pour l'entraîner en rotation, on peut utiliser des moyens moteurs extérieurs suffisamment éloignés des zones les plus chaudes, et les installer sur le dessus du dispositif, ce qui permet de diminuer son encombrement en hauteur. L'épaisseur du lit catalytique est choisie suffisante pour que les gaz pollués soient épurés après leurs deux passages successifs au travers du lit catalytique, de part et d'autre de la partie centrale. Des moyens de chauffage tels qu'un brûleur peuvent être adjoints au réacteur pour élever si nécessaire la température régnant dans le réacteur. Cet adjonction est le plus souvent nécessaire au démarrage si les gaz pollués introduits ne sont pas assez chauds ou si le taux de C.O.V dans les gaz n'est pas suffisant à l'auto-entretien de la réaction exothermique dans le réacteur. Le dispositif comporte aussi des moyens pour éviter toute flux parasite entre les conduits d'amenée et d'évacuation par contournement de la couronne. Suivant un mode de réalisation préféré, la couronne est excentrée par rapport à la cage de façon à délimiter autour de la couronne une zone d'introduction des effluents pollués et une zone d'évacuation des effluents épurés, respectivement convergente et divergente relativement au sens de circulation des effluents, et communiquant entre elles par un espace étroit. De préférence, on choisit un excentrement suffisant de façon que la perte de charge créée par le passage étroit empêche toute fuite périphérique d'effluents pollués. Suivant un mode de réalisation, la couronne et de la cage comportent chacune une paroi terminale supérieure et inférieure, et des moyens pour créer des pertes de charge importantes entre les parois correspondantes supérieures et inférieures de la couronne et de la cage. Cette étanchéité haute et basse est facile à assurer au moyens de balais ou de bavettes par exemple, du fait que la température y est relativement basse. Le dispositif comporte de préférence des moyens pour injecter radialement un fluide de purge au travers d'un secteur angulaire intermédiaire, vers la partie centrale de réaction. De préférence également, le dispositif comporte des moyens pour injecter un fluide de régulation de la température régnant dans la partie centrale. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif perfectionné selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisation, en se référant à la Fig.1 qui montre schématiquement en coupe un mode de réalisation du dispositif, dans un usage mixte d'incinérateur de substances polluantes dans des effluents, et d'échangeur de chaleur. Le dispositif comporte (Fig.1) un tambour constitué d'une couronne 1 à axe vertical disposée à l'intérieur d'une enveloppe ou cage extérieure métallique 2, de forme cylindrique par exemple. Le diamètre de la cage ou enveloppe 2 est supérieur à celui de la couronne 1. Celle-ci est décentrée par rapport à la cage 2. De part et d'autre du plan diamétral contenant l'axe vertical 3 de la couronne, et suivant un secteur angulaire limité, la cage 2 comporte une portion de paroi latérale 4 sensiblement tangente à la paroi latérale de la couronne 5. L'espace intérieur de la cage autour de la couronne, 1 de part et d'autre de la portion de paroi 4 comporte ainsi deux zones arrondies de section variable Za et Zb. Elles communiquent respectivement avec un conduit 6 d'amenée des effluents gazeux à épurer, et un conduit 7 d'évacuation de ces mêmes effluents après épuration. La couronne 1 est pourvue d'un cloisonnement intérieur constitué de plaques radiales droites 8 régulièrement réparties. Un premier secteur angulaire A délimité par une ou plusieurs de ces plaques radiales 8, canalise les effluents à épurer introduits dans la zone convergente Za vers la zone centrale 11 de la couronne (flux Fe). Un deuxième secteur angulaire B fait communiquer la zone centrale 11 de la couronne avec la zone divergente Zb et avec le conduit d'évacuation 7 (flux Fs). La paroi intérieure de la couronne est tapissée tout autour dun lit catalytique annulaire 9 que les effluents doivent traverser pour gagner la zone centrale réactive. Ce lit catalytique 9 est constitué soit d'un lit de particules, soit de préférence d'un catalyseur en nid d'abeille, ce qui permet, toutes choses égales par ailleurs, d'en diminuer l'épaisseur et le volume, et surtout de diminuer la perte de charge qu'il engendre. Dans la partie de la couronne restante, extérieurement à ce lit catalytique, entre les plaques de cloisonnement 8, est répartie une masse active M constituée d'un matériau à grande surface d'échange thermique. II peut s'agir de billes en céramique ou métalliques, de tournures ou copeaux d'usinage, de garnissage en vrac ou structuré, d'une structure alvéolaire à alvéoles régulières ou irrégulières telles que des nids d'abeille, de matelas métalliques ou céramiques tricotés tissés ou aiguilletés etc. On utilise avantageusement une structure alvéolaire telle que celle décrite dans le brevet FR 2 564 037 du demandeur. Cette masse active peut aussi être constituée de cailloux. Pour faciliter la construction et le chargement, la couronne peut être agencée aussi pour servir de support à un certain nombre de paniers parallélépipédiques 10 séparés les uns des autres, comme représenté sur la Fig.1. Dans le plan diamétral contenant l'axe 3 de la couronne 1, I'étroitesse de l'espace restant entre elle et la cage 2 du fait de son excentrement et de l'avancée de paroi 4, crée un perte de charge suffisante pour empêcher les communications périphériques directes entre les deux espaces en amont et en aval Za et Zb, autrement qu'au travers de la zone centrale 11. Des joints ou bavettes 12 peuvent être éventuellement placés à la périphérie de la couronne où la température est relativement basse1 pour parfaire l'étanchéité. La couronne et la cage sont fermées à leurs parties inférieures et supérieures par des plaques planes 13. Entre les plaques correspondantes de la couronne et de la cage, plusieurs balais (non représentés) en appui simultané, empêchent les flux parasites de contournement entre les zones Za et Zb. Des moyens moteurs (non représentés) disposés au-dessus de la cage par exemple, sont couplés avec l'axe 3 de la couronne, pour l'entraîner en rotation par rapport à la cage 2. Le secteur angulaire intermédiaire Zc délimité par la portion de paroi 4 de la cage comporte de préférence un conduit 14 pour une injection d'air frais destinée à purger les effluents viciés au travers de la masse thermique la masse thermique et le catalyseur dans les quelques secteurs angulaires de la couronne passant devant elle, avant chaque inversion du sens du flux. La masse Bair de purge après traversée des secteurs purgés, se retrouve dans la zone centrale 11 où elle est entraînée avec le flux principal vers la zone Zb au travers de la couronne 1. Dans le secteur Zd opposé au secteur Zc, la cage comporte un autre conduit 15 pour une injection d'air frais destiné à réguler éventuellement la température de la réaction catalytique si elle s 'élève trop. La réaction qui a lieu dans la zone centrale, est exothermique et elle est réglée de façon à dégager suffisamment d'énergie pour compenser sensiblement la dissipation calorifique. Une proportion de 0,4 g de COV par m3 d'effluents suffit pour un fonctionnement autothermique. Un brûleur (non représenté) alimenté en gaz naturel ou en GPL, est disposé au-dessus de la zone centrale 11 par exemple, sa flamme pénétrant directement dans la zone centrale. On l'utilise pour chauffer au démarrage si nécessaire les effluents entrants, de façon à atteindre un point de fonctionnement auto-thermique, ou éventuellement pour faire un appoint thermique dans le cas où la teneur en composés polluants COV est insuffisante pour obtenir un fonctionnement autothermique. Après leur double passage au travers du lit catalytique, de part et d'autre de la zone centrale 11, les composés polluants (COV) se trouvent transformés par la réaction en produits de combustion divers : C02, H20, N2 principalement, SOx et NOx à l'état de traces. Les gaz à température élevée issus de la zone réactive traversent la partie de la charge M située dans la zone angulaire B de la couronne et lui cèdent une bonne partie de leurs calories. La rotation de la couronne 1 relativement à la cage 2, amène progressivement les éléments chauffés vers la zone angulaire A où ils peuvent céder à leur tour aux gaz entrants par le conduit d'amenée 6, une partie de l'énergie calorifique accumulée. L'agencement du mode de réalisation qui vient d'être décrit, avec sa couronne tournante à lit catalytique et charge thermique disposée concentriquement permet, par rapport aux modes de réalisation antérieurs, une diminution du volume global entre 8% et 27% et du poids de matière entre 6% et 32%, selon le débit horaire d'effluents traités (entre 3000 m3 et 130.000 m3). De même, toujours selon le débit horaire, le volume de catalyseur qu'il est possible de charger peut augmenter de 20 à 60%. Ces variations ont une influence considérable sur les coûts. REVENDICATIONS 1) Dispositif rotatif d'épuration catalytique d'effluents gazeux pollués, comportant une enveloppe ou cage (2), une couronne (1) disposée à l'intérieur de la cage contenant une masse, et des moyens moteurs pour animer la couronne d'un mouvement de rotation relativement à la cage l'autre autour d'un axe vertical (3), au moins un conduit (6) pour l'introduction d'effluents dans la cage (2) et au moins un conduit (7) pour l'évacuation d'effluents hors de la cage, la couronne (1) comportant au moins une premier secteur (Za) pour faire communiquer à tout instant le conduit d'introduction (6) avec la partie centrale (11) de la cage (2), et au moins un deuxième secteur (Zb) de la couronne pour faire communiquer à tout instant la partie centrale (11) de la cage avec les circuits d'évacuation, caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur thermique d'épuration (R) pour brûler les substances polluantes mêlées aux effluents canalisés par la première zone angulaire comprenant au moins un lit catalytique (9) disposé contre la paroi intérieure de la couronne (1). 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une charge (M) d'un matériau présentant une grande surface d'échange thermique disposée dans la couronne (1) extérieurement au lit catalytique (9). 3) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le réacteur thermique (R) contient des moyens de préchauffage des effluents. 4) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour élever la température régnant dans le réacteur thermique (R). 5) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens pour élever la température comportent un brûleur extérieur communiquant avec la zone centrale (11) de la couronne (1). 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne est divisée en plusieurs zones angulaires par un cloisonnement intérieur (8). 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne comporte une pluralité de chambres parallélépipédiques (10) pour contenir la charge thermique (M). 8) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne (1) est excentrée à I'intérieur de la cage (2), celle-ci délimitant autour de la couronne deux zones périphériques (Za, Zb) de section variables, et des moyens pour délimiter des zones intermédiaires à perte de charge élevée pour empêcher les flux parasites de contournement du réacteur thermique (R). 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne et la cage comportent chacune une paroi terminale supérieure et une paroi terminale inférieure, et des éléments d'étanchéité disposés entre les parois correspondantes. 10) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection dans une zone intermédiaire entre les zones d'introduction et d'évacuation (Za, Zb) d'un flux de gaz de purge. 11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection dans une zone intermédiaire entre les zones d'introduction et d'évacuation (Za, Zb) d'un flux de gaz frais de régulation de température. 12) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'axe (3) de la couronne (1) est vertical et couplé avec des moyens moteurs disposés au-dessus de la cage. 13) Procédé d'épuration en continu d'effluents gazeux chargés de substances polluantes par incinération catalytique, caractérisé en ce qu'il comporte: I'établissement d'une circulation permanente d'effluents à épurer d'une part entre des conduits (6) d'amenée et des conduits (7) d'évacuation au travers d'une couronne tournante (1) pourvue d'un cloisonnement intérieur (8) et contenant au moins un lit catalytique annulaire disposé contre sa paroi intérieure de façon que les effluents traversent deux fois le lit catalytique, de part et d'autre de la zone centrale de la couronne. 14) Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, la couronne (1) contenant une masse (M) d'un matériau possédant une grande surface d'échange thermique, un réchauffement des effluents par la masse (M) avant leur double traversée du lit catalytique, dans une première zone d'échange thermique (Za) et un réchauffement de la masse thermique dans une deuxième zone d'échange thermique au contact des effluents après leur double traversée du lit catalytique (9).