Brevet FR3038525A1 — publié le 20170113

Dispositif d'épuration de fumées, intégrant un filtre et un catalyseur La présente invention concerne un dispositif d'épuration de fumées. Les processus de combustion, que ce soit de combustibles fossiles ou de déchets, génèrent des fumées qui sont chargées en composants nocifs parmi lesquels on trouve les particules fines, les gaz acides tels que SO2 et HCI, et des oxydes d'azote. La captation des gaz acides se fait usuellement par des laveurs humides, ou bien en faisant réagir les gaz acides avec un neutralisant comme la chaux, les produits formés étant collectés en aval par un filtre à manches ou un électrofiltre. Les oxydes d'azote sont usuellement détruits soit dans la zone de combustion elle-même, dans le cadre de procédés non catalytiques couramment appelés SNCR (acronyme de l'expression anglaise associée « Selective Non Catalytic Reduction »), soit en faisant réagir ces oxydes d'azote, sur un catalyseur, avec un réactif approprié, comme l'ammoniac ou l'urée, dans le cadre de procédés de dénitrification catalytique, couramment appelés SCR (acronyme de l'expression anglaise « Selective Catalytic Reduction »). Traditionnellement, l'élimination des polluants acides et la destruction des oxydes d'azote par voie catalytique sont respectivement réalisées dans deux unités physiquement séparées, par exemple un filtre à manches suivi d'un réacteur catalytique, ou bien un réacteur catalytique suivi d'un laveur. Ceci étant, il a déjà été proposé de combiner dans une seule entité l'élimination des polluants acides et la destruction des oxydes d'azote par voie catalytique. La solution la plus connue consiste à utiliser des manches de filtration catalytiques : un catalyseur est soit imprégné sur la manche, soit inséré dans la manche. US 2002/0041841, WO 2014/131864, WO 2007/04564 et WO 2006/103040 en fournissent des exemples. Ces solutions basées sur des manches de filtration catalytiques sont commercialement disponibles mais souffrent de plusieurs inconvénients. D'abord, elles sont particulièrement onéreuses. Ensuite, l'épaisseur traversée par les fumées est faible, et donc le temps de contact est très faible, ce qui limite la conversion catalytique et oblige à travailler à des températures relativement élevées, typiquement de l'ordre de 200°C, voire davantage lorsqu'on veut détruire les dioxines. Enfin, lorsque le catalyseur est empoisonné, il faut changer l'ensemble du catalyseur et de la manche contenant ce dernier. De son côté, DE 195 19 233 a proposé de placer des petits blocs de catalyseur en nids d'abeille à l'intérieur de la sortie des manches de filtration. Cette solution souffre elle aussi d'inconvénients. En effet, de par sa présence, le catalyseur gène l'envoi d'air sous pression dans la sortie des manches afin de décolmater ces dernières. De plus, le volume cumulé des petits blocs de catalyseur est limité, le volume disponible à l'intérieur des 3038525 2 sorties des manches étant réduit. En outre, le conditionnement et la mise en place des petits blocs de catalyseur peuvent s'avérer fastidieux et sont onéreux. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif d'épuration de fumées qui, tout en cumulant les fonctions de destruction des oxydes d'azote par voie catalytique 5 et d'élimination des polluants acides, soit à la fois compact, économique, pratique et performant. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif d'épuration de fumées, comprenant un caisson de circulation des fumées, à l'intérieur duquel sont intégrés à la fois un filtre, qui a des manches de filtration verticales, et un catalyseur structuré en canaux, les 10 fumées à épurer traversant les manches du filtre puis le catalyseur. Le catalyseur est placé au-dessus de la sortie des manches et en est séparé d'une distance verticale comprise entre 2,5 et 6 fois le diamètre hydraulique des manches, les canaux du catalyseur ayant un diamètre hydraulique inférieur à 6 mm. L'invention fournit un dispositif intégré, dans le sens où, dans un même caisson 15 couramment appelé casing dans le domaine, les fumées à épurer sont d'abord filtrées, en traversant des manches, puis dénitrifiées en traversant un catalyseur structuré, étant entendu que, en amont du dispositif, un réactif de dénitrification a été introduit dans ces fumées. Le dispositif intégré conforme à l'invention associe performance et compacité en agençant le catalyseur structuré juste en aval et au-dessus des manches : d'une part, en 20 écartant verticalement le catalyseur des sorties des manches d'au moins 2,5 fois le diamètre hydraulique de ces manches, on permet aux fumées sortant des manches de se redistribuer de manière homogène avant qu'elles n'entrent dans les canaux du catalyseur et, d'autre part, en plaçant le catalyseur à moins de 6 fois le diamètre hydraulique des manches, on limite la taille totale du casing et on envoie au catalyseur des fumées que 25 l'on sait « non nocives » pour le catalyseur, c'est-à-dire des fumées dont les poussières et les polluants acides viennent d'être captés par les manches, ce qui permet d'utiliser sans risque d'encrassement ou de désactivation prématuré un catalyseur dont les canaux sont à petite dimension caractéristique, à savoir dont les canaux présentent un diamètre hydraulique inférieur à 6 mm. De plus, le dispositif conforme à l'invention ne nécessite pas 30 d'aménagements couteux ou complexes et permet même, à l'intérieur du casing, d'intercaler entre les manches et le catalyseur des moyens pour décolmater les manches par soufflage. D'autres avantages et intérêts de l'invention seront par ailleurs explicités plus loin. Suivants des caractéristiques additionnelles avantageuses du dispositif conforme 35 à l'invention, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : 3038525 3 - le catalyseur est réparti dans des casiers, qui sont amovibles verticalement par rapport au caisson et qui, à l'intérieur du caisson, sont accolés horizontalement les uns aux autres, en étant agencés en plusieurs rangées se succédant dans une direction horizontale, chaque casier étant équipé de moyens de déplacement dans ladite direction 5 horizontale par rapport au caisson ; - les moyens de déplacement comprennent des éléments de roulement, tels que des roulettes ; - les moyens de déplacement coopèrent avec des guides, tels que des rails, solidaires du caisson, qui s'étendent dans ladite direction horizontale ; 10 - la surface effective du catalyseur est comprise entre quatre et seize fois la surface de filtration des manches ; - la surface effective du catalyseur est comprise entre cinq et douze fois la surface de filtration des manches ; - le dispositif comprend en outre des moyens de soufflage, qui sont intercalés 15 entre la sortie des manches du filtre et l'entrée des canaux du catalyseur et qui envoient de l'air de sous pression vers la sortie des manches ; - les moyens de soufflage envoient également de l'air sous pression vers l'entrée des canaux du catalyseur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, 20 donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels : - la figure 1 est une coupe schématique d'un dispositif d'épuration de fumées conforme l'invention ; - la figure 2 est une perspective schématique partielle selon la flèche II de la figure 1 ; 25 - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2, illustrant une configuration d'utilisation différente du dispositif d'épuration ; - la figure 4 est une coupe schématique selon le plan IV de la figure 2 ; et - la figure 5 est une section schématique selon la ligne V-V de la figure 1. Sur les figures 1 à 5 est représenté un dispositif 10 d'épuration de fumées. Ce 30 dispositif comporte principalement un filtre 12 et un catalyseur 14, qui sont intégrés à l'intérieur d'un même caisson 16 couramment appelé casing dans le domaine. En service, le caisson 16 s'étend sensiblement à la verticale, la suite de la description du dispositif 10 étant orientée de manière correspondante. Le filtre 12 est agencé dans la partie basse du caisson 16. Ce filtre 12 comprend 35 des manches de filtration 18 disposées verticalement à l'intérieur du caisson 16. Sur la figure 1, seules certaines des manches 18 sont représentées, leur nombre total n'étant 3038525 4 pas limitatif de l'invention. Chaque manche 18, qui est connue en soi, présente verticalement une longueur comprise entre 3 et 10 mètres et est supportée, à son extrémité supérieure ouverte, par une cage, non représentée en détail sur les figures. La section de chaque manche 18 est généralement à profil circulaire, d'un diamètre compris 5 entre 100 et 300 mm, quoique d'autres géométries puissent être employées. Les cages supportant les manches 18 reposent sur une plaque à trous 20 au niveau horizontal de laquelle sont ainsi situées les sorties respectives de ces manches. Le catalyseur 14 est agencé dans la partie haute du caisson 16, en étant situé au- dessus des manches de filtration 18. Le catalyseur 14 est connu en tant que tel et relève 10 des catalyseurs classiquement utilisés dans les procédés de dénitrification catalytique, autrement dit les procédés SCR. Plus spécifiquement, le catalyseur 14 est structuré en canaux dont l'entrée est tournée vers le bas, en regard de la sortie des manches 18. Le profil de la section des canaux du catalyseur 14 n'est pas limitatif de l'invention. En service, des fumées à épurer 1 sont envoyées à la base du caisson 16, comme 15 indiqué de manière schématique sur la figure 1. En amont du dispositif 10, les fumées 1 sont mélangées à un réactif de dénitrification, tel que de l'ammoniac, étant remarqué que le moyen d'introduire ce réactif dans les fumées est connu en soi et que cette introduction du réactif n'est pas représentée sur les figures. A l'intérieur du caisson 16, les fumées 1 traversent les manches 18, ainsi que le gâteau de filtration qui se forme progressivement 20 en surface extérieure de ces manches. Les fumées 2 atteignant l'intérieur des manches 18 sont ainsi débarrassées de leurs poussières et de leurs polluants acides, comme SO2 et HCI. Ces fumées 2 cheminent vers le haut à l'intérieur des manches 18, jusqu'à en sortir via le débouché supérieur de ces manches, pour atteindre le volume libre V16 formé, à l'intérieur du caisson 16, verticalement entre les manches 18 et le catalyseur 14, 25 plus précisément entre la sortie de ces manches et l'entrée des canaux du catalyseur. Ce volume libre présente une dimension verticale d qui correspond donc à la distance verticale séparant la sortie des manches 18 et l'entrée des canaux du catalyseur 14 : selon une caractéristique de l'invention, cette distance verticale d est comprise entre 2,5 et 6 fois le diamètre hydraulique des manches 18, ce diamètre hydraulique, qui est bien 30 connu dans le domaine, étant défini comme le rapport entre quatre fois la section de la manche et le périmètre de la manche. Toujours à l'intérieur du caisson 16, les fumées 2 traversent ensuite le catalyseur 14, les fumées 3 qui sortent de ce dernier étant ainsi débarrassées de leurs oxydes d'azote par réduction catalytique, connue en tant que telle. Ces fumées épurées 3 sont ensuite évacuées du dispositif 10 par des moyens 35 conventionnels, non représentés sur les figures. 3038525 5 Il y a lieu de bien comprendre que le dimensionnement vertical du volume libre V16 formé, à l'intérieur du caisson 16, entre les manches de filtration 18 et le catalyseur 14, présente plusieurs intérêts. Ainsi, en prévoyant que la distance d soit d'au moins 2,5 fois le diamètre hydraulique des manches 18, les fumées 2 sortant de ces manches 5 peuvent se redistribuer de manière homogène avant d'entrer dans les canaux du catalyseur 14, ce qui est appréciable car, en pratique, les orifices de sortie des manches 18 présentent conjointement une section totale moindre que celle des orifices d'entrée des canaux du catalyseur 14. De plus, comme expliqué ci-dessus, les fumées 2 envoyées du filtre 12 au catalyseur 14 ont été débarrassées par les manches 18 de leurs polluants 10 acides, des poussières et des autres solides que les fumées 1 charriaient : comme ces fumées 2 circulent, à l'intérieur du caisson 16, directement de la sortie des manches 18 à l'entrée des canaux du catalyseur 14, leur effet d'encrassement du catalyseur est maitrisé à une très faible valeur, de sorte que, sans risque d'encrassement accéléré ou prématuré, les canaux du catalyseur 14 sont choisis avec une dimension caractéristique petite, à 15 savoir avec un diamètre hydraulique inférieur à 6 mm, pour renforcer les performances de dénitrification. Autrement dit, en intégrant le catalyseur 14 juste en aval des manches 18 à l'intérieur du même caisson de circulation des fumées 16, les manches protègent le catalyseur en retenant les poussières, les gaz acides et les autres poisons potentiels contenus dans les fumées à épurer 1, ce qui permet de sélectionner pour le catalyseur 20 structuré 14 des canaux à petite ouverture et de lui assurer une longévité particulièrement importante, de par exemple six ans. Par ailleurs, la dimension verticale totale du caisson 16 reste maitrisée en prévoyant que la distance d vaut moins de 6 fois le diamètre hydraulique des manches 18. Dans le prolongement des considérations qui précèdent, le volume de catalyseur 25 requis pour une efficacité de dénitrification donnée peut être diminué en prévoyant que la surface effective du catalyseur 14, obtenue en multipliant sa surface spécifique par son volume, est avantageusement comprise entre 4 et 16 fois la surface de filtration des manches 18, voire de préférence entre 5 et 12 fois cette surface de filtration. En pratique, du fait de la protection du catalyseur 14 par les manches 18 contre un encrassement 30 prématuré, la surface spécifique du catalyseur 14 peut être prévue grande, de préférence comprise entre 800 et 1500 m2/m3. Un des autres avantages apportés par l'invention est lié au fait que, lors de la mise en route ou d'un redémarrage du dispositif 10, afin d'éviter que des fumées humides circulent dans le caisson 16 sur les manches 18 encore froides, on préchauffe, par 35 exemple à l'aide d'une batterie de chauffe, de l'air sec qui circule d'abord dans le caisson, avant d'y admettre les fumées à épurer. La température de cet air sec est typiquement 3038525 6 comprise entre 130 et 250°C. En utilisant une température supérieure à 200°C, l'air chaud qui traverse aussi le catalyseur 14 du dispositif 10 avant de sortir de ce dernier régénère au moins partiellement ce catalyseur, en revolatilisant les sels volatils, tels que l'hydrogénosulfate d'ammonium, qui tendent à boucher les pores du catalyseur. Ainsi, à 5 chaque arrêt/redémarrage du dispositif 10, une régénération partielle du catalyseur 14 est opérée, ce qui accroît encore davantage sa longévité. Par ailleurs, dans la mesure où la désactivation du catalyseur 14 est inéluctable et où le remplacement des manches 18 doit être réalisable de manière pratique, le dispositif 10 est avantageusement conçu pour permettre de le remplacer facilement. A cette fin, le 10 catalyseur 14 est réparti dans des casiers 22, comme représenté sur les figures 2 à 4. En service, les casiers 22 sont accolés horizontalement les uns aux autres à l'intérieur du caisson 16. On notera que la fourniture de tels casiers remplis de catalyseur est connue en tant que telle, son intérêt étant que, comme montré sur la figure 2, chaque casier 22 est amovible verticalement par rapport aux autres casiers et au caisson 16 recevant ces 15 casiers, de sorte que, à l'aide de moyens de levage ad hoc, chacun des casiers 22 peut être extrait vers le haut vis-à-vis du caisson 16 préalablement ouvert à son sommet, comme indiqué par la flèche F1 pour l'un des casiers 22 sur la figure 2. En pratique, comme bien visible sur les figures 2 à 4, les casiers 22 sont, à l'intérieur du caisson 16, agencés en plusieurs rangées horizontales, les casiers d'une même rangée se succédant 20 dans une direction horizontale notée Y sur la figure 2 tandis que les rangées respectives de casiers se succèdent dans une direction horizontale, notée X sur la figure 2, perpendiculaire à la direction horizontale Y. Selon une caractéristique avantageuse optionnelle de l'invention, les casiers 22 contenant le catalyseur 14 sont conçus pour se déplacer, en particulier par roulement, 25 dans la direction horizontale X par rapport au caisson 16. Suivant une forme de réalisation pratique, qui est illustrée sur les figures 2 à 4, chaque casier 22 est équipé, en partie basse, de roulettes 24 qui sont engagées dans des rails de guidage 26, solidaires du caisson 16 et s'étendant dans la direction horizontale X : en roulant sur les rails 16, les roulettes 24 permettent de translater le casier 22 dans la direction horizontale X. Bien 30 entendu, la forme de réalisation des roulettes 24 et des rails 26 n'est pas limitative de l'invention, étant entendu que d'autres éléments de roulement que les roulettes 24 sont envisageables, tels que des galets, des rouleaux, etc., les rails 26 étant adaptés en conséquence en tant que guides de ces éléments de roulement. Dans tous les cas, en plus d'autoriser le déplacement des casiers 22 dans la direction horizontale X à l'intérieur 35 du caisson 16, ces éléments de roulement et ces guides permettent à chaque casier 22 d'être facilement extrait verticalement vers le haut par rapport à ce caisson. 3038525 7 On notera que, lorsque tous les casiers 22 du dispositif 10 sont en place à l'intérieur du caisson 16, la mobilité des casiers 22 dans la direction horizontale X est neutralisée du fait que les casiers 22, situés en périphérie de l'ensemble des casiers, butent horizontalement contre la paroi interne du caisson 16, comme cela se comprend 5 en observant la figure 2. En revanche, après avoir ouvert le haut du caisson 16 puis en avoir extrait l'une des rangées de casiers 22, moyennant le levage vers le haut des casiers de cette rangée, comme montré par exemple à la figure 3, les casiers des autres rangées sont facilement déplaçables dans la direction horizontale X à l'intérieur du caisson 16 comme indiqué par les flèches F2 sur la figure 3, par roulement de leurs 10 roulettes 24 dans les rails 26. De cette façon, l'accès aux manches de filtration 18 est grandement facilité, par exemple en vue du contrôle et/ou du remplacement de ces manches : en effet, après avoir seulement extrait l'une des rangées de casiers 22 hors du caisson 16, l'accès aux manches 18 disposées verticalement au-dessous de cette rangée est immédiat, tandis que pour accéder aux autres manches 18, il suffit de déplacer 15 exclusivement à l'horizontale les autres casiers 22, typiquement en les poussant à la main, dans tous les cas sans avoir besoin de recourir à des appareils de levage. Bien entendu, une fois que l'intervention sur les manches 18 est terminée, autant de casiers de catalyseur qui avaient été extraits hors du caisson 16 sont introduits à l'intérieur de ce caisson, pour combler la rangée manquante. Le caisson 16 peut alors être refermé. 20 A titre d'exemple non limitatif, le caisson 16 présente une section à profil carré de 3500 mm de côté. Quarante-neuf casiers 22, de 500 par 500 par 500 mm, y sont installés en sept rangées de sept casiers. Pour accéder aux manches 18, l'une des sept rangées est extraite, ce qui libère un espace libre de 500 mm par 3500 mm, permettant d'accéder directement à quelques rangées de manches 18 sous-jacentes, les autres rangées de 25 manches étant accessibles après avoir déplacées dans la direction horizontale X les casiers 22 les surplombant. Suivant une autre disposition avantageuse, le dispositif 10 comprend des moyens 28 de soufflage d'air sous pression. Comme représenté schématiquement sur la figure 1, ces moyens de soufflage 28 sont agencés dans le volume libre V16 du caisson 16, en 30 étant intercalés entre le filtre 12 et le catalyseur 14, plus précisément entre la sortie des manches 18 et l'entrée des canaux du catalyseur 14. La fonction première des moyens de soufflage 20 est de décolmater les manches 18, en envoyant de l'air sous pression vers la sortie des manches 18, les jets d'air correspondants étant indiqués par les flèches J1 sur la figure 5. Suivant une forme de 35 réalisation pratique, les moyens 28 comprennent à cet effet une canne de soufflage 30 horizontale, qui est pourvue, en partie basse, d'ouvertures, de tubes et/ou de buses 32 3038525 8 qui forment et dirigent vers le bas les jets d'air J1. L'action des moyens de soufflage 28, en ce qu'ils servent à décolmater les manches 18, améliore encore les performances du dispositif 10, sans en augmenter significativement le coût puisque ces moyens de soufflage 28 sont astucieusement agencés dans le volume libre V16 du caisson 16, formé 5 verticalement entre les manches 18 et le catalyseur 14. Un aménagement optionnel des moyens de soufflage 28, qui est également illustré par la figure 5, consiste à utiliser ces moyens pour envoyer de l'air sous pression également vers le catalyseur 14. On notera immédiatement que dans la mesure où, comme expliqué plus haut, le catalyseur 14 est protégé par les manches 18 des 10 poussières et des polluants acides contenus dans les fumées à épurer 1, il n'y pas de nécessité absolue à prévoir un soufflage régulier du catalyseur 14. Ceci étant, comme représenté sur la figure 5, la partie haute de la canne de soufflage 30 peut avantageusement être pourvue d'ouvertures, de tubes et/ou de buses 34 qui forment et dirigent des jets d'air sous pression J2 vers l'entrée des canaux du catalyseur 14. De 15 cette façon, lors de chaque actionnement des moyens de soufflage 28, les jets d'air J1 sont envoyés vers le bas, vers la sortie des manches 18, afin de décolmater ces dernières et de maintenir une perte de charge acceptable dans le filtre 12, par exemple entre 900 Pa et 1800 Pa, tandis que, dans le même temps, les jets d'air J2 sont envoyés vers le haut, vers l'entrée des canaux du catalyseur 14, afin de régénérer et décrasser ce 20 catalyseur qui, bien que protégé par les manches 18, peut progressivement se désactiver. REVENDICATIONS1.- Dispositif (10) d'épuration de fumées, ce dispositif comprenant un caisson (16) de circulation des fumées, à l'intérieur duquel sont intégrés à la fois un filtre (12), qui a des manches de filtration (18) verticales, et un catalyseur (14) structuré en canaux, les fumées à épurer (1) traversant les manches du filtre puis le catalyseur, caractérisé en ce que le catalyseur (14) est placé au-dessus de la sortie des manches (18) et en est séparé d'une distance verticale (d) comprise entre 2,5 et 6 fois le diamètre hydraulique des manches, les canaux du catalyseur ayant un diamètre hydraulique inférieur à 6 mm. 2.- Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le catalyseur (14) est réparti dans des casiers (22), qui sont amovibles verticalement par rapport au caisson (16) et qui, à l'intérieur du caisson, sont accolés horizontalement les uns aux autres, en étant agencés en plusieurs rangées se succédant dans une direction horizontale (X), chaque casier étant équipé de moyens (24) de déplacement dans ladite direction horizontale par rapport au caisson (16). 3.- Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de déplacement comprennent des éléments de roulement (24), tels que des roulettes. 4.- Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens de déplacement (24) coopèrent avec des guides (26), tels que des rails, solidaires du caisson (16), qui s'étendent dans ladite direction horizontale (X). 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface effective du catalyseur (14) est comprise entre quatre et seize fois la surface de filtration des manches (18). 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la surface effective du catalyseur (14) est comprise entre cinq et douze fois la surface de filtration des manches (18). 7.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (10) comprend en outre des moyens de soufflage (28), qui sont 3038525 10 intercalés entre la sortie des manches (18) du filtre (12) et l'entrée des canaux du catalyseur (14) et qui envoient de l'air de sous pression vers la sortie des manches. 8.- Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de 5 soufflage (28) envoient également de l'air sous pression vers l'entrée des canaux du catalyseur (14).