Brevet FR2937120A1 — publié le 20100416

DISPOSITIF DE DISPERSION DE GAZ SORTANT D'UNE CHEMINEE. L'invention est relative à un dispositif de dispersion de gaz sortant d'une cheminée, en particulier d'évacuation de fumées ou d'air vicié. Afin de favoriser la dispersion des gaz de combustion épurés, d'air vicié ou nauséabond, des cheminées sont prévues pour disperser les effluents gazeux à une certaine hauteur dans l'atmosphère. La hauteur des cheminées est variable selon la nature et la composition des gaz, la réglementation en vigueur et les résultats de l'étude de dispersion des polluants gazeux, particulaires et malodorants. to La dispersion et la dilution des gaz dans l'environnement est améliorée en augmentant la hauteur de cheminée. Par ailleurs, un régime de vents turbulents et soutenus a pour effet de mélanger les gaz avec l'air ambiant et de favoriser ainsi la dispersion des polluants. Les cheminées sont constituées d'un fût externe en virole métallique 15 soudée ou d'un fût externe en béton cylindrique ou de forme tronconique. Un ou plusieurs conduits internes peuvent être prévus ; ces conduits qui canalisent les gaz peuvent être soit métalliques, soit en résine synthétique, selon la nature et la température des gaz à évacuer. Selon sa hauteur, le nombre de conduits et les conditions de vent, la 20 cheminée peut atteindre un diamètre externe de plusieurs mètres. L'un des principaux paramètres qui affectent le coût d'une cheminée et de son infrastructure de génie civil est sa hauteur : en effet, la cheminée auto-stable et l'infrastructure doivent résister aux efforts dus aux vents les plus violents. 25 Si nécessaire, des traitements des gaz à évacuer sont prévus, pour que les effluents gazeux à la sortie de la cheminée respectent la réglementation au niveau des rejets de polluants en sortie de cheminée. En plus de cette réglementation concernant les effluents en sortie de cheminée, des exigences réglementaires existent concernant la concentration 30 maximale admissible de polluants au niveau du sol. Il peut ainsi arriver que des conditions atmosphériques défavorables entraînent une concentration de polluants ou d'odeurs au niveau du sol supérieure au seuil maximal admissible, alors que la réglementation est respectée au niveau des rejets en sortie de cheminée. C'est en particulier le cas 35 lorsque l'effet de dispersion des polluants, lié à la hauteur d'éjection des gaz dans l'atmosphère, est annihilé ou considérablement amoindri, par des courants d'air (vents) rabattants. La dispersion des gaz dans l'atmosphère a donc un impact au sol aussi important que la quantité des émissions produites à la source. Afin d'améliorer la dispersion des gaz dans l'air ambiant, divers artifices ont été proposés, mais qui ne donnent pas entière satisfaction car entraînant une forte surconsommation d'énergie avec, pour certains, un bruit important, et pour d'autres une augmentation du risque de condensation dans les conduits de cheminée. L'invention a pour but, surtout, de fournir un dispositif de dispersion ~o de gaz sortant d'une cheminée qui permet, dans des conditions atmosphériques défavorables, d'éviter un franchissement du seuil maximal admissible de concentration de polluants ou d'odeurs au niveau du sol, en limitant la consommation d'énergie nécessaire, sans imposer une augmentation coûteuse de la hauteur de cheminée. 15 Selon l'invention, un dispositif de dispersion de gaz sortant d'une cheminée est caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un injecteur de gaz auxiliaire, installé à proximité du débouché de la cheminée, et orienté de telle sorte que le jet de gaz auxiliaire soit dirigé vers le haut, rencontre le panache de gaz provenant de la cheminée, 20 et produise un effet d'induction vers le haut ; - et des moyens d'alimentation de l'injecteur en gaz auxiliaire sous pression. Le dispositif comprend généralement plusieurs injecteurs alimentés en gaz auxiliaire qui peuvent être disposés près du, ou dans le, débouché de la 25 cheminée, ou qui peuvent entourer ce débouché, en particulier selon un cercle. Le ou chaque injecteur est avantageusement monté de manière que son orientation soit réglable, en particulier pour limiter l'effet "Coanda" entre les flux, lorsque plusieurs conduits de cheminée sont voisins. Les injecteurs sont installés de préférence au-dessus, ou au niveau, 30 du débouché de la cheminée. Les dimensions et le nombre des injecteurs sont déterminés selon le débit gazeux de la cheminée et le taux de dispersion recherché. Chaque injecteur, installé sur une même rampe, peut avoir une géométrie et une inclinaison différentes qui lui est propre. Ainsi, la géométrie et l'orientation de chacun des 35 jets peut être différente individuellement. Avantageusement, la pression d'alimentation des injecteurs en gaz auxiliaire est fonction des conditions atmosphériques et des caractéristiques des gaz rejetés par la cheminée ; la pression peut être variable en fonctionnement pour s'adapter aux conditions climatiques. Dans le cas de plusieurs conduits de cheminée voisins à l'intérieur d'un même fût , au moins une rampe de distribution de gaz auxiliaire peut être prévue entre deux conduits de cheminée voisins, avec au moins un injecteur de gaz auxiliaire associé à chaque conduit, orienté pour améliorer la dispersion du panache de gaz sortant de ce conduit. Les moyens d'alimentation du ou des injecteurs peuvent être prévus pour fournir le gaz auxiliaire sous une pression variable de 100 à 1000 daPa. Les moyens d'alimentation des injecteurs comprennent, de ~o préférence, au moins un ventilateur situé au pied de la cheminée, et au moins une conduite de liaison entre la sortie du ventilateur et une rampe d'alimentation du ou des injecteurs. Les moyens d'alimentation de l'injecteur sont avantageusement réglables pour permettre de moduler la pression et le débit de gaz auxiliaire 1s envoyé aux injecteurs selon les conditions atmosphériques du moment, et les propriétés du panache de gaz, ou fumées, l'arrêt des moyens d'alimentation étant commandé lorsque la dispersion naturelle est suffisante. Le gaz auxiliaire injecté peut être de l'air ou du gaz prélevé sur le circuit principal des effluents gazeux à évacuer par la cheminée. 20 L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en un certain nombre d'autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'exemples de réalisation décrits avec référence aux dessins annexés, mais qui ne sont nullement limitatifs. Sur ces dessins : 25 Fig.1 est un schéma en élévation d'une cheminée et du panache de gaz évacués selon l'état de la technique. Fig.2 est un schéma en élévation, semblable à Fig.1, d'une cheminée équipée d'un dispositif de dispersion selon l'invention. Fig. 3 est une vue selon la ligne III-III de Fig.2, à plus grande échelle, 30 du dispositif de dispersion schématiquement représenté. Fig.4 est une vue à plus grande échelle suivant la ligne IV-IV de Fig.3 des injecteurs. Fig. 5 est un schéma en élévation d'une cheminée selon l'état de la technique avec deux conduits voisins dans un même fût. 35 Fig. 6 est un schéma, semblable à Fig. 5, d'une cheminée avec deux conduits équipée d'un dispositif de dispersion selon l'invention, et Fig. 7 est une vue schématique de dessus, à plus grande échelle, du dispositif de dispersion et de la cheminée de Fig. 6. En se reportant à Fig.1 des dessins, on peut voir schématiquement représentée une cheminée 1, selon l'état de la technique, pour la dispersion à une certaine hauteur dans l'atmosphère d'effluents gazeux qui sortent selon un cône d'éjection 2a, s'élargissant à partir du débouché 3 de la cheminée. Le cône d'éjection 2a forme la partie inférieure du panache de gaz sortant.. Les effluents gazeux à disperser peuvent provenir d'une usine (non représentée) de production thermique d'énergie, en particulier à partir de déchets, ou peuvent être constitués par de l'air vicié ou nauséabond d'usines de traitement d'eaux résiduaires, ou provenir de toute autre source. ~o Généralement, la cheminée a une hauteur de plusieurs dizaines de mètres, et peut atteindre ou dépasser 100 m. Selon un exemple correspondant au schéma de Fig. 1, la cheminée a une hauteur de 80 m, et la vitesse des effluents gazeux au débouché 3 est d'environ 20 m/s. La sortie des gaz au débouché 3 peut provoquer un effet 15 réduit d'induction de l'air environnant comme schématiquement illustré par des flèches Fa. La vitesse des gaz éjectés diminue progressivement et est de l'ordre de 12 m/s à une distance de 10 m de la sortie de la cheminée, et d'environ 6 m/s à une distance de 20 m de la sortie de la cheminée, qui correspond à la 20 section supérieure du cône 2a. Jusqu'à cette hauteur H2 les effluents gazeux restent essentiellement à l'intérieur du cône 2a. Au-delà de la hauteur H2, les effluents gazeux se dispersent selon une partie supérieure 4a du panache, schématiquement représentée sous une forme globalement ovale et dirigée vers le haut. Selon les conditions atmosphériques, notamment en présence de 25 vent schématisé par une flèche 5 dirigée de la gauche vers la droite sur Fig. 1, la partie supérieure 4a du panache est plus ou moins inclinée dans le sens du vent. Les installations, usines ou autres, sont prévues pour respecter la réglementation au niveau des rejets de polluants en sortie de la cheminée. 30 Des conditions atmosphériques, en particulier un vent rabattant, peuvent survenir ayant pour conséquence de rabattre le panache vers le sol S comme schématisé par le contour 6a. De telles conditions défavorables, provoquant un rabattement accentué du panache vers le sol, peuvent provoquer une concentration de polluants ou d'odeurs au niveau du sol 35 supérieure à un seuil maximal admissible. Pour éviter une telle situation, selon l'invention, comme illustré sur Fig. 2, un dispositif de dispersion de gaz D est installé à proximité du débouché 3 de la cheminée 1. Le dispositif D comporte au moins un et généralement plusieurs injecteurs 7.1, 7.2 de jets de gaz auxiliaire. Les injecteurs 7.1, 7.2 sont orientés de telle sorte que les jets de gaz auxiliaire soient dirigés vers le haut, rencontrent le panache de gaz 2 provenant de la cheminée 1 et produisent un effet d'induction élevé F en périphérie du cône d'éjection 2. s Des moyens E d'alimentation des injecteurs en gaz auxiliaire, sous une pression élevée d'environ 100 à 1000 daPa sont prévus. Ces moyens E peuvent comprendre un ventilateur 8, avec moteur d'entraînement, prévu au pied de la cheminée 1, dont la sortie est reliée par une conduite 9 à une rampe collectrice 10 prévue à proximité du débouché 3 de la cheminée pour distribuer 10 le gaz auxiliaire aux injecteurs. Chaque injecteur, comme illustré sur Fig. 4, comprend une tubulure cylindrique se terminant radialement vers l'extérieur par une buse tronconique 11. La section de la buse 11 se rétrécit jusqu'à l'extrémité de sortie ; la forme du jet conique 12 a un angle d'éjection externe d'environ 24 degrés. L'axe 12x du 15 jet est orienté vers le haut selon un angle a avec l'horizontale. Cet angle a peut être compris entre 30° et 60°, et est notamment d'environ 45°. Les injecteurs 7.1-7.2 communiquent avec la rampe d'alimentation 10. Les injecteurs sont situés généralement au-dessus, ou au niveau, du débouché 3. De préférence, les injecteurs sont montés de manière que leur 20 orientation soit réglable, c'est-à-dire de telle sorte que l'angle a puisse être modifié et ajusté. Le gaz auxiliaire peut être constitué par de l'air ou par une fraction d'effluents gazeux prélevée sur le circuit principal. Les injecteurs de gaz auxiliaire 7a, 7b peuvent être disposés suivant 25 un diamètre de la cheminée 1. Comme illustré schématiquement sur Fig. 3, la rampe collectrice 10 est alors orientée suivant un diamètre de la cheminée et, selon l'exemple illustré, neuf injecteurs représentés par des flèches sont distribués de part et d'autre de la rampe 10, orthogonalement à cette rampe. Les injecteurs 7.1, 7.2 répartis de chaque côté sont sensiblement symétriques 30 par rapport à un plan vertical passant par l'axe de la rampe 10 comme illustré sur Fig. 4. Selon une variante non représentée, les injecteurs 7.1, 7.2 peuvent être disposés autour du débouché 3 de la cheminée, en particulier suivant un cercle. 35 La conduite 9 d'alimentation en gaz auxiliaire (air ou effluent gazeux) peut être juxtaposée à l'extérieur de la cheminée comme illustré sur Fig. 2, ou être insérée dans cette cheminée (Fig.7). Le réglage de la pression du gaz auxiliaire fourni par le moto- ventilateur 8 est assuré par un variateur de vitesse ou tout autre moyen mécanique (inclineur, registre, etc.). Selon les conditions atmosphériques, notamment direction et intensité du vent, pression et température externe, la pression au niveau des injecteurs 7.1, 7.2 peut être ajustée. Le dispositif de dispersion D peut être arrêté lorsqu'il apparaît que la concentration de polluants ou d'odeurs au niveau du sol est nettement inférieure au seuil maximal admissible. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. La position des injecteurs 7.1, 7.2 à l'intérieur du panache produit ~o une forte induction d'air ambiant en périphérie du cône d'éjection, comme illustré par les flèches F. Cet effet d'induction favorise la dispersion du panache de gaz ou fumées par dilution rapide avec de l'air ambiant. Par ailleurs, l'induction vers le haut favorise l'ascension dynamique du panache lorsque les effets d'un courant de vent rabattant sont supérieurs aux effets dus à la 15 différence de densité entre les gaz sortants et l'air ambiant. II en résulte que le panache sera nettement moins rabattu que selon l'état de la technique, comme illustré par le contour 6 sur Fig. 2. Les jets produits par les injecteurs sont orientés de manière à éclater le panache 2, 4 de fumée ou d'air nauséabond. Leur orientation vers le haut 20 permet de soutenir le panache pendant les périodes de vent rabattant. Fig. 5 est un schéma en élévation d'une cheminée 1 b constituée d'un fût externe 1c, en virole métallique soudée ou en béton, de forme cylindrique ou tronconique. A l'intérieur de ce fût plusieurs conduits internes, à savoir deux conduits 1d1 et 1d2 dans l'exemple représenté, sont prévus pour canaliser les 25 effluents gazeux vers le débouché 3b. Ces conduits 1 dl, 1d2, peuvent être métalliques ou en résine synthétique selon la nature et la température des effluents gazeux. La proximité des conduits ldl, 1d2 a pour conséquence que les cônes d'éjection 2a1, 2a2 des effluents gazeux se réunissent selon l'effet "Coanda" pour produire un panache 4b important. La dispersion ne s'en trouve 30 pas favorisée, ce qui peut conduire plus facilement à une concentration inacceptable de polluants ou d'odeurs au niveau du sol lors de conditions atmosphériques défavorables. Selon l'invention, comme illustré sur Fig. 6 et 7, le dispositif de dispersion D est avantageusement installé entre les débouchés des conduits 35 1 d 1, 1d2, par exemple selon un diamètre du fût 1c. Les injecteurs 7.1 situés sur la gauche selon Fig. 6 produisent des jets qui rencontrent le cône d'éjection du conduit 1d1 situé sur la gauche, tandis que des injecteurs 7.2 situés sur la droite produisent des jets qui rencontrent le cône d'éjection du conduit 1d2. L'entraînement créé par les jets de gaz auxiliaires divergents provenant des injecteurs 7.1, 7.2 provoque une déviation des cônes d'éjection 4b1, 4b2 et leur écartement, ce qui limite l'effet "Coanda" et favorise la dispersion. Fig. 7 montre schématiquement en vue de dessus les deux conduits ldl, 1d2 disposés symétriquement par rapport à l'axe vertical du fût 1c, et la rampe 10 disposée suivant le diamètre orthogonal à la ligne des centres des conduits 1d1, 1d2. Les injecteurs 7.1, 7.2 sont distribués de part et d'autre de la rampe 10 orthogonalement à celle-ci. La conduite d'alimentation 9 est disposée à l'intérieur du fût 1c. L'utilisation du dispositif D de dispersion de gaz selon l'invention, installé en sortie de cheminée, permet d'augmenter sensiblement la dispersion des polluants ou de l'air malodorant. Dans certains cas, la présence d'un tel dispositif de dispersion permettra de construire des cheminées de hauteur réduite par rapport à la hauteur qui aurait été nécessaire en l'absence d'un tel 15 dispositif. La consommation d'énergie du dispositif D est faible par rapport à l'effet de dilution important avec l'air ambiant, l'énergie étant introduite au mieux dans l'ensemble du système pour obtenir l'effet de dispersion maximal. Pratiquement, on peut considérer que le débit de gaz auxiliaire délivré par les 20 injecteurs est de l'ordre du dixième (1/10) du débit d'effluents sortant de la cheminée. Le dispositif de dispersion D selon l'invention peut être facilement ajouté à une cheminée existante, sans modification notable, notamment lorsque le fût externe 1c contient plusieurs conduits séparés. 25 Un tel dispositif de dispersion D permet d'éviter des travaux importants s'il apparaît après construction d'une cheminée que les conditions atmosphériques, sur la base desquelles l'étude préalable et la réalisation de la cheminée ont été effectuées, ne correspondent pas exactement à la réalité et entraînent plus fréquemment que prévu un dépassement de la concentration 30 admissible au sol en polluants. L'invention peut s'appliquer à de nombreuses installations, notamment : - Dispersion des fumées produites par les chaufferies industrielles pour toutes énergies fossiles et biomasse, 35 - Dispersion des gaz de combustion émis par les usines d'incinération des déchets ménagers et spéciaux, - Dispersion des gaz d'échappements de moteurs diesel ou à biogaz, - Dispersion d'air vicié et malodorant de station d'épuration STEP, de compostage, de procédés divers, - Dispersion d'effluents gazeux sur centres d'enfouissement, - toute application de dispersion d'effluent gazeux qui serait associée à l'utilisation d'une éolienne.5 REVENDICATIONS1. Dispositif de dispersion de gaz sortant d'une cheminée, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins un injecteur (7.1, 7.2) de gaz auxiliaire, installé à proximité du débouché (3,3b) de la cheminée, et orienté de telle sorte que le jet de gaz auxiliaire soit dirigé vers le haut, rencontre le panache (2,4) de gaz provenant de la cheminée, et produise un effet d'induction vers le haut ; - et des moyens d'alimentation (E) de l'injecteur en gaz auxiliaire sous pression. Io 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs injecteurs (7.1, 7.2) alimentés en gaz auxiliaire disposés suivant un diamètre de la section du débouché (3) de la cheminée. 15 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs injecteurs (7.1, 7.2) qui entourent le débouché de la cheminée, en particulier selon un cercle. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le ou chaque injecteur (7.1, 7.2) est monté de manière que son orientation soit réglable. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les injecteurs (7.1, 7.2) sont installés au-dessus, ou au 25 niveau, du débouché (3,3b) de la cheminée. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pression d'alimentation des injecteurs (7.1, 7 .2) en gaz auxiliaire est fonction des conditions atmosphériques et des caractéristiques 30 des gaz rejetés par la cheminée. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour une cheminée avec plusieurs conduits voisins à l'intérieur d'un même fût, caractérisé en ce qu' au moins une rampe de distribution (10) de gaz auxiliaire 35 est prévue entre deux conduits (Id1, 1d2) de cheminée voisins, avec au moins un injecteur de gaz auxiliaire associé à chaque conduit, orienté pour améliorer la dispersion du panache de gaz sortant de ce conduit. 2937120 'o 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (E) du ou des injecteurs sont prévus pour fournir le gaz auxiliaire sous une pression variable de 100 à 1000 daPa . 5 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation (E) des injecteurs comprennent au moins un ventilateur (8) situé au pied de la cheminée, et au moins une conduite de liaison (9) entre la sortie du ventilateur et une rampe ~o d'alimentation (10) du ou des injecteurs. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce les moyens d'alimentation (E) du ou des injecteurs sont réglables pour permettre de moduler la pression et le débit de gaz auxiliaire envoyé aux injecteurs selon les 1s conditions atmosphériques du moment, et les propriétés du panache de gaz, l'arrêt des moyens d'alimentation étant commandé lorsque la dispersion naturelle est suffisante. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce que le gaz auxiliaire injecté est constitué par de l'air ou du gaz prélevé sur le circuit principal des effluents gazeux à évacuer par la cheminée. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la géométrie et l'orientation de chacun des jets est 25 différente individuellement.