Brevet FR2756753A1 — publié le 19980612

L'invention concerne un dispositif rotatif perfectionné d'épuration catalytique d'effluents gazeux. 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 peuvent être oxydées et éliminées par incinération thermique ou catalytique. Par le brevet FR-A- 2.720.488, on connaît un dispositif d'échange thermique et d'épuration par effet thermique et/ou catalytique de gaz pollués tels que des C.O.V. Il comporte une enveloppe ou cage, un conduit d'introduction des effluents pollués dans la cage, un autre pour l'évacuation des effluents traités hors de la cage, une couronne contenant une charge inerte de matériaux solides particulaires présentant 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. La couronne peut être divisée en plusieurs parties par un cloisonnement intérieur ou bien selon les cas, servir 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). Dans un premier secteur angulaire de la couronne, s'effectue un premier transfert de chaleur entre les effluents et la charge inerte. Par un deuxième secteur de la couronne, un deuxième transfert de chaleur s'effectue entre des effluents et la charge dans la couronne. Un réacteur thermique pourvu éventuellement d'un lit catalytique, est disposé dans cette partie centrale pour brûler les substances polluantes dans les effluents canalisés par la première zone angulaire. Par le brevet FR-A-2.728.483, on connaît un dispositif d'épuration catalytique d'effluents pollués par des COV comportant, à l'intérieur d'une cage fixe, une couronne tournante d'axe vertical comprenant un lit catalytique annulaire tapissant sa paroi intérieure et une charge annulaire extérieure au lit catalytique, d'un matériau présentant une grande surface d'échange thermique. Les effluents traversent deux fois le lit catalytique de part et d'autre de la zone centrale. Un brûleur est disposé au-dessus de la zone centrale de réaction et il est raccordé par l'intermédiaire d'un. joint tournant, avec un conduit d'injection de carburant. Il est utilisé pour chauffer au les effluents entrants, de façon à atteindre un point de fonctionnement auto-thermique, ou éventuellement pour faire un appoint thermique dans le cas o la teneur en composés polluants COV est insuffisante pour l'obtenir. Le dispositif d'épuration catalytique d'effluents gazeux, selon l'invention comporte une enveloppe ou cage. une couronne d'axe vertical disposée à l'intérieur de la cage contenant une charge thermique de matériaux présentant une grande surface d'échange thermique, et des moyens moteurs pour animer la couronne d'un mouvement de rotation relativement à la cage, un réacteur à lit catalytique disposé dans la partie centrale du dispositif pour purifier les effluents, au moins un conduit pour l'introduction d'effluents dans la cage et au moins un conduit pour l'évacuation d'effluents hors de la cage, la couronne comportant au moins une premier secteur pour faire communiquer à tout instant le conduit d'introduction avec la partie centrale de la cage, et au moins un deuxième secteur de la couronne pour faire communiquer à tout instant la partie centrale de la cage avec les circuits d'évacuation. Le dispositif se distingue principalement en ce qu'il comporte des moyens de chauffage temporaire du lit catalytique (disposé de préférence dans la couronne contre une paroi intérieure de celle-ci) préalablement aux opérations d'épuration, le temps nécessaire pour l'amener à une température propre à l'amorçage d'une réaction d'épuration catalytique au contact des substances polluantes, et des moyens d'injection de fluides au sein des effluents introduits dans le dispositif, pour réguler la température régnant dans la zone centrale, durant les opérations d'épuration des effluents. Les moyens de chauffage du lit catalytique comportent par exemple des résistances électriques pouvant être connectées par intermittence à un réseau d'alimentation extérieur. Les moyens d'injection de fluides peuvent comporter par exemple un circuit d'injection associé au conduit d'amenée pour injecter un carburant dans les effluents à épurer et/ou un circuit d'injection associé également au conduit d'amenée, pour injecter un liquide ininflammable (de l'eau pulvérisée par exemple) dans les effluents à épurer. Suivant un mode de réalisation, le dispositif peut aussi comporter des moyens de filtration particulaire associés à la couronne, constitués par exemple d'une couche de filtration rapportée extérieurement à ladite couronne pour retenir les particules susceptibles de colmater la masse thermique et/ou le lit catalytique. Il peut s'agir d'un lit amovible de matériaux métalliques, céramiques, composites, plus généralement de matériaux tissés ou non tissés dont la densité est adaptée au pouvoir d'arrêt recherché. L'utilisation de ces moyens de chauffage pouvant être connectés par intermittence avant le début des opérations d'épuration proprement dites, rend inutile l'adjonction comme précédemment d'un brûleur projetant une flamme dans la zone centrale de la couronne, qu'il faut alimenter et commander par l'intermédiaire de connexions à joint tournant. L'étape préalable de chauffage peut être effectuée hors des périodes de fonctionnement normal du dispositif, la nuit ou les week-ends, et à moindre coût en profitant des tarifs d'heures " creuses ". La connexion avec le réseau électrique est simplifiée puisqu'elle n'est établie que lorsque la couronne est immobilisée. Les moyens de régulation de la température de fonctionnement étant des circuits d'injection de fluides (carburant et eau pulvérisée par exemple) associés au conduit d'amenée des effluents sont faciles à installer. L'agencement du dispositif est favorable à une diminution des coûts de fabrication et d'entretien et une simplification des moyens de sécurité à mettre en oeuvre. Le procédé selon l'invention mis en oeuvre au moyen du dispositif, permet l'épuration d'effluents gazeux chargés de substances polluantes par incinération catalytique. au moyen du dispositif précédent par exemple. Il est caractérisé en ce qu'il comporte successivement une phase préalable de chauffage du lit catalytique par connexion temporaire à des moyens extérieurs au dispositif et une phase de fonctionnement avec établissement d'une circulation permanente d'effluents à épurer, une mise en rotation de la couronne relativement à la cage et une régulation thermique de la réaction catalytique par injection contrôlée de carburant et d'un liquide ininflammable au sein des effluents introduits dans le dispositif. 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. Le dispositif 1 comporte (Fig. l) 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 par exemple 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 I 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 I est pourvue d'un cloisonnement intérieur constitué de plaques radiales ou secteurs angulaires 8 régulièrement répartis. 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 I I de la couronne (flux Fe). Un deuxième secteur angulaire B fait communiquer la zone centrale 8 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 d'un lit catalytique. annulaire 9 constitué d'un lit de particules, ou éventuellement d'un catalyseur en nid d'abeille. Les effluents doivent traverser le lit catalytique une première fois pour gagner la zone centrale réactive et une deuxième fois pour la quitter et traverser la zone angulaire opposée avant leur évacuation vers l'extérieur. Des moyens de chauffage sont utilisés pour chauffer le lit catalytique 9. On utilise par exemple des résistances électriques R (Fig.2) disposées au sein du lit catalytique, sur tout le pourtour intérieur de la couronne 1, reliées à des moyens de connexion électrique (non représentés) que l'on peut raccorder au réseau électrique soit manuellement soit grâce à un robot de branchement d'un type connu. Dans la partie de la couronne 1 restante, extérieurement à ce lit catalytique 9 et entre les plaques de cloisonnement 8, est répartie une masse inerte M constituée d'un matériau à grande surface d'échange thermique. Il 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 telle qu'une structure en nids d'abeille, de matelas métalliques ou céramiques tricotés tissés ou aiguilletés etc. On peut utiliser par exemple une structure alvéolaire telle que décrite dans le brevet FR 2.564.037 du demandeur, ou encore être constituée de cailloux. Pour faciliter la construction et le chargement, la couronne peut être agencée aussi pour servir de support à un certain nombres de paniers parallélépipédiques 10 séparés les uns des autres, comme représenté sur la Fig. I. Suivant un mode préféré de réalisation, des moyens de filtration particulaire peuvent être ajoutés à l'extérieur de la couronne, de manière à arrêter les poussières et particules susceptible à la longue de colmater la masse thermique M et le lit catalytique 9. Ces moyens de filtration peuvent être constitués par une couche filtrante 1l 1 sous la forme par exemple d'un matelas préformé de 3 à 10 cm d'épaisseur, facilement amovible, de matériaux métalliques, céramiques ou composites, ou plus généralement d'un matériau tissé ou non tissé dont la densité est adaptée au pouvoir d'arrêt recherché. Cette couche de filtration, de par sa grande surface, participe à l'échange thermique. Dans le plan diamétral de symétrie contenant l'axe 3 de la couronne, l'étroitesse de l'espace restant entre elle et la cage 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 Zc. Des joints ou bavettes 12 peuvent être éventuellement placés à la périphérie de la couronne o la température est relativement basse, pour parfaire l'étanchéité. La couronne et la cage sont fermées à leur 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. Le secteur angulaire intermédiaire Zd délimité par la portion de paroi 4 de la cage, comporte de préférence une ouverture pour un conduit 14 d'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. L'air de purge apres traversée des secteurs purgés, se retrouve dans la zone centrale o il est entraîné avec le flux principal vers la zone Zb au travers de la couronne 1. Dans le secteur Ze opposé au secteur Zd. la cage comporte un autre conduit pour une injection d'air frais destiné à réguler si besoin est, la température de la réaction catalytique si elle s'élève trop. Le dispositif comporte également un moyen 16 d'injection d'un carburant tel que du GPL par exemple, ainsi qu'un moyen 17 d'injection d'un fluide de refroidissement tel que de l'eau pulvérisée par exemple pour compléter l'action de l'air injecté par le conduit 15. Fonctionnement Une première étape consiste à porter le lit catalytique 9 à une température suffisante (200 à 300 C par exemple) pour que la réaction d'oxydation en présence de COV puisse s'amorcer. On branche les moyens de connexion reliés aux résistances électriques R de chauffage du lit catalytique, à une source d'énergie extérieure, telle que le réseau électrique. L'opération s'effectue de préférence en dehors des heures normales de fonctionnement du dispositif en profitant des plages horaires à tarification réduite (la nuit par exemple). La température de réaction (de 300 C par exemple) ayant été atteinte, le dispositif est mis en marche avec mise en rotation de la couronne I et et établissement d'une circulation des effluents à l'intérieur de la cage 2. Les effluents traversent deux fois le lit catalytique 9, une première fois pour atteindre la zone centrale de la couronne I venant de la zone d'introduction Za, une deuxième fois pour atteindre la zone Zb d'évacuation. La réaction d'oxydation se déclenche spontanément en présence des particules de COV dans les effluents. Elle est exothermique et réglée de façon à dégager suffisamment d'énergie pour compenser sensiblement la dissipation calorifique. Selon l'efficacité thermique de la charge thermique M et la température opératoire, une proportion de 0,3 à I g de COV par m3 d'effluents suffit généralement pour un fonctionnement autothermique. Par le conduit 15, on peut injecter de l'air frais de façon à réguler clans un premier temps la température de la réaction catalytique si elle s'élève trop.Si cette injection s'avère insuffisante pour assurer la régulation thermique requise, on déclenche l'injection par le conduit 17, d'un liquide pulvérisé tel que de l'eau qui se mêle aux effluents à traiter. Les moyens 16, 17 d'injection de carburant et de fluide de refroidissement dans la conduite d'amenée 6, permettent de compenser les variations de température liées aux variations de la teneur en composés polluants (COV) des effluents. Si la teneur vient à diminuer, on commande une injection de carburant de façon à relever la température régnant dans la partie centrale de la cage 2. Si au la température de la zone réactive vient à s'élever, sous l'effet d'une augmentation de la teneur en COV. on commande une injection de fluide de refroidissement, (de l'eau pulvérisée par exemple) de façon à la ramener dans une plage de normale de fonctionnement. Après leur double passage au travers du lit catalytique, de part et d'autre de la zone centrale Zc, les 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 I relativement à la cage 2, amène progressivement les éléments chauffés vers la zone angulaire A o ils peuvent céder à leur tour aux gaz entrant 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 I à lit catalytique 9, ses moyens de chauffage R intégrés au lit catalytique 9 et ses moyens de régulation thermique par injection de fluides, permet de diminuer considérablement le coût de fabrication et de fonctionnement du dispositif. par rapport aux modes de réalisation antérieurs. Les moyens de chauffage R du lit catalytique étant débranchés avant la mise en route du dispositif, on évite ainsi les connecteurs tournants nécessaires autrement pour leur alimentation. Les moyens de régulation de température (injecteurs 16 de carburant, injecteur d'eau par exemple 17) sont simplement connectés au conduit d'amenée 6. Le réacteur catalytique est ici constitué d'un lit 9 placé dans la couronne tournante 1. On ne sortirait pas du cadre de l'invention toutefois en utilisant un réacteur catalytique disposé de façon générale dans la zone centrale Zc de la couronne, pourvu également de moyens de chauffage fonctionnant également durant des étapes de préchauffage préalables aux opérations d'épuration et débranchés avant la mise en fonction du dispositif. REVENDICATIONS 1) Dispositif rotatif d'épuration catalytique d'effluents gazeux chargés de substances polluantes telles que des COV, comportant une enveloppe ou cage (2). une couronne (1) d'axe vertical disposée à l'intérieur de la cage et contenant une charge thermique de matériaux présentant une grande surface d'échange thermique, et des moyens moteurs pour animer la couronne (1) d'un mouvement de rotation relativement à la cage (2), un réacteur à lit catalytique (9) disposé dans la partie centrale du dispositif pour purifier les effluents, 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 (I 1) de la cage (2), et au moins un deuxième secteur (Zb) de la couronne pour faire communiquer à tout instant la partie centrale (I 1) de la cage avec le circuits d'évacuation, caractérisé en ce qu'il comporte des éléments de chauffage temporaire du lit catalytique préalablement aux opérations d'épuration, le temps nécessaire pour l'amener à une température propre à l'amorçage d'une réaction d'oxydation au contact des substances polluantes, et des moyens (15, 16, 17) d'injection de fluides au sein des effluents introduits dans le dispositif, propres à réguler la température régnant dans la zone centrale, durant les opérations d'épuration des effluents. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments de chauffage du lit catalytique comporte des résistances électriques ( R) pouvant être connectées par intermittence à un réseau d'alimentation extérieur. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le lit catalytique (9) est disposé dans la couronne (1) contre une paroi intérieure de celle-ci, les éléments de chauffage ( R) étant disposés au sein du lit catalytique. 4) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection de fluides comportent un circuit d'injection (16) associé au conduit d'amenée (6) pour injecter un carburant dans les effluents à épurer. ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en les moyens d'injection de fluides comportent des moyens d'injection (17) associé au conduit d'amenée (6), pour injecter dans les effluents à épurer, un liquide ininflammable tel que de l'eau pulvérisée par exemple. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'injection de fluides comportent un circuit (15) d'injection dans une zone intermédiaire entre les zones d'introduction et d'évacuation (A, B), d'un flux de gaz frais de régulation de température. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne (1) est divisée en plusieurs zones angulaires par un cloisonnement intérieur (8). 8) 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). 9) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de filtration particulaire (11) disposés dans la couronne (1). ) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de filtration comporte une couche de filtration tapissant extérieurement la couronne, réalisée dans un matériau tissé ou non tissé de type métallique, céramique ou composite par exemple. 11) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne (1) est excentrée à l'intérieur de la cage (2), celle-ci délimitant autour de la couronne deux zones périphériques (A, B) 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 catalytique (9) 12) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couronne ( I) et la (2) comportent chacune une paroi terminale supérieure et une paroi terminale inférieure, et des éléments d'étanchéité disposés entre les parois correspondantes. 13) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (14) d'injection dans une zone intermédiaire entre les zones d'introduction et d'évacuation (Za, Zb) d'un flux de gaz de purge. 14) Procédé d'épuration en continu d'effluents gazeux chargés de substances polluantes par incinération catalytique, dans un dispositif comportant une cage (2), une couronne (1) d'axe vertical disposée à l'intérieur de la cage et contenant au moins une charge thermique (M) de matériaux présentant une grande surface d'échange thermique, des moyens moteurs pour animer la couronne (1) d'un mouvement de rotation relativement à la cage (2), un réacteur à lit catalytique (9) disposé dans la partie centrale du dispositif pour purifier les effluents, 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, caractérisé en ce qu'il comporte successivement une phase préalable de chauffage du réacteur à lit catalytique (9) par connexion temporaire à des moyens extérieurs au dispositif et, après déconnexion des moyens de chauffage, une phase de fonctionnement avec établissement d'une circulation permanente d'effluents à épurer, une mise en rotation de la couronne relativement à la cage et une régulation thermique de la réaction autotherme par injection contrôlée de carburant et d'au moins un fluide ininflammable au sein du dispositif.