Brevet FR3073430A1 — publié le 20190517

Module de dépoussiérage électrostatique La présente invention concerne un module de dépoussiérage de type électrofiltre fil-cylindre amélioré comportant deux zones distinctes, la première (Zi), étant optimisée pour ioniser les particules et la seconde (Zc) l'étant pour assurer la migration et la capture des particules ionisées sur la paroi interne de l'électrode passive aval, les électrodes actives étant constituées en tout ou partie d'une surface hélicoïdale continue de type vis d'Archimède. Cette conception permet d'augmenter très sensiblement l'efficacité d'un séparateur électrostatique de type fil - cylindre connu en maximisant l'ionisation des particules et la puissance du champ électrique radial d'une part et le temps de séjour effectif des particules dans le champ électrique d'autre part. Ils ont pour vocation d'être utilisés seuls ou comme filtres finisseurs implantés à la suite ou combinés avec d'autres types de filtres pour éliminer les particules ultrafines (submicroniques) qui sont les plus dangereuses pour la santé et font l'objet d'une attention croissante de la part des législateurs. Les électrofiltres séparateurs de type fil - cylindre sont bien connus ils ont fait l'objet de nombreuses études, thèse et réalisations. Ils peuvent être utilisés seuls mais également comme filtres finisseurs en aval d'autres types d'épurateurs par exemple les filtres à effet centrifuge. Ils comportent une électrode active, alimentée en haute tension, placée dans l'axe d'une électrode passive reliée à la terre. L'électrode active est habituellement constituée d'un fil ou d'une tige de petit diamètre, parfois garnie d'éléments saillants et l'électrode passive est constituée d'un simple tube périphérique. Le gaz à épurer est admis à l'une des extrémités du tube, généralement en bas et il ressort par l'autre extrémité. Après leur admission dans l'épurateur les particules de poussières contenues dans le gaz sont ionisées par effet Corona puis elles sont soumises au champ électrique radial engendré par l'électrode active qui les fait migrer jusqu'à la paroi interne de l'électrode passive sur lequel elles se déposent. Périodiquement par chocs, vibration ou ruissellement d'eau, les particules sont décollées de l'électrode et récupérées par gravité à la base du système. Cette conception basique n'est pas optimale car l'efficacité d'un tel épurateur peut s'exprimer par une formule de type F = (k x E) / d2 avec (F) qui représente la force d'entraînement des particules ionisées vers la paroi collectrice, (E) le champ électrique radial et (d) la distance entre les électrodes, or le champ (E) croit avec la tension d'alimentation des électrodes actives mais plus cette tension est élevée plus il faut augmenter (d) pour éviter la formation d'arc électriques entre électrodes actives et passives. Pour une tension donnée il existe une distance minimale (dm) en dessous de laquelle on ne peut pas descendre. 2 Eri même temps il faut considérer un autre paramètre important : Le temps de séjour du gaz à épurer dans le champ électrique, qui doit être le plus long possible pour permettre la migration des particules. On voit bien que pour augmenter l'efficacité il faut diminuer la très influente distance (d) entre électrodes mais que si l'électrode active est un simple fil ou une tige de petit 5 diamètre, cela conduit à utiliser une électrode passive également de petit diamètre, donc de faible section qui entraîne une vitesse des gaz élevée et un temps de séjour réduit. Pour contourner cette difficulté on a imaginé de charger les particules au moyen d'une électrode de type fil puis d'utiliser une électrode de relativement gros diamètre pour engendrer le champ électrique radial, mais si l'on n'augmente pas en proportion le diamètre de l'électrode passive de 10 collecte cette conception diminue la section de passage du gaz en zone de capture ce qui entraîne une vitesse des gaz importante dans la zone de précipitation et un temps de séjour insuffisant. On peut néanmoins avantageusement scinder le séparateur en deux zones distinctes consécutives, chacune étant munie d'électrodes active et passive de conception et diamètre différents et avoir : 1 / Une zone amont d'ionisation (Zi) relativement courte, avec une électrode active de quelques 15 millimètres de diamètre, dans l'axe d'une pièce tubulaire reliée à la terre avec une distance (d) entre électrodes la plus petite possible mais supérieure à (dm) selon la tension d'alimentation. On maximise ainsi la charge des particules. 2 / Une zone aval de capture (Zc) des particules ionisées constituée d'électrodes de diamètre relativement important, respectant une distance (d) minimale tout en évitant les amorçages mais 20 permettant d'offrir au gaz une grande section de passage annulaire et un temps de séjour suffisant avec une longueur de la zone limitée. Toutefois, dans la zone de capture (Zc), la recherche d'une section de passage du gaz la plus grande possible tout en limitant la distance (d) conduit à utiliser des électrodes actives et passives de grand diamètre pour obtenir une section annulaire importante, or la valeur du champ électrique 25 qui entraîne les particules est de la forme E = q 1(4 x ic xsx R). Le champ électrique (E) sur l'électrode est inversement proportionnel au rayon (R) de l'électrode ou plus exactement à la densité de charge électrique par unité de surface de l'électrode active. Lorsque (R) augmente cette surface augmente et le champ (E) diminue. La présente invention permet de résoudre ces antagonismes en utilisant comme électrode active 30 de la zone de capture non pas, comme il est connu, un fil, une tige ou un solide de révolution cylindrique, ovoïde, tronconique ou autre, fermé et de section constante ou non, occupant entièrement un volume et ayant en tous sens un rayon de courbure important, mais une surface hélicoïdale de type vis d'Archimède, comportant un seul ou une pluralité de filets, continue ou fragmentée, avec ou sans âme, de diamètre et de pas constant ou différencié selon la zone. 3 Dans cette conception le volume occupé par la vis est minime et l'on peut considérer comme section utile de passage du gaz la quasi-totalité de celle du tube constituant l'électrode passive, on choisira donc le diamètre de ce tube en fonction du débit de gaz à épurer afin d'obtenir la vitesse, donc le temps de séjour voulu, dans les zones d'ionisation (Zi) et de capture (Zc). 5 Le diamètre externe de la vis sera lui-même déterminé afin de respecter la distance (d) évitant tout amorçage d'arc électrique entre la vis et le tube. On peut ainsi optimiser la géométrie du module en fonction du débit de gaz à épurer. L'autre bénéfice important de cette conception est que l'on obtient une densité de charge électrique élevée par unité de surface tout au long de l'arête extérieure de la vis avec une faible 10 consommation électrique. Enfin, la vis ayant un pas relativement grand, elle impulse au gaz un mouvement hélicoïdal qui favorise la migration des particules par effet centrifuge sans augmenter sensiblement la perte de charge. Les électrodes actives selon l'invention peuvent être constituées d'une vis à filet unique mais on peut aussi avantageusement utiliser une vis à filets multiples, enroulés en parallèle autour d'une 15 âme commune, afin d'obtenir un champ électrique plus intense et surtout plus régulier tout au long de la zone de capture. On peut également prévoir d'utiliser en amont ou en aval de la vis des éléments différents, par exemple une tige garnie de pièces saillantes ou une autre vis de plus petit diamètre au niveau de la zone d'ionisation (Zi). Les diamètres des pièces tubulaires composant les électrodes passives 20 étant alors différents d'une zone à l'autre pour respecter la distance (d). Avec un module selon l'invention il est possible d'alimenter l'électrode active de la zone d'ionisation avec une tension différente ou un type de courant différent de celui de la zone de capture. Il suffit pour cela que les électrodes actives des deux zones soient reliées par une pièce de jonction électriquement isolante. On peut ainsi encore mieux optimiser l'ensemble avec 25 l'utilisation de courant pulsé par exemple. L'électrode passive de la zone de capture est à priori constituée d'une pièce cylindrique mais, sa section peut également être polygonale, par exemple hexagonale pour grouper plusieurs modules accolés en parallèles avec un minimum d'encombrement et il va de soi que l'on peut utiliser un tube externe de diamètre constant pour l'ensemble de l'épurateur et une vis de 30 diamètre et/ou de pas différencié, combinée ou non à d'autres formes d'électrodes actives selon la zone. On reste toujours dans le cadre de l'invention si des surfaces hélicoïdales de type vis d'Archimède, ou même des fractions de vis, telles que des pales ou des ailettes disposées en hélice, sont utilisées dans tout ou partie des électrodes actives. 4 - Par ailleurs pour éviter que l'accumulation de poussière sur la surface des électrodes ne diminue l'efficacité du système on installe classiquement sur la paroi externe du module des moyens tels que des marteaux ou des vibreurs et des buses d'injection d'air comprimé, d'eau ou de vapeur sous pression sur la circonférence du module, d'une part au sommet et d'autre part à la base de 5 la partie cylindrique de la zone de capture. Les jets d'air ou d'eau étant orientés pour que leur effet mécanique balaye entièrement les parois internes des électrodes passives et les parois externes des électrodes actives. Enfin pour éviter que les particules capturées à la surface de l'électrode passive soient remises en circulation lors des opérations de nettoyage, des moyens sont prévus pour stopper le flux 10 gazeux dans le module pendant ces opérations et permettre la récupération des poussières par gravité à la base du module. L'invention sera bien comprise à la lecture des descriptifs qui suivent et des dessins de la planche annexée qui illustrent à titre non limitatif deux formes préférentielles de réalisation de l'invention. 15 Les descriptions se réfèrent à des modules fonctionnant en position verticale avec l'admission du gaz chargé de particules en partie basse et la sortie de ce gaz épuré en partie haute. Bien entendu sans sortir de l'invention on peut concevoir des modules fonctionnant dans n'importe quelle autre position. De même, les dessins représentent une vis à filet unique mais l'invention englobe l'usage de vis à filets multiples enroulés en parallèle autour d'une âme commune. 20 Sur la figure (I) de la planche unique un module électrostatique selon l'une des formes possibles de l'invention est constituée par : 1 / Une zone d'ionisation (Zi) comportant elle-même : Une tige conductrice (1), rond ou tube de quelques millimètres de diamètre placée dans l'axe d'une pièce tubulaire (2) reliée à la terre. Cette tige étant équipée de plusieurs pointes (3) ou de 25 pièces saillantes, réparties sur plusieurs étages pour constituer l'électrode active d'ionisation. Le sommet des pointes (3) fixées sur la tige (1) est à une distance (d) plus grande que (dm) de la paroi interne du tube (2). Cette distance (dm) est déterminée par la tension d'alimentation appliquée à la tige (1). 2/ Une zone de capture (Zc) des particules ionisées comportant : 30 Une pièce hélicoïdale continue de type vis d'Archimède (4), constituant l'électrode active, alimentée en courant haute-tension, placée dans l'axe d'une pièce tubulaire (5) reliée à la terre formant l'électrode passive, la distance (d) entre l'arête externe de la vis (4) et la paroi interne du tube (5) étant supérieure à (dm). 5 L'extrémité inférieure de la vis (4) est reliée à l'extrémité supérieure de la tige (1) par une pièce de jonction (6) et la pièce tubulaire (5) étant de diamètre plus grand que la pièce (2), la liaison est assurée par un élément creux tronconique (7). Les pièces de liaison (6) (7) étant dans ce cas réalisées en matériau électriquement conducteur. 5 3 / Des aménagements et équipements divers permettant le fonctionnement : On trouve en amont de la zone d'ionisation (Zi) une pièce en T pour l'admission des gaz à épurer avec une tubulure d'entrée (8) horizontale débouchant dans une tuyauterie verticale (9) reliée par le haut à l'entrée de la pièce tubulaire (2) et par le bas à un dispositif connu (10) de récupération des particules extraites du gaz, par exemple un bac fermé ou un big-bag. 10 A la jonction de la tubulure (8) et de la tuyauterie (9) un volet basculant (11) permet soit d'isoler le module pendant les opérations de nettoyage soit d'isoler le dispositif (10) de récupération des particules pendant le fonctionnement. Cette disposition évite tout réentraînement des particules. Ce volet unique (11) peut éventuellement être remplacé par un jeu de registres synchronisés. En haut du module on trouve une tubulure (12) de sortie des gaz épurés et un isolateur (13) 15 permettant l'amenée de la haute tension sur les électrodes actives (4) et (1). Des moyens (14) permettent de faire vibrer périodiquement le module pour décoller les particules des parois et, pour améliorer sensiblement l'efficacité des nettoyages, il est prévu d'autres moyens (15) pour l'injection d'air comprimé, d'eau ou de vapeur, disposées en couronnes d'une part au sommet du module et d'autre part en bas de la pièce (5) juste au-dessus de l'élément tronconique (7) 20 les jets étant orientés de façon à balayer avec force toutes les parois des électrodes. Une pièce en forme de croisillon en matériau isolant (16) est également prévue pour maintenir l'axe de l'électrode (1) dans l'axe de la pièce tubulaire (2). Le fonctionnement est le suivant : Le gaz à traiter pénètre dans le module par la tubulure (8) il est ionisé par l'effet Corona de 25 l'électrode (1) dans la zone (Zi) ce qui a pour effet de charger électriquement les particules de poussière. Lorsqu'il passe en zone de capture (Zc) il traverse le champ électrique radial crée entre l'électrode hélicoïdale active (4) et l'électrode tubulaire passive (5) ce qui provoque la migration des particules jusqu'à la paroi de l'électrode passive (5) sur laquelle elles se fixent. Le gaz épuré ressort du module par la tubulure (12). 30 Périodiquement le volet (11) pivote et isole le module du flux gazeux, en même temps les moyens de vibration (14) et d'injection (15) sont mis en oeuvre pour décoller les particules des parois des électrodes et les récupérer par gravité sous le module dans le réceptacle (10). 6 - Lifte autre forme de l'invention est applicable entre-autres à l'épuration de fumées en sortie d'un appareil de combustion tel qu'une chaudière ou un poêle à biomasse par exemple, y compris ceux fonctionnant en tirage naturel ou requérant des pertes de charge minimales. Le dessin (II) de la planche unique illustre cette forme dans laquelle le module, qui vient 5 surmonter ou s'insérer dans un conduit de fumée, comporte une électrode active constituée d'une pièce hélicoïdale continue de type vis d'Archimède (4) placée dans l'axe de l'électrode passive composée d'un tube (5) de diamètre suffisant pour respecter la distance (d) entre l'arête externe de la vis (4) et la paroi interne du tube (5). La vis (4) composant la partie supérieure de l'électrode active est prolongée vers le bas par une tige (1') et le tube (5) qui constitue 10 l'électrode passive de capture qui entoure la vis (4) est muni d'un fond incliné (17). Ce fond incliné (17) est traversé en son centre par un tube vertical (18) d'arrivée du gaz ou des fumées de diamètre inférieur à celui du tube (5) et dont la partie terminale supérieure, dans le sens de circulation du gaz, englobe la partie inférieure (1') de l'électrode active, formant ainsi la zone d'ionisation (Zi) du module. Le fond incliné (17) comporte, en son point le plus bas, un orifice 15 (19) permettant l'évacuation par gravité des particules décollées du tube (5) lors des opérations de nettoyage assurées par la mise en oeuvre des moyens prévus (14). Pendant ces opérations un volet (20) obture l'arrivée du gaz et un autre volet, non représenté, peut isoler le conduit (19). Les applications de la présente invention se trouvent principalement dans le dépoussiérage des effluents gazeux de toutes natures, l'extraction de particules ultrafines à la suite d'un filtre 20 classique, la récupération de matière pulvérulente, REVENDICATIONS1 / Module de dépoussiérage électrostatique composé d'électrodes actives alimentées en haute tension placées dans l'axe de pièces tubulaires reliées à la terre formant les électrodes passives caractérisé par le fait que les électrodes actives sont constituées de surfaces hélicoïdales continues de type vis d'Archimède (4) à un seul filet ou à filets multiples enroulés en parallèle autour d'une âme commune. 2 / Module de dépoussiérage électrostatique selon la première revendication caractérisé par le fait qu'il comporte deux zones distinctes, la première (Zi) pour l'ionisation des particules et la seconde (Zc) pour leur capture, les électrodes actives (1) et (4) et passives (2) et (5) étant différenciées en fonction de leur zone (Zi) ou (Zc), l'électrode active de la zone de capture (Zc) étant constituée d'une surface hélicoïdale continue de type vis d'Archimède (4) tandis que celle de la zone d'ionisation (Zi) est constituée d'une autre vis de plus petit diamètre ou d'une tige (1) éventuellement munie de pointes ou d'éléments saillants (3), les deux électrodes actives (1) et (4) étant reliées mécaniquement par une pièce (6). 3 / Module de dépoussiérage électrostatique selon la revendication précédente caractérisé par 15 le fait que la pièce de liaison (6) peut être réalisée en matériau électriquement isolant et que chacune des électrodes actives (1) et (4) peut être alimentée par un courant de nature différente ou/et sous une tension différente. 4 / Module de dépoussiérage électrostatique selon les revendications précédentes caractérisé par le fait que, dans l'une des formes de réalisation possibles, la partie supérieure de l'électrode 20 active constituée d'une surface hélicoïdale continue de type vis d'Archimède (4) est prolongée vers le bas par une tige (1') et que le tube (5), qui constitue l'électrode passive de capture et entoure la vis (4), est muni d'un fond incliné (17) traversé en son centre par un tube vertical (18) d'arrivée du gaz ou des fumées dont la partie terminale supérieure, dans le sens de circulation du gaz, englobe la partie inférieure (1') de l'électrode active pour former la zone d'ionisation (Zi). 25 Le fond incliné (17) comportant en son point le plus bas un orifice (19) de sortie des particules. 5 / Module de dépoussiérage électrostatique selon les revendications précédentes caractérisé par le fait que des moyens (11) ou (20) sont prévus pour stopper le flux gazeux dans le module et isoler le conduit d'évacuation des particules (10) ou (19) pendant les opérations de nettoyage provoquées par la mise en oeuvre des autres moyens (14) et (15) installés à cet effet.