BE1029533B1

BE1029533B1 - Système autonome de chauffage de sols in situ par désorption thermique

Info

Publication number: BE1029533B1
Application number: BE20210046A
Authority: BE
Inventors: Aline Jordens; Mathieu Petitjean; Jan Haemers; Hatem Saadaoui
Original assignee: Haemers Tech Societe Anonyme
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2023-01-30
Also published as: BE1029533A1

Abstract

L'invention consiste en un système (ou unité) de chauffe autonome équipé de capteurs de traceurs indirects pouvant être utilisé dans le domaine de la remédiation des sols par désorption thermique utilisant plusieurs systèmes de chauffe. Les capteurs, couplés à une modélisation du système permettant une anticipation des besoins de dépollution, rendent possible un meilleur suivi du traitement par rapport aux systèmes actuels et réduisent ainsi les durées et les coûts de traitement. Le pilotage à distance du système de chauffe prend en compte ce complément d'informations et chaque unité de chauffe est contrôlée en fonction des mesures de son environnement direct, permettant de réaliser un traitement efficace nonobstant l'hétérogénéité du milieu à traiter.

Description

Système autonome de chauffage de sols in situ par désorption thermique BE2021/0046

DESCRIPTION DOMAINE DE L'INVENTION L'invention consiste en un système (ou unité) de chauffe autonome équipé de capteurs de traceurs indirects pouvant être utilisé dans le domaine de la remédiation des sols par désorption thermique utilisant plusieurs systèmes de chauffe. Les capteurs, couplés à une modélisation du système permettant une anticipation des besoins de dépollution, rendent possible un meilleur suivi du traitement par rapport aux systèmes actuels et réduisent ainsi les durées et les coûts de traitement. Le pilotage à distance du système de chauffe prend en compte ce complément d'informations et chaque unité de chauffe est contrôlée en fonction des mesures de son environnement direct, permettant de réaliser un traitement efficace nonobstant l’'hétérogénéité du milieu à traiter.

CONTEXTE DE L'INVENTION La contamination des sols est un problème de grande importance dans un monde où | l’environnement et le développement durable prennent de plus en plus d'envergure. Ce problème, souvent invisible, peut être causé par une grande variété de contaminants chimiques, biologiques ou même radioactifs et une toute aussi grande gamme de sources de pollutions. Laissée telle quelle, la contamination peut se propager et se retrouver dans d'autres ressources indispensables à la faune et la flore environnante. Il est donc important, dans un but de protection de l’environnement et de santé publique, d’éliminer ces contaminants avant qu’ils n'aient de trop | grandes répercussions.

Les technologies de remédiation du sol sont multiples et peuvent être séparées en trois catégories principales : thermique, biologique et physicochimigue. Le choix de la technique dépend de plusieurs paramètres tel que la nature de la contamination, les propriétés du sol, les contraintes physiques du site et le cout total du projet. | Une de ces techniques, la désorption thermique, est basée sur le chauffage du sol pour volatiliser les contaminants et en permettre extraction et la destruction ou la réutilisation après récupération (par exemple, par simple condensation). La désorption thermique est efficace face aux contaminants organiques, aux cyanures, au mercure et tout autre composant pouvant être volatilisé à des températures situées en dessous de 550°C.

Chauffer via conduction thermique est une des techniques utilisées dans le domaine de la désorption thermique (WO2001078914A8). Avec cette technique, l’énergie provenant de tubes de chauffes se propage radialement dans le sol par conduction. Ceci comporte plusieurs avantages vis-à-vis des autres possibilités de remédiation du sol car la conduction thermique permet de chauffer le sol à des températures dépassant les 350°C (ce qui n’est pas possible, par 40 exemple, avec le chauffage électrique résistif (US5656239A) et de traiter facilement et ; rapidement les sols contaminés par une grande variété de contaminants, peu importe l’hétérogénéité du sol. En effet, la conductivité thermique a la particularité de ne pas fluctuer par des grands ordres de grandeur avec la composition du sol. De ce fait, la conduction thermique est beaucoup plus efficace que d'autres méthodes de transfert de chaleur dans le cas de sols hétérogènes.

Cette technique est applicable ex-situ et in-situ. Pour ce qui est de la désorption thermique ex- situ, le sol excavé est utilisé pour former des piles ou placé dans des conteneurs qui sont traités thermiquement. Avec la désorption thermique /n-situ, des tubes de chauffes sont directement insérés dans le sol pollué permettant ainsi d’éviter l’excavation et le transport des terres. Ceci permet aussi de traiter des sols dans des endroits restreints et/ou avec un accès limité tel que des sites éloignés, des sites en zones urbaines, des sous-sols de maisons, etc. De manière générale, cette technique est plus rapide et a un impact environnemental réduit.

Les techniques actuelles de désorption thermique se basent exclusivement sur la mesure de la température du sol à son point le plus froid pour estimer la progression du processus de remédiation. Une fois la température de volatilisation des contaminants atteinte, si celle-ci est maintenue durant plusieurs jours et qu’une aspiration suffisante est présente dans le sol, les contaminants seront éliminés avec quasi-certitude.

Cependant, cette approche conservatrice ignore tous les mécanismes pouvant prendre place durant la chauffe et accélérer la remédiation. À titre d'exemple, le phénomène dit de steam stripping se manifeste quand la vapeur d'eau vaporisée au début de la chauffe entraine une partie du contaminant hors du sol. Une analyse poussée et continue des caractéristiques du sol ainsi que des vapeurs générées permet de prendre en compte ces mécanismes. De cette manière, la chauffe peut être interrompue de manière anticipée, entrainant une réduction de la consommation en combustibles, une réduction de la durée totale du traitement et donc finalement une réduction du coût du traitement.

Les systèmes de chauffe qui comportent les tubes de chauffe décrits précédemment génèrent de manière autonome la puissance thermique transmises au milieu à traiter. Cette consigne de puissance thermique peut être choisie et adaptée à distance, et indépendamment pour chaque point de chauffe afin de tenir en compte l'hétérogénéité du milieu à traiter.

DESCRIPTION BRÈVE DES DESSINS Figure 1 est une illustration du système de chauffe complet, incluant les boitiers de contrôle et d'analyse.

Figure 2 est une illustration de plusieurs systèmes de chauffe utilisés pour le traitement d’un sol contaminé Figure 3 est une illustration de installation de différents capteurs utilisés dans le boitier de 40 mesure.

3 . BE2021/0046

LEGENDE DES FIGURES

1. Tube de chauffe

2. Tube vapeur

3. Boitier d'analyse des vapeurs

4. Boitier d'analyse du sol |

5. Tube de mesure

6. Boitier de commande |

7. Antenne

8. Milieu à traiter

9. Vanne VTU

10. Vanne reburn

11. Croix

12. Flexible

13. Presse-étoupe

14. Circuit imprimé d'acquisition ==

15. Capteurs d’analyse des vapeurs

16. Tube étanche

17. Prise d'alimentation DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION ; L’invention est l’ajout d’un ensemble coherent et coordonne de capteurs permettant de realiser en temps réel, des analyses poussées du processus permettant une évaluation instantanée de l'avancement du traitement ainsi qu’un nouveau boitier de contrôle pilotant indépendamment chaque système de chauffe selon une consigne définie à distance. Les capteurs sont utilisés pour réaliser des mesures dites indirectes dans la mesure où celles-ci ne sont pas une simple mesure immédiate de la grandeur à réguler. En effet, ce sont plutôt des __ traceurs indirects qui sont analysés et ne sont pas directement liés à la puissance déployée à un | instant donné par le dispositif de chauffe. Les données des capteurs sont insérées dans une modélisation du processus de dépollution dans son ensemble afin d'obtenir des prédictions sur l’avancée de celui-ci. Le modèle utilisé prend en compte les erreurs de prédiction entre les résultats attendus et la réalité, afin de s’affiner et améliorer la qualité de la modélisation de manière permanente. L’invention consiste donc en un système de chauffe à puissance modulable en temps réel couplé à l’anticipation de la dépollution via un modèle en perpétuelle évolution. 40 De manière similaire à l’art antérieur, un tube de chauffe (1) est inséré dans le milieu à traiter (8). Dans un mode de réalisation préféré, ce tube de chauffe (1) contient de l’air en circulation pouvant atteindre une température située entre 500 et 1900°C, permettant de générer entre 3 et 80 kW de puissance thermique à céder au milieu (8) par conduction thermique. Les vapeurs générées par la chauffe sont captées par un tube appelé tube vapeur (2), placé à côté du tube de chauffe (1). Dans un mode de réalisation préféré, les vapeurs sont acheminées depuis le tube vapeur (2) vers une croix (11) via un flexible (12).

Alacroixest connecté le boitier d'analyse des vapeurs (3). Ce boitier comprend tout l'équipement électronique nécessaire à l'analyse des vapeurs en provenance du sol.

Dans un mode de réalisation préféré, la liste non-exhaustive des grandeurs suivantes est mesurée : la concentration en CO, la concentration en gaz inflammables, la concentration en composants organiques volatils, la concentration en hydrocarbures, le taux d'humidité des vapeurs. Il est possible d'ajouter des grandeurs de mesure en fonction du type de contaminant traité. Le boitier est capable de communiquer de manière câblée ou sans fil avec le boiter de commande (6). Il est également possible d'intégrer directement l'équipement électronique dans le boitier de commande (6), dans la mesure où les capteurs sont toujours amenés à être en contact avec les vapeurs.

Dans un mode d’application préféré, la croix est connectée à deux vannes : la vanne reburn (10) et la vanne VTU (9). Dans le cas où le contaminant peut être utilisé comme combustible, la vanne reburn (10) est ouverte pour réinjecter les vapeurs dans le circuit de chauffe. Si le contaminant n’est pas utilisable comme combustible, la vanne VTU (9) est ouverte afin que les vapeurs soient acheminées vers des unités de traitement appropriées. Dans tous les cas, les vapeurs sont — analysées par le boitier d’analyse des vapeurs (3).

Dans un mode d'application préféré, le boitier d’analyse du sol (4) comprend tout l'équipement électronique nécessaire à l’analyse en continu des propriétés du milieu à traiter. Dans un mode de réalisation préféré, la liste non-exhaustive des grandeurs suivantes est mesurée : résistivité du milieu, pH du milieu, humidité du milieu. Il est possible d'ajouter d'autres grandeurs de mesure en fonction de l’application. Le boitier est capable de communiquer de manière câblée ou sans fil avec le boiter de commande (6). Il est également possible d'intégrer directement l'équipement électronique dans le boitier de commande (6), dans la mesure où les capteurs sont toujours amenés en contact avec le milieu traité. Les capteurs peuvent être mis en contact avec le sol via un tube de mesure (5) inséré dans le sol.

Dans un mode de réalisation préféré, le boitier d'analyse des vapeurs est composé d’un tube étanche (16) traversant le boitier. Dans ce tube sont insérés les capteurs d'analyse des vapeurs (15) qui peuvent être reliés au circuit imprimé d'acquisition (14) par des connecteurs amovibles pour une facilité accrue d'assemblage et d'entretien. Des presse-étoupes (13) permettent d’étanchéifier les connexions vers l'extérieur, notamment la prise d'alimentation (17). Dans des 40 _ contextes où l'énergie électrique est limitée, le système peut également fonctionner sur batteries (rechargeables ou non).

5 Leboitier de commande (6) comprend tout l'équipement électronique nécessaire à la collecte des données des boitiers d'analyse des vapeurs (3) et du sol (4). La communication entre les différents boitiers peut se faire de manière câblée ou sans fil en utilisant des protocoles de communication standardisés ou propriétaires.

II est également possible de concentrer l'équipement électronique d’analyse des vapeurs et du sol dans le boitier de commande (6). Le boitier de commande (6) comprend également l'équipement électronique permettant la régulation de la chauffe.

Dans un mode de réalisation préféré dans lequel ie tube de chauffe fait circuler de l’air chauffé par la combustion de gaz naturel, le boitier doit notamment contrôler les débits d'air de combustion, le débit de gaz naturel, la pression d'injection.

De manière à pouvoir être piloté à distance, le boitier de commande (6) est équipé d’un protocole de communication avec ou sans fil.

Dans un mode de réalisation préféré, les boitiers d'analyse (3,4) ainsi que le boitier de commande (6) communiquent via un réseau local tel que Bluetooth, Wi-Fi ou LoRa.

D'autres appareils sur le même réseau permettent aux opérateurs sur site d’avoir un accès direct aux données et permettent un suivi fin et en temps réel du traitement, même en cas de panne de connexion à Internet (ce qui peut arriver fréquemment dans les lieux isolés dans lesquels les chantiers de dépollution prennent parfois place). Une gateway permet de réaliser la connexion du réseau local à Internet, et de centraliser les données vers un serveur dédié pour analyse.

Une fois les données: examinées et interprétées (par des algorithmes spécialisés ou par intervention humaine), des consignes de chauffe sont générées et transmises de retour aux boitiers de contrôle.

Cette operation d'exportation des données, analyse, consigne puis régulation peut être réalisée de manière entièrement autonome.

Cette communication avec le système de pilotage peut être réalisée en réseau local (WLAN) et éventuellement connectée à l'Internet via une gateway.

Dans un mode de réalisation préféré, les boitiers de commande (6), d'analyse des vapeurs (3) et du sol (4) sont réalisés de manière à pouvoir être déployés à l'extérieur.

Cela implique d’être | résistant à l'humidité et aux poussières.

A titre d'exemple, un indice de protection contre les solides et les liquides (norme internationale telle que définie par la norme européenne EN 60529) IP56 est recommandée, signifiant une protection efficace contre les poussières, résidus microscopiques et jets forts d’eau de toutes les directions.

Une isolation thermique est également nécessaire afin de garantir le bon fonctionnement de l'électronique à proximité des systèmes de chauffe.

Afin d'augmenter la portée de communication, il peut être nécessaire d’ajouter une antenne (7) extérieur au boitier.

Cette antenne devient systématiquement nécessaire dans le cas où le boitier est réalisé en matériau métallique.

Claims

; ; BE2021/0046 REVENDICATIONS ;

1. Système de chauffe autonome équipé de capteurs de traceurs indirects dans lequel les capteurs indirects sont liés directement ou indirectement aux éléments de combustions tels ; ; que les electrovannes de combustible, les vannes d’air primaire ou les ventilateurs de gestion | de la stoechiométrie de combustion, dans lequel les capteurs, couplés à une modélisation du système permettant une anticipation des besoins de dépollution, permettent une gestion | ‘ou un suivi du traitement.

2. Système selon la revendication 1 où le pilotage à distance du système de chauffe prend en compte ce complément d'informations et chaque unité de chauffe est contrôlée en fonction des mesures de son environnement direct, permettant de réaliser un traitement efficace nonobstant l'hétérogénéité du milieu à traiter.

3. Méthode de chauffe autonome équipé de capteurs de traceurs indirects dans lequel les capteurs indirects sont liés directement ou indirectement aux éléments de combustions tels que les électrovannes de combustible, les vannes d'air primaire ou les ventilateurs de gestion de la stoechiométrie de combustion, dans lequel les capteurs, couplés à une modélisation du système permettant une anticipation des besoins de dépollution, permettent une gestion ou un suivi du traitement. a

4. Methode selon la revendication 3 où le pilotage à distance du système de chauffe prend en compte ce complément d'informations et chaque unité de chauffe est contrôlée en fonction des mesures de son environnement direct, permettant de réaliser un traitement efficace nonobstant l'hétérogénéité du milieu à traiter.