WO1997010044A1 - Procede et dispositifs d'epuration chimique des gaz d'echappement des moteurs thermiques. - Google Patents

Procede et dispositifs d'epuration chimique des gaz d'echappement des moteurs thermiques. Download PDF

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    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to exhaust gases from heat engines fitted in particular to vehicles and, more particularly, to a process and devices for purifying these gases using a fixation of carbon dioxide by chemical reagents.
  • the exhaust gases from the heat engines of vehicles essentially comprise up to approximately 15% by volume of C0 2 , 10% by volume approximately of oxygen, 10% by volume approximately of steam, 63% by volume around nitrogen - which is a neutral product in terms of pollution -, the rest being made up of a very small percentage of nitrogen oxides, hydrocarbons, carbon monoxide, sulfur oxide, etc.
  • These gases also include a few tens of mg / m 3 of solid impurities.
  • the object of the present invention is to purify the exhaust gases from vehicles with an internal combustion engine, so as to conserve substantially all the advantages of such an engine, while eliminating polluting emissions.
  • document DE-A-20 61 858 relates to the fixation of carbon monoxide and document US-A-3793807 relates to the fixation by sedimentation of solid impurities such as lead.
  • the invention therefore relates to a method and a device for purifying the exhaust gases of a thermal engine vehicle, consisting in chemically fixing the carbon dioxide in the exhaust gases by reaction with a reagent chosen from potassium hydroxide, the soda, lime and products derived therefrom
  • the exhaust gases from the engine are passed through a reactor consisting of a fluidized or liquid bed containing the above reagent, the gases from the reactor being either returned to the reactor to improve the yield of the reaction. , or sent to a discharge pipe for these.
  • the exhaust gases are previously passed through a condenser for the elimination of the water which they contain, the reactor consisting of a fluidized bed.
  • the liquid from the reactor is decanted before being returned to the reactor.
  • Figure 1 schematically shows a gas cleaning device according to a first embodiment according to the invention.
  • FIG. 2 shows schematically another embodiment according to the invention.
  • a device for chemical purification of exhaust gases from heat engines which uses a fixing reagent chosen from potassium hydroxide, soda, lime, and products derived therefrom and placed in a suitable reactor.
  • the content of a conventional fuel tank is 60 liters, which corresponds to 45 kg of fuel;
  • a fuel with a composition close to CH 175 or CH l ⁇ 0 it includes about 42 kg of carbon;
  • the overweight generated by the device according to the invention is of the order of 150 kg, which remains perfectly acceptable to obtain a completely clean vehicle.
  • the overweight is around 1200 Kg for a range of around 200 km, while for an electric motor bus with range from 100 km, the overweight due to batteries is at least around 2700 to 3000 kg.
  • reaction products are carbonates which can be regenerated or stored according to economic conditions and taxation systems;
  • FIG. 1 there is shown schematically a device according to a first preferred embodiment of the invention.
  • the exhaust gases from the heat engine 10 are first sent to a condenser 12 to eliminate the maximum amount of water they contain.
  • the outlet of the condenser 12 is connected to the inlet of a fluidized bed reactor 14 in such a way that the gases pass through all of the chosen reagent in solid powder form (from bottom to top in the Figure).
  • the gases from reactor 14 can either be returned to the inlet of reactor 14 to improve the yield of the reaction, or be expelled to an outlet conduit 16.
  • a device 18 analyzes the gases at the outlet of reactor 14 and controls a valve 20 controlling either the recirculation of the gases, or their exhaust according to the purification obtained.
  • a pumping means intended to increase the pressure of the gases.
  • a means can be produced with an electric type pump, but preferably it is constituted by a turbocharger 22 controlled directly by the exhaust gases themselves at the outlet of the heat engine.
  • a pressure of the order of 0.2 to 0.3 MPa is desirable.
  • the chemical reaction is then modulated according to the engine speed, since it is known that the exhaust gases contain much less C0 2 at engine idle than at its maximum power.
  • An electric idling booster pump can however be favorably provided.
  • a second preferred embodiment is shown schematically in Figure 2.
  • the reactor 14 here comprises a reagent in liquid form, for example a lime milk.
  • the exhaust gases from the heat engine 10 are sent under pressure to the reactor 14 via injectors 24.
  • the gases are sent from top to bottom in the Figure, to ensure a better chemical reaction.
  • the outlet of the reactor 14 is connected to a cyclone 26 in which the purified gases to be discharged to the outside via the exhaust pipe 16 and the liquid to be recirculated in the reactor 14 are automatically separated.
  • the solids are separated by centrifugal effect in the cyclone 26 upstream of the decanter 28 making it possible to remove solid impurities from the liquid.
  • a pumping means 22 is provided, such as a turbo-pump, to ensure the circulation of the liquid in the device. It remains, in fact, necessary to stir the gas-reactant mixture well in the reactor so as to optimize the chemical reaction.
  • a reagent reserve 30 will be provided in conjunction with the reactor 14 to bring a new reagent to the reactor 14 during use.
  • the invention provides an effective solution to the purification of exhaust gases for a significant reduction in the greenhouse effect on large cities. If the invention is already implemented on only the most polluting vehicles in an urban environment, such as heavy vehicles, buses, delivery or refuse collection trucks, and the like, the greenhouse effect can be very clearly reduced. Such vehicles normally go to a depot every night where it is easy to collect the carbonate obtained and to recharge the necessary reagent. Note also that the carbonate obtained during the reaction, a carbonate which presents no harmfulness, can be usefully recycled for other uses, or re-treated, or even incinerated with household waste.
  • a higher temperature allows faster and more complete chemical reactions.
  • a heat exchanger 32 could be arranged at the inlet of the reactor 14 to heat the gases treated by means of the exhaust gases directly coming from the engine 10. This has the additional advantage of cooling these same gases when they enter the condenser 12, which improves the condensation.
  • a filter 34 can also be provided in a favorable manner disposed at the outlet of the reactor 14 to prevent the outlet gases from carrying part of the powder from the fluidized bed. It is also possible to provide for the placing in series of several reactors or of several reaction loops.

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Abstract

L'invention concerne un système permettant de fixer chimiquement des gaz en particulier le CO2 à la sortie des moteurs thermiques (10). A titre d'exemple, un tel dispositif peut comporter un condenseur (12) pour éliminer l'eau, un réacteur (14) de fixation des gaz à lit fluidisé. Le gaz peut être mis sous pression par l'action d'un turbocompresseur (22). Le réactif peut être de la potasse, de la soude, de la chaux ou des produits dérivés de celles-ci. Application contre la pollution urbaine due aux excès de CO2.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIFS D'EPURATION CHIMIQUE DES GAZ D'ECHAPPEMENT DES MOTEURS THERMIQUES
La présente invention concerne les gaz d'échappement des moteurs thermiques équipant notamment les véhicules et, plus particulièrement, un procédé et des dispositifs d'épuration de ces gaz mettant en oeuvre une fixation du dioxyde de carbone par des réactifs chimiques.
On sait que la lutte contre la pollution dans les villes par les gaz d'échappement est devenu un problème majeur. Les solutions proposées actuellement ne sont pas satisfaisantes en terme de CO, qui reste l'une des principales sources de pollution. Or, les gaz d'échappement des moteurs thermiques des véhicules comprennent essentiellement jusqu'à 15 % en volume environ de C02, 10 % en volume environ d'oxygène, 10 % en volume environ de vapeur d'eau, 63 % en volume environ d'azote -qui est un produit neutre en matière de pollution-, le reste étant constitué d'un très faible pourcentage d'oxydes d'azote, d'hydrocarbures, de monoxyde de carbone, d'oxyde de soufre, etc.. Ces gaz comprennent aussi quelques dizaines de mg/m3 d'impuretés solides. Il faut noter qu'il y a environ 60 fois moins de monoxyde de carbone en volume que de dioxyde de carbone dans un gaz d'échappement et que, de plus, les pots d'échappement catalytiques transforment par oxydation le CO en C02, ce qui augmente d'autant le volume de CO. à la sortie des pots d'échappement. Or, on sait que le CO-, bien que non toxique, participe à l'effet de serre local dans les grandes villes du type Paris, Athènes ou Los Angeles du fait de sa forte densité.
Il existe, pour le transport urbain, des solutions alternatives évitant l'émission de CO-, telles que les véhicules à moteur électrique, mais ceux-ci ne sont pas convainquant du fait que leurs performances sont très limitées, surtout en matière d'autonomie et de poids, et de leur coût très élevé.
La présente invention a pour but d'épurer les gaz d'échappement des véhicules à moteur thermique, de manière à conserver sensiblement tous les avantages d'un tel moteur, tout en éliminant les émissions polluantes.
Diverses tentatives ont été effectuées dans ce domaine. Parmi d'autres, le document DE-A-20 61 858 relate la fixation du monoxyde de carbone et le document US-A-3793807 concerne la fixation par sédimentation des impuretés solides telles que le plomb.
Le document FR-A-2075103, pour sa part, décrit un simple filtre avec un passage direct des gaz réalisé au moyen d'une cartouche amovible contenant de la chaux sodée et du charbon activé et disposée dans le pot d'échappement usuel. Or, on sait que le charbon activé est sans effet sur le C02, et que la quantité requise de chaux pour fixer le CO. est nettement supérieure à ce qui pourrait être mis dans un pot d'échappement.
Aucun de ces enseignements ne peut donc être mis en oeuvre pour épurer valablement en CO- les gaz d'échappement des moteurs thermiques. L'invention concerne donc un procédé et un dispositif d'épuration des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique, consistant à fixer chimiquement le dioxyde de carbone des gaz d'échappement par réaction avec un réactif choisi parmi la potasse, la soude, la chaux et les produits dérivés de celles-ci
Selon l'invention, on fait passer les gaz d'échappement issus du moteur dans un réacteur constitué d'un lit fluidisé ou liquide contenant le réactif précité, les gaz issus du réacteur étant soit retournés vers le réacteur pour améliorer le rendement de la réaction, soit envoyés vers un conduit d'évacuation de ceux-ci.
Selon un premier mode préféré de réalisation, les gaz d'échappement sont préalablement passés dans un condenseur pour l'élimination de l'eau qu'ils contiennent, le réacteur étant constitué d'un lit fluidisé.
Selon un autre mode de réalisation, lorsque le réacteur comporte un réactif sous forme liquide, le liquide issu du réacteur est décanté avant d'être retourné vers le réacteur.
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caractéristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit de modes préférés de réalisation donnés à titre non limitatif et à laquelle une planche de dessins est annexée sur laquelle :
La Figure 1 représente schématiquement un dispositif d'épuration des gaz selon un premier mode de réalisation conforme à l'invention ; et
La Figure 2 représente schématique un autre mode de réalisation conforme à l'invention. Pour éliminer la plus grande partie du CO. des gaz d'échappement, il est souhaitable d'ajouter sur les véhicules à moteur à essence ou à gazole un dispositif d'épuration chimique des gaz d'échappement des moteurs thermiques qui utilise un réactif de fixation choisi parmi la potasse, la soude, la chaux, et les produits dérivés de celles-ci et disposé dans un réacteur approprié.
On connait les réactions chimiques suivantes : Avec la soude :
CO. + 2 NaOH -> C0,Na. + H.O CO. + NaOH -> C03NaH Avec la chaux :
C02 + CaO -> C03Ca C02 +Ca(0H)2 + 5H.0 -> CO,Ca(6H20)
L'inconvénient majeur d'un tel dispositif chimique est évidemment son poids, mais celui-ci peut être modulé comme le montrent les exemples qui seront donnés plus loin. A titre d'exemple, voici l'ordre de grandeur des surpoids nécessaires pour un véhicule de type familial consommant environ 8 1 de carburant pour 100 km parcourus, en prenant pour hypothèses que :
- le contenu d'un réservoir d'un carburant classique est de 60 litres, ce qui correspond à 45 kg de carburant ; - avec un carburant d'une composition proche de CH175 ou de CHlβ0, il y comprend environ 42 kg de carbone ;
- après combustion complète du carburant, on trouve au maximum environ 150 kg de C02.
Pour neutraliser le C02, il faut donc environ entre 140 et 290 kg de soude pure ou environ 210 kg de CaO. L'ordre de grandeur du surpoids en fin de parcours est donc compris entre 320 kg ou de 470 kg environ respectivement. En réduisant l'autonomie du véhicule à 100 km, comme celle des véhicules à moteur électrique présentant un surpoids de l'ordre de 230 kg, le surpoids engendré par le dispositif selon l'invention est de l'ordre de 150 kg, ce qui reste tout à fait acceptable pour obtenir un véhicule tout à fait propre.
Pour un autobus consommant de l'ordre de 50 litres de carburant pour 100 km parcourus, le surpoids est de Tordre de 1200 Kg pour une autonomie de l'ordre de 200 km, tandis que, pour un autobus à moteur électrique d'une autonomie de 100 km, le surpoids du aux batteries est au moins de Tordre de 2700 à 3000 kg.
L'avantage du procédé réside dans la souplesse des choix possibles :
- conserver l'autonomie des moteurs thermiques ou la réduire avec un surpoids réduit ;
- avoir la possibilité d'un fonctionnement mixte : épuration des gaz en ville et marche normale à la campagne ; - suppression complète ou partielle de l'émission de C02 suivant les réglementations en vigueur ;
- remplacement du conteneur de réactif lors du plein de carburant (échange standard) ou vidange d'un produit à peu près inerte ;
- les produits de réaction sont des carbonates qui peuvent être régénérés ou stockés suivant les conditions économiques et les systèmes de taxation ;
- les autres impuretés (N0,, SO,...) sont fixées en même temps.
La mise en oeuvre du procédé selon l'invention peut s'effectuer selon différents modes :
- passage des gaz dans un réacteur en phase liquide contenant le réactif en forme de solution ou de suspension ; ou - passage des gaz dans un condenseur pour l'élimination de Teau, puis dans un réacteur à lit fluidisé fixant le C02.
En référence maintenant à la Figure 1, on a représenté schématiquement un dispositif selon un premier mode de réalisation préféré de l'invention. Les gaz d'échappement issus du moteur thermique 10 sont d'abord envoyés à un condenseur 12 pour éliminer le maximum de Teau qu'ils contiennent. La sortie du condenseur 12 est reliée à l'entrée d'un réacteur 14 à lit fluidisé de telle manière que les gaz traversent l'ensemble du réactif choisi sous forme solide en poudre (de bas en haut sur la Figure). Les gaz issus du réacteur 14 peuvent soit être renvoyés vers l'entrée du réacteur 14 pour améliorer le rendement de la réaction, soit être expulsés vers un conduit de sortie 16. Un dispositif 18 analyse les gaz à la sortie du réacteur 14 et commande une vanne 20 commandant soit la re-circulat1on des gaz, soit leur échappement en fonction de l'épuration obtenue.
Pour favoriser la circulation des gaz dans l'ensemble et, plus particulièrement, dans le réacteur 14, il est utile de prévoir un moyen de pompage destiné à augmenter la pression des gaz. Un tel moyen peut être réalisé avec une pompe de type électrique, mais, de préférence, il est constitué par un turbocompresseur 22 commandé directement par les gaz d'échappement eux-même à la sortie du moteur thermique. A titre d'exemple, une pression de Tordre de 0,2 à 0,3 MPa est souhaitable. La réaction chimique est alors modulée en fonction du régime du moteur, puisque Ton sait que les gaz d'échappement contiennent beaucoup moins de C02 au ralenti du moteur qu'à la puissance maximale de ce dernier. Une pompe électrique d'appoint au ralenti peut cependant être favorablement prévue.
Un deuxième mode préféré de réalisation est représenté schématiquement sur la Figure 2. Le réacteur 14 comprend ici un réactif sous forme liquide, par exemple un lait de chaux. Les gaz d'échappement issus du moteur thermique 10 sont envoyés sous pression au réacteur 14 par l'intermédiaire d'injecteurs 24. Ici, bien sûr, les gaz sont expédiés de haut en bas sur la Figure, pour assurer une meilleure réaction chimique.
La sortie du réacteur 14 est reliée à un cyclone 26 dans lequel sont automatiquement séparés les gaz épurés à rejeter vers l'extérieur par le conduit d'échappement 16 et le liquide à faire re- circuler dans le réacteur 14. Les solides sont séparés par effet centrifuge dans le cyclone 26 en amont du décanteur 28 permettant d'en éliminer les impuretés solides du liquide.
On prévoit un moyen de pompage 22, telle une turbo-pompe, pour assurer la circulation du liquide dans le dispositif. Il reste, en effet, nécessaire de bien agiter le mélange gaz-réactif dans le réacteur de manière à optimiser la réaction chimique.
De façon favorable, une réserve 30 de réactif sera prévue en conjonction avec le réacteur 14 pour amener un réactif neuf vers le réacteur 14 pendant l'utilisation.
On constate que l'invention apporte une solution efficace à l'épuration des gaz d'échappement pour une diminution sensible de l'effet de serre sur les grandes villes. Si l'invention est déjà mise en oeuvre sur les seuls véhicules les plus polluants en milieu urbain, tels les véhicules lourds, les bus, camions de livraison ou de ramassage d'ordures, et équivalents, l'effet de serre peut être très nettement réduit. De tels véhicule vont normalement à un dépôt chaque soir où il est facile de collecter le carbonate obtenu et de recharger le réactif nécessaire. A noter également que le carbonate obtenu lors de la réaction, carbonate qui ne présente aucune nocivité, peut être utilement recyclé pour d'autres utilisations, ou re-traité, ou même incinéré avec des ordures ménagères.
Bien que Ton ait représenté et décrit ce que Ton considère actuellement être les modes de réalisation préférés de la présente invention, il est évident que l'Homme de TArt pourra y apporter différents changements et modifications sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications jointes.
Par exemple, on pourra prévoir un moyen pour déconnecter, automatiquement ou non, le dispositif selon l'invention, lorsque le véhicule ainsi équipé se trouvera hors d'une ville, en site rural, là où l'élimination du C02 n'est pas nécessaire en soi et ne se justifie nullement.
On pourra également prévoir, notamment dans le mode de réalisation représenté Figure 1, un moyen de chauffage des gaz devant pénétrer dans le réacteur 14. En effet, une température plus élevée permet d'obtenir des réactions chimiques plus rapides et plus complètes. Ainsi, un echangeur de chaleur 32 pourra être disposé à l'entrée du réacteur 14 pour réchauffer les gaz traités au moyen des gaz d'échappement directement issus du moteur 10. Ceci présente l'avantage complémentaire de refroidir ces mêmes gaz à leur entrée dans le condenseur 12, ce qui améliore la condensation.
On pourra également prévoir de façon favorable un filtre 34 disposé à la sortie du réacteur 14 pour éviter que les gaz de sortie emporte une partie de la poudre du lit fluidisé. On pourra également prévoir la mise en série de plusieurs réacteurs ou de plusieurs boucles de réaction.

Claims

REVENDICATIONS
1) Procédé d'épuration des gaz d'échappement d'un véhicule à moteur thermique (10), consistant à fixer chimiquement le dioxyde de carbone des dits gaz d'échappement par réaction avec un réactif choisi parmi la potasse, la soude, la chaux et les produits dérivés de celles-ci, caractérisé en ce que Ton fait passer les gaz d'échappement issus du dit moteur (10) dans un réacteur (14) constitué d'un lit fluidisé ou liquide contenant le dit réactif, les gaz issus du dit réacteur (14) étant soit retournés vers le dit réacteur (14) pour améliorer le rendement de la réaction, soit envoyés vers un conduit d'évacuation de ceux-ci (16).
2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dits gaz d'échappement sont préalablement passés dans un condenseur (12) pour l'élimination de Teau qu'ils contiennent, le réacteur (14) étant constitué d'un lit fluidisé.
3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les gaz sont réchauffés avant d'entrer dans le dit réacteur (14).
3) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les gaz issus du dit réacteur (14) sont décantés avant d'être retournés vers le dit réacteur.
4) Procédé selon Tune quelconque des revendications précédente, caractérisé en ce que Ton élève la pression des gaz introduits dans le dit réacteur (14). 5) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend un condenseur (12) disposé à la sortie des gaz d'échappement du dit moteur (10) et un réacteur (14) constitué d'un lit fluidisé disposé à la sortie du dit condenseur (12).
6) Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la sortie du dit réacteur (14) est pourvu d'une vanne (20) dirigeant les gaz issus du dit réacteur (14) soit vers un conduit d'évacuation des gaz épurés (16), soit à nouveau vers l'entrée du dit réacteur (14).
7) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, 2 ou 4, caractérisé en ce que le dit réacteur (14) travaille en phase liquide et a sa sortie connectée à un décanteur (28) relié à l'entrée du dit réacteur (14).
8) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 4 et selon Tune quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen de pompage (22) des dits gaz favorisant une re-circulation des dits gaz issus du dit réacteur (14) vers ce dernier.
9) Dispositif selon la revendications 8, caractérisé en ce que le dit moyen de pompage (22) est un turbocompresseur ou une turbopompe actionné par les gaz issus directement du dit moteur (10).
10) Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le dit moyen de pompage (22) est une pompe à commande électrique dont le régime est une fonction non nécessairement linéaire de la vitesse du dit moteur thermique (10).
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