Brevet FR2785551A1 — publié le 20000512

La présente invention concerne à la fois les améliorations apportées aux séparateurs de particules et à la séparation du sable à large distribution granulométrique issu d'un procédé de régénération thermique et présent dans un courant de gaz à haute température. Le brevet américain n 5.626.651 ainsi que la demande de brevet international W097/27928 (cf. également le brevet anglais 2.264.655 publié le 24 mai 1995) décrivent un certain nombre de formes de séparateurs de particules destinés à la séparation de particules entraînées dans un écoulement de gaz turbulent. Ces divulgations sont reprises ici à titre de référence. Dans la description qui suit, la présente invention sera expliquée dans le cadre de la séparation de particules de sable présentes dans un écoulement de gaz turbulent à haute température et présentant une distribution granulométrique comprise entre environ 1 micron (limite inférieure) et environ 100 microns (limite supérieure). Un tel gaz chargé de particules est un sousproduit obtenu dans le cadre de procédés de régénération de sable de fonderie. II est clair cependant que cette illustration de la présente invention relative à la séparation de particules solides contenues dans un écoulement de gaz turbulent n'est pas destinée à limiter le cadre plus vaste de la présente invention, 1'invention étant également applicable à la séparation d'autres particules solides en suspension dans un écoulement de gaz turbulent. On a découvert que les grains de sable d'une taille supérieure à environ 30 microns ont tendance à rebondir sur les plaques collectrices d'un dispositif de précipitation tel que décrit dans le brevet américain n 5. 626.651 ou dans le brevet européen correspondant EP-B 1-626 880 ; ceci réduit l'efficacité de leur élimination hors des courants de gaz. On a observé aussi que l'intensité du rebond des grains de sable sur les plaques collectrices et la perte d'efficacité qui en résulte augmentent avec la taille des grains. C'est pourquoi l'élimination de la fraction de sable constituée de grains de sable d'une taille supérieure à environ 30 microns nécessiterait la construction de dispositifs de précipitation ayant des plaques de très grande longueur dont le coût serait prohibitif en raison du très grand nombre de plaques collectrices requises. L'autre problème lié à la séparation de grains de sable de grande taille au moyen de dispositifs de précipitation à plaques réside dans la tendance de ces grains de sable à éroder les plaques collectrices, ce qui entraîne des dépenses injustifiées en vue du remplacement des plaques et l'interruption concomitante du processus d'élimination de la charge de sable présente dans le courant de gaz. L'objet de la présente invention est notamment de pallier les inconvénients précités en proposant un procédé et un ensemble de séparateurs de particules permettant d'éliminer les grains de sable d'une taille supérieure à environ 30 microns présents dans un courant de gaz avant leur entrée dans un dispositif de précipitation selon l'invention. Cet objectif est atteint en utilisant un moyen spécialement conçu pour la séparation efficace de particules telles que des grains de sable d'une taille supérieure à environ 30 microns présents dans un courant de gaz. L'objet de la présente invention est un procédé de séparation de particules solides à large distribution granulométrique présentes dans un courant de gaz turbulent, comprenant en premier lieu l'élimination des plus grosses particules dans une chambre de séparation avec une efficacité élevée, puis l'élimination, avec une efficacité élevée, des particules plus fines restantes dans un dispositif de précipitation à plaques. La présente invention peut ainsi, d'une part, etre définie comme un procédé de séparation de grains de sable à distribution granulométrique étendue, présents dans un courant de gaz turbulent, comportant en premier lieu l'élimination de la fraction de sable constituée de grains de sable de grande taille dans une chambre de séparation prévue à cet effet, puis l'élimination des grains de sable fins restants dans un dispositif de précipitation à plaques d'une longueur très inférieure à celle qui aurait été nécessaire pour une élimination efficace du sable si le courant de gaz avait été directement introduit dans un dispositif de précipitation à plaques. L'étape d'élimination des grains de sable de grande taille entraînés par le courant de gaz turbulent consiste à faire passer le courant dans la chambre de séparation afin de réduire la vitesse d'écoulement dudit courant de gaz et d'amener lesdites particules à se déposer sous l'action de la gravité sur une courte distance dans le courant de gaz, puis à heurter la paroi arrière de ladite chambre et à tomber le long de la paroi, sur laquelle le gaz présente un écoulement visqueux à très faible vitesse, jusque dans le fond de ladite chambre. L'invention vise en outre l'utilisation d'un tel procédé pour la séparation de grains de sable entraînés par un courant de gaz à haute température, ledit courant étant issu d'un procédé de régénération thermique de sable. L'invention vise encore une ensemble de séparation de particules solides à large distribution granulométrique présentes dans un courant de gaz turbulent qui comprend : (a) une chambre de séparation destinée à recevoir ledit courant de gaz turbulent à haute température et contenant lesdites particules entraînées, et à éliminer dudit courant la majorité desdites particules de plus grande taille, et (b) un dispositif de précipitation à plaques destiné à recevoir le courant issu de la chambre de séparation et à capturer les plus fines particules présentes dans le courant. La chambre de séparation peut comporter un conduit horizontal muni d'un orifice destiné à recevoir le courant et un autre conduit destiné à l'évacuation dudit courant, relié à une fente horizontale dans la paroi arrière de la chambre qui s'étend sur toute la largeur de la chambre et qui est située à l'extrémité supérieure de ladite chambre. La chambre de séparation comporte également des parties inférieures présentant un effilement progressif vers le bas, dans lesquelles les plus grandes particules sont recueillis après avoir été éliminées du courant de gaz. A partir de ladite chambre, le sable peut tre évacué dans des conteneurs. De façon plus précise, le dispositif de précipitation : -une entrée pour le courant de gaz reliée à la sortie de la chambre de séparation et une sortie pour le courant gazeux, -un logement muni d'une partie supérieure horizontale et d'un premier fond en forme d'auge présentant une pente ascendante relativement au sens de l'écoulement du courant de gaz, -une pluralité de plaques collectrices équidistantes, sensiblement de meme hauteur, coopérant avec ledit fond 7 en forme d'auge, -un passage d'écoulement des gaz délimité par les bords supérieurs des plaques, la partie supérieure du logement et les parois latérales du logement, -des moyens disposes au point le plus bas dudit fond en forme d'auge, à mi chemin entre deux plaques collectrices adjacentes, à travers lesquels les fines particules capturées par les plaques sont évacuées, -un second fond sensiblement parallèle audit fond en forme d'auge, sur lequel les fines particules évacuées par lesdits moyens tombent et glissent vers le bas, -au moins un orifice d'évacuation de poussières à l'extrémité inférieure dudit second fond, associé à un conduit relié audit orifice d'évacuation de poussières, -un canal d'évacuation de poussières entre les deux fonds du logement, -une cloison séparant le passage d'écoulement de gaz et le canal d'évacuation de poussières. L'ensemble de séparation selon l'invention peut par ailleurs comprendre un moyen d'aspiration du courant gazeux. Le dispositif de précipitation à plaques qui fait partie de la combinaison indiquée ci-avant peut avoir la forme de n'importe quel dispositif décrit dans les brevets cités ci-dessus et comporte, selon une forme préférée, des plaques de mme hauteur montées, avec une pente ascendante dans le sens de l'écoulement du courant de gaz, sur le fond d'un logement présentant une extrémité supérieure horizontale, ce qui donne une hauteur de passage décroissante pour le courant de gaz. Le fond présente la forme d'une auge et comporte en son point le plus bas des trous de faible diamètre à travers lesquels le sable fin est évacué vers un second fond sur lequel il glisse avant d'tre évacué à travers un orifice dans un conduit relié à un conteneur. L'activation périodique d'un vibrateur fixé à la surface extérieure du second fond participe à l'évacuation des fines poussières. La figure 1 représente la disposition globale de la combinaison comprenant une chambre de séparation et un dispositif de précipitation à plaques selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; et la figure 2 est une vue en coupe du dispositif de précipitation à plaques selon la coupe AA de la figure 1. Un dispositif de séparation est représenté dans la partie inférieure de la figure 1 et est constitué d'une chambre 1 munie de parties inférieures 2 présentant un effilement vers le bas, d'un conduit circulaire axial d'entrée du gaz 3 et d'une sortie 4 en forme de fente qui s'étend sur toute la largeur de la chambre 1 et qui est située à l'extrémité supérieure d'une paroi arrière 5 de la chambre 1. Selon ce mode de réalisation de l'invention, la hauteur de la sortie 4 en forme de fente est égale à la distance sur laquelle les grains de sable d'une taille de 30 microns se déposent durant le temps de séjour du gaz dans la chambre 1. Les particules de taille supérieure se déposent sur une plus grande hauteur et un grand nombre d'entre elles tombe dans les trémies 2 avant d'atteindre la paroi arrière 5. Cependant, la plupart des grains de sable d'une taille égale ou supérieure à 30 microns viennent se heurter sur la paroi arrière 5 de la chambre. La valeur de 30 microns n'est donnée ici qu'à titre indicatif. On a découvert de manière expérimentale qu'avec une faible vitesse d'écoulement du gaz, de l'ordre de 1 m/s, mise en oeuvre dans la chambre 1, les grains de sable ne rebondissent pas sur la paroi 5 après l'avoir heurtée, mais tombent le long de la paroi dans la trémie la plus proche de la sortie. L'expérience montre aussi que le sable qui tombe le long de la paroi 5 n'est pas repris et rë-entraînë par le gaz. La raison physique en est que, sur la paroi 5, le gaz présente seulement un écoulement visqueux dont la vitesse est très inférieure à la vitesse de dépôt des grains de sable. Le sable évacué dans les trémies 2 n'est lui non plus ni repris ni ré-entraîné car la vitesse de collecte des grains de sable est largement supérieure à 1 m/s. Un dispositif de séparation 20 est représenté dans la partie supérieure de la figure 1. Le dispositif 20 a été perfectionné par rapport aux dispositifs de précipitation décrits dans l'art antérieur et en particulier dans les brevets cités en tte de la description. Il comprend essentiellement un logement muni d'une extrémité supérieure horizontale 8 et de fonds 7 et 13 en pente. Des plaques collectrices verticales 6 présentant sensiblement la mme hauteur sont montées sur le fond en pente 7. L'entrée du gaz dans le dispositif de séparation 20 s'effectue par un orifice circulaire 10. La hauteur du passage 9 d'écoulement du gaz dans le dispositif de séparation diminue de l'entrée 10 vers la sortie 11. Les grains de sable fins en suspension dans le gaz qui entre dans le dispositif de précipitation 20 par l'entrée 10 sont entraînés par les fluctuations de la vitesse d'écoulement turbulent dans des espaces compris entre les plaques, où ils viennent heurter et se déposer sur les plaques 6. Ce phénomène a déjà été explicité dans l'art antérieur cité en tte de la description. Il a été découvert de manière expérimentale que l'efficacité d'élimination augmente lorsque la hauteur du passage d'écoulement 9 est décroissante relativement au sens de propagation du courant gazeux turbulent. Il a été observé que les particules les plus fines se déposaient sur les à proximité de la sortie du dispositif de précipitation. En outre après la formation d'une couche de fines poussières sur les plaques 6, on a observé que le dépôt se détachait de lui-mme sous l'action de la gravité. Les poussières tombent alors des plaques 6 sur le fond 7 en forme d'auge du dispositif de précipitation. La figure 2 montre un passage 9 divisé en quatre compartiments identiques. Ceci n'a rien d'obligatoire. La figure 2 montre que la forme des plaques 6 est adaptée à la forme en auge du fond 7. Par ailleurs le fond 7, deux plaques 6 et deux cloisons forment une cellule qui comporte, en son point central inférieur, un trou circulaire 12 de faible diamètre à travers lequel les poussières sont évacuées dans un compartiment 17 muni d'un fond 13. Lesdites poussières glissent le long du fond 13, aidées en cela par l'activation intermittente d'un vibrateur 14 fixé sur ledit fond 13. Les poussières pénètrent ensuite dans un conduit général d'évacuation de poussières 15 disposé au bas de la pente formée par les 2 fonds. Le compartiment d'évacuation de poussières 17 est séparé du passage d'écoulement de gaz 9 par la cloison 16. Les poussières peuvent enfin tre évacuées dans un conteneur (non représenté) relié au conduit d'évacuation 15. Conformément à l'invention, le gaz passe successivement à travers la combinaison constituée de la chambre de séparation 1 et du dispositif 20 de précipitation à plaques grâce à un moyen d'aspiration 18 disposé en aval de la sortie 11. L'évacuation et l'élimination du sable ou des poussières présents dans cette combinaison s'effectue en continu, sans interruption de l'écoulement gazeux et séparation de solides du gaz. A titre d'exemple de réalisation de cette invention, l'ensemble suivant peut tre cité : une chambre de séparation 1 et un dispositif de précipitation à plaques destinée au traitement d'un débit de gaz d'environ l l 000 Am3/h à une température comprise entre 500 et 700 C, dans lequel est entraîné du sable de fonderie, présente les dimensions suivantes : longueur de la chambre de séparation 1 : 4,5 m, hauteur (le fond effilé vers le bas exclu) : 1,6 m, : 1,8 m. La fente 4 de sortie du gaz présente une hauteur de 15 cm. 90 % en poids du sable ont été éliminés dans la chambre (1). La longueur du passage d'écoulement de gaz 9 du dispositif de précipitation à plaques est de 3,2 m, sa largeur de 1,8 m et sa hauteur est décroissante, de 1,5 m à l'entrée jusqu'à 7,6 cm à la sortie 11. La hauteur des plaques collectrices 6 est de 32 cm et les plaques sont espacées de 7,6 cm. Les trous 12 d'évacuation des poussières présentent un diamètre de 13 mm. L'efficacité d'élimination du sable thermique par la combinaison constituée de la chambre de séparation et du dispositif de précipitation à plaques était de l'ordre de 99,5 %. Le dispositif de précipitation à plaques seul peut éliminer seulement environ 70 % en poids du sable thermique, d'où la synergie entre la chambre de séparation et le dispositif de précipitation à plaques. La raison physique de cette synergie est que les grains de sable de grande taille sont éliminés de manière plus efficace dans la chambre de séparation 1, alors que les particules plus fines sont éliminées plus efficacement dans le dispositif de précipitation à plaques 20. Les performances de la chambre de séparation peuvent tre comparées à celles d'un séparateur horizontal à gravité conventionnel. Pour atteindre une efficacité d'élimination de 100 % des grains de sable d'un diamètre de 30 microns, un séparateur horizontal à gravité conventionnel de mme hauteur et de mme largeur que la chambre de séparation décrite dans l'exemple ci-dessus de la présente invention doit avoir une longueur d'environ 48 m, ce qui est 11 fois plus grand que la longueur de 4,5 m de la chambre de séparation de la présente invention. Si l'on décidait que la hauteur, la largeur et la longueur d'un séparateur horizontal à gravité conventionnel devaient avoir la mme valeur, on a calculé que ces trois dimensions s'élèveraient alors à 9,4 m. Les performances de la chambre de séparation peuvent également tre comparées à celles de séparateurs à inertie de conception complexe qui peuvent atteindre une efficacité d'élimination de 90 % des grains de sable de 30 microns, mais au prix d'une perte de charge très supérieure aux 180 Pa mesurés dans la chambre de séparation. Les collecteurs cyclones à haute performance peuvent presque atteindre 100 % d'efficacité d'élimination de grains de sable de 30 microns, mais également au prix d'une perte de charge largement supérieure à 180 Pa. L'efficacité totale d'élimination de sable thermique par la combinaison selon l'invention, de l'ordre de 99,5 %, n'est égalée par aucun autre séparateur mécanique connu. REVENDICATIONS 1) Procédé de séparation de particules solides à large distribution granulométrique présentes dans un courant de gaz turbulent, comprenant en premier lieu l'élimination des plus grosses particules dans une chambre de séparation (1) avec une efficacité élevée, puis l'élimination, avec une efficacité élevée, des particules plus fines restantes dans un dispositif de précipitation à plaques (20). 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'étape d'élimination des particules de grande taille entraînées par le courant de gaz turbulent consiste à faire passer ledit courant dans la chambre (1) en vue de réduire la vitesse d'écoulement dudit courant de gaz et d'amener lesdites particules à se déposer sous l'effet de la gravité sur une faible hauteur, puis à heurter la paroi arrière (5) de ladite chambre (1) et à tomber le long de la paroi dans la partie inférieure (2) de ladite chambre (1). 3) Utilisation du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la séparation de grains de sable entraînés par un courant de gaz à haute température, ledit courant étant issu d'un procédé de régénération thermique de sable. 4) Ensemble de séparation de particules solides à large distribution granulométrique et présentes dans un courant de gaz turbulent caractérisé ce qu'il comprend : (a) une chambre de séparation (1) destinée à recevoir ledit courant de gaz. turbulent à haute température et contenant lesdites particules solides en suspension, et à éliminer dudit courant la majorité des particules de plus grande taille, et (b) un dispositif de précipitation à plaques (20) qui reçoit ledit courant issu de la chambre de séparation (1), destiné à capturer les plus fines particules dudit courant. 5) Ensemble selon la revendication 4 caractérisé ce que ladite chambre (1) destinée à recevoir un courant de gaz turbulent contenant des particules entraînées, à séparer les plus grandes particules du courant de gaz et à évacuer le courant comportant la majorité desdites grandes particules éliminées dudit courant, : a) un conduit horizontal muni d'un orifice d'entrée (3) du courant et un autre conduit d'évacuation dudit courant qui est relié à une fente horizontale (4) aménagée dans la paroi arrière (5) de la chambre (1), qui s'étend sur toute la largeur de la chambre (1) et qui est située à l'extrémité supérieure de ladite chambre, et b) des parties inférieures (2) effilées vers le bas dans lesquelles les plus grandes particules sont recueillies après avoir été éliminées dudit courant de gaz. 6) Ensemble selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que ledit dispositif de précipitation (20) comprend : -une entrée (10) pour le courant de gaz reliée à la sortie (4) de la chambre de séparation (1) et une sortie (11) pour le courant gazeux, -un logement muni d'une partie supérieure horizontale (8) et d'un premier fond en forme d'auge (7) présentant une pente ascendante relativement au sens de l'écoulement du courant de gaz, -une pluralité de plaques collectrices (6) équidistantes, sensiblement de mme hauteur, coopérant avec ledit fond 7 en forme d'auge, -un passage (9) d'écoulement des gaz délimité par les bords supérieurs des plaques (6), la partie supérieure (8) du logement et les parois latérales du logement, -des moyens (12) disposés au point le plus bas dudit fond (7) en forme d'auge, à mi-chemin entre deux plaques collectrices adjacentes, à travers lesquels les fines particules capturées par les plaques (6) sont évacuées, -un second fond (13) sensiblement parallèle audit fond (7) en forme d'auge, sur lequel les fines particules évacuées par lesdits moyens (12) tombent et glissent vers le bas, -au moins un orifice d'évacuation de poussières à l'extrémité inférieure dudit second fond (13), associé à un conduit (15) relié audit orifice d'évacuation de poussières, -un canal d'évacuation (17) de poussières entre les deux fonds (7,13) du logement, -une cloison (16) séparant le passage (9) d'écoulement de gaz et le canal d'évacuation de poussières. 7) ensemble selon la revendication 6 caractérisé en ce que le dispositif (20) comprend en outre un moyen (18) d'aspiration du courant gazeux.