EP1824602B1 - Procede et dispositif de filtration electrostatique autonettoyants et asservi en tension - Google Patents

Procede et dispositif de filtration electrostatique autonettoyants et asservi en tension Download PDF

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EP1824602B1
EP1824602B1 EP05847318A EP05847318A EP1824602B1 EP 1824602 B1 EP1824602 B1 EP 1824602B1 EP 05847318 A EP05847318 A EP 05847318A EP 05847318 A EP05847318 A EP 05847318A EP 1824602 B1 EP1824602 B1 EP 1824602B1
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EP
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cleaning
voltage
tube
electrode
dust
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EP05847318A
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EP1824602A1 (fr
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Florent Lemort
Jean-Claude Kneib
Olivier Laurent
Stéphane BANCEL
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/74—Cleaning the electrodes
    • B03C3/76—Cleaning the electrodes by using a mechanical vibrator, e.g. rapping gear ; by using impact

Definitions

  • the invention relates to the field of industrial installations generating toxic or non-toxic dusts, such as particles suspended in a fluid. This is the case for thermal treatment processes for hazardous materials, such as organic nuclear waste, toxic industrial waste or hazardous raw materials. It also relates to the field of electromagnetic filtration devices.
  • the former use effective physical and mechanical barriers, such as bag filters, bag filters and granular filters, but generate pressure drops in the circuits of the installation that can be detrimental to the proper functioning of the processes.
  • the filtration temperature is limited by the nature of the filtering structures, such as felts, Teflon, etc.
  • Fluid systems are related to washing systems in which the dust is recovered in a fluid. They are also very efficient and generate little pressure loss, but produce a large quantity of contaminated or toxic fluids that must be treated downstream. In the case of a process generating toxic gases, the downstream implementation of an additional process for treating these emissions greatly degrades the interest of this type of technique.
  • Electrostatic filtration is one of these techniques and has long been exploited essentially in parallelepipedal geometries. In this type of device, it is necessary to carry out the cleaning called "unclogging" of the filtering elements generally using hammers coming to tap on metal parts of the installation, thus making it possible to pick up dust.
  • the object of the invention is to overcome these disadvantages by proposing a type of cleaning different from those mentioned above and to ensure the system operation at optimum tension.
  • a first main object of the invention is an electrostatic filtration method, with a rigid electrode placed in a tube.
  • the cleaning of the interior of the device consists in diffusing sound waves inside the tube.
  • the extraction and the direct recovery of the dust are carried out.
  • a particular case of the latter consists in simultaneously proceeding to the diffusion of the sound waves and the aspiration of the particles.
  • control means are available to control the voltage of the high-voltage electrode as a function of the number of arcs emitted, it is envisaged to automate the process by triggering the cleaning from a determined low threshold of the voltage used in the electrode.
  • a particular implementation of this method consists in fluidically placing several tubes in parallel and cleaning them alternately by circular permutation.
  • a second main object of the invention is an electrostatic filtration device with a rigid electrode placed in a tube.
  • a sound generator placed at one end of the tube is used to produce sound waves inside the tube and the electrode if the latter is hollow.
  • this sound generator has a metal divergent.
  • the assembly is advantageously completed by an inlet valve on the inlet and an outlet valve on the outlet, a purge inlet valve on the outlet and a purge outlet valve on a cleaning pipe placed at the bottom of the tube, upstream of a retention chamber and an extractor.
  • the implementation of the method using several tubes in parallel provides for feeding them by a distribution clarinet and recovering the fluid at the outlet of the tubes by a recovery clarinet, the dust collection assembly consisting of the recovery chamber and the extractor can be common to all tubes.
  • the method and the filtration device take the conventional tubular structure in which a fluid loaded with dust and introduced by an inlet 1 placed in the lower part of a tube 4 whose internal temperature is less than 140 ° C.
  • a high-voltage electrode 3 held by means of an insulator 5.
  • the output of the fluid to be filtered is performed by an outlet 2 placed in the upper part of the tube 4.
  • the electrode 3 must be rigid or fixed in a stable manner.
  • a high voltage generator 6 supplies the electrode 3 and is connected to control means 7 comprising a calculator making it possible to detect arcs occurring between the high voltage electrode 3 and the tube 4.
  • control means 7 can control a wave generator 13 (described below), for example with respect to a low voltage threshold in the high voltage electrode 3.
  • the generator 6 is protected from the power dissipated, during the passage of the arc, by a resistor 8 placed in series.
  • the value of the voltage used on the high voltage electrode 3 is controlled according to the number of arcs detected in the structure, per unit time. It is thus possible to make it keep its optimum value, to ensure maximum efficiency of the filtration system.
  • Clogging of the filter causes the drift of the optimum value of the voltage used and therefore induces a periodic need for cleaning.
  • the inlet 1 has an inlet valve 9 and the outlet 2 has an outlet valve 10.
  • the outlet 2 is equipped with an additional inlet open by means of a valve. purge inlet 11.
  • a cleaning pipe 16 placed at the bottom of the tube 4 has a purge outlet valve 12.
  • the opening of the purge inlet valve 11, which is equipped with a non-return valve, ensures a flow of air coming from the top and going towards the bottom of the tube, thus forcing the transport of the dust towards the retention receptacle 14 which is provided to withstand temperatures identical to the internal temperatures of the filter.
  • the operation can be repeated several times by ensuring that the operation of the sound generator 13 is not simultaneous with the opening of the purge inlet valve 11.
  • the purge inlet 11 and purge outlet 12 valves are closed.
  • the generator 6 is then put back into operation and the inlet 9 and outlet 10 valves are open.
  • the containment chamber 14 which is waterproof is provided removable, while keeping the dust confined.
  • An auxiliary cleaning system with hammers striking the metal walls of the assembly can be set up.
  • the sound generator 13 comprises a metal divergent 17. It is placed on the insulator 5 which may be ceramic. This one prolonging the geometry divergent.
  • the rigid electrode 3 is hollow and pierced with patterns 18 so as to limit its mass and increase its emissivity, and is terminated by a convergent upper portion 19, to be held by centering means 20. Other on the other hand, this convergent shape makes it possible to channel the waves in the inner part of the electrode 3.
  • the centering means 20 and the convergent portion 19 of the electrode 3 allow a distribution of the sound waves inside the tube 4, both inside the electrode 3 and outside. When the sound system is activated, the dust breaks off regardless of their location. No barriers are put in place in the sound system and the internal parts of the filter assembly, which avoids the attenuation of the waves and thus a decrease in the efficiency of the system.
  • tubes 4 can be placed in battery, connected in parallel. The cleaning is then organized by circular rotation of the tubes 4 relative to each other and ensures the continuous operation of the enclosure with optimum efficiency.
  • An entry clarinet 25 feeds all the tubes 4. Each of these is equipped with two isolation valves 28 and 30 placed respectively upstream and downstream of the tube 4. Similarly, an output clarinet 26 receives the output of each tube 4. Once a pair of these isolation valves closed, the assembly constituted by the retention chamber 14 and the extractor 15 is started and a depression is created inside the corresponding tube 4, via a cleaning pipe 29 leading to the base of each of the tubes 4 and equipped with a purge valve 12. The sound generator 13 can then be turned on for the tube 4 concerned.
  • the implementation of this type of system shows that it is possible to maintain the efficiency of the filtration at a value defined by the periodicity of the cleanings.
  • the figure 4 shows the evolution of the efficiency of a filter tube of 350 mm diameter and a height of 4 meters installed on an incinerator of 4 kg / h of organic waste generating approximately 250 Nm 3 / h of gas. This evolution is given according to the power injected by the generator.
  • Point 1 corresponds to the initial efficiency of 99.6% for a voltage applied at 67 kV. If this voltage is constant, the power naturally decreases over time to reach at point 4 a value ensuring efficiency less than 94%.
  • the start of the control loop ensures a rise in voltage from 75 kV to 325 minutes and stabilizes at 80 kV at 330 minutes for efficiency greater than 99%.
  • the voltage of the electrode 3 is always at the maximum allowable voltage before breakdown.
  • the enslavement of the voltage level causes a decrease in voltage over time. It is proposed to automate the process by triggering the cleaning from a low threshold determined the voltage implemented in the electrode 3. However, it is found that system cleaning every six hours ensures optimum efficiency.
  • the cleaning by application of sound waves via the device described above ensures a recovery of more than 99% of the total mass of dust without having to open the structure.
  • the observations made show that the cleaning is as effective on the collecting electrode as on or in the emitting electrode. All dust is collected outside the filter in the retention system.

Description

    Domaine de l'invention
  • L'invention concerne le domaine des installations industrielles générant des poussières toxiques ou non, telles que des particules en suspension dans un fluide. C'est le cas des procédés de traitements thermiques de matières dangereuses, tels que des déchets nucléaires organiques, des déchets industriels toxiques ou des matières premières dangereuses. Elle concerne également le domaine des dispositifs de filtration électromagnétique.
    • Art antérieur et problème posé
  • Dans de nombreuses installations ci-dessus mentionnées, on éprouve la nécessité de disposer de systèmes de filtration extrêmement efficaces pour intervenir dans les installations traitant des fluides dans lesquels se trouvent des poussières ou particules en suspension.
  • Les systèmes de filtration existants sont nombreux et peuvent être placés dans les trois catégories suivantes : les systèmes utilisant des dispositifs mécaniques, les systèmes utilisant des fluides et des systèmes utilisant des phénomènes physiques.
  • Les premiers mettent en oeuvre des barrières physiques et mécaniques efficaces, telles que des filtres à manches, des filtres à poches et des filtres granulaires, mais engendrent des pertes de charge dans les circuits de l'installation pouvant être néfastes pour un bon fonctionnement des procédés mis en oeuvre et génèrent également des déchets secondaires incarnés par les installations mécaniques elles-mêmes utilisées spécialement pour la filtration. La température de filtration est limitée par la nature des structures filtrantes, telles que les feutres, le Téflon, etc.
  • Les systèmes à fluide sont apparentés à des systèmes de lavage dans lesquels les poussières sont récupérées dans un fluide. Ils sont également très efficaces et génèrent peu de perte de charge, mais produisent une quantité importante de fluides contaminés ou toxiques qu'il est nécessaire de traiter en aval. Dans le cas de procédé générant des gaz toxiques, la mise en application en aval d'un procédé additionnel de traitement de ces émissions dégrade grandement l'intérêt de ce type de technique.
  • Les systèmes utilisant des phénomènes physiques sont généralement moins efficaces, mais ne génèrent ni perte de charge ni déchets secondaires. La filtration électrostatique est une de ces techniques et est depuis longtemps exploitée essentiellement dans des géométries parallélépipédiques. Dans ce type de dispositif, il est nécessaire de procéder au nettoyage appelé "décolmatage" des éléments filtrants en utilisant généralement des marteaux venant taper sur des parties métalliques de l'installation, permettant ainsi de décrocher des poussières.
  • Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un type de nettoyage différent de ceux mentionnés ci-dessus et d'assurer au système un fonctionnement à tension optimale.
  • Document US 5 900 043 A décrit un procédé de filtration électrostatique selon le préambule de la première revendication.
    • Résumé de l'invention
  • A cet effet, un premier objet principal de l'invention est un procédé de filtration électrostatique, à électrode rigide placée dans un tube. Selon l'invention, le nettoyage de l'intérieur du dispositif consiste à diffuser des ondes sonores à l'intérieur du tube.
  • Selon l'invention, on procède à l'aspiration et la récupération directe des poussières.
  • Un cas particulier de cette dernière consiste à procédé simultanément à la diffusion des ondes sonores et à l'aspiration des particules.
  • Dans le cas où on dispose de moyens de commande pour asservir la tension de l'électrode haute tension en fonction du nombre d'arcs émis, il est envisagé d'automatiser le procédé en déclenchant le nettoyage à partir d'un seuil déterminé bas de la tension mise en oeuvre dans l'électrode.
  • Une mise en oeuvre particulière de ce procédé consiste à placer fluidiquement en parallèle plusieurs tubes et de les nettoyer alternativement par permutation circulaire.
  • Un deuxième objet principal de l'invention est un dispositif de filtration électrostatique à électrode rigide placé dans un tube. Selon l'invention, on utilise un générateur sonore placé à une extrémité du tube pour produire des ondes sonores à l'intérieur du tube et de l'électrode si cette dernière est creuse.
  • Il est très avantageux que ce générateur sonore possède un divergent métallique.
  • Il est avantageux de placer l'entrée du fluide à filtrer en bas du tube, la sortie étant en haut. L'ensemble se complète avantageusement d'une vanne d'entrée sur l'entrée et d'une vanne de sortie sur la sortie, d'une vanne d'entrée de purge sur la sortie et d'une vanne de sortie de purge sur une canalisation de nettoyage placée en bas du tube, en amont d'une enceinte de rétention et d'un extracteur.
  • La mise en oeuvre du procédé utilisant plusieurs tubes en parallèles prévoit de les alimenter par une clarinette de distribution et de récupérer le fluide à la sortie des tubes par une clarinette de récupération, l'ensemble collecteur de poussières constitué de l'enceinte de récupération et de l'extracteur pouvant être commun à tous les tubes.
    • Liste des figures
  • L'invention et ses différentes caractéristiques techniques seront mieux compris à la lecture de la description suivante, accompagnée de plusieurs figures représentant respectivement :
    • figure 1, une vue d'ensemble du dispositif selon l'invention, dans sa première réalisation ;
    • figure 2, un détail du dispositif représenté sur la figure 1 ;
    • figure 3, le dispositif selon l'invention dans une deuxième réalisation ; et
    • figure 4, illustration de l'évolution de l'efficacité mesurée en fonction de la puissance injectée.
    Description détaillée de deux réalisations de l'invention
  • En référence à la figure 1, le procédé et le dispositif de filtration selon l'invention reprennent la structure classique tubulaire dans laquelle un fluide chargé en poussières et introduit par une entrée 1 placée en partie basse d'un tube 4 dont la température interne est inférieure à 140°C. A l'intérieur du tube 4 constituant une contre électrode reliée à la terre, se trouve, sur une grande partie de sa longueur, une électrode à haute tension 3 maintenue au moyen d'un isolateur 5. La sortie du fluide à filtrer s'effectue par une sortie 2 placée dans la partie supérieure du tube 4. Dans le cas où le flux gazeux est relativement important, l'électrode 3 doit être rigide ou fixée de manière stable.
  • Un générateur haute tension 6 alimente l'électrode 3 et est relié à des moyens de commande 7 comprenant un calculateur permettant de détecter des arcs survenant entre l'électrode haute tension 3 et le tube 4. Ces moyens de commande 7 permettent de piloter un générateur d'ondes 13 (décrit plus loin), par exemple par rapport à un seuil bas de tension dans l'électrode haute tension 3. Le générateur 6 est protégé de la puissance dissipée, lors du passage de l'arc, par une résistance 8 mise en série. La valeur de la tension mise en oeuvre sur l'électrode haute tension 3 est asservie selon le nombre d'arcs détectés dans la structure, par unité de temps. Il est ainsi possible de lui faire garder sa valeur optimale, afin d'assurer une efficacité maximale du système de filtration.
  • L'encrassement du filtre entraîne la dérive de la valeur optimale de la tension mise en oeuvre et induit donc un besoin périodique de nettoyage.
  • A cet effet, l'entrée 1 dispose d'une vanne d'entrée 9 et la sortie 2 dispose d'une vanne de sortie 10. De plus, la sortie 2 est équipée d'une entrée supplémentaire ouverte grâce à une vanne d'entrée de purge 11. Enfin, une canalisation de nettoyage 16, placée en bas du tube 4 possède une vanne de sortie de purge 12.
  • Lors du nettoyage, les vannes d'entrée 9 et de sortie 10 sont fermées et le générateur 6 est arrêté. Un extracteur 15 placé au bout de la canalisation de nettoyage 16, précédé d'une enceinte de rétention 14, est alors mis en marche et la vanne de sortie de purge 12 est ouverte.
  • Un générateur sonore 13, placé dans la partie supérieure du tube 4, au-dessus de l'électrode 3 et de son isolateur 5, est mise en route pour permettre l'émission d'une fréquence déterminée permettant d'assurer conjointement la résonance de l'électrode 3, surtout si elle est creuse, et du tube 4, induisant le décrochage des poussières retenues à l'intérieur du tube et leur fuite au fond de celui-ci.
  • L'ouverture de la vanne d'entrée de purge 11, qui est équipée d'un clapet anti-retour, assure une circulation d'air venant du haut et se dirigeant vers le bas du tube, obligeant ainsi le transport des poussières vers le réceptacle de rétention 14 qui est prévu de manière à pouvoir supporter des températures identiques aux températures internes du filtre. L'opération peut être renouvelée plusieurs fois en s'assurant que la mise en fonctionnement du générateur sonore 13 ne soit pas simultanée avec l'ouverture de la vanne d'entrée de purge 11.
  • Une fois la récupération terminée des poussières dans le réceptacle de récupération 14, les vannes d'entrée de purge 11 et de sortie de purge 12 sont fermées. Le générateur 6 est alors remis en fonctionnement et les vannes d'entrée 9 et de sortie 10 sont ouvertes. L'enceinte de rétention 14 qui est étanche est prévue amovible, tout en maintenant les poussières confinées. Un système annexe de nettoyage comportant des marteaux venant frapper les parois métalliques de l'ensemble peut être mis en place.
  • La canalisation des ondes sonores à l'intérieur du tube est expliquée sur la figure 2. Le générateur sonore 13 comporte un divergent métallique 17. Il est placée sur l'isolateur 5 qui peut être en céramique. Celui-ci prolongeant la géométrie divergente. L'électrode 3 rigide est creuse et percée de motifs 18 de façon à limiter sa masse et d'augmenter son émissivité, et est terminée par une partie supérieure convergente 19, permettant d'être maintenue par des moyens de centrage 20. D'autre part, cette forme convergente permet d'assurer la canalisation des ondes dans la partie interne de l'électrode 3. Les moyens de centrage 20 et la partie convergente 19 de l'électrode 3 permettent une répartition des ondes sonores à l'intérieur du tube 4, aussi bien à l'intérieur de l'électrode 3 qu'à l'extérieur. Lors de l'activation du système sonore, les poussières se décrochent quelque soit leur emplacement. Aucune barrière n'est mise en place dans le système sonore et les parties internes de l'ensemble de filtrage, ce qui évite l'atténuation des ondes et donc une diminution de l'efficacité du système.
  • En référence à la figure 3, dans un système industriel ne permettant l'arrêt pour la filtration, plusieurs tubes 4 peuvent être mis en batterie, montés en parallèle. Le nettoyage est alors organisé par permutation circulaire des tubes 4 les uns par rapport aux autres et assure le fonctionnement continu de l'enceinte avec une efficacité optimale.
  • La mise en oeuvre du procédé utilisant plusieurs tubes 4 en parallèles prévoit de les nettoyer séparément, le nettoyage d'un tube 4 se faisant à la suite de son isolation du circuit par le jeu de vannes mis en place.
  • Une clarinette d'entrée 25 alimente tous les tubes 4. Chacun de ceux-ci est équipé de deux vannes d'isolement 28 et 30 placées respectivement en amont et en aval du tube 4. De même, une clarinette de sortie 26 reçoit la sortie de chaque tube 4. Une fois un couple de ces vannes d'isolement fermé, l'ensemble constitué par l'enceinte de rétention 14 et l'extracteur 15 est mis en route et une dépression se créée à l'intérieur du tube 4 correspondant, par l'intermédiaire d'une canalisation de nettoyage 29 aboutissant à la base de chacun des tubes 4 et équipée d'une vanne de purge 12. Le générateur sonore 13 peut alors être mis un fonctionnement pour le tube 4 concerné.
  • La mise en oeuvre de ce type de système montre qu'il est possible de maintenir l'efficacité de la filtration à une valeur définie par la périodicité des nettoyages. La figure 4 montre l'évolution de l'efficacité d'un tube filtrant de 350 mm de diamètre et d'une hauteur de 4 mètres installé sur un incinérateur de 4 kg/h de déchets organiques générant environ 250 Nm3/h de gaz. Cette évolution est donnée en fonction de la puissance injectée par le générateur. Le point 1 correspond à l'efficacité initiale de 99,6 % pour une tension appliquée à 67 kV. Si cette tension est constante, la puissance diminue naturellement au cours du temps pour atteindre au point 4 une valeur assurant une efficacité inférieure à 94 %. La mise en marche de la boucle de régulation assure une montée de la tension passant par 75 kV à 325 minutes et se stabilisant à 80 kV à 330 minutes pour une efficacité supérieure à 99 %. La tension de l'électrode 3 est toujours à la tension maximale admissible avant claquage. L'asservissement du niveau de tension entraîne une diminution de la tension au cours du temps. On se propose d'automatiser le procédé en déclenchant le nettoyage à partir d'un seuil déterminé bas de la tension mise en oeuvre dans l'électrode 3. Toutefois, on constate que le nettoyage de système toutes les six heures assure une efficacité optimale.
  • Le nettoyage par application d'ondes sonores via le dispositif décrit précédemment assure une récupération de plus de 99 % de la masse totale de poussières sans avoir à ouvrir la structure. Les observations faites montrent que le nettoyage est autant efficace sur l'électrode collectrice que sur ou dans l'électrode émissive. La totalité des poussières est récupérée à l'extérieur du filtre dans le système de rétention.

Claims (3)

  1. Procédé de filtration électrostatique à électrode haute tension (3) placée dans un tube (4), consistant à nettoyeur régulièrement au moyen d'ondes sonores l'intérieur du tube (4) et de l'électrode haute tension (3) si elle est creuse, à procéder à une aspiration du flux pour récupérer directement les poussières, utilisant des moyens de commande en tension de l'électrode haute tension (3) pour asservir la tension en fonction du nombre d'arcs émis, caractérisé en ce que le nettoyage s'effectue automatiquement à partir d'un seuil bas de tension par des moyens de commande.
  2. Procédé Selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'aspiration se fait simultanément avec le nettoyage par ondes sonores.
  3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser plusieurs tubes (4) placés fluidiquement en parallèle pour permette de les nettoyer par permutation circulaire sans arrêter la filtration.
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