FR2810902A1 - Procede et dispositif de traitement par decharge electrique d'effluents organiques volatils gazeux a basse pression et a basse temperature - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux.Les effluents sont soumis (A) à une détente à basse pression avec abaissement de température 150degre K <= 173degre K et à des décharges électriques (B), au moyen d'une tuyère supersonique, ce qui permet d'effectuer un traitement sans formation appréciable de NOx .Application au traitement des gaz polluants tels que le styrène, toluène.

Description

l

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR DECHARGE

ELECTRIQUE D'EFFLUENTS ORGANIQUES VOLATILS GAZEUX

A BASSE PRESSION ET A BASSE TEMPERATURE

L'invention concerne un procédé et un dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température. Les processus industriels mis en ouvre dans les industries de transformation à forte valeur ajoutée font usage de processus de traitement et de transformation de matériaux très sophistiqués et qui utilisent des effluents organiques volatils dont l'effet, à terme, peut se révéler dangereux pour l'environnement et les espèces évoluant

dans ce dernier.

C'est le cas, en particulier, dans le cadre de l'industrie automobile, de la construction aéronautique, et, de manière plus générale, de toute industrie faisant appel à des processus de revêtement de peinture ou de traitement de surfaces au moyen de peintures, de laques ou

autres produits de traitement.

Les solutions proposées à l'heure actuelle, afin de réduire ou supprimer le niveau d'émission de tels effluents, ne sont pas nombreuses et se heurtent à un problème redoutable qui concerne l'émission de quantités importantes d'oxyde d'azote NOx, à des niveaux d'émission compris entre 500 et 2000 ppm, l'oxyde d'azote, à de telles concentrations, se révélant l'un des gaz polluants

majeurs des grands sites urbains ou industrialisés.

Parmi les solutions envisagées, on peut citer la technique connue sous le nom de technique "Glidarc", qui consiste à engendrer, à la pression atmosphérique, des arcs électriques glissants, lesquels permettent, dans une certaine mesure, la destruction de tels composés

organiques volatils, désignés ci-après COV.

En référence à la figure la, on rappelle que cette technique consiste à engendrer un arc électrique AR entre deux électrodes divergentes, un flux de gaz contenant les COV étant dirigé vers ces électrodes. Un arc électrique AR s'amorce au col des électrodes A, conformément à la loi de Paschen, se déplace par glissement vers la partie évasée B sous l'action du flux de gaz. La chute de tension électrique aux bornes de l'arc augmente en fonction de la longueur de ce dernier. Lorsque la chute de tension précitée atteint la valeur de la tension de claquage au col, l'arc électrique déplacé est court-circuité et éteint par un nouvel arc, le processus se répète selon un

phénomène oscillatoire de relaxation.

Pour une description plus détaillée du processus

"Glidarc", on pourra utilement se reporter à la demande de brevet n 2 639 172 publiée le 18/05/1990 au nom

d'ELECTRICITE DE FRANCE.

D'autres techniques mettant en oeuvre la création d'arcs électriques, ou tout au moins une pré-ionisation des gaz comburants dans des électrobrûleurs, ont été mises en ouvre afin d'assurer une combustion vive, à haute

température, de ces derniers.

Dans ce type de technique, le processus de pré-

ionisation a pour objet d'accroître la conductivité de la flamme, en l'absence de toute adjonction d'additif

susceptible de présenter un risque de pollution.

Parmi le type de technique précité, une solution décrite dans la demande de brevet français 2 577 304 publiée le 14 août 1986 au nom d'ELECTRICITE DE FRANCE et STEIN-HEURTEY, met en euvre une tuyère, le processus de préionisation étant conduit par création d'arcs électriques entre une électrode axiale et une ou plusieurs

électrodes annulaires, formant tuyère.

Dans le processus mis en oeuvre par la technique précitée, les arcs engendrés et la combustion vive réalisée sont produits à haute température, supérieure à 2000 K. En particulier, les arcs électriques engendrés sont des arcs en équilibre thermodynamique à haute température et le phénomène de détente, et l'abaissement de température corrélatif des gaz, engendré par l'effet de tuyère est sensiblement occulté par l'accroissement de

température important précité.

Dans l'une et l'autre des techniques précitées, la production d'oxyde d'azote NOx est importante. En effet, cette production est essentiellement d'origine thermique, le maximum du niveau d'émission d'oxyde d'azote NOx se

situant à une température proche de 3500 K.

La présente invention a, au contraire, pour objet la mise en ouvre d'un procédé et d'un dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température permettant d'éviter notablement la formation d'oxyde

d'azote NOx.

En particulier, la présente invention a pour objet un procédé et un dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température mettant en oeuvre un phénomène de décharge électrique hors équilibre thermodynamique local, le traitement de ces effluents, de ce fait, étant conduit à basse température, et à basse pression, ce qui permet sensiblement d'éviter la formation d'oxyde d'azote NOx. Un autre objet de la présente invention est également la mise en euvre d'un procédé et d'un dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux, contenant de l'hydrogène, le traitement conduit à basse pression permettant dans ces effluents de libérer des radicaux hydrogène présentant, du fait de la basse pression environnant ces derniers, une durée de vie dix fois supérieure à celle de ces mêmes

radicaux hydrogène soumis à la pression atmosphérique.

Le procédé de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il consiste au moins à soumettre ces effluents à une détente à basse pression, afin d'engendrer un abaissement de température de ces derniers à une température comprise entre 150 K et 173 K et à soumettre les effluents à basse température et à basse pression ainsi obtenus à des décharges électriques pour provoquer une rupture des chaînes hydrocarbonées constitutives de ces effluents organiques gazeux, en

l'absence de création de composés d'oxyde d'azote NOx.

Le dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, objet de la présente invention, est remarquable en ce qu'il comprend, au moins, un étage d'admission de ces effluents, un étage de détente de ces mêmes effluents permettant d'engendrer une détente à basse pression et un abaissement de température de ces

effluents à une température comprise entre 150 K et 173 K.

En outre, un étage générateur de décharge électrique entre un potentiel électrique à haute tension et un potentiel électrique à basse tension est prévu, cette décharge électrique étant appliquée à ces effluents à basse pression et à basse température pour provoquer une rupture des chaînes hydrocarbonées de ces derniers, en l'absence

de création de composé d'oxyde d'azote NOx.

Le procédé et le dispositif objets de la présente invention trouvent application à la destruction d'effluents organiques volatils, à la production de radicaux hydrogène à durée de vie augmentée dans les produits hydrocarbonés, en particulier au craquage des hydrocarbures utilisés ou produits par l'industrie pétrolière, en l'absence de production rédhibitoire

d'oxyde d'azote.

Le procédé et le dispositif objets de la présente invention seront mieux compris à la lecture de la

description et à l'observation des dessins ci-après dans

lesquels, outre la figure 1 relative à l'art antérieur: - la figure 2a représente, à titre illustratif, un schéma fonctionnel des étapes de mise en oeuvre du procédé de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, objet de la présente invention; - la figure 2b représente, à titre illustratif, un schéma fonctionnel des étapes d'une variante de mise en oeuvre du procédé de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, objet de la présente invention, dans lequel, par une répétition des étapes du procédé objet de l'invention tel qu'illustré en figure 2a, un effet de synergie est toutefois obtenu; - la figure 3a représente, à titre illustratif, une vue en coupe, selon un plan de symétrie radiale, du dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, objet de la présente invention; les figures 3b1, 3b2, 3b3 et 3b4 représentent des diagrammes illustratifs du principe des différents régimes d'écoulement dans une tuyère telle que celle utilisée dans le dispositif objet de l'invention illustré en figure 3a; - la figure 4a représente, à titre illustratif, une vue en coupe, selon un plan de symétrie radiale, d'une variante de réalisation du dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, objet de la présente invention, cette variante de réalisation étant plus particulièrement adaptée à la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention tel qu'illustré en figure 2b; - la figure 4b représente un diagramme du profil des pressions relatives relevées dans l'écoulement produit dans le dispositif objet de la présente invention tel que représenté en figure 4a; - la figure 4c représente un diagramme donnant la position de l'onde de choc engendrée dans une tuyère du dispositif objet de la présente invention représenté en figure 4a en fonction du débit de gaz; - la figure 4d représente un diagramme des valeurs du paramètre de Paschen, produit de la pression dans une section droite de l'écoulement et de la distance électrique, susceptible d'engendrer une décharge électrique dans cette section, ce diagramme permettant de localiser la position de la décharge électrique pour la valeur minimale de ce paramètre; - la figure 5a représente, à titre illustratif, une vue en coupe selon un plan de symétrie radial de l'électrode centrale équipant le dispositif objet de la présente invention tel qu'illustré en figure 3a ou 4a; - la figure 5b représente, à titre illustratif, un schéma préférentiel de connexion et d'alimentation électrique des électrodes équipant le dispositif objet de la présente invention tel qu'illustré en figure 4a; - la figure 6a représente un mode de réalisation préférentiel non limitatif du dispositif objet de l'invention tel qu'illustré en figure 3a; - les figures 6b1 et 6b2, vue en coupe VI-VI de la figure 6bl, représentent un détail de réalisation d'une pièce déflectrice utilisée dans le mode de réalisation de la figure 6a; - la figure 6c représente un autre mode de réalisation préférentiel non limitatif du dispositif objet

de l'invention tel que représenté en figure 3a ou 6a.

Une description plus détaillée du procédé de

traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température conforme à l'objet de la présente invention, sera

maintenant donnée en liaison avec la figure 2a.

D'une manière générale, on indique que le procédé objet de la présente invention consiste à traiter les effluents précités lorsque ceux-ci sont accompagnés d'un gaz porteur, ces effluents pouvant alors correspondre à des aérosols, des vapeurs ou d'autres gaz qui sont en suspension, respectivement mélangés au gaz porteur précité. Bien entendu, dans le cadre d'une mise en oeuvre industrielle, on indique que le gaz porteur peut être constitué par l'air, l'air ambiant, ce qui, compte tenu de la proportion d'azote contenu dans l'air ambiant précité, implique, en l'absence de précaution particulière, le

risque de création d'oxyde d'azote NOx.

Le procédé objet de la présente invention permet justement, en l'absence de précaution particulière, notamment de nature chimique, d'éviter tout risque d'émission des oxydes d'azote précités à des niveaux

rédhibitoires, ainsi qu'il sera décrit ci-après.

Selon le procédé objet de la présente invention, celui-ci consiste, en une étape A, à soumettre les effluents organiques volatils gazeux à une détente à basse pression, afin d'engendrer un abaissement de température de ces effluents, ces derniers étant amenés à une

température comprise entre 150 K et 173 K.

Par détente à basse pression, on entend toute détente des effluents organiques, et bien entendu du gaz porteur, à une pression inférieure ou égale à

350 millibars par exemple.

Les effluents organiques volatils gazeux précités ayant été amenés à l'état de basse pression et de température réduite sont alors soumis, à l'étape B, à un traitement par des décharges électriques. Ce mode opératoire permet de traiter les effluents organiques volatils gazeux précités par rupture des chaînes hydrocarbonées constitutives de ces derniers, en l'absence de création de composés d'oxyde d'azote NOx, ainsi qu'il sera décrit et illustré ultérieurement dans la

description.

D'une manière générale, on indique que l'étape A doit être réalisée antérieurement à l'étape B ou, le cas échéant, au moins de manière concomitante. On comprend en particulier que du fait du phénomène de détente précité, l'opération de traitement par décharge électrique permet d'assurer le craquage des liaisons carbonées C-H et d'engendrer des radicaux hydrogène dont la durée de vie dans l'atmosphère à basse pression précitée est allongée de manière significative. On a pu constater au cours d'investigations que pour une basse pression de l'ordre de 300 millibars, la durée de vie des radicaux hydrogène est environ dix fois plus grande qu'à la pression atmosphérique. En outre, du fait du phénomène de détente précité, on indique que l'abaissement de température des effluents organiques volatils gazeux permet de supprimer tout risque d'émission d'oxyde d'azote pour les raisons qui seront

indiquées ci-après.

D'une manière générale, on indique que les décharges électriques engendrées sont formées par les décharges électriques à basse température, c'est-à-dire dans le milieu des effluents organiques volatils gazeux portés à la température comprise entre 150 K et 173 K, ces décharges électriques étant engendrées en milieu hors équilibre thermodynamique local, ce qui permet le maintien de l'environnement de l'atmosphère de décharge à une température sensiblement inférieure à la température ambiante. Pour cette raison, le niveau d'émission d'oxyde d'azote à partir de l'azote contenu dans le gaz porteur est sensiblement réduit et, dans certaines conditions d'expérimentation, pratiquement négligeable, ainsi qu'il

sera décrit ultérieurement dans la description.

En ce qui concerne les décharges électriques engendrées en milieu hors équilibre thermodynamique local, on indique que ces décharges électriques se distinguent de manière particulièrement caractéristique des arcs électriques de l'art antérieur, lesquels sont engendrés au contraire en milieu en équilibre thermodynamique et qui, pour cette raison, atteignent des températures très élevées.

Une description plus détaillée d'une variante de

mise en ouvre du procédé objet de la présente invention

sera maintenant donnée en liaison avec la figure 2b.

D'une manière générale, et conformément à un aspect particulièrement remarquable du procédé objet de la présente invention, celui-ci consiste, en une étape A1, à soumettre les effluents organiques gazeux aux étapes A et B représentées en figure 2a, c'est-à-dire respectivement à une étape de détente à basse pression par abaissement de température à une température comprise entre 150 K et 173 K, et, de manière concomitante ou successive, à soumettre les effluents refroidis et à basse température à des décharges électriques dans les conditions semblables à

celles explicitées précédemment dans la description en

liaison avec la figure 2a.

L'étape A1 peut alors avantageusement être répétée, cette répétition permettant, à partir d'effluents organiques gazeux ayant déjà subi un traitement lors de la l! mise en ouvre de l'étape A1, en particulier à partir de l'ozone 03 et des radicaux oxygène engendrés par les effluves de la décharge électrique réalisée à l'étape B de l'étape A1 précitée, de soumettre en outre les effluents organiques gazeux traités à un phénomène d'oxydation renforcée par l'intermédiaire de l'ozone et des radicaux

oxygène ainsi crées.

Par répétition de l'étape A1, ainsi qu'illustré sur la figure 2b, on entend la répétition des étapes A et B constitutives de celle-ci de manière au moins qualitative, les conditions de mise en ouvre de ces étapes pouvant toutefois être modifiées en fonction de critères spécifiques liés au mode de production des processus de détente à basse pression lors de la répétition, ainsi qu'il sera décrit de manière plus détaillée ultérieurement

dans la description. En particulier, la détente réalisée

au cours de la répétition peut être moins intense, la pression et la température atteintes pouvant être plus importantes que dans le cas de la détente première, la détente répétée étant en conséquence moins forte, ainsi

qu'il sera décrit ultérieurement dans la description.

Le procédé de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et basse température, objet de la présente invention, peut avantageusement être mis en oeuvre au moyen d'un dispositif spécifique particulièrement adapté à la mise en oeuvre de ce procédé, ainsi qu'il sera maintenant décrit en liaison

avec les figures 3a et 3b1 à 3b4 et les figures suivantes.

Ainsi que représenté sur la figure 3a précitée, on indique que le dispositif objet de la présente invention comporte au moins un étage 1 d'admission des effluents organiques volatils gazeux auquel est associé un étage 2 de détente de ces effluents, cet étage de détente permettant d'engendrer une détente à basse pression, pression inférieure à 350 à 400 millibars par exemple, et un abaissement de température de ces effluents à une

température comprise entre 150 K et 173 K.

Enfin, le dispositif objet de la présente invention comprend un étage générateur de décharge électrique, portant la référence 3, entre un potentiel électrique à haute tension et un potentiel électrique à basse tension. La décharge électrique est appliquée aux effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, ce mode opératoire permettant de traiter les effluents organiques volatils gazeux par rupture des chaines hydrocarbonées constitutives de ces derniers en l'absence de création de composés d'oxyde

d'azote NOx.

Ainsi que représenté sur la figure 3a, et d'une manière préférentielle non limitative, on indique que l'étage de détente 2 est constitué par une tuyère supersonique dans les conditions de fonctionnement qui

seront décrites ultérieurement dans la description.

Ainsi que représenté sur la figure précitée, on indique que le dispositif objet de l'invention peut être avantageusement constitué et comporter au moins, dans une tubulure T munie d'une conduite d'admission du gaz porteur, cette conduite portant la référence 10, une électrode centrale EC de révolution, cette électrode centrale s'étendant sensiblement le long de l'axe longitudinal de la tubulure T. De manière plus spécifique, on indique que l'électrode centrale EC peut être réalisée par une tige cylindrique en matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre, l'acier inoxydable par

exemple.

Ainsi qu'on l'a en outre représenté en figure 3a, le dispositif objet de l'invention comporte successivement, et disposée sensiblement de révolution autour de l'électrode centrale EC de manière à former l'étage de détente 2, une chambre d'admission, notée CA, des effluents organiques volatils gazeux, la chambre d'admission CA constituant en fait un réservoir du type réservoir tampon du gaz porteur et des effluents

organiques volatils gazeux contenus dans ce dernier.

En outre, et dans le but de former l'étage de détente 2, le dispositif objet de l'invention comprend une tuyère 20 comportant un col de tuyère et formant un conduit de type conduit de Venturi par exemple, la face d'admission de la tuyère étant en prise directe dans la chambre d'admission CA. Bien entendu, la tuyère 20 entoure l'électrode centrale EC et constitue avec cette dernière un canal d'écoulement supersonique, le cas échéant subsonique, pour les effluents organiques volatils gazeux

et le gaz porteur contenus dans la chambre d'admission CA.

Compte tenu des conditions de pression spécifiques dans la chambre d'admission CA et des paramètres d'écoulement imposés par la tuyère 20, en particulier le col de tuyère et l'électrode centrale EC, l'ensemble constitué par le gaz porteur et les effluents COV est soumis à un écoulement provoquant une onde de choc accompagnée de la détente et de la diminution de température des effluents organiques volatils gazeux précités, ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la

description.

D'une manière plus spécifique, on indique que la tuyère 20 et le col de tuyère sont constitués par un matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre ou l'acier inoxydable, et formés par un tube de révolution présentant un profil convergent / divergent. L'électrode centrale EC et le tube de révolution constituant la tuyère sont coaxiaux pour former le canal cylindrique de

détente du gaz porteur et des effluents organiques COV.

Enfin, l'électrode centrale EC et le col de tuyère ainsi que la tuyère complète 20 sont connectés à un générateur de tension électrique pour former l'étage générateur de décharge électrique 3 entre l'électrode centrale EC et la tuyère 20. Sur la figure 3a, on indique que le générateur de tension électrique n'est pas représenté, seules les connexions à ce dernier, 200 et 201, de la tuyère 20, respectivement de l'électrode centrale EC étant représentées, afin de ne pas surcharger

inutilement le dessin.

En ce qui concerne l'exécution mécanique de l'ensemble, on indique que la chambre d'admission CA peut être réalisée directement dans la tubulure T formée par un manchon cylindrique, un obturateur 11 formant cale de maintien de l'électrode centrale EC et constitué en matériau isolant électrique étant prévu de façon à assurer le maintien et le centrage de l'électrode centrale EC précitée. Sur la figure 3a, on a représenté le sens d'écoulement é du gaz porteur et des effluents organiques COV. En ce qui concerne la tuyère 20, celle-ci peut être maintenue par une pièce mécanique en matériau isolant notée 21, fixée directement à la paroi interne de la tubulure T. La connexion de la tuyère 20 et du col de tuyère au générateur électrique extérieur par la connexion 200 peut alors être réalisée de manière connue en tant que telle par une traversée électrique étanche permettant d'assurer le passage dans le corps de la tubulure T du conducteur 200 dans des conditions d'isolation électrique convenables. En ce qui concerne le montage mécanique de l'électrode centrale EC au niveau de l'extrémité aval de la tuyère 20, l'extrémité amont de la tuyère 20 étant

constituée par l'ouverture de la tuyère convergent vis-à-

vis de l'écoulement é et l'extrémité aval étant constituée par l'extrémité de terminaison de la tuyère vis-à-vis de ce sens d'écoulement, on indique que l'électrode centrale EC peut être maintenue si nécessaire par tout dispositif adapté, non représenté au dessin, et situé à l'extérieur d'une part de la tubulure T et de la tuyère 20 par exemple. En effet, on indique que, au-delà de l'extrémité de terminaison de la tuyère dans le sens de l'écoulement e, les effluents COV et le gaz porteur sont, par exemple, à la pression atmosphérique Patm, ainsi que représenté au dessin et qu'il sera expliqué de manière plus détaillée

ultérieurement dans la description.

Le mode opératoire du dispositif objet de la présente invention tel que représenté en figure 3a, sera

maintenant décrit en liaison avec les figures 3b1 à 3b4.

Sur la figure 3b1, on a représenté le profil d'une tuyère de type tuyère de Laval convergent / divergent, le col de la tuyère étant noté C à l'abscisse Xc. Le profil est défini par le rayon r de toute section droite de la tuyère, chaque section présentant une aire A et la section

au col de la tuyère présentant une aire As.

La chambre d'admission CA est réputée constituer un réservoir amont de grande dimension o les effluents organiques COV et le gaz porteur sont à une pression P0 et présentent une masse spécifique Po ainsi qu'une température d'origine To. A la sortie de la tuyère 20, il

règne la pression atmosphérique Patm.

En référence au théorème de Hugoniot et pour un gaz ou mélange de gaz partant de la chambre d'admission CA avec une vitesse nulle, l'écoulement est obligatoirement

subsonique dans le convergent de la tuyère.

Si au col d'abscisse Xc la vitesse du mélange gazeux est inférieure à la célérité du son, l'écoulement reste subsonique dans l'ensemble du divergent de la

tuyère.

Si, au contraire, la vitesse du fluide atteint au col de la tuyère 20 la vitesse du son, deux écoulements isentropiques sont alors possibles dans le divergent: - un écoulement supersonique avec augmentation de la vitesse et décroissance de la pression lorsque l'aire A de la section de la tuyère croit; - un écoulement subsonique avec diminution de la vitesse et accroissement de la pression lorsque l'aire A

précitée augmente.

Dans ces conditions d'écoulement, il est alors possible d'établir la valeur du rapport de l'aire A d'une section quelconque de la tuyère d'abscisse X à la valeur de l'aire A, de la section de la tuyère au col d'abscisse Xc en fonction du rapport des pressions du gaz ou mélange gazeux dans la section de tuyère considérée et du rapport y = Cp/Cv des chaleurs spécifiques à pression et à volume constants du gaz ou mélange gazeux, respectivement en fonction de ce même rapport et du nombre de Mach M de l'écoulement. Il est en outre possible d'établir le rapport des températures du gaz ou mélange gazeux dans une section droite de la tuyère à la température To du gaz dans la chambre d'admission CA en fonction de ce même rapport des chaleurs spécifiques à pression et volume constants et du nombre de Mach M de l'écoulement. Les relations (1), (2) et (3) ci-après expriment la valeur de ces rapports:

-1 2

A (Y+lIIY+11 1)

A 2

A,

P y P -

A _!F2 -!M2 'y-t

- + (2)

T (3)

TO i+Y-1M2 Dans ces relations, les valeurs de P et M précitées, relatives à la pression et nombre de Mach, désignent les valeurs de pression et de nombre de Mach de l'écoulement dans une section quelconque d'aire A de la tuyère à l'abscisse X considérée. Le rapport P/P0 de la pression dans une section quelconque de la tuyère à la pression génératrice P0 et le nombre de Mach M sont représentés le long de la tuyère de l'abscisse 0 correspondant à la face d'entrée de la tuyère 20 jusqu'à l'abscisse Xs, terminaison de la tuyère, ainsi

que mentionné précédemment dans la description, ces

représentations étant données en figures 3b2 et 3b3. Il existe en fait différentes possibilités de régime d'écoulement fonction

de la valeur de la pression externe Pa du milieu dans lequel débouche la tuyère. Les différents régimes d'écoulement en fonction des valeurs relatives des pressions précitées ne seront pas décrits, car ils correspondent à des éléments connus de l'état de

la technique.

Toutefois, on indique que, conformément à un aspect particulièrement remarquable du procédé et du dispositif objets de la présente invention, la détente réalisée est obtenue au moyen de la mise en oeuvre d'une tuyère supersonique grâce à laquelle une onde de choc OC stationnaire s'établit dans la partie divergente de la tuyère. Ainsi que représenté en figure 3b4, pour Pa = PN, l'onde de choc se situe dans la section de sortie de la tuyère, c'est-à-dire à l'extrémité terminale de cette dernière; pour Pa > PN, l'onde de choc remonte dans le divergent en même temps qu'elle s'affaiblit, l'écoulement dans le divergent en amont de l'onde de choc OC étant supersonique et subsonique en aval, ainsi que représenté sur la figure 3b4 précitée; pour Pa = Pp, '1 onde de choc atteint le col de la tuyère et l'écoulement est alors subsonique sur l'ensemble du divergent. Dans les relations précédentes, PN et Pp désignent des valeurs particulières de la pression du milieu externe. Le calcul de la position de l'onde de choc dans le

divergent de la tuyère peut être réalisé de la manière ci-

apres. Le passage du gaz ou du mélange gazeux constitué par le gaz porteur et les effluents organiques volatils COV s'accompagne d'une augmentation d'entropie avec une chute de la pression génératrice de l'écoulement. En conséquence, si PO est la pression génératrice de l'écoulement en amont de l'onde de choc, on peut considérer que l'écoulement subsonique immédiatement après l'onde de choc est isentropique avec une pression génératrice p'0 < Po. Le rapport de ces pressions est donné par la relation (4) ci-après: [m 2 - - + Y-M2

I Y

PO 2 2

P'O + 1 + 1.M 2

PO 2 2 ymi Dans cette relation M1 est le nombre de Mach immédiatement

en amont de l'onde de choc considérée.

Toutefois, la température d'arrêt, qui est égale à la température génératrice de l'écoulement, reste la même de part et d'autre de l'onde de choc. L'écoulement en aval de l'onde de choc peut être considéré comme un écoulement isentropique depuis le réservoir avec une température génératrice T'O égale à la température précédente To mais avec une pression génératrice P'0 inférieure à Po. Il est alors possible de déterminer les paramètres caractéristiques Po0/Po, M et T de l'écoulement subsonique en aval de l'onde de choc OC précitée fixée dans une section droite du divergent de la tuyère à l'abscisse xl, et avec un rapport de section A1/Ac grâce à l'utilisation des relations (1), (2), (3) et (4) précédemment citées

dans la description.

Le nombre de Mach M1 en amont de l'onde de choc peut alors être calculé pour un rapport A1/A, donné à

partir de la relation (2).

Le rapport des pressions génératrices po/p'c = A'c/Ac est alors obtenu à partir de la relation (4) et permet d'obtenir l'aire A'c de la section du col correspondant à l'écoulement subsonique en aval de l'onde

de choc.

Pour une section quelconque d'aire A de la tuyère et un rapport A/A'c de cet écoulement, on détermine alors le rapport p/p'0 et le nombre de Mach M pour l'aire A

considérée à partir des relations (1) et (2) précitées.

Le rapport des températures pour toute section de l'écoulement est alors déduit du nombre de Mach M à partir

de la relation (3).

Compte tenu de ces éléments et du calcul précis de la position de l'onde de choc accrochée en régime stationnaire dans le divergent de la tuyère 20, il est

alors possible, en fonction du traitement choisi, c'est-à-

dire de la nature des effluents organiques volatils traités, de prévoir une admission des effluents à traiter au voisinage de cette onde de choc, afin d'obtenir une optimisation du traitement précité, ainsi qu'il sera

décrit ultérieurement dans la description.

Une description plus détaillée d'un dispositif

conforme à l'objet de la présente invention, plus particulièrement destiné à la mise en oeuvre du procédé illustré en figure 2b, sera maintenant donnée en liaison

avec la figure 4a et les figures suivantes 4b à 4d.

Sur la figure 4a,les mêmes références représentent

les mêmes éléments que dans le cas de la figure 3a.

En particulier, en référence à la figure 4a précitée, on indique que l'étage de détente 1 peut être complété par un autre étage de détente 4 assurant une fonction analogue et permettant de répéter l'étape A1 du

procédé précédemment décrit en liaison avec la figure 2b.

En référence à la figure 4a précitée, on indique que l'étage de détente supplémentaire 4 peut être formé par une autre tuyère 40 de révolution autour de l'électrode centrale EC et disposée en cascade avec la

tuyère 20.

De préférence, ainsi que représenté sur la figure 4a, la tuyère 20 constitutive de l'étage de détente 2 et la tuyère 40 constitutive de l'étage de détente supplémentaire 4 sont montées en cascade autour de l'électrode centrale EC par l'intermédiaire d'une chambre

de passage formant chambre de mélange et notée CB.

L'ensemble formé par le col de tuyère et la tuyère 20, par la chambre de passage CB, et par la tuyère 40 et le col de tuyère constitutif de l'étage de détente supplémentaire 4 est coaxial à l'électrode centrale EC et de révolution autour de celle-ci. La chambre de passage CB peut comporter une prise d'admission d'effluents organiques volatils gazeux traversant la paroi de la tubulure T et portant la référence D. La chambre de passage CB, formant chambre de mélange, permet d'introduire des turbulences au niveau de l'écoulement, lesquelles ont pour effet de favoriser le traitement des COV. De préférence, les tuyères 20 et 40 peuvent être constituées par des tuyères

de Laval.

Compte tenu de ces éléments, les indications supplémentaires sont données ci-après à titre d'exemple en ce qui concerne l'exécution d'un dispositif tel que représenté en figure 4a. La chambre d'admission CA peut être constituée par une chambre cylindrique de diamètre compris entre 30 et 70 mm. Dans la chambre d'admission A

règne la pression génératrice P0 de l'écoulement.

L'angle d'ouverture de la tuyère 20, c'est-à-dire du divergent de celleci, peut être pris égal à une valeur

comprise entre 2 et 5 .

La chambre de passage CB de forme également cylindrique peut présenter une longueur comprise entre 30

et 70 mm et un diamètre compris entre 30 et 80 mm.

Alors que le col de la première tuyère 20 peut présenter une longueur de quelques dizaines de millimètres et un diamètre constant sur cette longueur compris entre 17 mm et 20 mm, le col de la deuxième tuyère 40 est de préférence un col de rayon supérieur à celui du col de la première tuyère 20, mais de longueur de col, sur laquelle le rayon du col est sensiblement constant, inférieure à celle de la première tuyère. L'électrode centrale peut présenter un diamètre compris entre 13 et 16 mm. En tout état de cause, les paramètres de dimensionnement précités peuvent être adaptés en fonction de l'application

industrielle retenue.

De préférence, afin d'éliminer toute trace d'humidité dans le gaz porteur, c'est-à-dire l'air comprimé alimentant le dispositif par la canalisation 10, il est prévu un système de filtrage avant injection. Le débit d'air constitutif du gaz porteur peut alors être compris entre 20 et 200 Nm3/h. On rappelle que 1 Nm3 désigne un volume de 1 m3 de gaz mesuré dans des

conditions normales de température et de pression.

Compte tenu de ces paramètres de mise en oeuvre, il est ainsi possible, ainsi que représenté en figure 4a, d'obtenir un phénomène d'onde de choc dans le divergent de la première, 20, respectivement le divergent de la deuxième tuyère 40. Ce mode opératoire permet alors la mise en oeuvre du procédé objet de la présente invention selon les modes d'exécution représentés en figure 2a et/ou 2b. En outre, on indique que la première tuyère 20 peut être une tuyère supersonique ou subsonique alors que la deuxième tuyère 40 peut être supersonique ou subsonique, conditionnellement au régime d'écoulement de la première

tuyère 20.

Les résultats expérimentaux sont portés sur la figure 4b représentant le rapport P/Po de la pression P dans une section droite de l'écoulement, c'est-à-dire sur le trajet du gaz entre la chambre d'admission CA et la sortie à la pression atmosphérique du dispositif tel que représenté en figure 4a. Le rapport P/P0 est mesuré pour

différents débits volumiques Dg précédemment mentionnés.

A l'observation de la figure 4b, on constate que l'écoulement devient supersonique au col de la première tuyère pour un débit volumique Dg = 35 Nm3/h pour une pression génératrice P0 = 1,333 atm. La pression mesurée au col Pc vérifie alors la relation (5):

P = - 0,528 (5)

P0 LY+I

Pour des débits plus importants, c'est-à-dire supérieurs à 35 Nm3/h, le passage par le point correspondant à la valeur P/P0 = 0,528 s'effectue toujours sensiblement à la même abscisse, avec un léger décalage

correspondant à la position du col réelle du dispositif.

L'aire Ac de la section de passage du mélange gazeux au col et le diamètre cp correspondant obtenu à partir des paramètres de l'écoulement, et non pas des dimensions de construction de l'ensemble, pour différents débits Dg sont donnés dans le tableau ci-après: Pression génératrice- 1, 333 1,465 1,665 1,868 Po[atm] Débit de gaz Débit dg3/ha 35,01 39,25 45,38 49,98 D[Nm3/h] Aire de passage au col Aire de passage au col 39,13 39,91 40,60 39,86 Aj[mm2] Diamètre intérieur de la tuyère 17,49 17,52 17,54 17, 51 au col óC[mm] Position de l'onde de choc par 0,00 3,20 4,10 7,90 Rapport au col 5X[mm] Les valeurs de A, calculées sont en bon accord, à moins de 2% près, avec la valeur 4c retenue pour la mise

en oeuvre de construction correspondante.

On observe sur la figure 4b l'apparition d'une onde de choc, laquelle s'établit dans le divergent de la première tuyère 20 à une distance ôx du col d'autant plus

grande que le débit de gaz est important.

La figure 4c représente la position i de l'onde de choc par rapport au col en fonction du débit volumique Dg du gaz admis dans la chambre d'admission CA. Sur la figure 4c précitée, les débits de gaz sont exprimés en

Nm3/h et l'écart de position ix en mm.

En ce qui concerne le régime de création des décharges électriques, on indiquera l'ensemble des

éléments ci-après.

La tension nécessaire à l'amorçage de chaque

décharge est directement liée à la distance inter-

électrodes notée délec. D'une manière générale, on indique que la tension d'amorçage au col est égale à la tension de

claquage selon la loi de Paschen.

Pour la mise en ouvre du procédé objet de la présente invention, on indique qu'il est nécessaire de choisir une valeur délec suffisamment faible pour que le générateur permette au moins l'amorçage au col de chaque tuyère, mais par ailleurs suffisamment élevée pour que la décharge ait le temps de se développer correctement et que la puissance dissipée dans le cordon de plasma, constitutif de la décharge, ne soit pas trop faible compte tenu des réactions physico-chimiques recherchées. On indique qu'un mode de fonctionnement optimum du dispositif objet de la présente invention correspond en fait à une coupure de la décharge par au moins un réamorçage au col lorsque la puissance dissipée dans le cordon de plasma correspond sensiblement à l'adaptation de charge avec le générateur. On comprend en effet que dans ces conditions,

le rendement du transfert d'énergie est alors optimal.

Le phénomène d'extinction de chaque décharge, qui correspond sensiblement à un phénomène d'oscillation de relaxation dans les conditions indiquées précédemment dans

la description, peut être réalisé de trois manières

différentes: - la tension de décharge atteint la tension de claquage au col des tuyères. La zone d'amorçage est alors l'espace o les électrodes, électrode centrale et tuyère correspondante, sont les plus proches et o le champ électrique est suffisant, compte tenu des

conditions d'écoulement. Cette nouvelle décharge court-

circuite l'ancienne qui n'est plus maintenue et finit

alors par s'éteindre.

Ce mode opératoire est le mode opératoire lorsque l'alimentation par le générateur électrique est une

alimentation continue.

- La longueur, et la résistance, de la décharge augmentent au cours du temps, ainsi que l'énergie nécessaire au maintien de celle-ci. A partir d'une longueur critique, l'alimentation électrique n'arrive plus à fournir suffisamment d'énergie pour maintenir le plasma. La conductivité de la décharge décroît et finit par s'annuler, entraînant l'extinction de la décharge précitée. La tension de décharge augmente alors brutalement pour atteindre la tension à vide du générateur et un nouvel amorçage se produit au col de

la tuyère.

- Lorsque le générateur de tension est un générateur alternatif, le passage par la valeur zéro du courant électrique de décharge peut provoquer l'extinction de cette dernière. En effet, dans le cas o la durée du passage par zéro est suffisamment courte et ne dépasse pas le temps de recombinaison des porteurs de charge, leur densité ne tombe pas instantanément à zéro. Dans ces conditions, il peut y avoir réamorçage de la décharge dans ou au voisinage du cordon de plasma plutôt qu'au col de la tuyère considérée. Un tel phénomène est analogue au phénomène de rétroclaquage

observé au cours d'expérimentations.

Compte tenu de la loi de Paschen, l'amorçage de la décharge doit se faire au point de la tuyère o le produit P x déilec, c'est-à-dire le produit de la pression P du gaz ou mélange gazeux pour une section de tuyère donnée quelconque, par la distance inter-électrodes délec, distance entre l'électrode centrale EC et le corps

convergent/ divergent de la tuyère, est le plus faible.

A partir des résultats expérimentaux donnant la répartition de pression dans la tuyère donnés en figure 4b ainsi que les dimensions de la tuyère déduites des caractéristiques de construction de cette dernière, la figure 4d montre l'évolution du produit P x délec pour différents débits de gaz ou de mélange gazeux. De l'observation de la figure 4d précitée, il apparaît que le claquage doit se produire, notamment au niveau de l'onde

de choc OC, là o le produit P x délec est le plus faible.

Toutefois, pour des débits de gaz ou de mélange gazeux plus importants, l'onde de choc est repoussée dans le divergent de la première tuyère 20 et le produit P x délec passe alors par son minimum en amont de l'onde de choc. Dans ce cas, la décharge s'amorce en amont de l'onde

de choc précitée.

Compte tenu des observations précédentes, il apparaît possible, conformément au procédé et au dispositif objets de la présente invention, d'ajuster la position relative de l'onde de choc et du point d'amorçage des décharges afin de choisir la situation la plus favorable en fonction des effluents volatils gazeux traités, compte tenu bien entendu de la nature de ces

derniers.

On concoit en particulier que dans de telles conditions, les effets combinés de la turbulence de l'onde de choc et d'une décharge à très basse température, et donc très fortement hors équilibre thermodynamique, soient de nature à optimiser le traitement effectué et de réduire

le niveau d'émission de l'oxyde d'azote NOx.

Une description plus détaillée d'un mode de

réalisation préférentiel du dispositif, objet de la présente invention, sera maintenant donnée en liaison avec

la figure 5a.

Ce mode de réalisation est plus particulièrement adapté à un réglage fin de la position d'admission des effluents organiques à traiter par rapport à la position de l'onde de choc engendrée dans la première tuyère 20, le cas échéant dans la deuxième tuyère 40. Le mode de réalisation préférentiel précité sera décrit en liaison avec la figure 3a vis-à-vis de la première tuyère 20, l'ensemble des éléments pouvant être repris de manière

similaire vis-à-vis de la deuxième tuyère 40.

Ainsi que représenté sur la figure 5a précitée, l'électrode centrale EC est formée par une électrode creuse dont l'extrémité, dans le sens d'écoulement du mélange gazeux comportant les effluents organiques à

traiter COV, est totalement obturée.

L'électrode centrale EC forme ainsi un canal d'admission des effluents organiques par l'intermédiaire d'une prise d'admission, notée PRA, située à l'autre extrémité, c'est-à-dire à l'extrémité amont de l'électrode

creuse EC.

En référence à la figure 3a précitée, on indique que l'électrode creuse ainsi constituée EC peut être montée avantageusement entre l'obturateur d'étanchéité et de maintien 11 et un dispositif de maintien 12, situé en extrémité terminale de l'électrode creuse EC à l'extérieur

de la tubulure T et mécaniquement relié à cette dernière.

Le dispositif de maintien 12 peut être constitué, à titre d'exemple non limitatif, par un anneau maintenant fermement l'extrémité de l'électrode creuse EC, cet anneau étant rattaché par des pattes de fixation à la tubulure T. En outre, l'électrode centrale creuse EC comporte des trous traversant la paroi latérale de cette dernière, ces trous formant ajutage sur au moins une section droite de l'électrode centrale EC précitée. Sur la figure 5a, les trous formant ajutage portent la référence 13. Ils peuvent être diamétralement opposés, un nombre de deux trous étant représentés sur la figure 5a, ou au contraire décalés à dans le plan de coupe Q-Q représenté sur la figure 5a précitée. Ainsi, dans ces conditions, l'admission des effluents COV à traiter peut être effectuée par l'intermédiaire de la prise d'admission PRA, transmis par le canal constitué par l'électrode creuse EC et distribués au niveau des ajutages 13 dans des conditions optimales de

distribution, ainsi qu'il sera expliqué ci-après.

La pression des effluents COV à traiter au niveau de la prise d'admission PRA peut être comprise entre 0,35 et 5 bars. Ce mode de réalisation permet, grâce aux ajutages 13, de déterminer la pression dans une section donnée de l'ensemble du dispositif, même en présence de décharges électriques sans toutefois nécessiter l'introduction d'un tube de Pitot, lequel, compte tenu de la faible section de passage du mélange gazeux au niveau de chaque tuyère, serait susceptible de perturber notablement le champ des vitesses d'écoulement. Le diamètre des trous constituant les ajutages 13 peut être compris entre 0,5 et 1 mm. Les ajutages 13 permettent en

outre d'injecter les effluents COV dans l'écoulement.

Le mode de réalisation représenté en figure 5a est particulièrement avantageux dans la mesure o, compte tenu du déplacement i de l'onde de choc en fonction du débit Dg tel que représenté en figure 4c, il est avantageux d'admettre les effluents organiques à traiter COV dans un voisinage amont ou aval de la position effective de l'onde de choc précitée, en fonction du traitement à appliquer aux effluents organiques introduits par l'intermédiaire du

gaz porteur.

Dans ces conditions, ainsi que représenté en figure 5a, l'électrode centrale EC, électrode creuse, est alors amovible en translation G le long de son axe longitudinal de symétrie X-X, afin de permettre de positionner la section droite de l'électrode centrale EC munie des trous 13 formant ajutage au voisinage amont ou aval, le cas échéant en coïncidence, de la position de l'onde de choc, et d'optimiser ainsi le traitement des effluents organiques volatils en fonction de la nature de

ces derniers.

Dans ce but, ainsi que représenté sur la figure précitée, les systèmes d'obturation et de maintien 11, respectivement 12, peuvent avantageusement être munis d'un système de guidage du type guidage à roulement 110, respectivement 120, permettant le montage à glissement G de l'électrode centrale EC dans les dispositifs de maintien et d'étanchéité 11, respectivement 12. En ce qui concerne l'étanchéité, celle-ci doit être maintenue au niveau du seul système de maintien et d'étanchéité 11 par l'intermédiaire de joints d'étanchéité, lesquels ne sont

pas représentés au dessin.

Compte tenu de la plage de variations de la position i de l'onde de choc en fonction du débit Dg, telle que représenté en figure 4c, on indique que l'extrémité amont de l'électrode centrale EC, c'est-à-dire au voisinage du dispositif de maintien et d'étanchéité 11, peut avantageusement être munie d'un système de déplacement en translation de l'électrode centrale EC formé, par exemple, par une vis micrométrique VM, laquelle, à partir d'un filetage adapté de l'extrémité externe de l'électrode centrale EC, permet le déplacement de l'électrode centrale précitée en translation le long de l'axe de symétrie X-X de cette dernière. Le dispositif à vis micrométrique VM ne sera pas décrit en détail car il correspond à un dispositif connu de l'état de la technique. Compte tenu de ces éléments, il est ainsi possible d'effectuer un réglage précis du plan matérialisant la section d'admission des effluents organiques COV à traiter par rapport au plan dans lequel l'onde de choc OC est engendrée, en fonction des conditions d'écoulement du

* mélange gazeux dans la première tuyère 20 par exemple.

Il en est de même pour ce qui concerne la deuxième tuyère 40, le dimensionnement pouvant alors être effectué et les conditions d'établissement des ondes de choc pouvant être déterminées, en particulier leur position, compte tenu des valeurs de mesure du produit P x délec

représenté en figure 4d.

Différentes indications relatives au mode d'alimentation électrique de l'électrode centrale EC et de chaque tuyère 20, respectivement 40, seront maintenant

données ci-après.

Lorsque les électrodes sont alimentées à partir d'un générateur de courant continu, un tel générateur peut être réalisé à partir de l'alimentation du réseau triphasé. Il peut alors comprendre, en cascade, un autotransformateur, un transformateur élévateur de tension, un montage redresseur et une cellule de filtrage par exemple. La valeur moyenne de la tension à vide peut être réglable en agissant sur l'autotransformateur de manière à atteindre une valeur maximale de 4,5 kV. La réalisation d'un tel générateur ne sera pas décrite en détail car le mode de mise en oeuvre de celui-ci correspond à l'utilisation

d'éléments connus de l'état de la technique.

En présence de la décharge électrique, le générateur est alors soumis au passage périodique d'un régime de court-circuit à un régime de fonctionnement à vide, avec de nombreuses instabilités dues à la quasi

simultanéité de l'extinction et du réamorçage.

Au contraire, lorsque le générateur d'alimentation est un générateur d'alimentation périodique, de préférence, le générateur est constitué sous forme d'une alimentation à haute tension sinusoïdale délivrant une tension de 10 kV à une fréquence de 50 Hz par exemple. Le générateur est alors constitué par un transformateur haute tension à fuites magnétiques, les fuites magnétiques d'un tel transformateur permettant de maintenir un courant pratiquement sinusoïdal dont la valeur efficace reste constante et de l'ordre de 0,14 ampères pour une tension

au primaire de 220 volts.

Une variante de mise en oeuvre en alimentation alternative peut consister à utiliser une alimentation électronique à haute tension délivrant une tension périodique à 25 kHz. Dans ces conditions de fonctionnement, la valeur maximale du courant délivré peut

atteindre 180 mA.

Chacun des générateurs d'alimentation précités peut être utilisé pour alimenter l'une ou l'autre des

tuyères 20, respectivement 40.

Toutefois, des essais réalisés ont permis la mise en évidence d'un mode d'alimentation préférentiel, tel que

représenté en figure 5b.

Ce mode d'alimentation préférentiel consiste à utiliser un générateur alternatif à fréquence de 50 Hz permettant d'amorcer la décharge dans l'une ou l'autre des

tuyères 20 ou 40 sans limitation de débit.

Un centrage correct de l'électrode centrale EC et un bon réglage de l'injection de gaz permet alors d'obtenir des zones plasmagènes sensiblement uniformes dans chaque tuyère. Alors que deux générateurs indépendants peuvent être utilisés pour alimenter la première 20, respectivement la deuxième tuyère 40, il est toutefois possible d'utiliser une alimentation unique pour amorcer les deux décharges dans les tuyères précitées de manière simultanée. Le mode d'alimentation correspondant tel que représenté en figure 5b consiste alors à connecter la tubulure T et finalement la deuxième tuyère 40, laquelle n'est pas isolée électriquement du corps de la tubulure T, à la tension de référence ou tension de masse. La première tuyère 20, isolée électriquement du corps de tubulure T par la pièce de fixation et d'isolement 21 représentée schématiquement sur la figure 5b, consiste à appliquer la tension alternative entre l'électrode centrale et la première tuyère 20. Dans ces conditions, ainsi que représenté à la figure 5b précitée, et bien qu'une perte de puissance puisse être mise en évidence au niveau de la deuxième tuyère, le schéma d'alimentation représenté sur cette figure permet de sécuriser le dispositif dont le corps de tubulure T est alors porté au potentiel de

référence, c'est-à-dire à la masse.

En ce qui concerne le fonctionnement des dispositifs, objets de la présente invention, tels que représentés en figure 3a et 4a, on indique que, en fonction du mode d'alimentation électrique, certains effets spécifiques ont pu être mis en évidence. C'est en particulier le cas lors d'une alimentation à 25 kHz o, sous l'effet du flux de gaz ou de mélange gazeux, la

décharge électrique apparaît plus instable.

Enfin, on indique que le corps de la deuxième tuyère 40 peut être muni d'un revêtement 401 de matériau catalyseur d'oxydation, permettant d'augmenter le rendement du traitement des COV. En particulier, le canal de détente formé par l'électrode centrale EC et la paroi de la deuxième tuyère 40, notamment le revêtement 401 précité, peut être subdivisé en canaux de détente élémentaires CD délimités par des parois radiales et concentriques par exemple comportant des éléments en matériau catalyseur d'oxydation. Parmi les catalyseurs d'oxydation susceptibles d'être utilisés, on peut citer le

platine-iridium la silice-alumine par exemple.

Dans le cas d'une alimentation alternative à 50 Hz à self de fuite, le courant d'alimentation est pratiquement sinusoïdal et la tension de décharge dans la première tuyère 20 fluctue autour d'une valeur moyenne sensiblement constante U0 = 1 kV dans les conditions d'expérimentation. Un mode de réalisation préférentiel non limitatif du dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents COV sera maintenant décriten liaison avec les figures 6a, 6bl, 6b2 et 6c, relatives à des éléments spécifiques permettant d'améliorer la stabilité de la zone

de décharge électrique dans les tuyères mises en oeuvre.

Ainsi que représenté sur la figure 6a, la chambre d'admission CA, le cas échéant la chambre de passage CB, peut comporter une pièce déflectrice 14 permettant d'imprimer au jet de gaz ou de mélange gazeux, issu de la conduite d'admission du gaz 10, un mouvement sensiblement tourbillonnaire dans un plan sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal X-X de la chambre d'admission CA ou de passage CB et de la tuyère 20 ou 40. Ce mouvement tourbillonnaire permet de stabiliser la zone de décharge

électrique au voisinage du plan précité.

Ainsi que représenté en figures 6b1 et 6b2, la pièce déflectrice 14 peut être constituée en un matériau électriquement isolant, moulé, tel que le PVC, sensiblement de révolution, comportant un orifice central permettant d'assurer le passage de l'électrode centrale EC. En outre, des orifices de déflexion et d'injection ménagés dans l'épaisseur de la pièce déflectrice 14 assurent avec la paroi latérale interne de la chambre d'admission CA ou de passage CB un profil de déflexion radiale vers la paroi latérale interne de chaque chambre, afin de permettre une injection tangentielle du jet de gaz ou mélange gazeux au voisinage de la paroi latérale interne précitée. Le jet de gaz admis à partir de la canalisation 10 en amont de la pièce déflectrice 14 est subdivisé en jets élémentaires transversaux dirigés vers cette paroi latérale interne. La pièce déflectrice 14 peut

être installée au moyen d'une entretoise 14a.

Dans ces conditions, la décharge électrique, initiée radialement en l'absence de mouvement tourbillonnaire du gaz ou mélange gazeux, est au contraire entraînée en rotation dans le plan de décharge d'origine et maintenue dans ce dernier. Ceci permet, d'une part, de stabiliser l'abscisse du plan de décharge électrique et, d'autre part, de délocaliser les points d'impacts de décharge électrique sur un cercle, intersection du plan de décharge et de l'électrode centrale EC, respectivement de

la tuyère.

L'effet de stabilisation de la zone de décharge électrique peut en outre être obtenu, ou renforcé, ainsi que représenté en figure 6c, grâce à la mise en euvre d'une bobine CO génératrice d'un champ magnétique B colinéaire à l'axe longitudinal X-X de la chambre d'admission CA ou de passage CB et de la tuyère. La bobine CO peut avantageusement être placée à l'extérieur de la tubulure T. Le champ magnétique B est d'amplitude sensiblement constante et stationnaire, sur une distance correspondant à l'étendue de la dimension de la chambre CA ou CB, augmentée au moins de la longueur, selon cette même direction, de la distance de l'entrée de la tuyère jusqu'à la sortie de la tuyère. L'existence de ce champ magnétique permet d'entraîner la décharge électrique en rotation, constituée par le cordon de plasma formant un tube de courant, selon un effet magnétron. L'entraînement en rotation est localisé sensiblement dans un plan orthogonal à l'axe longitudinal X-X. Lorsque le courant de décharge est continu, le champ magnétique superposé est continu, alors que lorsque le courant de décharge est sinusoïdal, le champ magnétique superposé est sinusoïdal, à la même fréquence et en phase ou en opposition de phase avec le

courant de décharge.

Les modes de réalisation représentés en figures 6a, 6b1, 6b2 et 6c peuvent être mis en oeuvre séparément ou

en combinaison.

Dans le mode de réalisation des figures précitées, la canalisation 10 d'amenée de gaz porteur et des effluents peut être ménagée dans le corps de la tubulaire T et déboucher sur la face plane de cette dernière par un orifice d'admission OR, afin de permettre l'installation de la bobine CO sur la surface de révolution de la

tubulure T, sans obstacle majeur.

En raison de l'amélioration sensible de la stabilité de la zone de décharge électrique, il est alors possible de prévoir une alimentation électrique alternative des électrodes, électrode centrale EC et tuyère, à des fréquences importantes pouvant atteindre kHz ou plus, et d'obtenir ainsi une réduction de la

production d'oxyde d'azote NOx.

Des résultats d'expérimentation de mise en oeuvre de traitement d'effluents organiques spécifiques seront maintenant donnés lors de la mise en ouvre du procédé objet de la présente invention, au moyen des dispositifs

précédemment décrits.

Les essais précités ont été réalisés au moyen d'un appareil industriel, désigné par "TESTO 33", fabriqué et commercialisé mondialement par la société TESTOTERM GmbH, D-7825 Lenzkirch/Schwarzwald, Kolumban-Kayser Strasse 17, Allemagne, cet appareil mettant en oeuvre un principe de fonctionnement basé sur une technique électrochimique. Ce principe de méthode d'analyse des gaz est basé sur des réactions d'oxydoréduction et met en jeu des échanges d'électrons. Lors des mesures effectuées, la gamme d'utilisation de la cellule électrochimique était comprise entre 0 et 2000 ppm et la précision de mesure était de plus ou moins 20 ppm pour les concentrations inférieures à 400 ppm et de 5% pour les concentrations supérieures. Pour ce qui concerne les oxydes d'azote, on indique que le système de mesure donnait une indication de la totalité

des NOx détectés.

RESULTATS EXPERIMENTAUX

MESURE DES CONCENTRATIONS DE NOx EN SORTIE DU DISPOSITIF A TUYERE UNIQUE SELON LA FIGURE 3a Pour les différents modes d'alimentation électrique

précédemment mentionnés dans la description, des résultats

ci-après ont été obtenus: - dans tous les cas, la production des NOx diminue

lorsque le flux de gaz ou de mélange gazeux augmente.

En particulier, pour une alimentation alternative à kHz, la quantité de NOx produite et détectée devient rapidement plus faible que la limite de détection du

dispositif testeur "TESTO 33".

- En régime supersonique, lorsque la tuyère 20 est alimentée en continu, une faible production de NOx peut être mise en évidence. Ce mode opératoire correspond à un développement correct de la décharge électrique dans la tuyère précitée. Toutefois, le passage en régime d'arc, c'est-à-dire arc électrique en équilibre thermodynamique, provoque une augmentation importante de la production de NOx. Un tel régime doit donc être évité. - Lors d'une alimentation alternative à 50 Hz, le phénomène de passage en régime d'arc n'apparaît pas car le passage par zéro du courant d'alimentation laisse la possibilité à la décharge de se couper puis de se

réamorcer en un autre point de la tuyère.

Avec une alimentation alternative à 50 Hz, il est possible d'obtenir en régime supersonique des concentrations de NOx de faible valeur, c'est-àdire

comprises entre 50 et 100 ppm.

Il est à noter que la production de NOx peut varier en raison d'une modification du taux d'humidité de l'air,

c'est-à-dire du gaz porteur utilisé dans le réacteur.

Dans ces conditions, pour une application à l'échelle industrielle, il peut être envisagé de munir le conduit d'admission du gaz porteur d'un filtre déshumidificateur.

DESTRUCTION DES POLLUANTS

La destruction des polluants est réalisée de manière optimale pour un régime supersonique de la première tuyère 20. Dans ces conditions, la décharge électrique dans cette tuyère ne s'établit pas au col mais au niveau de l'onde de

choc, conformément à la loi de Paschen.

En particulier, les décharges supersoniques ainsi obtenues présentent de l'intérêt pour la destruction des effluents

gazeux volatils COV tels que le styrène et le toluène.

Destruction du styrène C6H5C2H3 Les essais ont consisté en une injection effectuée au niveau de la chambre intermédiaire CB en aval de l'onde de choc produite au niveau de la première tuyère, le débit du gaz porteur, c'est-à-dire de l'air, étant de l'ordre de

Dg = 60 à 70 Nm3/h.

Dans ces conditions, les analyses ont montré un taux de destruction voisin de 80% avec une très faible formation

de NOx, le taux d'émission étant inférieur à 20 ppm.

Destruction du toluène C6H5CH3 Les essais ont consisté à injecter le toluène dans la chambre d'admission CA, c'est-à-dire dans une zone o la température est proche de la température ambiante, une partie du gaz chargé de toluène à débit plus faible étant

toutefois introduite par l'électrode centrale creuse EC.

Le réglage des ajutages, c'est-à-dire de leur position vis-à-vis de la face d'admission de la première tuyère 20, était choisi de façon à diffuser le toluène admis par l'électrode centrale EC dans la chambre d'admission CA à

la même température voisine de la température ambiante.

Les mesures ont été effectuées avec un débit de mélange gazeux Dg sensiblement égal à 40 Nm3/h, permettant de réaliser un fonctionnement supersonique dans la première tuyère 20 et un fonctionnement subsonique dans la seconde

tuyère 40.

Les résultats donnant la puissance électrique appliquée à chaque tuyère, le débit de gaz ou de mélange gazeux, la concentration initiale en toluène, en ppm, et le taux de destruction du toluène, en %, ainsi que la production de NOx, en ppm, sont donnés dans le tableau ci-après: Tuyère supersonique Tuyère subsonique

40

Puissance électrique 200 W 200 W

<P> [W]

Débit de gaz 3/h 3/h Dg [Nm3/h] 40 Nm_43/h_ Concentration initiale de toluène 200 pp 100 pp r z:t 2100 ppm z 2100 ppm C4CH3 [PPm] Taux de destruction du toluène 70 - 80 % 70 - 80 % X [%] Production de NOx 100 50 ppm 150- 100 ppm CNox [ppm] I 0-5 p On note une concentration d'émission en NOx plus élevée dans le cas de la deuxième tuyère fonctionnant en régime subsonique vis-à-vis de la première tuyère fonctionnant en

régime supersonique.

PRODUCTION DE RADICAUX HYDROGENE A LONGUE DUREE DE VIE

La production de radicaux hydrogène à basse température présente à l'heure actuelle un très grand intérêt dans les secteurs de l'industrie chimique et de la physico-chimie tel que: - élimination des molécules toxiques dans le traitement par plasma des déchets industriels fluoro- chlorés; réalisation de dépôt de diamant à partir de plasmas de méthane; cicatrisation des liaisons pendantes des chaînes

coupées dans le craquage des hydrocarbures.

Des investigations ont permis de mettre en évidence l'effet de la pression et en particulier de la

basse pression sur la durée de vie des atomes d'hydrogène.

On a pu constater que la décroissance du nombre d'atomes d'hydrogène est beaucoup plus lente, environ d'un facteur 10, pour une variation de pression de 1 bar à 1/3 bar. En outre, pour le passage d'une pression de 1 bar à 1/3 bar, le temps caractéristique de décroissance 0 pour lequel le

nombre d'atomes d'hydrogène a été divisé par 10, est lui-

même multiplié environ par un facteur 10.

Les résultats précités montrent tout l'intérêt qu'il peut y avoir à travailler sous pression réduite, afin d'augmenter d'une manière significative la durée de vie des radicaux hydrogène avec la possibilité de les utiliser ensuite avec une efficacité améliorée dans différentes applications, en particulier dans le craquage

des hydrocarbures.

Claims (15)

REVENDICATIONS

1. Procédé de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux, caractérisé en ce qu'il consiste au moins: a) à soumettre lesdits effluents organiques volatils gazeux à une détente à basse pression afin d'engendrer un abaissement de température desdits effluents organiques volatils gazeux à une température comprise entre 150 K et 173 K; b) à soumettre lesdits effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à une température réduite à des décharges électriques, ce qui permet de traiter lesdits effluents organiques volatils gazeux par rupture des chaînes hydrocarbonées constitutives de ces derniers, en l'absence de création de composés

d'oxyde d'azote NOx.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites décharges électriques sont formées par des décharges électriques à basse température, lesdites décharges électriques étant engendrées en milieu hors équilibre thermodynamique local, ce qui permet le maintien de l'environnement de l'atmosphère de décharge à une

température inférieure ou égale à la température ambiante.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2,

caractérisé en ce que celui-ci consiste: al) à soumettre lesdits effluents organiques gazeux aux étapes a) et b); a2) à répéter l'étape al) , ce qui permet, à partir d'effluents organiques gazeux ayant déjà subi un traitement al), et à partir de l'ozone et des radicaux oxygène engendrés par les effluves de la décharge électrique, de soumettre en outre lesdits effluents organiques gazeux traités à un phénomène d'oxydation renforcé.

4. Dispositif de traitement par décharge électrique d'effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, caractérisé en ce qu'il comporte au moins: - des moyens d'admission desdits effluents organiques volatils gazeux; - des moyens de détente desdits effluents organiques volatils gazeux permettant d'engendrer une détente à basse pression et un abaissement de température desdits effluents organiques volatils gazeux à une température comprise entre 150 K et 173 K; - des moyens générateurs de décharge électrique entre un potentiel électrique à haute tension et un potentiel électrique à basse tension, ladite décharge électrique étant appliquée auxdits effluents organiques volatils gazeux à basse pression et à basse température, ce qui permet de traiter lesdits effluents organiques volatils par rupture des chaînes hydrocarbonées constitutives de ces derniers, en l'absence de création de composés

d'oxyde d'azote NOX.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que celui-ci comporte au moins, dans une tubulure munie d'une conduite d'admission d'un gaz porteur: - une électrode centrale de révolution, s'étendant sensiblement le long de l'axe longitudinal de cette tubulure, et, successivement, disposés sensiblement de révolution autour de cette électrode centrale et formant lesdits moyens de détente: - une chambre d'admission desdits effluents organiques volatils gazeux; - un col de tuyère, formant conduit de Venturi, dont la face d'admission est en prise directe dans ladite chambre d'admission, ce qui permet d'engendrer une onde de choc, accompagnée de ladite détente et de ladite diminution de température desdits effluents organiques

volatils gazeux.

6. Dispositif selon les revendications 4 et 5,

caractérisé en ce que ledit col de tuyère est constitué par un matériau électriquement conducteur et formé par un tube divergent de révolution, ladite électrode centrale et ledit tube de révolution étant sensiblement coaxiaux pour former un canal cylindrique de détente du gaz porteur et des effluents organiques, ladite électrode centrale et ledit col de tuyère étant connectés à un générateur de tension électrique pour former lesdits moyens générateurs de décharge électrique entre ladite électrode centrale et

ledit col de tuyère.

7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou

6, caractérisé en ce que ladite électrode centrale est une électrode creuse, formant un canal d'admission desdits effluents organiques, la paroi de ladite électrode centrale étant munie de trous formant ajutage sur au moins une section droite de ladite électrode centrale et permettant l'admission desdits effluents organiques dans

ladite chambre d'admission.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour une plage de valeurs de débit dudit gaz porteur et desdits effluents organiques, ladite onde de choc s'établissant sensiblement au niveau d'une section droite dudit col de tuyère comprise dans une plage de valeurs d'abscisses, mesurées par rapport à la face d'admission dudit col de tuyère, ladite électrode centrale est amovible en translation le long de son axe longitudinal, ce qui permet de positionner la section droite de cette électrode centrale munie de trous formant ajutage au voisinage amont de la position de l'onde de choc et d'optimiser ainsi le traitement desdits effluents

organiques volatils.

9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à

8, caractérisé en ce que lesdits moyens générateurs de tension électrique sont des moyens générateurs périodiques, ce qui permet de supprimer le risque de formation d'arc électrique à haute température, par passage à la valeur zéro de la tension périodique délivrée

par lesdits moyens générateurs périodiques.

10. Dispositif selon les revendications 1 et 2,

caractérisé en ce que lesdits moyens de détente comportent, outre ledit col de tuyère formant conduit de Venturi, un autre col de tuyère, de révolution autour de ladite électrode centrale et disposé en cascade avec ledit

col de tuyère.

11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ledit col de tuyère et ledit autre col de tuyère sont montés en cascade par l'intermédiaire d'une chambre de passage, formant chambre de mélange, l'ensemble formé par ledit col de tuyère, la chambre de passage et ledit autre col de tuyère étant coaxial et de

révolution autour de ladite électrode centrale.

12. Dispositif selon l'une des revendications 10

ou 11, caractérisé en ce que la paroi dudit autre col de tuyère comporte un revêtement en un matériau catalyseur d'oxydation, ce qui permet d'augmenter le rendement du traitement desdits effluents organiques volatils.

13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le canal de détente formé par ladite électrode centrale et ledit autre col de tuyère est divisé en canaux de détente élémentaires, délimités par des parois radiales comportant des éléments en matériau catalyseur d'oxydation, ce qui permet d'augmenter le rendement du traitement desdits effluents organiques volatils.

14. Dispositif selon l'une des revendications 5 à

13, caractérisé en ce que ladite chambre d'admission comporte des moyens déflecteurs permettant d'imprimer au jet de gaz ou de mélange de gaz d'effluents organiques volatils gazeux un mouvement sensiblement tourbillonnaire dans un plan sensiblement orthogonal à l'axe longitudinal de la chambre d'admission et de la tuyère, ce qui permet de stabiliser la zone de décharge électrique au voisinage

dudit plan.

15. Dispositif selon l'une des revendications 5 à

14, caractérisé en ce que celui-ci comporte, à l'extérieur de ladite tubulure, des moyens générateurs d'un champ magnétique stationnaire sensiblement colinéaire à l'axe longitudinal de la tuyère, ce qui permet d'entraîner la décharge électrique dans un mouvement de rotation et de maintenir sensiblement cette décharge électrique dans un

plan orthogonal audit axe longitudinal.