CH642870A5 - Procede et dispositif de separation de particules en suspension dans un gaz. - Google Patents

Description

La présente invention est relative à un procédé de séparation selon le préambule de la revendication 1. Elle concerne aussi un séparateur selon le préambule de la revendication 6 pour la mise en 30 œuvre du procédé.

L'invention vise en particulier à obtenir la séparation de particules solides en suspension dans un gaz en faisant circuler le gaz dans une enceinte où elles sont retenues par effet électrostatique.

Les procédés de dépoussiérage électrostatique sont basés sur l'at-35 traction qu'exercent sur des poussières chargées électriquement une ou des électrodes portées à un potentiel de signe opposé à celui des poussières.

Ainsi, les installations de dépoussiérage électrostatique comportent des moyens destinés à faire circuler dans une enceinte le fluide 40 gazeux chargé de poussières, un dispositif propre à charger électriquement lesdites poussières et une ou des électrodes propres à attirer lesdites poussières.

Selon une technique connue, on charge électriquement les poussières contenues dans le courant de gaz à épurer en produisant une 45 décharge électrique corona dans ce gaz. A cet effet, on fait passer celui-ci dans l'intervalle entre une première électrode, constituée par une pointe conductrice ou un fil conducteur tendu, et une deuxième électrode de surface relativement étendue, plane ou cylindrique par exemple, et on applique une différence de potentiel de l'ordre de plu-50 sieurs dizaines de kilovolts entre ces électrodes.

Le champ électrique au voisinage de la première électrode, très intense, provoque la formation dans une petite zone, dite zone active, d'avalanches électroniques qui engendrent une grande quantité d'ions et d'électrons. Les électrons, très mobiles, tendent à 55 quitter rapidement la zone active en provoquant en bordure de cette zone active la formation d'une concentration élevée d'ions positifs ou négatifs selon que la première électrode est positive ou négative par rapport à la deuxième électrode. Cette concentration d'ions constitue une charge d'espace. Les poussières qui circulent dans la 60 zone de charge d'espace acquièrent par diffusion ou par bombardement une charge de même signe que la charge d'espace. La charge finale de chaque particule de poussière dépend de sa dimension, de son temps de séjour dans cette zone et de la valeur de la charge d'espace, mesurée par le produit de la quantité de particules ionisées 65 par unité de volume dans l'espace considéré et de la charge de ces particules.

Dans le cas où le gaz chargé de poussières est explosif, par exemple une atmosphère de silo à blé où la très fine poussière de

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gluten qui s'accumule dans l'air ambiant fournit un mélange très détonant, la création d'une décharge corona est à prohiber, la moindre étincelle pouvant être à l'origine de dommages considérables.

Par ailleurs, le rendement d'une décharge corona décroît au fur et à mesure qu'augmente la température du gaz dans lequel elle est produite, et cela en raison de l'agitation thermique des molécules du fluide gazeux. Lorsqu'une de ces molécules rentre en collision avec un ion négatif, elle provoque le détachement de l'électron de ce dernier, ce qui engendre une augmentation du courant électronique de la décharge, avec pour conséquence un abaissement du rendement de la production de charge d'espace et l'apparition d'instabilités dans la décharge.

De ce fait, le dépoussiérage des gaz de combustion issus de foyers, par exemple de foyers à lit fluidisé brûlant du charbon ou des combustibles de récupération à bas pouvoir calorifique, en faisant appel à une décharge corona, est pratiquement impossible. Faute d'une procédure de dépoussiérage efficace, on n'a pas pu, jusqu'à présent, associer directement de tels foyers à des moteurs à pistons ou des turbines à gaz sans que ceux-ci ne soient détériorés rapidement par l'action des poussières.

On connaît également des techniques de dépoussiérage par précipitation électrostatique qui ne font pas intervenir une décharge corona, mais une association de gouttelettes très fines avec les poussières ou particules que l'on cherche à éliminer.

Ainsi, par exemple, il a été proposé d'épurer un courant gazeux par un contact gaz-liquide en pulvérisant un liquide dans une buse supersonique alimentée par de l'air comprimé, l'atomisat résultant étant injecté, en général à contre-courant, dans un courant de fluide gazeux à épurer. La buse est portée à un potentiel électrique élevé par rapport à la masse de l'installation, de sorte que les gouttelettes d'eau qui en sortent sont chargées et se collent aux poussières pour les entraîner vers des parties métalliques reliées électriquement à la masse de l'installation, provoquant ainsi leur séparation du gaz. Les poussières résiduelles, qui sont entraînées avec les gouttelettes dans le courant de gaz au-delà des buses, sont précipitées à leur tour sur une électrode portée à un potentiel électrique convenable.

Une autre technique de ce type consiste à produire un jet de fines gouttelettes d'eau à la sortie d'une buse mise à la masse disposée en face d'une électrode annulaire polarisée par une haute tension afin de communiquer une charge de signe prédéterminé auxdites gouttelettes d'eau. Lorsque les particules à éliminer de l'atmosphère recevant le jet sont elles-mêmes déjà chargées électriquement, les gouttelettes d'eau chargées sont attirées par ces particules et forment un brouillard qui permet d'obtenir leur dépôt.

L'une et l'autre de ces techniques mettent en œuvre un lavage à l'eau du gaz à épurer et, ainsi, ne permettent pas de traiter à sec un gaz ou toute atmosphère dans laquelle la formation de boues est à prohiber. Elles sont, en outre, inefficaces à l'égard d'atmosphères à des températures pour lesquelles les gouttelettes d'eau sont vaporisées avant qu'elles s'associent aux particules à éliminer.

La présente invention concerne notamment un procédé de séparation de particules solides ou poussières en suspension dans un gaz par précipitation électrostatique et qui, en particulier, permet de résoudre les problèmes précédemment énoncés pour le dépoussiérage d'atmosphères explosives ou à température élevée.

Le procédé de séparation électrostatique de particules selon l'invention est défini par la revendication 1.

Par ce procédé, on produit ainsi des charges électriques dans un premier milieu contenu dans ladite chambre et on les transfère dans un deuxième milieu, contenu dans ladite enceinte où circule le gaz à épurer, pour y créer une charge d'espace. Les premier et deuxième milieux sont indépendants au point de vue électrique, de sorte qu'aucune étincelle du premier milieu ne peut se propager vers le deuxième milieu. En outre, les caractéristiques propres du premier milieu dans lequel on engendre la formation d'ions ne sont pas influencées par celles du deuxième milieu où l'on utilise ces ions pour charger des particules à précipiter par voie électrostatique.

On prévoit de maintenir la charge d'espace sur le trajet du gaz à épurer à une valeur très sensiblement inférieure à celle qui serait suffisante pour l'amorçage d'une décharge corona en un point quelconque de l'enceinte correspondante. On élimine ainsi complètement les risques de décharge ou d'étincelle dans le cas où l'atmosphère à épurer est explosive.

On a constaté que des valeurs de charges d'espace, suffisamment faibles pour ne pas présenter de danger, sont tout à fait efficaces pour charger électrostatiquement les particules en vue de leur précipitation.

En outre, on peut prévoir, pour de telles atmosphères, d'utiliser dans la première chambre une décharge corona négative. On obtient un bon rendement énergétique et un transfert stable des ions négatifs sur le trajet du courant de fluide à épurer.

Dans le cas d'une atmosphère à épurer à haute température, on peut prévoir d'entretenir une décharge corona dans une chambre dont la température est suffisamment basse pour obtenir un bon rendement de charge d'espace et, à partir de cette chambre, de transférer les ions dans les gaz chauds à épurer. On prévoit avantageusement d'injecter des ions positifs produits à partir d'une décharge corona positive. On évite ainsi l'apparition dans la seconde chambre d'électrons engendrés par collision des ions négatifs avec les molécules du gaz excitées par l'agitation thermique.

On prévoit également de régler la charge d'espace de façon à limiter la probabilité que des électrons ne soient produits par ionisation dans le volume de gaz chaud à dépoussiérer. Ce réglage peut s'effectuer par action sur le potentiel de la pointe autour de laquelle l'effet corona est produit dans la première chambre, ce qui fait varier le courant transporté par les microparticules dans la seconde chambre.

L'invention a également pour objet un séparateur électrostatique pour la mise en œuvre du procédé. Ce séparateur est défini par la revendication 6.

La description qui suit, donnée à titre d'exemple, se réfère aux dessins annexés, dans lesquels:

la fig. 1 est une représentation schématique en perspective avec arrachement partiel d'une installation selon l'invention;

les fig. 2a et 2b représentent deux variantes de montage d'injec-teurs dans l'installation, vues en coupe par le plan I-I de la fig. 1 ;

la fig. 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un injecteur utilisé pour la mise en œuvre de l'invention;

la fig. 4 est une vue en coupe avec arrachement partiel d'un mode de réalisation pour le dépoussiérage de gaz chauds;

la fig. 5 est une vue schématique en coupe verticale d'un autre mode de réalisation d'une installation d'épuration de gaz chauds;

la fig. 6 est une vue en coupe transversale selon le plan VI-VI de la fig. 5;

la fig. 7 montre schématiquement une autre forme de réalisation d'un dispositif d'injection d'ions dans une installation selon l'invention;

les fig. 8, 9 et 10 représentent trois variantes de réalisation du dispositif de la fig. 7, et la fig. 11 illustre un exemple de mise en œuvre de l'injecteur. Une enceinte est constituée par un couloir parallélépipédique 10 (fig. 1) limité par deux parois verticales parallèles 11 et 12, un plancher 13, et une paroi supérieure 15 (non montrée sur la fig. 1). L'enceinte 10 comporte une entrée 14 pour l'admission de gaz à épurer et une sortie 16 pour leur évacuation après précipitation des particules solides contenues dans ces gaz. L'entrée 14 débouche dans une zone de charge 17 suivie, le long du trajet du gaz à épurer dans l'enceinte 10, par une zone de précipitation électrostatique 19 comprenant une pluralité de plaques 20 parallèles aux parois 11 et 12 reliées alternativement à des sources de potentiel respectivement positif et négatif.

Dans la zone de charge 17 débouchent une pluralité d'injecteurs 21 alignés suivant des rangées verticales 23 et 24, les injecteurs de la rangée 23 traversant la paroi 11 et les injecteurs de la rangée 24 traversant la paroi 12.

Chaque injecteur comporte à son extrémité antérieure une buse 25 (fig. 2a et 2b) débouchant dans le couloir 10, un corps 26 traver5

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sant la paroi 11 ou 12, respectivement perpendiculairement à celle-ci et une partie postérieure 28 reliée, d'une part, à une conduite commune 29 d'admission d'air humide comprimé et, d'autre part, à un câble d'alimentation en haute tension 42 (voir fig. 2a).

Les injecteurs 24 de la fig. 2a, au nombre de cinq dans chaque rangée 23 et 24, sont montés dans les parois 11 et 12, de telle sorte que la buse 25 de chaque injecteur de la rangée 23 soit placée en regard de la buse 25 d'un injecteur homologue de la rangée 24.

Les injecteurs de la fig. 2b sont disposés en quinconce, les autres injecteurs traversant la paroi 12 formant une rangée 24' d'injecteurs dont les axes sont décalés par rapport aux axes des quatre injecteurs de la rangée 23' dans la paroi 11.

Chaque injecteur 21 (fig. 3) comporte un corps tabulaire 30 conducteur ou isolant délimitant une chambre cylindrique interne 32. Une tuyère 34, définissant un col de tuyère 35, est montée en avant du tube 30 dans l'axe de ce dernier. Le divergent de la tuyère débouche dans un embout tabulaire 36 formant la buse d'injection 25. La partie arrière 28 du tube 30 se prolonge par un cylindre creux 38 fermé à sa partie postérieure et présentant une ouverture latérale 39 reliée à la conduite d'alimentation en air comprimé 29. La paroi postérieure 40 du cylindre creux 38 porte une traversée isolante 41 étanche à laquelle est raccordé le câble d'alimentation électrique 42; la traversée est connectée à une première électrode effilée ou aiguille 45 fixée par une monture 44 sur la paroi interne de tube 30. La monture 44 est isolante, elle est constituée d'une structure étoilêe comportant par exemple trois branches radiales. L'aiguille 45 est métallique et disposée suivant l'axe du tube 30, sa pointe se terminant au col 35 de la tuyère 34. Cette tuyère est en un matériau conducteur de l'électricité et constitue une deuxième électrode reliée à une source de tension continue 48 par le câble 49 et à la masse de l'installation par une liaison 51. L'aiguille 45 est reliée par le conducteur 42 à l'autre pôle de la source de haute tension 48.

En fonctionnement, lorsque la tension atteint une valeur suffisamment élevée, une décharge corona s'établit entre l'aiguille 45 et la tuyère 34 dans le gaz humide traversant le col 35 de cette dernière.

Si l'électrode centrale ou aiguille 45 est négative, elle recueille des ions positifs et les électrons s'en éloignent en diffusant. Dans le fluide gazeux où se produit la décharge, les électrons s'attachent rapidement aux molécules des gaz électronégatifs en engendrant des ions négatifs moins mobiles que ces électrons, qui forment la charge d'espace. On peut montrer que le rendement en énergie électrique de la formation d'une charge d'espace négative s'améliore d'autant plus que le gaz, siège de la décharge, facilite la formation d'ions négatifs. La faible mobilité des ions négatifs permet, en outre, d'obtenir une charge d'espace stable autour de l'électrode centrale 45. Tel est le cas avec de l'air sec ou humide. Avec des gaz faiblement électronégatifs, il y a lieu de craindre les phénomènes d'instabilité qui se produisent lorsque les électrons, ne s'attachant pas sous la forme d'ions négatifs, créent des filaments ionisés à travers le gaz, qui dégénèrent en arcs électriques capables de provoquer le court-circuit de l'électrode centrale et, par conséquent, de nuire au fonctionnement du dispositif.

Si l'électrode centrale 45 est positive, les électrons progressent rapidement vers cette dernière, en laissant une très forte quantité d'ions qui créent un plasma suffisamment dense pour provoquer la formation d'un canal ionisé qui apparaît comme une amorce d'étincelle. Ce canal progresse à partir de l'électrode centrale en direction de la deuxième électrode en poussant devant lui la zone active, siège des avalanches. Si le canal ionisé progresse jusqu'à la deuxième électrode, un court-circuit entre ces deux électrodes se produit. En limitant la différence de potentiel appliquée entre les électrodes, il est possible de limiter la progression de la zone active de telle façon que la décharge se maintienne sans amorcer d'étincelle et produire de court-circuit dangereux, la zone active étant entourée d'une charge d'espace constituée d'ions positifs.

L'air admis dans la conduite 30 possède un degré hygrométrique moyen, par exemple 50% d'humidité relative dans les conditions normales de température et de pression. On dispose d'une assez grande latitude à cet égard et tout air dont le degré hygrométrique est supérieur à 10% convient'pour la mise en œuvre du procédé, ce qui permet de l'appliquer sans nécessiter de mesures particulières pour l'humidification de l'air ambiant dans des endroits très variés. Dans le cas où l'air est trop sec, on commence d'abord à le comprimer à la pression génératrice nécessaire à l'obtention de la détente supersonique, puis on l'humidifie ensuite par passage dans un humidificateur avant de l'admettre dans la conduite 30.

La détente supersonique de l'air humide dans le divergent suivant le col 35 de la tuyère 34 produit des microparticules de glace d'un diamètre de l'ordre du centième de micron qui piègent les ions engendrés par la décharge corona entretenue par la différence de potentiel élevée existant entre la pointe de l'aiguille 45 et ledit corps de tuyère 34. Le jet de microparticules à la sortie de la tuyère entraîne les charges piégées à l'intérieur de la buse 25 vers la zone de charge 17 dans l'enceinte 10. Ces charges sont libérées par la vaporisation des microcristaux de glace à une dizaine de centimètres de la tuyère 34. Elles se répandent alors par diffusion et sous l'effet de leur propre charge d'espace dans la zone 17 avant d'être collectées par les parois métalliques 11,12,13 et 15.

La valeur de la charge d'espace ainsi créée peut être contrôlée en agissant sur les paramètres de formation de la décharge corona et, en particulier, la différence de potentiel appliquée entre les électrodes, la vitesse et la pression de l'air, la dimension de la tuyère provoquant la détente de l'air comprimé, etc.

La valeur de cette charge d'espace peut être relativement faible par rapport à celle mise en œuvre par la décharge corona à l'intérieur de l'injecteur 21, tout en procurant une densité ionique suffisante dans l'espace 17 pour charger les poussières véhiculées dans un courant de gaz à un niveau permettant leur précipitation ultérieure dans la zone de précipitation électrostatique 19.

Le courant électrique transporté par les particules chargées dans la zone de charge 17 est relativement faible par rapport au courant injecté par l'injecteur 21. La majeure partie de ce courant va donc sous forme de courant d'ions à la paroi métallique de l'enceinte de charge 17 qui est reliée à la masse en parallèle avec le corps de la tuyère 34 et qui joue un rôle analogue à l'électrode auxiliaire des dé-poussiéreurs classiques à décharge corona.

Le fluide gazeux chargé de poussières est admis à l'entrée 11 de l'enceinte 10 selon la flèche 52 (fig. 1) et traverse la zone de charge 17 où les particules de poussière se chargent par diffusion et bombardement au contact de la charge d'espace, de sorte qu'elles sont ensuite précipitées sur les plaques polarisées 20 de la zone de précipitation électrostatique 19 à leur passage entre celles-ci; le gaz épuré quitte l'enceinte 10 dans la direction de la flèche 53.

Dans un exemple de réalisation, l'aiguille 45 est portée à un potentiel négatif de 12 kV par rapport à la tuyère et un courant de 50 |iA est produit à la sortie de cette dernière lorsque la conduite 29 alimente l'injecteur avec un débit d'air humide de 20 m3/h (mesuré dans les conditions normales de pression et de température) sous une pression génératrice de 6 bar, d'où résulte une détente supersonique à un nombre de Mach voisin de 1,5 au col 35 de la tuyère 34, dont le diamètre est de 2,3 mm.

L'enceinte 10 a une hauteur d'environ 100 cm et une largeur de 40 cm. La zone de charge a une longueur effective de 20 cm et les injecteurs sont disposés face à face dans cette zone, leurs buses étant espacées de 30 cm. Chaque couple d'injecteurs, face à face, laisse passer un courant total de 100 pA qui, avec la géométrie considérée et en tenant compte de la mobilité des ions, permet de créer une charge d'espace dans la zone 17 de 1013 ions positifs ou négatifs/m3 au minimum, ce qui correspond à un champ électrique de 1,7-W5 V/m.

Le gaz admis, préalablement épuré mécaniquement, véhicule à une vitesse de 2 m/s un flux de poussières résiduelles suivant un débit de 7 g/s, le diamètre moyen de ces poussières étant de 3 n. Chaque poussière traverse la zone de charge en 0,1 s. en acquérant environ 300 charges négatives en moyenne, correspondant à un courant de charge en provenance des injecteurs de 12 pA.

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Le flux de poussières chargées pénètre dans la zone de précipitation 19 dont les dimensions sont les suivantes: hauteur 100 cm, longueur 100 cm, la distance entre les plaques étant de 2,60 cm et ces plaques étant reliées à des potentiels alternativement positifs et négatifs de 10 kV.

La vitesse d'entraînement du fluide gazeux véhiculant les particules chargées est de 2,8 m/s dans cette zone et la durée de passage entre les plaques de 0,35 s, pour obtenir une précipitation quasi totale de ces dernières.

La forme de réalisation montrée sur la fig. 4 est un dépoussiéreur de gaz comportant une enceinte 110 délimitée par des parois 111, 112,113, semblables aux parois 11, 12,13 de l'enceinte de la fig. 1 et, dans l'ordre, entre son entrée 114 et sa sortie 116, un premier lit granulaire de filtrage 115, animé d'un lent mouvement descendant, et une zone de charge 117 dans laquelle débouchent des séries d'injecteurs 121 formant des rangées verticales 123 et 124 traversant respectivement les cloisons 111 et 112. Les injecteurs 121 sont analogues à ceux des fig. 1 à 3. A la suite de la zone 117 se trouve un deuxième filtre 119 comportant un lit granulaire vertical animé d'un lent mouvement descendant remplissant l'espace entre deux plaques métalliques ajourées ou grillagées 125 et 126 transversales par rapport aux cloisons 111 et 112 et reliées respectivement aux bornes positive et négative d'une alimentation en haute tension continue, ou à deux bornes d'une alimentation alternative, pour effectuer la précipitation électrostatique des particules du courant gazeux issu de la chambre 117 sur les grains du filtre chargés par influence.

Le gaz à dépoussiérer parvient dans la direction de la flèche 152 à l'entrée 114; le gaz épuré est délivré dans la direction de la flèche 153 à la sortie 116. Ce séparateur se différencie du précédent par son volume réduit.

Les deux séparateurs décrits sont applicables au dépoussiérage de gaz chargés de poussières très isolantes pour lesquels les appareils connus sont inefficaces.

Le dépoussiéreur des fig. 5 et 6 reçoit des gaz à dépoussiérer à une pression de 12 bar et à 900° C, tels que ceux provenant de la combustion de charbon pauvre ou de déchets combustibles dans un foyer alimenté selon la technique du lit fluidisé à cendres sèches sous pression.

Ce dépoussiéreur de gaz chauds comporte des éléments de filtrage de forme générale cylindrique et la circulation des gaz est conçue en vue de minimiser les déperditions calorifiques de ces gaz entre l'entrée et la sortie du dépoussiéreur. Ces gaz sont issus d'un foyer à lit fluidisé qu'on alimente en air comburant préalablement réchauffé.

Les gaz à dépoussiérer sont admis sous pression par une tuyauterie 201 dans un réservoir 202, garni intérieurement d'une couche calorifuge 203 d'isolant thermique, et de configuration générale cylindrique verticale présentant à ses extrémités supérieure et inférieure deux dômes hémisphériques, respectivement 205 et 206. Entre la couche calorifuge 203 et une paroi métallique 211 est prévue une série de canaux de ventilation 208 qui sont destinés à faire circuler de l'air frais, avant son admission comme comburant dans le foyer générateur de gaz chauds, en vue de son réchauffement. A l'intérieur de l'espace limité par les canalisations de réchauffement 208 est logé un filtre à lit granulaire 207 de forme sensiblement homothétique de celle du réservoir 202 par rapport à son centre. Ce filtre comprend une cloison externe 212 et une cloison interne 214, entre lesquelles est ménagé un espace rempli de billes d'alumine de petite dimension (diamètre 2 mm) formant un lit granulaire 210. La cloison 212 présente une ouverture à sa partie supérieure raccordée à une tubulure 216 traversant le dôme supérieur 205 du réservoir sous pression 202 de façon à admettre des granulés 218 circulant dans l'espace 210 dans le sens de la flèche 220. A son autre extrémité, la cloison 212 comporte une tubulure de sortie 222 traversant le dôme inférieur 206 du réservoir 202 de façon à permettre l'évacuation des granulés du lit de filtrage 210 dans le sens de la flèche 224. La masse de granulés remplissant l'espace entre les cloisons 212 et 214 s'écoule très lentement, par exemple 1 m/h, du haut vers le bas.

L'espace entre la paroi métallique 211 séparant les canaux de réchauffage d'air 208 de l'intérieur du réservoir et la cloison 212 est divisé par une cloison annulaire transversale 225 à mi-hauteur en deux chambres, l'une inférieure 227 dans laquelle débouche l'arrivée de gaz chauds 201, l'autre supérieure 228 reliée à une sortie 230 de gaz épuré.

Les cloisons 212 et 214 comportent des tamis annulaires capables de retenir les billes d'alumine du lit 210 pour constituer deux zones de filtrage annulaires par lesquelles le gaz à épurer peut passer, l'une en 232 entre la chambre 227 et la chambre 250 délimitée par la cloison 214, et l'autre en 234, entre la chambre 250 et la chambre 228. Ainsi, les gaz chauds pénétrant par l'entrée 201 subissent une première épuration mécanique en traversant la zone 232 du lit granulaire, à la partie inférieure du réservoir 202, puis une deuxième épuration, en retraversant le lit granulaire dans la zone 234 en direction de la sortie 230.

Ce deuxième passage s'accompagne d'une précipitation électrostatique des particules. En effet, deux anneaux isolants supérieur 240 et inférieur 242 séparent la zone de tamis du reste de la cloison interne 214 et deux anneaux isolants supérieur 243 et inférieur 244 semblables séparent la zone de tamis du reste de la cloison extérieure 212 du filtre 207. Le tamis isolé de la cloison 214 dans la zone de filtre 234 est relié à un pôle positif 320 d'une source de haute tension continue tandis que le tamis annulaire opposé de la cloison 212 est relié à un pôle négatif 321 de cette source de tension non représentée, de façon à charger par influence les billes d'alumine comprises dans la zone 234. En variante, il est possible de soumettre les tamis à une haute tension alternative.

L'intérieur de la chambre 250 délimitée par la cloison interne 214 constitue une zone de charge dans laquelle on fait passer les particules solides ayant traversé la zone de filtration 232 à travers une charge d'espace formée par des ions issus de deux injecteurs d'ions 252 et 254, fonctionnant par entraînement des ions à l'aide de microparticules d'aérosol, et pénétrant dans cette chambre au centre des dômes inférieur et supérieur de cette chambre 250 pour projeter deux flux de charges en direction l'un de l'autre selon l'axe vertical du réservoir.

Les poussières les plus fines qui ont échappé à la zone de filtre 232 se chargent dans la chambre 250 et sont filtrées et précipitées électrostatiquement dans la zone 234 du lit de granulés. Les granulés de cette zone se renouvellent progressivement à partir de la tubulure 220 et, après avoir quitté la zone 234, sont ensuite réutilisés dans la zone 232 de séparation purement mécanique.

Le gaz épuré issu de la sortie 230 du filtre électrostatique est admis à l'entrée d'une turbine à gaz ou éventuellement d'un moteur à piston après avoir suivi une étape intermédiaire de filtration chimique pour éliminer les composés alcalins ou le vanadium.

Dans l'exemple qui vient d'être présenté, la distance entre les injecteurs 252 et 254 est d'environ 1 m, le diamètre de la chambre cylindrique 250 étant de 0,4 m. Le gaz dépoussiéré est à une pression de 12 bar et à une température de 900° C.

Les injecteurs à tuyère supersonique 252 et 254 sont alimentés par de l'air humide sous pression. Le col de la tuyère métallique est mis à la masse; il a un diamètre de 1 mm. L'aiguille métallique isolée, telle que 45 sur la fig. 3, est reliée à une source de potentiel de 20 à 25 kV. Le courant injecté par chaque injecteur est de l'ordre de 250 |tA pour un débit d'air dans la conduite 29 de 15 m3/h, mesuré dans les conditions normales de pression et de température, pour une pression génératrice de 27 bar.

Pour un débit de gaz à dépoussiérer de 3600 m3/h mesuré dans les conditions normales de température et de pression, ce qui correspond à l'application d'une puissance de l'ordre de 1 MW à l'entrée d'un générateur tel qu'une turbine à gaz, avec une charge de poussière de 100 g/m3, le premier dépoussiérage, comprenant un passage dans un cyclone, puis la traversée de la zone 232 du lit granulaire, réalise une épuration à 93% environ, c'est-à-dire qu'il reste 7 g de particules à éliminer à chaque seconde.

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Avec la géométrie indiquée, le champ électrique produit dans la chambre 250 est d'environ 500 kV/m avec une densité minimale d'ions de l'ordre de 1014 au m3, qui représente une charge d'espace suffisante pour permettre à des particules de 3 ji de diamètre moyen traversant le volume considéré en 1,05 s d'acquérir environ 300 charges élémentaires, ce qui est suffisant pour leur permettre d'être recueillies par les billes polarisées du filtre électrostatique à lit granulaire dans la zone 234. Dans ces conditions, le courant emporté par les particules chargées vers la zone de filtrage électrostatique 234 est de 12 nA. Ce courant est faible par rapport au courant total injecté par les injecteurs définis précédemment. La plus grosse partie de ce courant s'évacue donc par la paroi métallique de l'enceinte délimitée par la cloison métallique 214 qui est à la masse.

Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, les particules transférées dans la zone de charge 250 par l'intermédiaire des injecteurs 252 et 254 sont des ions positifs. La valeur de la charge d'espace résultant de ce transfert d'ions positifs est très inférieure à la valeur de la charge d'espace dans la décharge corona à l'intérieur des injecteurs eux-mêmes. En outre, pour éviter que des élévations locales du champ électrique produit à l'intérieur de la zone 250 ne créent des décharges locales involontaires dans certaines parties de cette zone, la surface intérieure de la cloison métallique 214 délimitant la zone d'espace 250 est polie. On élimine ainsi les petites pointes sur cette surface qui pourraient donner naissance à des avalanches génératrices d'électrons, lesquels, compte tenu de la température élevée des gaz, risqueraient de diminuer fortement la quantité de charges communiquées aux particules de poussière et d'affecter fâcheusement l'efficacité de la précipitation électrostatique.

Dans le cas où l'on opère sur des gaz très chauds, par exemple à 900° C, comme dans l'exemple précédent, on peut employer avantageusement un dispositif d'injection légèrement modifié par rapport à celui de la fig. 3 pour réaliser des dispositifs d'injecteurs tels que 252 et 254. Il peut arriver en effet, notamment avec des températures de gaz très élevées, que la fusion ou la sublimation des microparticules porteuses de charge à la sortie de l'injecteur se fasse très rapidement et par conséquent à proximité immédiate de l'injecteur. Les ions ainsi libérés peuvent alors retourner vers l'injecteur et être captés par celui-ci, ce qui diminue d'autant la charge d'espace disponible pour charger les particules transportées par le gaz à dépoussiérer.

On prévoit deux types de dispositions pour éviter ou limiter cette capture. Selon une première disposition, l'injecteur est porté à un potentiel positif par rapport aux parois de l'enceinte métallique dans laquelle circulent les gaz à dépoussiérer de façon à créer une distribution de champ électrique ayant pour effet d'écarter les ions produits des masses métalliques de l'injecteur.

Selon une autre disposition qui peut être utilisée isolément ou en combinaison avec la première, on prévoit de refroidir le courant de microparticules émis par l'injecteur. Ce refroidissement peut notamment être obtenu par soufflage d'une veine de gaz froid, par exemple de l'air, tout autour du flux de microparticules injectées dans l'enceinte. Dans ces conditions, les transferts thermiques entre l'enceinte et les microparticules sont retardés et la sublimation de ces dernières avec libération des charges n'intervient que dans une zone de l'enceinte suffisamment éloignée de l'injecteur pour éviter leur capture par celui-ci.

Un dispositif d'injection 310 (fig. 7) comprend un tube injecteur 312 limitant une chambre 314 à l'intérieur de laquelle peut circuler le courant d'air humide sous pression dans le sens de la flèche 316 en direction d'un orifice à l'extrémité 318 du tube 312, dont le profil interne définit la tuyère. Coaxialement au tube 312 est montée une électrode-aiguille conductrice 320 dont l'extrémité 322 aboutit au voisinage du col 324 de cette tuyère. L'aiguille 320 et le tube 312 sont connectés électriquement à une source de haute tension 328. En outre, le tube 312 est maintenu à un potentiel électrique positif relativement élevé, par exemple de 20 kV, par rapport à la masse, par une source de tension 330. Le tube injecteur 312 est monté coaxialement à l'intérieur d'un tube métallique 332 dont les parois convergent vers une ouverture 336 à son extrémité 334 légèrement en aval de l'extrémité 318 du tube 312 dans le sens de l'écoulement du gaz à l'intérieur de la chambre 314. Le tube 332 est monté dans une ouverture pratiquée dans la paroi 340 d'une enceinte métallique 342 d'un dépoussiéreur électrostatique de gaz chauds, tel que représenté par exemple à la fig. 5. La paroi 340 est à la masse. Le tube 332 est pola- -risé à un potentiel qui peut être identique à, ou différent de celui du tube 312 grâce à une source de tension 321. Il traverse la paroi 340 par une traversée isolante 333.

A l'intérieur de l'enceinte 342, le tube 332 est entouré d'un serpentin 344 dans lequel on peut faire circuler un courant d'un fluide de refroidissement non conducteur. Les conduites d'amenée de fluide au serpentin sont réalisées en un matériau diélectrique de façon à supporter la haute tension positive de la source 331. Des moyens non représentés sont prévus pour faire circuler un courant d'air en direction de l'enceinte 342, dans le sens de la flèche 346,

dans l'espace annulaire entre les tubes 312 et 332.

En fonctionnement, un flux 350 de microparticules chargées injectées dans l'enceinte 342 est entouré d'une veine d'air froid sensiblement tubulaire au sortir de l'ouverture 336 du tube 332 qui retarde le réchauffement de ces microparticules et leur sublimation consécutive jusqu'à ce qu'elles se soient éloignées du tube d'injecteur 312. En outre, celui-ci est porté à un potentiel élevé par rapport aux parois 340, ce qui crée une distribution de potentiel à l'intérieur de l'enceinte 342, qui tend à éloigner du tube d'injecteur 312 les ions libérés par évaporation des microparticules.

Le fait que le soufflage d'air froid ou de tout autre gaz à la sortie 336 du tube 332 refroidisse les gaz à dépoussiérer n'est pas un inconvénient dans les applications à l'alimentation en gaz chauds de moteurs tels que des turbines à gaz à partir de foyers à combustibles pauvres. En effet, les températures des gaz qui peuvent être obtenus à la sortie de tels foyers sont très supérieures à la température maximale d'environ 900° C que peut supporter une turbine à gaz à son entrée dans l'état actuel de la technologie. Il suffit donc de prévoir la température des gaz en sortie du foyer en fonction du débit de gaz de refroidissement des injecteurs de façon à obtenir, après mélange, la température désirée à l'entrée de la turbine.

Le mode de réalisation de la fig. 7 peut faire l'objet de bien des variantes. Ainsi, la fig. 8 montre une construction dans laquelle le tube injecteur 312 est monté directement dans la paroi 340 de l'enceinte 342 à l'aide d'une traversée isolante 400. Comme dans le cas de la fig. 7, le corps du tube 312 est porté à une haute tension positive par rapport aux parois 340 qui sont à la masse. Aucun soufflage d'air froid autour des microparticules n'est prévu.

Sur la fig. 9, la surface extérieure du tube d'injecteur 312, monté comme dans le cas de la fig. 8, est entourée, à l'intérieur de l'enceinte 342, d'un serpentin 402 dans lequel circule un fluide de refroidissement.

Le fluide de refroidissement peut être un fluide diélectrique tel que de l'huile. Les amenées d'huile au serpentin 402 sont réalisées à l'aide de tuyauteries diélectriques de longueur suffisamment grande pour tenir la haute tension appliquée à l'injecteur 312. On peut également remplacer l'huile par de l'eau désionisée selon des techniques connues.

Dans le dispositif de la fig. 10, le tube injecteur 312 est polarisé par une source de tension 409. Il est entouré par le tube 332 pour souffler de l'air frais dans l'enceinte 342 autour du flux de microparticules injectées. Le tube 332 traverse la paroi 340 par une traversée isolante 406. Il est maintenu à un potentiel positif élevé par une source de haute tension continue 408.

Dans un exemple de réalisation, à ia fig. 11, on a montré un dispositif d'injecteur 412, tel que décrit en référence à la fig. 7 précédente, à l'extrémité d'une canne coudée 410 dans une enceinte 412 parcourue dans le sens de la flèche 441, par un courant de gaz chauds à dépoussiérer à la vitesse de 3 m/s. La canne 410 traverse la paroi 440 de l'enceinte pour alimenter l'injecteur 412 en air humide, air de soufflage pour le tube 332 et eau de refroidissement. L'injec-

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teur 412 est orienté de façon que le courant d'air froid soufflé autour du flux de microparticules projetées soit de même direction et de même sens que celui de gaz à dépoussiérer, et que la vitesse de ce courant d'air soit au moins égale à celle du gaz, soit dans cet exemple 3 m/s. s

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Le diamètre de sortie du tube 332 est d'environ 4 cm. Le débit de gaz froid est d'environ 2% du débit de gaz chaud à dépoussiérer, la température de ce dernier étant légèrement supérieure à 900° C. La zone d'action de l'injecteur est alors située dans un rayon d'environ 15 cm de l'extrémité de l'injecteur 412.

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3 feuilles dessins

Claims (16)

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   REVENDICATIONS

   1. Procédé de séparation de particules en suspension dans un gaz, selon lequel on fait circuler le gaz dans une enceinte pour y charger électriquement les particules afin de les recueillir ensuite par précipitation électrostatique, caractérisé en ce qu'on produit dans une chambre distincte de cette enceinte des ions piégés par des microcristaux de glace, obtenus par détente supersonique d'un courant de gaz humide dans une décharge corona produite dans ladite chambre distincte, en ce que l'on injecte des ions ainsi piégés dans l'enceinte, ce qui amène les microcristaux de glace à changer d'état dans celle-ci, libérant ainsi des ions piégés pour créer une charge d'espace, à travers laquelle on fait passer le gaz possédant des particules en suspension à séparer.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz humide est de l'air dont le degré hygrométrique mesuré dans les conditions normales de température et de pression est supérieur à 10%.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on ajuste le débit de microcristaux de glace injectés dans ladite enceinte pour maintenir la charge d'espace à une valeur prescrite.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant gazeux est formé de gaz chaud et en ce que l'on piège des ions positifs pour former une charge positive sur le trajet dudit courant de gaz chaud.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le courant gazeux est formé d'air chargé de particules de gluten et que l'on opère des ions négatifs pour former une charge d'espace négative dans ce courant d'air.
6. 6. Séparateur électrostatique de particules en suspension dans un gaz pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, comprenant une enceinte pour faire circuler un courant de ce gaz, des moyens comprenant un générateur d'ions par décharge corona pour charger électriquement lesdites particules, et des moyens sur le trajet du courant gazeux pour précipiter électrostatiquement les particules chargées, caractérisé en ce que le générateur comprend des moyens propres à définir une chambre distincte de ladite enceinte, et communiquant à cette dernière par un orifice, avec dans cette chambre distincte une tuyère supersonique conductrice, dont la sortie définit au moins en partie ledit orifice, des moyens pour introduire un gaz humide sous pression dans la chambre afin de provoquer sa détente supersonique dans la tuyère, une électrode effilée aboutissant au col de la tuyère, et des moyens pour établir une haute tension continue entre ladite tuyère conductrice et ladite électrode, afin de produire une décharge corona dans le gaz s'écoulant à travers cette tuyère, en même temps que, dans la zone de décharge corona, des microparticules de glace propres à piéger les ions avant d'être injectés par ledit orifice dans ladite enceinte.
7. 7. Séparateur selon la revendication 6, destiné à l'élimination de particules inflammables dans une atmosphère de silo de stockage des céréales, caractérisé en ce que l'électrode centrale effilée est portée à un potentiel négatif par rapport à celui de la tuyère.
8. 8. Séparateur selon la revendication 7, destiné à l'élimination de poussières véhiculées dans les gaz de combustion chauds, caractérisé en ce que l'électrode centrale effilée est portée à potentiel positif par rapport à celui de la tuyère.
9. 9. Séparateur selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ledit orifice est ménagé dans un injecteur, et en ce que sont prévus des moyens propres à limiter la capture des ions introduits dans l'enceinte à proximité immédiate dudit injecteur.
10. 10. Séparateur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits moyens pour limiter la capture des ions comprennent des moyens propres à créer une distribution de champ électrique au voisinage de l'injecteur qui tend à établir une différence de potentiel élevée entre cet injecteur et les parois de l'enceinte, afin d'écarter de l'injecteur les ions injectés dans l'enceinte.
11. 11. Séparateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens propres à supporter une haute tension pour amener un fluide de refroidissement non conducteur à l'injecteur.
12. 12. Séparateur selon l'une des revendications 6 à 11, en particulier pour le dépoussiérage des gaz chauds, caractérisé en ce que

    5 lesdits moyens pour limiter la capture des ions comprennent des moyens propres à retarder le changement d'état desdites microparticules dans l'enceinte à proximité de l'injecteur.
13. 13. Séparateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens retardateurs de changement d'état comprennent des io moyens pour souffler un courant de gaz froid autour du flux de microparticules injectées dans l'enceinte.
14. 14. Séparateur selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits moyens de soufflage comprennent un tube monté autour d'un injecteur et pénétrant dans ladite enceinte pour insuffler le gaz froid is dans l'intervalle entre cet injecteur et ce tube.
15. 15. Séparateur selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de refroidissement dudit tube.
16. 16. Séparateur selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que ce tube est isolé par rapport à la paroi de ladite en-

    20 ceinte et en ce qu'il comprend des moyens pour établir une différence de potentiel entre ce tube et cette paroi.