Brevet FR2947907A1 — publié le 20110114

SYSTEME ET PROCEDE D'ESSAI DE DISPOSITIFS A POUDRES La présente invention concerne un système et un procédé d'essai de dispositifs à poudres et en particulier un système d'essai avec confinement et traitement des gaz de combustion particulièrement adapté à des poudres propulsives. Les essais de poudres propulsives sont en effet le plus souvent réalisés à l'air libre, et de ce fait sont polluants pour l'environnement par les gaz et/ou effluent dégagés lors de ces essais. Néanmoins, il a été proposé de rendre ces essais moins polluants, en récupérant les gaz brulés dans un réservoir étanche, puis de traiter ces effluents. 10 C'est le cas de RU 2 267 023. Dans le domaine proche de la destruction des déchets pyrotechnique, on utilise aussi essentiellement des procédés de combustion. Les moyens adaptés pour ce faire sont des � fours �, mais qui sont souvent aussi des � chambres de détonation �, car il existe toujours un risque de détonation pour ce type 15 d'opération sur ces déchets. Ces fours sont alors des chambres de détonation blindées. Le document US 2 649 324 évoque les traitements qui sont alors nécessaires des effluents, mais également le problème des déflagrations ou des détonations, ainsi qu'une certaine volonté de valoriser des traitements de déchets 20 en récupérant l'énergie thermique dégagée lors du traitement. On voit donc que dans l'état connu de la technique, soit les opérations sont faites à l'air libre, ce qui rend la récupération et le traitement des effluents difficile voire impossible, soit les opération on lieu en milieu confiné ; on peut alors récupérer puis traiter les effluents, mais le volume de confinement est limité à quelques m3, ce qui n'est pas compatible avec des activités d'essais; en particulier d'essais sur de gros éléments où l'on a besoin d'un accès aisé à toutes les faces de cet élément. En outre, les procédés de traitement de dépollution connus ou envisagés sont des procédés de traitement en continu du flux de gaz de combustion produit. Ceci, compte tenu des très forts débits de gaz de combustion, par exemple dans le cas d'un essai de propulseur, nécessite un dimensionnement important de l'unité de traitement des gaz pour absorber le débit entrant donc un surdimensionnement, ce qui rend très difficile et couteux l'utilisation des procédés modernes catalytiques de traitement des oxydes d'azote. Au vu de cet état de l'art, la présente invention a pour objet de réaliser un système d'essai de dispositifs à poudre adapté à réaliser des essais sur des ensembles fonctionnels, en particulier de grand gabarit, et permettant un traitement différé des polluants générés par la combustion de poudres telles que des poudres propulsives de lanceurs ou missiles. La présente invention a donc pour objectif une installation de mise en oeuvre de propergols solides ou d'explosifs en mode combustion permettant d'assurer : - le confinement des rejets de combustion, - les conditions de sécurité en mode dégradé (explosion) du fonctionnement de l'installation, - un dimensionnement optimisé des installations de traitement des gaz, et, - un fonctionnement efficace des procédés de dépollution moderne. Afin d'optimiser l'unité de traitement des gaz, un des principes de l'invention consiste à séparer dans le temps les phases de génération des effluents et leur traitement, ce qui permet de s'affranchir des contraintes de débit. Plus précisément, la présente invention concerne un système d'essai de dispositifs à poudres telles que des propergols adaptée à réaliser des essais sur des sous ensembles de grands gabarits caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte de confinement pourvue de moyens adaptés à la rendre étanche et une unité de traitement de gaz, l'enceinte et l'unité de traitement des gaz étant reliées par des moyens d'amenée de gaz pilotables sous forme d'une fuite contrôlée en sorte d'extraire un débit calibré de gaz issus des essais de l'enceinte vers l'unité de traitement. Avantageusement, le système d'essai de l'invention comprend au niveau des moyens d'amenée une prise d'air atmosphérique et des moyens adaptés à mélanger lesdits gaz à un flux d'air à pression atmosphérique réalisant une dilution desdits gaz. Elle comprend préférablement des moyens d'asservissement des moyens d'amenée pilotables en fonction d'une mesure d'une concentration d'un gaz polluant de référence. Avantageusement, le système comprend des moyens d'apport d'air extérieur dans l'enceinte, ces moyens d'apport comprenant un mécanisme d'ouverture motorisé et commandé à distance adapté à compenser la pression de l'enceinte lors de l'extraction de gaz réalisée par l'unité de traitement des gaz, le système comportant en outre des moyens adaptés à asservir l'ouverture du mécanisme en fonction d'une consigne d'atteinte et de maintien de la pression atmosphérique dans l'enceinte de confinement. Selon un mode de réalisation particulier, le volume de l'enceinte est adapté, pour une masse de propergols solides de l'ordre de 1 à 100 kg, à limiter la surpression dans l'enceinte à quelques centaines de millibars, par exemple de 0 à 200 mbars. Selon un mode de réalisation préférentiel, le volume de l'enceinte en m3 est de l'ordre de cent à cent cinquante fois la masse en kg des poudres. Le système est avantageusement tel que l'enceinte de confinement est réalisée à partir d'un local en béton. Selon un mode de réalisation particulier, l'enceinte de confinement comprend une porte étanche munie de moyens soupapes de sécurité. Les moyens soupapes de sécurités sont préférablement constitués par une pluralité d'évents d'explosions assemblés sur un treillis métallique. Avantageusement le système comprend une ou plusieurs tôles d'acier côté 30 face interne du local qui obturent chacune des traversées de parois lors de la mise en pression de l'enceinte. L'unité de traitement du système comprend préférablement des moyens de dépollution des gaz adaptés à réaliser au moins l'un des traitements suivants: - une élimination d'acide chlorhydrique par injection d'un sorbant sec, - une récupération des poussières, - une élimination des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, - une élimination du monoxyde de carbone par oxydation catalytique. L'invention concerne en outre un procédé d'essai de dispositifs à poudres avec traitement des effluents rejetés par ces essais pour lequel: - on procède à un essai de combustion des poudres du dispositif avec confinement des rejets de combustion dans une enceinte d'un volume adapté à recevoir un surcroît de gaz avec une variation de pression réduite, l'enceinte de 10 confinement étant mise en surpression en cours d'essai, - on ramène l'enceinte de confinement à la pression atmosphérique par transfert de gaz vers une unité de traitement des gaz sans rejet à l'atmosphère avec un débit adapté aux performances de l'unité de traitement. Avantageusement, on combine une dilution des gaz dans une veine d'air au 15 transfert des gaz vers l'unité de traitement. Selon un mode de réalisation particulier du procédé, on finalise la dépollution de l'enceinte de confinement par un balayage d'air extérieur qui entraine les effluents résiduels vers l'unité de traitement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la 20 lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention accompagnée des dessins qui représentent: en figure 1 : une vue schématique d'un système selon l'invention comportant une enceinte et une unité de traitement en phase d'essai ; en figure 2 : le système de la figure 1 avec enceinte dans une phase de 25 dépollution avec chute de pression et transfert de gaz vers l'unité de traitement ; en figure 3 : le système de la figure 1 dans une phase de dépollution avec balayage d'air extérieur ; en figure 4 : une vue schématique de dessus d'une porte et d'une partie de l'enceinte la recevant. 30 L'invention prévoit notamment un système comportant une enceinte de confinement conçue pour résister aux conditions normales générées par des combustions de propergols ou autres produits combustibles et aussi aux circonstances accidentelles de type explosion. Cette enceinte est adaptée par exemple à recevoir par exemple un élément de satellite ou un élément de lanceur spatial de type impulseur. La figure 1 donne une vue schématique du système. Il comporte l'enceinte de confinement 1 recevant l'objet à tester, ici un 5 impulseur 2 de satellite avec sa tuyère d'éjection 3 et les gaz propulsifs émis 4, des conduits 5 et une unité de traitement 6. Les conduits 5 sont destinés à amener les gaz depuis l'enceinte vers l'unité de traitement dans laquelle l'opération de dépollution des gaz est réalisée. L'enceinte de confinement des gaz de l'invention comporte un volume 10 adapté à toute une gamme d'essais pyrotechniques avec impulseurs 3. Selon un exemple de réalisation, elle est constituée d'un local de près de 6 000 m3 acceptant jusqu'à 50 kg de propergol solide. Un local de l'ordre de cent à cent cinquante fois la masse en kg de poudres est ainsi une bonne mesure pour le système d'essais de l'invention. 15 Les opérateurs peuvent donc travailler dans l'enceinte de confinement pour mettre en place l'essai. Le volume disponible autorise des essais sur des sous-ensembles équipés d'objets pyrotechniques à l'échelle 1. L'exemple représente un satellite 2 avec la tuyère 3 de son impulseur. 20 Le volume de l'enceinte est adapté un confinement total des gaz avant le traitement de dépollution. Ceci permet de dé-corréler le dimensionnement de l'unité de traitement des gaz du fort débit observé sur un fonctionnement nominal d'impulseur et de dimensionner l'unité 6 de traitement des gaz sur une gamme de débit courante 25 dans l'ingénierie de traitement des gaz, Le système d'essai de l'invention permet ainsi de traiter, au-delà des rejets d'essais de combustion de propergol solide, les rejets d'autres essais énergétiques dégageant des gaz toxiques tels que les essais d'incendie sur des éprouvettes dont le gabarit excède les possibilités des dispositifs d'essais existant. 30 Selon l'exemple de réalisation de l'invention, l'enceinte de confinement 1 est un local de travail à structure béton, dimensionné à la fois pour tenir la charge statique, pression interne de fonctionnement nominal, et pour tenir les sollicitations accidentelles pouvant survenir. La structure est dimensionnée de façon connue en déformation élastique à la montée en pression issue de la combustion des propergols. La problématique de confinement concerne alors seulement les issues, accès et autres traversées de parois telles que la bouche d'extraction des gaz. Le confinement y est réalisé par ajout d'une tôle d'acier côté face interne du local qui obture chacune des traversées de parois lors de l'essai et de la mise en pression résultante. Cette tôle, dimensionnée en déformation élastique à la contrainte statique de l'essai, comporte sur sa périphérie un joint acceptant les conditions thermiques de l'essai. Du fait de son positionnement interne, chaque paroi est plaquée contre la structure lors de la mise en pression du local, créant ainsi les conditions d'étanchéité requises. Dans le mode de réalisation pour lequel l'enceinte est un bâtiment de génie civil, ce local comporte une structure résistante à des sollicitations dynamiques accidentelles supplémentaires à la sollicitation quasi statique du fonctionnement nominal et comporte au moins une surface capable de rompre lors de ces sollicitations accidentelles et de tenir la charge du fonctionnement nominal. Pour une exploitation en sécurité de l'installation, on prévoit ainsi une soupape de sécurité, qui permet de protéger l'enceinte en cas de surpression excédent les valeurs de dimensionnement. On dote pour ce faire l'enceinte d'une partie de paroi résistante à la pression nominale de confinement mais adaptée à ne pas résister aux sollicitations accidentelles à la manière d'un fusible. La solution proposée par l'invention consiste à utiliser la technologie des évents d'explosion, surfaces calibrées pour résister à une pression de travail définie et pour rompre à une pression accidentelle également précisément définie, qui offrent une surface utile maîtrisée pour libérer les gaz générés par une explosion. L'échelle maximale existante pour cette technologie est de l'ordre de 1 à 2 30 m2 pour un évent. L'ordre de grandeur de la surface formant fusible nécessaire à la tenue de la structure, pour éviter un dimensionnement prohibitif du génie civil, est de l'ordre de plusieurs dizaines de mètres carrés. La solution technique proposée par la présente invention consiste à constituer la surface nécessaire par l'assemblage d'autant d'évents élémentaires que nécessaires, plusieurs dizaines, sur un treillis métallique dimensionné en déformation élastique à la charge statique nominale d'un essai. Ce damier d'évents élémentaires, motorisé et coulissant, devient la porte d'accès 13 de l'enceinte de confinement. Un joint gonflable 14 résistant aux conditions thermiques de l'essai permet de réaliser l'étanchéité périphérique de la porte juste avant le tir. L'exemple de réalisation concerne une enceinte de confinement de structure béton armé offrant un volume intérieur de près de 6 000 m3 (20 m X 18 m X 16 m, murs d'environ 60 cm d'épaisseur). L'ensemble est dimensionné selon des normes, règlements et standards connus tels que : Unified Facilities Criteria (UFC) "UFC 3-340-02 - 5 December 2008. Structures to resist the effects of accidentai explosion". Les gaz de combustion 4 générés par les objets contenant des poudres propulsives sont confinés à l'intérieur de l'enceinte grâce à l'étanchéité de la structure et des ouvertures : l'enceinte est ainsi mise en surpression (Op Pour diminuer la pression dans l'enceinte et dans le circuit d'amenée des gaz à l'unité de traitement, on crée une boucle d'air propre. L'unité de traitement des gaz prélève de l'air extérieur 17 pour réaliser une veine d'air au débit nominal du procédé de traitement au moyen d'une entrée d'air 9. A l'aide d'une électrovanne 7 disposée sur la hotte d'extraction, on réalise par une ouverture partielle une fuite contrôlée de l'enceinte dans la veine d'air propre vers le traitement des gaz. Ainsi, il n'est pas créé de surpression préjudiciable dans l'unité de traitement des gaz. L'électrovanne forme un moyen adapté à mélanger les gaz à un flux d'air à pression atmosphérique réalisant une dilution des gaz. De plus, comme représenté en figure 2, on asservit l'ouverture de l'électrovanne au suivi de la concentration de rejet d'un polluant de référence au niveau de la sortie de l'unité de traitement ce qui permet de s'assure que le débit de polluant injecté pour traitement n'excède pas les capacités réelles de traitement de l'installation et ainsi que les limites de rejet préconisées ne sont pas dépassées. Ceci permet d'éviter les phénomènes de "bouffées" non désirées. L'asservissement se fait à partir d'une sonde de mesure 12 et de moyens d'asservissement 11 tels qu'un calculateur qui pilote les moyens d'amenée de gaz 7, 8 pour adapter le débit de gaz aux capacités de traitement de l'unité de traitement qui va dépolluer les rejets de la combustion. Une fois la pression atmosphérique atteinte, le confinement dans le local d'essai ayant créé un tampon de stockage des gaz, il reste à assainir l'enceinte de confinement de l'ensemble des polluants présents. Cette phase est représentée en figure 3. A l'aide de différentes bouches d'apport d'air 10 réparties dans l'enceinte, 25 on réalise un apport d'air extérieur 17 neuf de compensation simultanément à l'extraction réalisée par l'unité de traitement des gaz. L'ouverture de ces bouches d'apport d'air extérieur dans l'enceinte est motorisée et commandée à distance et asservie à l'atteinte de la pression atmosphérique dans l'enceinte de confinement. 30 Cet asservissement prend en compte une mesure de pression 15 dans l'enceinte et est par exemple piloté par les moyens d'asservissement 11 déjà discutés. La fonction de tampon de l'enceinte ayant permis de totalement dé-corréler le débit de combustion de l'objet pyrotechnique du débit de l'installation ou unité 6 de traitement des gaz, cette unité est alors dimensionnée sur la base du délai souhaité pour l'assainissement de l'enceinte. La problématique de traitement des gaz de combustion pyrotechnique est ainsi simplement ramenée à une problématique classique de traitement de gaz industriels. Les procédés retenus comportent notamment une élimination d'acide chlorhydrique par injection d'un sorbant sec par exemple de l'hydroxyde de calcium, une récupération des poussières, les oxydes métalliques; notamment par filtre à manche avec adjonction de sorbant sec tel que l'hydroxyde de calcium, une élimination des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, une élimination du monoxyde de carbone par oxydation catalytique. L'invention rend notamment possible le traitement des oxydes d'azote, 15 polluants pour lesquels un trop fort débit d'extraction rend le traitement impossible ou prohibitif. Les grandes phases de traitement sont décrites ci-dessous. Phase 1: Préchauffage unité de traitement (circuit fermé), vannes extraction fermées. 20 Phase 2: Fin de préparation essai, fermeture des issues et blindage des portes. Phase 3: Mise en configuration fermée / étanche de la porte formée par le treillis d'évents. Phase 4: Procédure de tir et mise à feu telle que représenté à la figure 25 1, la pression différentielle AP est alors de 100 à 200 mbar Phase 5: Abaissement de la pression dans l'enceinte jusqu'à la pression atmosphérique Patm par extraction 9 d'air atmosphérique et fuite progressive 7 des gaz en surpression dans la veine d'extraction vers l'unité de traitement ce qui correspond au schéma de la figure 2 avec AP diminuant et 30 tendant vers O. Phase 6: Ouverture des arrivées 10 d'air extérieur 17 selon la figure 3. Phase 7: Extraction de l'air de l'enceinte et traitement jusqu'à obtenir des concentrations en polluants inférieures aux concentrations des seuils d'assainissement 16. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et notamment, les procédés 5 de dépollutions peuvent être adaptés en fonction des polluants contenus dans les gaz. Le système de l'invention est en outre tout à fait adapté à la destruction de déchets pyrotechniques par combustion, en particulier sans nécessité de démonter les objets contenant ces produits. REVENDICATIONS1 - Système d'essai de dispositifs à poudres telles que des propergols adapté à réaliser des essais sur des sous ensembles fonctionnels caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte de confinement (1) pourvue de moyens adaptés à la rendre étanche et une unité (6) de traitement de gaz, l'enceinte et l'unité de traitement des gaz étant reliées par des moyens d'amenée de gaz (5, 7, 8) pilotables sous forme d'une fuite contrôlée en sorte d'extraire un débit calibré de gaz issus des essais de l'enceinte (1) vers l'unité de traitement (6). 2 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend au niveau des moyens d'amenée une prise d'air atmosphérique (9) et des moyens (7) adaptés à mélanger lesdits gaz à un flux d'air à pression atmosphérique réalisant une dilution desdits gaz. 3 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement (11) des moyens d'amenée pilotables en fonction d'une mesure d'une concentration d'un gaz polluant de référence (12). 4- système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 1, 2 ou 3 caractérisée en ce qu'il comprend des moyens (10) d'apport d'air extérieur (17) dans l'enceinte, ces moyens d'apport (10) comprenant un mécanisme d'ouverture motorisé et commandé à distance adapté à compenser la pression de l'enceinte lors de l'extraction des gaz réalisée par l'unité de traitement des gaz, le système comportant en outre des moyens (11) adaptés à asservir l'ouverture du mécanisme en fonction d'une consigne d'atteinte et de maintien de la pression atmosphérique dans l'enceinte de confinement. 5 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le volume de l'enceinte est adapté, pour une masse de propergols solides de l'ordre de 1 à 100 kg, à limiter la surpression dans l'enceinte à quelques centaines de millibars. 6 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le volume de l'enceinte en m3 30 est de l'ordre de cent à cent cinquante fois la masse en kg des poudres. 7 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'enceinte de confinement (1) est réalisée à partir d'un local en béton. 8 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 7 5 caractérisé en ce que l'enceinte de confinement comprend une porte étanche (13) munie de moyens soupape de sécurité. 9 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 8 caractérisée en ce que les moyens soupapes de sécurités sont constitués par une pluralité d'évents d'explosions assemblés sur un treillis métallique. 10 10 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 7, 8 ou 9 caractérisée en ce qu'il comprend une ou plusieurs tôles d'acier côté face interne du local qui obturent chacune des traversées de parois lors de la mise en pression de l'enceinte. 11 - Système d'essai de dispositifs à poudres selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes caractérisé en ce que l'unité de traitement comprend des moyens de dépollution des gaz adaptés à réaliser au moins l'un des traitements suivants: - une élimination d'acide chlorhydrique par injection d'un sorbant sec, - une récupération des poussières, 20 - une élimination des oxydes d'azote par réduction catalytique sélective, - une élimination du monoxyde de carbone par oxydation catalytique. 12 - Procédé d'essai de dispositifs à poudres avec traitement des effluents rejetés par ces essais, caractérisé en ce que: - on procède à un essai de combustion des poudres du dispositif avec 25 confinement des rejets de combustion dans une enceinte d'un volume adapté à recevoir un surcroît de gaz avec une variation de pression réduite, l'enceinte de confinement étant mise en surpression en cours d'essai, - on ramène l'enceinte de confinement à la pression atmosphérique par transfert de gaz vers une unité de traitement des gaz sans rejet à l'atmosphère 30 avec un débit adapté aux performances de l'unité de traitement. 13 - Procédé d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 12 caractérisé en ce que l'on combine une dilution des gaz dans une veine d'air au transfert des gaz vers l'unité de traitement. 14 - Procédé d'essai de dispositifs à poudres selon la revendication 12 ou 13 caractérisé en ce que l'on finalise la dépollution de l'enceinte de confinement par un balayage d'air extérieur 17 qui entraine les effluents résiduels vers l'unité de traitement.5