Brevet FR2975606A1 — publié le 20121130

La présente invention concerne le domaine des équipements permettant l'injection d'un gaz dans des effluents liquides ou encore des eaux usées. Elle s'intéresse notamment aux procédés d'aération de bassins biologiques à boues activées par l'injection d'un gaz riche en oxygène ou encore de mélanges comportant du CO2. Un des objectifs de la présente invention est de proposer un nouvel appareil, flottant, permettant d'optimiser la consommation énergétique du dispositif, tout en éliminant les contraintes des équipements actuels. On rappellera que les traitements biologiques aérobie d'effluents consistent généralement à mettre en contact ces effluents avec une biomasse (micro-organismes) qui dégrade la pollution contenue dans ceux-ci en transformant les molécules organiques. II est ainsi connu d'injecter un gaz généralement oxygéné dans les effluents contenus dans un bassin, de manière à alimenter la biomasse. Dans ce but, de nombreux dispositifs d'injection de gaz dans les effluents sont proposés sur ce marché. La plupart de ces systèmes sont soit immergés, soit flottants. Ils assurent généralement également l'agitation des effluents, l'injection du gaz oxygéné combinée à l'agitation permettant une meilleure dissolution du gaz oxygéné dans l'effluent. Cette dissolution est mesurée par la capacité de transfert du dispositif. Pour la plupart de ces dispositifs d'agitation et d'injection du gaz dans le liquide, une partie du transfert du gaz dans le liquide est réalisée par un moyen de mélange gaz/liquide, tel qu'un venturi ou une turbine, formant une émulsion du gaz dans le liquide et le reste du transfert est obtenu lors de la dispersion de l'émulsion dans le liquide. II a été observé que la plupart de ces dispositifs d'agitation et d'injection présentaient une limite de capacité d'injection : passé un certain débit d'injection de gaz, le dispositif s'engorge, car, au niveau du moyen d'injection du gaz dans le liquide, le volume de gaz devient trop important par rapport au volume de liquide. Alors qu'il serait possible de transférer et dissoudre plus de gaz dans le liquide contenu dans le bassin de traitement, le dispositif ne peut apporter toute la quantité de gaz nécessaire. Les systèmes flottants permettant l'aération par injection d'un gaz riche en oxygène utilisent des technologies assez complexes entraînant des contraintes de fabrication et d'utilisation coûteuses et limitant par conséquent leurs utilisations. A titre illustratif, on peut citer le document EP-995 485 Al, qui décrit un équipement flottant qui permet un transfert d'un gaz riche en oxygène dans un bassin avec une efficacité de transfert très élevée. Mais pour cela, il utilise une technologie complexe faisant appel à une turbine permettant de créer une émulsion gaz/liquide, complétée par des systèmes permettant de diriger cette émulsion vers une hélice conçue pour disperser cette émulsion dans le bassin. L'association de tels éléments, turbine, systèmes permettant de diriger l'émulsion gaz/liquide, et hélice de dispersion, a principalement pour conséquences les aspects suivants : - Une consommation énergétique importante, la turbine consommant approximativement 40% de l'énergie totale consommée par l'appareil ; - Un poids de l'équipement élevé, impliquant un coût matière important, et des contraintes sur le choix des flotteurs. - Des contraintes de fabrication et d'assemblage ayant pour conséquence un coût élevé de l'appareil lors de sa fabrication et sa maintenance. - Une limite de débit gazeux pouvant être injecté par l'équipement, on l'a dit plus haut, due en particulier à l'utilisation d'une turbine et des systèmes permettant de diriger l'émulsion gaz/liquide générée par la turbine. Un des objectifs de la présente invention est alors de proposer un équipement flottant permettant l'injection d'un gaz riche en oxygène et ayant une efficacité de transfert du gaz équivalente aux dispositifs antérieurs, en limitant ou éliminant les inconvénients techniques de ces dispositifs antérieurs. Pour atteindre cet objectif, il est proposé ici de supprimer la turbine, suppression qui vise à atteindre les objectifs suivants : - une réduction d'environ 30% de l'énergie consommée ; - l'élimination des principaux éléments de guidage des flux générés par la turbine ; - le report de la limite d'engorgement de l'appareil de plus de 50% ; - une réduction d'environ 25 % du poids de l'équipement ; - une simplification importante de la fabrication, des assemblages et de la maintenance ; - une réduction des coûts de fabrication et d'entretien ; - l'augmentation du champ d'action de l'équipement à puissance consommée équivalente. Néanmoins, la suppression de la turbine pourrait apparaitre négative à l'homme du métier puisque cette suppression a pour conséquence d'éliminer des fonctions recherchées telles la génération de fines bulles (de taille typiquement comprise entre 0,8 et 2,5 mm) ou encore le taux de transfert d'une partie du gaz. Comme on le verra plus en détails dans ce suit, le nouvel équipement proposé selon la présente invention a été conçu pour remplacer ou compenser ces fonctions élémentaires, et associe pour cela les éléments suivants : - un dispositif d'entraînement, destiné à être disposé au dessus du liquide, pourvu d'un arbre de sortie vertical, équipé à son extrémité d'une hélice, hélice immergée dans le liquide, l'hélice étant préférentiellement caractérisée comme on va le voir par un taux de recouvrement élevé ; - un dispositif que l'on peut qualifier de réacteur de « pré-mélange », comprenant un dispositif d'injection (par exemple un tore d'injection), positionné au dessus ou en dessous d'un mobile à pales inclinées ; - l'hélice est située à l'extrémité de l'arbre, sous le réacteur de pré-mélange. On entend par « taux de recouvrement » de l'hélice le rapport de la surface couverte par les pales et de la surface du cercle dans lequel l'hélice est inscrite. Comme on l'a vu ci-dessus, l'équipement comporte un dispositif d'injection, qui est préférentiellement un tore muni d'un nombre d'orifices prévu pour une diffusion régulière du gaz positionné dans un cercle inscrit dans le diamètre de l'hélice. Les études réalisées par la Demanderesse ont en effet démontré les performances avantageuses du tore d'injection, pour atteindre une diffusion homogène du gaz, mais aussi réduire les phénomènes éventuels de colmatage, favoriser une installation aisée et une maintenance réduite. Les orifices du tore sont préférentiellement dirigés vers le bas pour éviter un colmatage éventuel. Si le tore est préféré selon l'invention il est également envisageable, sans sortir du cadre de l'invention, d'utiliser d'autres dispositifs d'injection tels que des éléments poreux de formes différentes (plaques, bougies ou encore des plaques micro-percées....). La réalisation des fonctions élémentaires du réacteur est obtenue par l'association d'un diffuseur et d'un mobile à pales inclinées, judicieusement positionnés par rapport aux autres éléments de l'équipement et notamment l'hélice de dispersion. L'hydraulique générée par cette association et ce positionnement conduisent à un écoulement optimisé dans le réacteur. Le couple « diffuseur et mobile à pales inclinées» assure la fonction de réacteur de pré-mélange indispensable à la réalisation des performances désirées, le choix, l'association et le positionnement des différents éléments constituant l'équipement global assurent d'une part la réalisation du pré-mélange et d'autre part sa dispersion dans le bassin, permettant d'obtenir un transfert optimal dans le bassin. L'arrangement proposé par l'invention permet que le pré-mélange issu du pré-mélangeur soit diffusé dans une zone où le champ de vitesse du liquide est optimal du point de vue de son intensité et sa direction, afin de propulser les bulles le plus loin possible et d'éviter le phénomène de coalescence. L'homme du métier pourrait également s'étonner de la présence dans l'équipement objet de la présente invention d'un mobile à pales inclinées. En général un mobile à pales inclinées n'est pas utilisé dans la dispersion de gaz dans des liquides. Et pourtant, dans le cas de l'invention, cette utilisation est possible et favorable du fait de l'utilisation d'une hélice avec un taux de recouvrement important et du positionnement de ce mobile au sein des différents composants. Ainsi il a pu être démontré que le mobile à pales inclinées génère : - Un écoulement axial et radial favorisant l'homogénéité du mélange réactionnel. - Des bulles de gaz de faibles tailles (du fait d'un fort coefficient de cisaillement du mobile) - De faibles perturbations sur l'écoulement hydraulique de l'équipement, écoulement principalement réalisé par l'hélice. Le mobile à pales inclinées se caractérise également par une consommation énergétique réduite par rapport aux mobiles classiquement utilisés pour cette fonction. En résumé, on trouvait dans ce domaine technique uniquement des mobiles à pales droites, ne réalisant qu'un écoulement purement radial, créant ainsi une résistance plus importante, d'où une consommation énergétique plus élevée. La présente invention concerne alors un équipement flottant, d'injection d'un gaz dans des effluents liquides ou des eaux usées, et plus particulièrement d'un gaz riche en oxygène dans un bassin depuis la surface, comprenant les éléments suivants : - un dispositif d'entraînement, destiné à être disposé au dessus du liquide, pourvu d'un arbre de sortie vertical, équipé à son extrémité d'une hélice, hélice immergée dans le liquide, - un dispositif de pré-mélange, comprenant un dispositif d'injection (par exemple un tore d'injection), positionné au dessus ou en dessous d'un mobile à pales inclinées, l'hélice étant située à l'extrémité de l'arbre, sous le réacteur de pré-mélange. L'invention pourra par ailleurs adopter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'hélice possède un nombre de débit de pompage propre NQp qui est compris entre 0,3 et 1, où : Qp= NQp x N x D3 ; où Qp est le débit de pompage de l'hélice, N la vitesse de rotation de l'hélice, et D le diamètre de l'hélice. - le dispositif d'injection est un tore, muni d'orifices d'injection, et positionné dans un cercle inscrit dans le diamètre de l'hélice, le tore étant positionné à une distance comprise entre 0.01 et 1.5 fois le diamètre de l'hélice au dessus de l'hélice, de manière avantageuse entre 0.03 et 0.3 fois le diamètre de l'hélice, au dessus de l'hélice. - le dispositif d'injection est un tore, muni d'orifices d'injection, le tore ayant un diamètre compris entre 20 et 200% le diamètre de l'hélice, de manière avantageuse de 30 à 120% le diamètre de l'hélice. - le dispositif d'injection est constitué d'un assemblement d'éléments poreux de type bougies poreuses, ou plaques poreuses, ou encore plaques percées, préférentiellement au nombre de 3 et situés dans un volume décrit par un cylindre vertical centré sur l'axe vertical de l'hélice, cylindre vertical de diamètre extérieur préférentiellement égal à au moins 3 fois le diamètre de l'hélice et de hauteur préférentiellement égale à au moins trois fois le diamètre de l'hélice. - la distance entre la face inférieure du flotteur et le bord d'attaque supérieur de l'hélice est comprise entre 0,5 fois et 1.5 fois le diamètre de l'hélice, de manière préférée entre 0.8 et 1 fois le diamètre de l'hélice. - la distance entre le tore d'injection et le mobile à pales inclinées est comprise entre 1 et 20% du diamètre du mobile, par exemple voisine de 2,5 0/0 du diamètre mobile. - le mobile à pales inclinées comporte de 2 à 12 pales, préférentiellement de 4 à 8 pales, et préférentiellement un nombre pair de fois le nombre de pales de l'hélice située à l'extrémité de l'arbre. - le mobile à pales inclinées est positionné au dessous de l'injecteur, à une distance comprise entre 5 mm et 100 mm. - le gaz injecté est un gaz dont la teneur en oxygène est comprise entre 25 et 100%, ou un gaz ozoné, ou un gaz comportant du dioxyde de carbone dont la teneur en CO2 est comprise entre 5 et 100%, ou un gaz comprenant de 80 à 100% d'azote. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'exemples de modes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins annexés où : - la figure 1 est une vue schématique partielle en coupe illustrant un exemple de réalisation de l'équipement de l'invention utilisant un moyen d'injection de type torique; - la figure 2 illustre un mode de réalisation d'un mobile à pales inclinées selon l'invention, comportant 6 pales. On reconnait sur la figure 1 la présence, dans l'équipement flottant, d'injection d'un gaz dans un bassin 1 d'effluents liquides ou d'eaux usées, conforme à l'invention : - d'un dispositif d'entraînement, destiné à être disposé au dessus du liquide 1, pourvu d'un arbre 8 de sortie vertical, équipé à son extrémité d'une hélice 6, hélice immergée dans le liquide, - l'équipement est flottant grâce à la présence d'un ou de plusieurs flotteurs 3 ; - un dispositif de pré-mélange 5, comprenant un dispositif d'injection torique 7 (alimenté par l'arrivée de gaz 2), positionné au dessus d'un mobile 9 à pales inclinées, l'hélice étant située à l'extrémité de l'arbre, sous le réacteur de pré-mélange ; - dans le mode de réalisation représenté, le nombre de pales de l'hélice est de 3, et le nombre de pales du mobile est de 6 ; - un système 4 de contre-pales, permettant d'une part la délimitation de la zone de pré-mélange mais également d'éviter la formation de vortex et l'entraînement en rotation de l'équipement (l'équipement tournerait alors comme une toupie). Ce système de contre-pales permet de plus d'orienter le flux axial. Un équipement tel que celui décrit dans le cadre des figures 1 et 2 a été utilisé pour l'injection d'oxygène dans un bassin biologique traitant des effluents provenant d'une papeterie. Pour un besoin d'oxygène évalué à 53,3 Kg/h, un débit d'oxygène de 45 m3/h a été injecté dans le bassin. L'efficacité de transfert calculée a été évaluée à une valeur voisine de 91,3% ce qui représente une excellente performance. On a donc ainsi montré que la simplification de l'équipement n'a pas dégradé les performances obtenues, au contraire. REVENDICATIONS1. Equipement flottant, d'injection d'un gaz dans des effluents liquides ou des eaux usées, et plus particulièrement d'un gaz riche en oxygène dans un bassin depuis la surface, comprenant les éléments suivants : - un dispositif d'entraînement, destiné à être disposé au dessus du liquide, pourvu d'un arbre (8) de sortie vertical, équipé à son extrémité d'une hélice (6), hélice immergée dans le liquide, - un dispositif de pré-mélange (5), comprenant un dispositif d'injection (7), positionné au dessus ou en dessous d'un mobile (9) à pales inclinées, l'hélice étant située à l'extrémité de l'arbre, sous le réacteur de pré-mélange. 2. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'hélice possède un nombre de débit de pompage propre NQp qui est compris entre 0,3 et 1, où : Qp= NQp x N x D3 ; où Qp est le débit de pompage de l'hélice, N la vitesse de rotation de l'hélice, et D le diamètre de l'hélice. 3. Equipement selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est de forme torique. 4. Equipement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est un tore, muni d'orifices d'injection, et positionné dans un cercle inscrit dans le diamètre de l'hélice, le tore étant positionné à une distance comprise entre 0.01 et 1.5 fois le diamètre de l'hélice au dessus de l'hélice, préférentiellement à une distance comprise entre 0.03 et 0.3 fois le diamètre de l'hélice, au dessus de l'hélice. 5. Equipement selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est un tore, muni d'orifices d'injection, le tore ayant undiamètre compris entre 20 et 200% le diamètre de l'hélice, préférentiellement compris entre 30 et 120% le diamètre de l'hélice. 6. Equipement selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la distance entre le tore d'injection et le mobile à pales inclinées est comprise entre 1 et 20% du diamètre du mobile, préférentiellement voisine de 2,5 % du diamètre du mobile. 7. Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection est constitué d'un assemblement d'éléments poreux de type bougies poreuses, ou plaques poreuses, ou encore plaques percées, préférentiellement au nombre de 3 et situés dans un volume décrit par un cylindre vertical centré sur l'axe vertical de l'hélice, cylindre vertical de diamètre extérieur préférentiellement égal à au moins 3 fois le diamètre de l'hélice et de hauteur préférentiellement égale à au moins trois fois le diamètre de l'hélice. 8. Equipement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équipement est flottant grâce à la présence d'un ou plusieurs flotteurs (3) ; et en ce que la distance entre la face inférieure du flotteur et le bord d'attaque supérieur de l'hélice est comprise entre 0,5 fois et 1.5 fois le diamètre de l'hélice, de manière préférée entre 0.8 et 1 fois le diamètre de l'hélice. 9. Equipement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mobile à pales inclinées comporte de 2 à 12 pales, préférentiellement de 4 à 8 pales, et préférentiellement un nombre pair de fois le nombre de pales de l'hélice située à l'extrémité de l'arbre. 10. Equipement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mobile à pales inclinées est positionné au dessous du dispositif d'injection, à une distance comprise entre 5 mm et 100 mm de ce dispositif d'injection.