Brevet FR2931709A1 — publié le 20091204

Dispositif de purification d'un flux de gaz chargé en particules solides L'invention concerne en général un dispositif de purification d'un flux de gaz chargé en particules solides. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif comprenant un cyclone, le cyclone comprenant une enveloppe délimitant un volume interne dans lequel le flux de gaz chargé s'écoule de manière tourbillonnaire, une entrée d'admission du flux de gaz chargé en particules solides à l'intérieur du volume interne, une sortie d'un flux de gaz épuré hors du volume interne, et une sortie d'un flux de particules solides séparées du flux de gaz chargé hors du volume interne. Un tel dispositif de purification est connu de l'état de la technique. Il permet de séparer les particules solides de diamètres supérieurs à 15 microns environ du flux de gaz. En revanche, les particules de tailles inférieures à 15 microns sont entraînées avec le flux de gaz épuré. Pour capter les particules des tailles inférieures à 15 microns, il est nécessaire de mettre en oeuvre des équipements de coûts et d'encombrements importants. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de purification qui permette de séparer des particules de tailles inférieures à 15 microns, sans augmenter l'encombrement du dispositif de purification. A cette fin, l'invention porte sur un dispositif de purification du type précité, caractérisé en ce que le dispositif de purification comprend un séparateur électrostatique disposé à l'intérieur du volume interne du cyclone. Le dispositif de purification peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possible : - le séparateur électrostatique comprend une électrode de décharge, une électrode de collecte, et un générateur de tension apte à maintenir une différence de potentiel entre les électrodes de décharge et de collecte, l'électrode de collecte étant une zone de l'enveloppe du cyclone ; - l'enveloppe du cyclone comprend au moins une partie tronconique d'axe central sensiblement vertical, la partie tronconique convergeant vers le bas jusqu'à la sortie du flux de particules solides, l'électrode de collecte comprenant au moins une zone de ladite partie tronconique de l'enveloppe ; - l'électrode de décharge s'étend selon l'axe central de la partie tronconique de l'enveloppe ; - l'électrode de décharge comprend une pluralité de plateaux conducteurs chacun relié électriquement au générateur de tension, les plateaux conducteurs étant perpendiculaires à l'axe central de la partie tronconique et répartis le long de l'axe central ; - les plateaux conducteurs présentent chacun une forme d'étoile centrée sur l'axe central ; - chaque plateau conducteur comprend une pluralité de branches s'étendant radialement à l'axe central, chaque plateau conducteur étant disposé dans une section de la partie tronconique de diamètre interne déterminé, les branches des plateaux conducteurs présentant des longueurs respectives croissantes avec les diamètres internes respectifs des sections occupés par les plateaux conducteurs ; - l'enveloppe du cyclone comprend au moins une partie cylindrique coaxiale à la partie tronconique, l'entrée d'admission du flux de gaz chargé en particules solides à l'intérieur du volume interne étant ménagée dans la partie cylindrique de l'enveloppe ; - l'entrée d'admission du flux de gaz chargé en particules solides à l'intérieur du volume interne est ménagée tangentiellement dans la partie cylindrique de l'enveloppe ; - la sortie du flux de gaz épuré est ménagée axialement dans la partie cylindrique de l'enveloppe. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif de purification conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue en perspective du dispositif de purification de la figure 1, la partie supérieure du dispositif et une moitié de l'enveloppe du cyclone étant arrachées en vue de laisser apparaître les organes internes du dispositif ; - la figure 3 est une vue en coupe axiale du dispositif de purification de la figure 1 ; et - la figure 4 est une vue en coupe d'une partie du cyclone, montrant la circulation des filets d'air depuis l'entrée jusqu'à la sortie du cyclone, le séparateur électrostatique n'étant pas représenté pour plus de clarté. Le dispositif de purification 1 représenté sur la figure 1 est destiné à purifier un flux de gaz chargé en particules solides. Il est par exemple destiné au traitement de l'air de ventilation d'un broyeur de bloc de matériaux minéraux, ou au traitement de l'air de ventilation d'installations de transport de matériaux minéraux finement divisé. Ces matériaux minéraux peuvent être par exemple du granit, du porphyre, du silex etc. Ainsi, les particules solides entraînées avec le flux de gaz peuvent être des particules d'un matériau minéral finement divisé. Ces particules peuvent également être des particules organiques, quand le dispositif de purification est par exemple utilisé dans l'installation de ventilation d'une installation de stockage ou de transport de matériau organique, par exemple des céréales. Le flux de gaz à traiter est chargé typiquement de particules solides de tailles variables. Les plus petites particules présentent une taille inférieure à 0.1 micron. Les plus grosses particules présentent des tailles supérieures à plusieurs dizaines de microns. Le dispositif de purification 1 est prévu pour séparer le flux 3 de gaz chargé en particules solides en un flux 5 de gaz épuré et un flux de particules solides 7 séparées du flux de gaz chargé en particules solides. Le dispositif de purification 1 comporte : - un cyclone 9 ; - un séparateur électrostatique 11 ; - un organe 13 de mise en circulation du flux de gaz. Comme le montre les figures 2 et 3, le cyclone 9 comprend une enveloppe 15 délimitant un volume interne 17 dans lequel le flux de gaz chargé 3 s'écoule de manière tourbillonnaire, une entrée 19 d'admission du flux de gaz chargé 3 à l'intérieur du volume interne, une sortie 21 du flux de gaz épuré hors du volume interne, une sortie 23 du flux de particules solides séparé du flux de gaz épuré, et un châssis 25 de support de l'enveloppe 15. L'enveloppe 15 est une enveloppe métallique, et comporte une partie supérieure sensiblement cylindrique 27 et une partie inférieure sensiblement tronconique 29. Les parties 27 et 29 sont coaxiales, et présentent un axe central commun C sensiblement vertical. La partie tronconique 29 converge vers le bas, jusqu'à la sortie 23. Vers le haut, la partie tronconique 29 est ouverte et raccordée à la partie cylindrique 27. Les parties 27 et 29 communiquent entre elles. La partie cylindrique 27 est fermée à l'opposé de la partie tronconique 29 par une paroi supérieure 31, sensiblement perpendiculaire à l'axe central vertical C. La partie cylindrique 27 est entièrement ouverte du côté de la partie tronconique 29. L'entrée 19 d'admission du flux de gaz chargé est réalisée dans la partie tronconique 27, et s'étend sensiblement tangentiellement par rapport à la partie 27. La sortie 21 du flux de gaz épuré comprend un manchon cylindrique 33, coaxial à l'axe C. Le manchon 33 traverse la paroi supérieure 31. Il présente, parallèlement à l'axe central C une hauteur par exemple sensiblement égale à la hauteur de la partie cylindrique 27. Il fait saillie vers l'extérieur de la partie cylindrique 27 sur une faible partie de sa hauteur. En revanche, il s'étend à l'intérieur de la partie cylindrique 27, sur la plus grande partie de la hauteur de la partie cylindrique 27. Le manchon 33 est ouvert à ces deux extrémités axiales. Il communique avec le volume interne 17 par son extrémité inférieure 35. Le châssis 25 comporte quatre pieds 37 répartis régulièrement autour de l'enveloppe 15. Chaque pied 37 est rigidement fixé par une extrémité supérieure à l'extérieur de la partie cylindrique 27 de l'enveloppe. Il repose sur le sol par son extrémité inférieure. Le séparateur électrostatique 11, comme visible sur les figures 2 et 3, comprend une électrode de décharge 39, une électrode de collecte 41 et un générateur de tension 43 apte à maintenir une différence de potentiel entre les électrodes de décharge et de collecte. La borne positive du générateur de tension 43 est raccordée à l'électrode de décharge. La borne négative du générateur de tension est raccordée à l'électrode de collecte. Le générateur de tension est apte à maintenir une différence de potentiel entre les deux électrodes de l'ordre de plusieurs milliers de voltes. Par exemple, le générateur de tension 43 maintien une différence de tension de l'ordre de 11000 volts entre les deux électrodes. L'électrode de collecte 41 comprend au moins une zone de la partie tronconique 29 de l'enveloppe du cyclone. Par exemple, l'électrode de collecte 41 est constituée de toute la partie tronconique 29. L'électrode de décharge 39 s'étend selon l'axe central C de la partie tronconique 29 de l'enveloppe. L'électrode de décharge 39 comprend une tige centrale 45 s'étendant selon l'axe central C, une pluralité de plateaux conducteurs 47, et des moyens pour raccorder électriquement chaque plateau conducteur au générateur de tension 43. La tige centrale 45 est par exemple une tige électriquement conductrice. Elle présente un tronçon inférieur 51 engagé dans la partie tronconique 29 de l'enveloppe. Son tronçon supérieur 53 est engagé à l'intérieur du manchon 33. Des entretoises 55 en un matériau électriquement isolant fixent rigidement le tronçon supérieur 53 de la tige au manchon 33. Le tronçon supérieur 53 est raccordé au générateur de tension 43 par l'intermédiaire d'un câble électriquement conducteur ou d'une tige électriquement conductrice 57. Le tronçon 51 de la tige s'étend sur environ deux tiers de la hauteur la partie tronconique 29. L'électrode de décharge comporte par exemple sept plateaux conducteurs 47. Chaque plateau présente la forme d'une étoile centrée sur l'axe central C et sur la tige 45. Les plateaux 47 s'étendent dans des plans respectifs parallèles entre eux et perpendiculaires à l'axe central C. Ils sont répartis axialement le long de l'axe central C. Ils sont régulièrement espacés les uns des autres le long de l'axe central C. Chaque plateau 47 comportent une pluralité de branches 59 s'étendant radialement à partir de la tige 45. Les branches 59 sont régulièrement réparties autour de la tige 45. Les branches 59 d'un même plateau sont de la même longueur. En revanche, plus le plateau est situé haut, plus la longueur des branches de ce plateau est grande. Ainsi, le plateau 47 situé le plus bas, c'est-à-dire dans une section de la partie tronconique 29 ayant le plus faible diamètre, présentera des branches courtes. Le plateau 47 situé immédiatement au-dessus, c'est-à-dire dans une section de la partie tronconique de diamètre un peu plus grand, présentera des branches 59 un peu plus longues, et ainsi de suite. Le plateau 47 situé le plus haut, c'est-à-dire dans une section de la partie tronconique présentant le diamètre le plus grand, présentera les branches les plus longues. Ainsi, les branches des plateaux présentent des longueurs respectives croissantes avec les diamètres des sections occupées par lesdits plateaux. L'organe de circulation 13 est par exemple un ventilateur. L'aspiration du ventilateur est raccordée au manchon 33. Plus précisément, l'aspiration du ventilateur est raccordée à la partie du manchon 33 faisant saillie hors de l'enveloppe 15. Le ventilateur présente par ailleurs une sortie de refoulement 61, visible sur la figure 1. Le ventilateur 13 est disposé au-dessus du cyclone 9, et est par exemple rigidement fixé à l'enveloppe 15. On va maintenant détailler le fonctionnement du dispositif de purification décrit ci-dessus. Le ventilateur 13 aspire le flux de gaz chargé 3 à traiter à l'intérieur de cyclone 9. Le flux de gaz 3 chargé de particules solides pénètre tangentiellement dans le volume interne 17 du cyclone et tourbillonne autour du manchon 33. Le flux de gaz, et les particules solides en suspension dans le gaz, circulent suivant un mouvement général en hélice autour du manchon 33 et vers le bas du cyclone, comme illustré sur la figure 4. Les filets de gaz forment ainsi un tourbillon descendant TD. Ils circulent initialement entre le manchon 33 et la partie cylindrique 27 de l'enveloppe externe. Puis, les filets de gaz pénètrent dans la partie tronconique 29, et sont progressivement repoussés vers le tourbillon ascendant TA qui s'étend selon l'axe central C du cyclone. Les filets d'air s'intègrent progressivement au tourbillon ascendant et sont entraînés vers le haut, puis pénètrent à l'intérieur du manchon 33, et sortent du cyclone 9. Ils pénètrent alors dans le ventilateur 13 avant d'être refoulés par la sortie 61. Ainsi, les filets de gaz forment d'abord un tourbillon descendant TD à la périphérie du cyclone, puis s'intègrent à un tourbillon ascendant TA occupant le centre du cyclone. Du fait de la forme cylindrique de la partie 27 de l'enveloppe 15, le flux de gaz chargé pénétrant dans l'enveloppe du cyclone acquière une vitesse de rotation autour de l'axe central C. De ce fait, les particules solides les plus lourdes contenues dans le flux de gaz chargé sont projetées contre l'enveloppe 15, d'abord dans la partie cylindrique 27, puis dans la partie tronconique 29. Les particules solides de petite taille contenues dans le flux de gaz chargé, notamment les particules solides de taille inférieure à 15 microns, ne sont pas suffisamment lourdes pour être projetées contre l'enveloppe par la force centrifuge résultant de la rotation des filets de gaz. En revanche, du fait de la différence de tension entre l'électrode de décharge 39 et l'électrode de collecte 41, les particules solides se chargent positivement. Il se produit en effet des décharges électrique entre les pointes des branches 59 et l'électrode de collecte 41, ces décharges, connues sous le nom de décharges Corona, ayant pour effet de charger électriquement les particules passant entre les deux électrodes. Les particules chargées positivement sont ensuite attirées par l'électrode de collecte 41, qui est elle-même chargée négativement. Sous l'effet de la force de Coulomb, les particules chargées viennent se coller contre la partie tronconique 29. On conçoit que la quasi-totalité des particules passent entre les plateaux 47 et la partie tronconique 29 de l'enveloppe jouant le rôle d'électrode de collecte. En effet, les particules sont entraînées par le flux gazeux d'abord vers le bas de la partie tronconique 29 puis s'intègrent dans le tourbillon ascendant. Les particules les plus grosses, projetées par effet centrifuge contre l'enveloppe 15 du cyclone, glissent sous l'effet de leurs propres poids le long de la partie cylindrique 27 et de la partie tronconique 29 jusqu'à la sortie 23 située en partie inférieure de la partie tronconique 29. Les particules les plus fines, en particulier celles qui sont de taille inférieure à 15 microns, sont attirées par la force de Coulomb jusqu'à l'enveloppe 15, et viennent au contact notamment de la partie tronconique 29. Elles sont entraînées par les particules les plus lourdes vers le bas jusqu'à la sortie 23. Le dispositif de purification décrit ci-dessus présente de multiples avantages. Du fait qu'il comporte un séparateur électrostatique disposé à l'intérieur du volume interne du cyclone, la séparation des particules solides est plus efficace, sans que l'encombrement du dispositif de purification soit augmenté. Notamment, il est possible de séparer du flux de gaz les particules de tailles inférieures à 15 microns. En fonction de la densité du matériau constituant les particules solides, en fonction de la taille du cyclone, en fonction du débit de gaz, il est possible de collecter les particules de tailles supérieures ou égales à 10 microns, voire même les particules de tailles supérieures ou égales à 5 microns, et même les particules de taille supérieure ou égale à 0, 1 micron. Le fait que l'électrode de collecte du séparateur électrostatique soit une zone de l'enveloppe du cyclone, permet de réaliser l'électrode de collecte de manière particulièrement simple et économique. De plus, du fait que les particules les plus lourdes séparées par la force centrifuge glissent vers le bas le long de l'enveloppe du cyclone jusqu'à la sortie du flux de particules solides, les fines particules attirées par la force de Coulomb jusqu'à l'électrode de collecte sont entraînées par les particules les plus lourdes jusqu'à la sortie du flux de particules. Ainsi, il n'est pas nécessaire de nettoyer périodiquement l'électrode de collecte, ou au moins la fréquence avec laquelle un tel nettoyage doit être effectué est diminuée. Il est particulièrement avantageux d'utiliser la partie tronconique de l'enveloppe du cyclone comme électrode de collecte, car pratiquement toutes les grosses particules séparées par la force centrifuge balayent la partie tronconique en glissant vers la sortie du flux de particules. L'efficacité du précipitateur électrostatique est bonne, car pratiquement toutes les particules solides traversent la partie tronconique au cours de leur circulation à l'intérieur du cyclone. En effet, comme expliqué ci-dessus ces particules sont d'abord entraînées dans un mouvement tourbillonnaire vers le bas à la périphérie de l'espace interne du cyclone, puis dans un mouvement tourbillonnaire vers le haut le long de l'axe central du cyclone. Les particules passent ainsi une au moins fois entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte. Le fait de répartir les plateaux selon l'axe central du cyclone permet de créer plusieurs zones où se produit l'effet Corona, une autour de chaque plateau, entre ledit plateau et la zone de l'enveloppe entourant le plateau. On augmente ainsi les chances que les particules se chargent électrostatiquement en passant entre les deux électrodes. La forme en étoile choisie pour les plateaux de l'électrode de décharge est bien adaptée à la forme de la partie tronconique 29 servant d'électrode de collecte. Le dispositif de purification peut présenter de multiples variantes. Ainsi, l'électrode de collecte peut ne pas être une zone de l'enveloppe du cyclone. L'électrode de collecte peut être rapportée à l'intérieur du cyclone. Par exemple, l'électrode de collecte peut être une pièce tronconique disposée à l'intérieure de la partie tronconique 29 de l'enveloppe du cyclone. L'électrode de collecte peut également être une pièce cylindrique disposée à l'intérieur de la partie tronconique de l'enveloppe, ou même disposée à l'intérieur de la partie cylindrique de l'enveloppe. L'électrode de collecte peut être une zone de la partie cylindrique de l'enveloppe et non pas de la partie tronconique. L'électrode de collecte peut comprendre une zone de la partie cylindrique et une zone de la partie tronconique. Dans ce cas, l'électrode de décharge comporte des plateaux disposés à l'intérieur de la partie cylindrique 27. L'électrode de décharge peut présenter une forme différente de celle qui a été décrite ci-dessus. Elle peut par exemple comporter plusieurs fils conducteurs s'étendant parallèlement à l'axe. Les plateaux en étoile peuvent également être remplacés par des grilles perpendiculaires à l'axe. La tige centrale axiale de l'électrode de décharge peut ne pas être réalisée dans un matériau électriquement conducteur. Dans ce cas, la tige ou le fil conducteur 57 chemine à l'intérieur de la tige 45 et est raccordé à chacun des plateaux 47. Le dispositif de purification peut ne pas comporter d'organe de circulation tel que le ventilateur 13. L'entrée du flux de gaz chargé en particules solides peut ne pas être tangentielle, et la sortie du flux de gaz purifié peut ne pas être axiale. Le dispositif de purification peut traiter un gaz qui n'est pas de l'air, par exemple un gaz inerte, ou tout autre gaz.5 REVENDICATIONS1. Dispositif de purification d'un flux (3) de gaz chargé en particules solides, le dispositif (1) comprenant un cyclone (9), le cyclone (9) comprenant une enveloppe (15) délimitant un volume interne (17) dans lequel le flux de gaz chargé (3) s'écoule de manière tourbillonnaire, une entrée (19) d'admission du flux de gaz chargé (3) à l'intérieur du volume interne (17), une sortie (21) d'un flux de gaz épuré (5) hors du volume interne (17), et une sortie (23) d'un flux (7) de particules solides séparées du flux de gaz chargé (3) hors du volume interne (17), caractérisé en ce que le dispositif de purification (1) comprend un séparateur électrostatique (11) disposé à l'intérieur du volume interne (17) du cyclone (9). 2. Dispositif de purification selon la revendication 1, caractérisé en ce que le séparateur électrostatique (11) comprend une électrode de décharge (39), une électrode de collecte (41), et un générateur de tension (43) apte à maintenir une différence de potentiel entre les électrodes de décharge et de collecte (39, 41), l'électrode de collecte (41) étant une zone de l'enveloppe (15) du cyclone (9). 3. Dispositif de purification selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enveloppe (15) du cyclone (9) comprend au moins une partie tronconique (29) d'axe central (C) sensiblement vertical, la partie tronconique (29) convergeant vers le bas jusqu'à la sortie (23) du flux de particules solides (7), l'électrode de collecte (41) comprenant au moins une zone de ladite partie tronconique (29) de l'enveloppe (15). 4. Dispositif de purification selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'électrode de décharge (39) s'étend selon l'axe central (C) de la partie tronconique (29) de l'enveloppe (15). 5. Dispositif de purification selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode de décharge (39) comprend une pluralité de plateaux (47) conducteurs chacun relié électriquement au générateur de tension (43), les plateaux conducteurs (47) étant perpendiculaires à l'axe central (C) de la partie tronconique (29) et répartis le long de l'axe central (C). 6. Dispositif de purification selon la revendication 5, caractérisé en ce que les plateaux conducteurs (47) présentent chacun une forme d'étoile centrée sur l'axe central (C). 7. Dispositif de purification selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque plateau conducteur (47) comprend une pluralité de branches s'étendant radialement à l'axe central (C), chaque plateau conducteur (47) étant disposé dans une section de la partie tronconique (29) de diamètre interne déterminé, les branches des plateaux conducteurs (47) présentant des longueurs respectives croissantes avec les diamètres internes respectifs des sections occupés par les plateaux conducteurs (47). 8. Dispositif de purification selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que l'enveloppe (15) du cyclone (9) comprend au moins une partie cylindrique (27) coaxiale à la partie tronconique (29), l'entrée (19) d'admission du flux (3) de gaz chargé en particules solides à l'intérieur du volume interne (17) étant ménagée dans la partie cylindrique (27) de l'enveloppe (15). 9. Dispositif de purification selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'entrée (19) d'admission du flux (3) de gaz chargé en particules solides à l'intérieur du volume interne (17) est ménagée tangentiellement dans la partie cylindrique (27) de l'enveloppe(15). 10. Dispositif de purification selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la sortie (21) du flux de gaz épuré (5) est ménagée axialement dans la partie cylindrique (27) de l'enveloppe (15).