Brevet FR3056412A1 — publié le 20180330

Procédé d'épuration des effluents liquides d'un laveur humide de traitement de fumées d'échappement émises par un moteur diesel, ainsi que procédé de traitement de telles fumées La présente invention concerne un procédé d'épuration des effluents liquides d'un laveur humide traitant des fumées d'échappement émises par un moteur diesel. Elle concerne également un procédé de traitement des fumées d'échappement émises par un tel moteur diesel. L'invention s'intéresse en particulier au traitement des fumées d'échappement émises par le moteur d'un navire marin. Les navires marins, qu'ils soient des paquebots ou d'autres navires, utilisent surtout du mazout comme carburant pour les moteurs diesel assurant leur propulsion. Ce carburant contient jusqu'à 5% en masse de soufre, le plus souvent entre 0,5 et 3,5% en masse. Lors du processus de combustion dans les moteurs, ce soufre est transformé en dioxyde de soufre (SO2). Par conséquent, les fumées d'échappement de ces moteurs sont acides et nocives. Il est donc nécessaire que le navire intègre des moyens pour réduire les émissions de dioxyde de soufre de ces fumées avant de rejeter ces dernières à l'atmosphère, sauf à utiliser un carburant très peu soufré, mais beaucoup plus onéreux. La technologie la plus couramment proposée pour, sur un navire, capter le dioxyde de soufre présent dans les fumées d'échappement consiste à laver ces fumées avec de l'eau de mer. Cette technique est mise en oeuvre par un laveur utilisant l'alcalinité de l'eau de mer pour neutraliser le dioxyde de soufre, généralement sans avoir à recourir à un réactif de neutralisation additionnel. Le soufre est transféré au liquide de lavage, à base d'eau de mer, circulant dans le laveur, en se concentrant dans le circuit liquide du laveur. Une purge est nécessaire pour sortir le soufre : cette purge constitue soit la majeure partie des liquides ayant alimenté le laveur qui fonctionne alors dans une configuration en boucle ouverte pour laquelle les effluents sortant du laveur ne sont pas recyclés en entrée de ce dernier, soit une faible fraction des liquides ayant alimenté le laveur qui fonctionne alors en boucle fermée pour laquelle l'essentiel des effluents sortant du laveur sont recyclés en entrée du laveur, moins de 5% par exemple de ces effluents étant évacués. Que le laveur fonctionne en boucle ouverte ou en boucle fermée, le soufre initialement à l'état d'oxydation (+4) est oxydé dans le laveur ou dans les annexes de ce dernier, de façon à ne rejeter à l'environnement qu'un flux de sulfate dans lequel le soufre est à l'état d'oxydation (+6) et dont le rejet est sans impact sur l'environnement. Cependant, la combustion à l'intérieur du moteur diesel génère aussi des composés organiques, dont des huiles, des suies, des goudrons et d'autres molécules aromatiques. Ces divers composés organiques sont toxiques et potentiellement cancérigènes. Ces substances sont émises en plus grande concentration dans les 3056412 2 fumées lors des phases de démarrage et d'arrêt du moteur et elles se concentrent également d'autant plus que la purge des liquides circulant au laveur sera faible. Les composés organiques sont légers et peuvent finir par former des loupes d'huiles, ou bien des films irisés si les effluents du laveur sont rejetés sans traitement. 5 Il est bien sûr possible d'éliminer les composés organiques par une filtration traditionnelle, par exemple sur un lit de charbon actif. Toutefois, cette solution exige des vitesses de filtration faibles, de l'ordre de quelques centimètres/seconde, ce qui, au regard des flux à traiter par filtration conduirait à des installations de filtration d'une taille très importante et donc inappropriée pour un navire. 10 Eliminer les composés organiques par décantation est également possible en théorie, les composés aromatiques légers ayant tendance à se séparer et à monter à la surface de par leur masse volumique plus faible que celle de l'eau, et a fortiori que celle de l'eau de mer. Toutefois, une telle décantation n'est pas envisageable en pratique sur un navire, toujours à cause des flux à traiter. 15 L'adsorption sur des solides introduits dans les liquides circulant dans le laveur est également possible, mais elle se heurte à une difficulté rédhibitoire. En effet, les temps de contact entre ces solides et les liquides à épurer sont très faibles, du fait des débits à traiter importants au regard de la taille permissible de l'installation. Ceci oblige à utiliser des solides très réactifs, comme le charbon actif. Cependant, le charbon actif est un 20 produit dont la différence de masse volumique par rapport à celle de l'eau, et a fortiori à celle de l'eau de mer, est faible, si bien que la seule séparation solide-liquide efficace nécessiterait le recours à un filtre ou à une centrifugeuse. Cependant, comme déjà indiqué, le recours à un filtre oblige à des vitesses de filtration très faibles. Quant à la centrifugeuse, c'est une machine tournante qui est onéreuse, nécessite de l'entretien et 25 est difficile à mettre en oeuvre sur un navire. Le but de la présente invention est de proposer un procédé qui permet une épuration simple, compacte et économique des polluants organiques présents dans les liquides rejetés par un laveur de traitement des fumées émises par un moteur diesel, notamment à bord d'un navire. 30 A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'épuration des effluents liquides d'un laveur humide de traitement de fumées d'échappement émises par un moteur diesel, dans lequel : - des particules solides, qui contiennent entre 25 et 75% en masse de charbon actif et entre 25 et 60% en masse de ciment et qui ont une taille moyenne comprise entre 35 30 lm et 500 pm, sont introduites au laveur, et 3056412 3 - les effluents à épurer sont, en sortie du laveur, envoyés à un séparateur solide-liquide dans lequel les effluents sont séparés en une fraction claire et une boue contenant les particules solides. Ainsi, une des idées à la base de l'invention est de bénéficier de la performance 5 du charbon actif pour capter dans le laveur les composés organiques par adsorption, tout en rendant ce charbon actif suffisamment lourd pour être séparé efficacement et facilement du reste des effluents liquides sortant du laveur. Selon l'invention, le charbon actif est associé, en des proportions adaptées, à du ciment, et ce sous forme de particules solides dont la granulométrie est adaptée. Ainsi, l'invention permet 10 astucieusement de conférer à ces particules solides une masse volumique bien supérieure à celle d'adsorbants classiques que sont les argiles ou les charbons actifs, tout en maintenant une grande surface spécifique pour ces particules solides : cette grande surface spécifique garantit une captation efficace des composants organiques lors de la circulation des particules solides dans le circuit liquide du laveur, tandis que, dans le 15 même temps, la masse volumique apparente des particules solides facilite substantiellement l'action d'un séparateur solide-liquide auquel sont envoyés les effluents sortant du laveur. L'invention rend avantageusement possible d'utiliser des hydrocyclones en tant que séparateur solide-liquide, alors que le recours à de tels hydrocyclones est associé au préjugé technique selon lequel, du fait de leur pouvoir séparateur limité, ces 20 hydrocyclones ne permettent pas de séparer efficacement des adsorbants classiques dont la masse volumique par rapport à celle de l'eau, et a fortiori par rapport à celle de l'eau de mer, est trop faible. Suivant des caractéristiques additionnelles avantageuses du procédé d'épuration conforme à l'invention, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement 25 possibles : - les particules solides introduites au laveur ont une taille moyenne comprise entre 50 lm et 100 µm; - le séparateur solide-liquide est constitué d'un ou de plusieurs hydrocyclones ; - le séparateur solide-liquide comprend une centrifugeuse ; 30 - la quantité des particules solides introduites au laveur est telle que la concentration de ces particules solides dans les effluents envoyés au séparateur solide-liquide est comprise entre 10 mg/I et 1000 mg/I ; - les particules solides sont introduites au laveur sous forme d'une suspension dans une base aqueuse ; 35 - la fraction claire est évacuée lorsque le laveur opère en boucle ouverte et est au moins partiellement recyclée au laveur lorsque le laveur opère en boucle fermée. 3056412 4 L'invention a également pour objet un procédé de traitement des fumées d'échappement émises par un moteur diesel, dans lequel : - les fumées à traiter et un liquide de lavage de ces fumées sont introduits dans un laveur humide, et 5 - des effluents liquides sortant du laveur sont épurés par le procédé d'épuration tel que défini ci-dessus, la fraction claire issue du séparateur solide-liquide étant, lorsque le laveur opère en boucle fermée, au moins partiellement recyclée au laveur pour constituer une partie du liquide de lavage. Suivant des caractéristiques additionnelles avantageuses de ce procédé de 10 traitement : - le liquide de lavage contient de l'eau de mer ; - le procédé de traitement est mis en oeuvre à bord d'un navire marin. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels la 15 figure 1 est une vue schématique d'une installation mettant en oeuvre des procédés d'épuration et de traitement conformes à l'invention. Sur la figure 1 est représentée une installation permettant de traiter des fumées d'échappement 1 émises par un moteur diesel M. Selon un contexte d'utilisation préférentiel mais non limitatif, le moteur M assure la propulsion d'un navire marin sur 20 lequel est embarquée l'installation. Dans tous les cas, le moteur M est alimenté par un combustible soufré, notamment du mazout, de sorte que les fumées 1 contiennent, en plus des composés majoritaires que sont le gaz carbonique (002), la vapeur d'eau (H20), l'azote (N2) et l'oxygène (02), des oxydes de soufre, en particulier du dioxyde de soufre (S02). Les fumées 1 contiennent également des oxydes d'azote (N0x), ainsi que des 25 composés organiques générés par la combustion à l'intérieur du moteur M. Ces composés organiques incluent, entre autres, des suies, des goudrons, des huiles notamment sous forme d'aérosols, des composés hydrocarbures aromatiques tels que les PAH, des composés aromatiques organochlorés tels que les PCB, des dioxines et furanes telles que les PCDD/F, et d'autres composés minéraux. 30 L'installation comprend deux blocs fonctionnels, à savoir un laveur humide L, qui traite les fumées 1 de manière à les épurer de ses polluants, et un séparateur solide-liquide qui traite les effluents liquides du laveur L. Le laveur L est d'une technologie connue en soi : il inclut ainsi une tour de lavage et des accessoires associés dont notamment des pompes, des réservoirs, des tanks de 35 stockage, des gaines et une tuyauterie, ainsi que, le cas échéant, des échangeurs de chaleur. Quelle que soit la forme de réalisation du laveur L, les fumées 1 ainsi qu'un 3056412 5 liquide de lavage 2 sont introduits dans ce laveur L : par mise en contact des fumées 1 avec le liquide de lavage 2, les divers polluants des fumées sont retirés de ces dernières en étant captés par le liquide de lavage. Les fumées sortant du laveur L sont ainsi épurées et forment, en sortie du laveur L, un flux 3 rejeté à l'atmosphère. Les effluents 5 liquides 4 du laveur L sont, en sortie du laveur, envoyés au séparateur solide-liquide S. Le liquide de lavage 2 est généralement constitué principalement d'eau qui, optionnellement, peut être mélangée à des réactifs de désulfuration et de dénitrification, tels que de la soude ou de la magnésie. Dans le cas où l'installation est embarquée sur un navire, le liquide de lavage 2 contient de l'eau de mer. En pratique, lorsque le laveur L 10 opère en boucle ouverte, le liquide de lavage 2 est essentiellement voire totalement constitué d'eau fraîche E, le cas échéant d'eau de mer fraîche, tandis que, lorsque le laveur L opère en boucle fermée, le liquide de lavage 2 est constitué d'un mélange d'eau fraîche E, le cas échéant d'eau de mer fraîche, et de saumures provenant du séparateur solide-liquide S, comme expliqué par la suite. Il est à noter qu'une partie du liquide de 15 lavage 2 peut être obtenue par condensation de l'eau contenue dans les fumées 1. Les effluents 4 contiennent tous les polluants émis par le moteur M dans les fumées 1 et captés par le laveur L. Certains de ces polluants résultent de la captation des oxydes de soufre et des oxydes d'azote contenus dans les fumées, ces oxydes se retrouvant dans les effluents 4 sous forme, entre autres, de sulfate et de chlorure, en 20 étant plus ou moins concentrés selon que le laveur L opère en boucle ouverte ou en boucle fermée. D'autres polluants contenus dans les effluents 4 sont des éléments particulaires, qui résultent de la captation des composés organiques contenus dans les fumées 1 et dont la concentration dans les effluents 4 est, selon les espèces, de l'ordre de 1 pg/I à 1 mg/I, mais peut être plus importante dans des phases de fonctionnement 25 transitoires du moteur M, en particulier lors des phases de démarrage et d'arrêt du moteur. Les effluents 4 peuvent également contenir des solides ayant été introduits de manière volontaire au laveur L, comme par exemple des catalyseurs d'oxydation. Le séparateur solide-liquide S est d'une technologie connue en soi : en pratique, il inclut des matériels de séparation, formant une seule unité ou bien répartis en plusieurs 30 batteries, agencés en série ou en parallèle. Ces arrangements sont connus en soi. Suivant une forme de réalisation avantageuse dont la pertinence apparaîtra plus loin, le séparateur solide-liquide S est constitué d'un hydrocyclone ou de plusieurs hydrocyclones montés en cascade. En variante, le séparateur solide-liquide inclut une centrifugeuse, associée, le cas échéant, à d'autres matériels de séparation. 35 Quelle que soit la forme de réalisation du séparateur solide-liquide S, ce dernier assure la séparation entre les constituants liquides et les constituants solides des 3056412 6 effluents 4, en répartissant ces effluents 4 en une fraction claire 5 et une boue 6 formée de liquides et d'éléments en suspension provoquant la turbidité de ces liquides. La boue 6 est évacuée en totalité de l'installation, en étant relarguée ou bien stockée pour un traitement approprié ultérieur. La fraction claire 5 peut être soit totalement évacuée de 5 l'installation, soit au moins partiellement recyclée au laveur L sous forme d'un flux 5' qui constitue, en entrée du laveur L, une partie du liquide de lavage 2. En pratique, lorsque le laveur L opère en boucle ouverte, la totalité de la fraction claire 5 est évacuée, tandis que, lorsque le laveur L opère en boucle fermée, le flux 5' est formé d'une majeure partie de la fraction claire 5, par exemple plus de 95%. 10 Selon l'invention, on introduit au laveur L des particules solides 7 constituées majoritairement d'un mélange de ciment et de charbon actif. Ces particules solides 7 contiennent ainsi entre 25% et 60% en masse de ciment et entre 25% et 75% en masse de charbon actif. De plus, les particules solides 7 présentent une taille moyenne comprise entre 30 lm et 500 um, de préférence entre 50 lm et 100 um, la taille moyenne précitée, 15 usuellement appelée « d50 », étant définie comme la valeur telle que 50% en masse des particules solides ont une taille inférieure à cette valeur. En d'autres termes, la taille moyenne, dite « d50 », est la taille des particules solides 7 telle qu'il y ait le même poids de particules solides plus grosses que de particules solides plus petites. Les particules solides 7 sont par exemple préparées en mélangeant, dans de 20 l'eau, du ciment et du charbon actif, notamment en poudre, ainsi que, optionnellement, d'autres composés. Ce mélange prend en masse et, après l'avoir laissé séché, on le fragmente, par exemple par concassage, à la granulométrie voulue. Suivant une disposition facilitant l'utilisation des particules solides 7, ces dernières sont introduites au laveur L sous forme d'une suspension dans une base aqueuse, cette 25 suspension pouvant contenir d'autres constituants que les particules solides 7: de manière non limitative, ces autres constituants sont des solides aux propriétés catalytiques pour l'oxydation des sulfites en sulfate et/ou des agents tensioactifs et/ou des sels de métaux. Grâce à leur part de ciment, les particules solides 7 ont une masse volumique bien 30 supérieure à celle d'adsorbants classiques tels que des argiles ou des charbons actifs : au sein des effluents 4, les particules solides 7 présentent ainsi une masse volumique apparente qui est suffisamment importante pour que ces particules solides soient efficacement séparées par le séparateur solide-liquide S de manière à se retrouver dans la boue 6, même lorsque ce séparateur est constitué d'un ou de plusieurs hydrocyclones 35 qui sont des matériels de séparation dont le pouvoir de coupure est limité comparativement à d'autres matériels de séparation plus sophistiqués, tels qu'une 3056412 7 centrifugeuse. Dans le même temps, grâce à leur part de charbon actif, les particules solides 7 captent efficacement les composés organiques qui chargent le liquide de lavage 2 lors de sa circulation dans le laveur L : les particules solides 7 épurent ainsi efficacement les effluents 4, en leur retirant ces composés organiques moyennant la 5 captation de ces derniers par adsorption sur le charbon actif des particules solides 7. On comprend que, pour les particules solides 7, une augmentation de la teneur en charbon actif est favorable à l'épuration des effluents 4, mais plus il y a de charbon actif dans les particules solides 7, moins la masse volumique de ces dernières dans les effluents 4 est importante et plus leur séparation ultérieure par le séparateur solide-liquide S est difficile. 10 De plus, quand la teneur en charbon actif dépasse 75% en masse, la tenue des particules solides 7 devient médiocre et elles s'effritent trop facilement. Par ailleurs, il est important que les particules solides 7 ne soient ni trop fines, c'est-à-dire en ce que leur taille moyenne « d50 » serait inférieure à 30 um, sans quoi leur séparation du reste des effluents 4 par le séparateur liquide-solide S deviendrait trop peu 15 efficace, ni trop grosses, en ce que leur taille moyenne « d50 » serait supérieure à 500 um, sans quoi la surface spécifique des particules solides 7, exprimée en m2/g, deviendrait trop faible et la captation désirée des composés organiques dans les effluents 4 deviendrait inefficace. On notera qu'il n'est pas nécessaire que les composés organiques soient éliminés 20 des effluents 4 avec un taux d'épuration très élevé, par exemple supérieur à 90%, même si cela est appréciable. En effet, les concentrations respectives des polluants dans les effluents 4, en particulier la concentration des composés organiques, sont la plupart du temps suffisamment faibles pour qu'un taux d'épuration moindre soit suffisant. Par ailleurs, d'autres facteurs que la teneur en charbon actif dans les particules solides 7 25 influent sur le taux d'épuration : ces autres facteurs sont, entre autres, le temps de contact, qui fait diminuer le taux d'épuration lorsqu'il augmente, et la température, qui fait diminuer le taux d'épuration quand elle augmente en jouant défavorablement sur l'isotherme d'adsorption. En pratique, la mise en contact entre les particules solides 7 et les liquides circulant dans le laveur L est opérée de manière préférée entre 15 et 60°C, de 30 manière encore préférée entre 20 et 40°C. Selon une caractéristique additionnelle, la concentration des particules solides 7 dans les effluents 4 est de préférence comprise entre 10 mg/I et 1000 mg/I, la valeur de cette concentration étant directement dépendante de la quantité des particules solides 7 introduites au laveur L. Pour une concentration inférieure à 10 mg/I, il n'y a pas assez de 35 charbon actif dans le laveur L. Pour une concentration supérieure à 1 g/I, des problèmes d'érosion ou d'abrasion apparaissent dans l'installation. 3056412 8 EXPERIMENTATION : Cinq échantillons de particules solides ont été préparés : - l'échantillon A contient 100% de ciment, 5 - l'échantillon B contient 100% de charbon actif, - l'échantillon C contient 75% de charbon actif et 25% de ciment, - l'échantillon D contient 50% de charbon actif, 30% de ciment et 20% de bentonite, et - l'échantillon E contient 50% de charbon actif et 50% de ciment. 10 Chacun des cinq échantillons a été introduit au laveur L tandis que, dans le même temps, des molécules organiques prédéterminées, utilisées en tant que traceur, ont été artificiellement introduites dans le laveur L. Le tableau ci-dessous regroupe les données relatives à cette expérimentation : Echantillon Taille moyenne «d50» Taux d'épuration du Possibilité de séparation (en lm) des particules traceur dans les des particules solides par solides de l'échantillon effluents du laveur L hydrocyclone(s) A 40 1 % oui B 40 89 à 99 non C 100 à 315 71 oui D 100 à 310 43 oui E 64 à 100 60 oui On constate que l'échantillon B, constitué exclusivement de charbon actif, donne 15 d'excellentes performances du point de vue de l'épuration des composés organiques, sans toutefois que les particules solides de cet échantillon B puissent être séparées par le séparateur solide-liquide S. En revanche, les échantillons C, D et E, dont les particules solides répondent aux spécifications données précédemment pour les particules solides 7, associent une épuration satisfaisante des composés organiques dans les effluents 4 et 20 une séparation efficiente par le séparateur S. REVENDICATIONS1.- Procédé d'épuration des effluents liquides d'un laveur humide de traitement de fumées d'échappement émises par un moteur diesel, dans lequel : - des particules solides (7), qui contiennent entre 25 et 75% en masse de charbon actif et entre 25 et 60% en masse de ciment et qui ont une taille moyenne comprise entre 30 lm et 500 um, sont introduites au laveur (L), et - les effluents à épurer (4) sont, en sortie du laveur (L), envoyés à un séparateur solide-liquide (S) dans lequel les effluents sont séparés en une fraction claire (5) et une boue (6) contenant les particules solides (7). 2.- Procédé d'épuration suivant la revendication 1, dans lequel les particules solides (7) introduites au laveur (L) ont une taille moyenne comprise entre 50 lm et 100 lm. 3.- Procédé d'épuration suivant l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le séparateur solide-liquide (S) est constitué d'un ou de plusieurs hydrocyclones. 4.- Procédé d'épuration suivant l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le séparateur solide-liquide (S) comprend une centrifugeuse. 5.- Procédé d'épuration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la quantité des particules solides (7) introduites au laveur (L) est telle que la concentration de ces particules solides dans les effluents (4) envoyés au séparateur solide-liquide (L) est comprise entre 10 mg/I et 1000 mg/I. 6.- Procédé d'épuration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les particules solides (7) sont introduites au laveur (L) sous forme d'une suspension dans une base aqueuse. 7.- Procédé d'épuration suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fraction claire (5) est évacuée lorsque le laveur (L) opère en boucle ouverte et est au moins partiellement recyclée au laveur lorsque le laveur opère en boucle fermée. 8.- Procédé de traitement des fumées d'échappement émises par un moteur diesel, dans lequel : 3056412 10 - les fumées à traiter (1) et un liquide (2) de lavage de ces fumées sont introduits dans un laveur humide (L), et - des effluents liquides (4) sortant du laveur (L) sont épurés par le procédé d'épuration conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, la fraction 5 claire (5) issue du séparateur solide-liquide (S) étant, lorsque le laveur opère en boucle fermée, au moins partiellement recyclée au laveur pour constituer une partie du liquide de lavage (2). 9.- Procédé de traitement suivant la revendication 8, dans lequel le liquide de 10 lavage (2) contient de l'eau de mer. 10.- Procédé de traitement suivant l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel on met en oeuvre le procédé de traitement à bord d'un navire marin.