FR3075378A1 - Dispositif et methode d'evaluation indirecte de l'humidite des gaz en sortie d'un equipement de combustion - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif et une méthode pour évaluer un taux d'humidité dans un gaz, ledit dispositif comprenant : - un saturateur de gaz, lequel comprend une arrivée d'eau, une évacuation d'eau, une entrée de gaz, une sortie de gaz, et une zone de saturation de gaz ; - un premier moyen de mesure de la température du gaz arrivant à l'entrée de gaz ; - un second moyen de mesure de la température du gaz en sortie du saturateur ; et - un moyen de calcul du taux de vapeur d'eau dans le gaz à partir des mesures du premier et du second moyen de mesure de température.
Description
Dispositif et méthode d'évaluation indirecte de l'humidite des gaz en SORTIE D'UN EQUIPEMENT DE COMBUSTION
La présente invention concerne un dispositif de mesure indirecte du taux d'humidité des gaz à la sortie d'un équipement de combustion.
En France, les ordures ménagères peuvent actuellement être valorisées selon trois voies : le recyclage des matériaux (valorisation de la matière), la fermentation et le compostage (valorisation organique) et la production d’énergie (valorisation énergétique).
La production d’énergie est notamment réalisée par la filière incinération, l’incinération consistant à brûler les déchets dans des fours spécialement aménagés. À la sortie des fours, les fumées contiennent des polluants qu’il faut capter : poussières, gaz acides, métaux lourds et dioxines.
Une installation de traitement de fumées comporte plusieurs modules :
- le dépoussiérage, par électrofiltre et/ou filtre à manches ;
- la neutralisation des gaz acides, par voie sèche, semi-humide ou humide ;
- le traitement des dioxines et furanes, par adsorption sur charbon actif par exemple ou par réduction sélective catalytique ;
- le traitement des oxydes d’azote, par réduction sélective, soit catalytique, soit non catalytique.
De ce fait la phase gazeuse pourra être rejetée conformément à la réglementation en vigueur et la phase liquide traitée de manière spécifique.
En effet, la combustion de matières hydrocarbonées, quelles qu'elles soient, conduit à la production d'effluents gazeux riches en dioxyde de carbone (CO2) et en oxydes d'azote (NOx). Ces gaz obtenus par combustion font l'objet d'une surveillance particulière du fait de leurs impacts sanitaires et environnementaux, l'un étant un gaz à effet de serre et les autres étant classés polluants atmosphériques réglementés. Ainsi, les industries mettant en œuvre des incinérateurs doivent limiter leurs émissions de CO2 et de NOx pour laquelle le rejet doit être inférieur à 200 mg/Nm3 conformément à la réglementation imposée par la Directive 2000/76/EC sur l'incinération des déchets du 4 décembre 2000 (Waste Incinération Directive) en vigueur, voire bien inférieur selon les permis environnementaux (80 mg/Nm3).
Il existe principalement deux types de technologies pour mesurer l'humidité dans les gaz à haute température.
Certaines d'entre elles utilisent une mesure électrochimique d'oxygène à zirconium pour la mesure directe et en continu des gaz à température élevée. D'autres méthodes mettent en œuvre un prélèvement des gaz leur dessiccation externe et l'analyse des gaz séchés par IR, méthode électrochimique. Le taux d'humidité (H2O) est calculé en fonction du rapport entre la teneur en O2 sur gaz sec et la teneur en O2 sur gaz brut. Cependant, le temps de réponse de l'analyse varie entre 5 et 200 secondes selon le type d'analyseur utilisé. En outre, le fonctionnement de ce type de technologie exige un gaz de référence qui est majoritairement l'air.
D'autres technologies, plus récentes, font appel à des composants électrochimiques pour mesurer séparément l'oxygène in situ à l'aide d'une sonde Zircone et d'une analyse externe via une cellule infrarouge. L'analyseur infrarouge est monté sur une pile conçue pour fournir une analyse in situ de plusieurs composants en phase gazeuse. Ce type de technologie utilise le principe du faisceau réfléchissant pour mesurer le composant du gaz lorsqu'il entre dans l'analyseur.
Ces technologies mettent en œuvre des analyseurs d'humidité des gaz de combustion dont les prix sont très élevés. C'est pourquoi certains sites d'unité de valorisation énergétique ne peuvent pas s'équiper de ces outils, lesquels sont utiles au développement et à l'optimisation des procédés afin d'améliorer la conduite, le contrôle et la production d'énergie.
La technologie selon le brevet JP94082108 met en œuvre un système pour mesurer un taux de vapeur d'eau dans un gaz où la pression et l'humidité sont faibles. En effet la température et la pression étant deux paramètres dont dépend l'expansion du gaz de combustion, lorsqu'au moins l'un de ces paramètres est trop faible, l'état de vapeur surchauffée ne peut être atteint. Ainsi le système décrit dans le brevet JP94082108 propose de surchauffer le gaz afin de pallier ce défaut, ce qui entraîne l'expansion du gaz. Pour ce faire, ledit système selon le brevet JP94082108 comporte une valve d'entrée de gaz, une valve de sortie de gaz ainsi qu'une chambre comportant un moyen de mesure de la pression, un moyen de mesure de la température, un moyen de chauffage du gaz et un moyen de mesure de la chaleur apportée par le moyen de chauffage. Ce type de système a notamment pour inconvénients la mesure de trois variables différentes à mettre en relation entre elles et la mise en place d'un moyen de chauffage du gaz entraînant un coût élevé en équipement CAPEX (dépenses d'investissements) et OPEX (dépenses d'exploitation). Ainsi, les équipements de mesure d'humidité sont peu fiables et possèdent un système d'extraction qui demande beaucoup d'entretien causant des problèmes réguliers d'étalonnage, de réglage, de nettoyage, ... du fait des interventions et des opérations de maintenance fréquentes.
Aussi existe-t-il un besoin de mettre à disposition un système de mesure du taux d'humidité dans un gaz qui soit facile à mettre en œuvre, peu coûteux tout en restant fiable.
Or l'inventeur a découvert qu'il était possible de résoudre les problèmes des systèmes antérieurs en faisant appel à une combinaison particulière de paramètres physiques et non plus électrochimiques.
Ces mesures physiques permettent de déterminer la quantité d'eau à injecter dans le système sur la base du diagramme d'air humide, ou diagramme de Mollier. Ce diagramme est relatif aux fluides, en particulier à leur changement d'état (liquide/vapeur) et à leurs pressions/températures d'utilisation, où l'abscisse correspond à la valeur entropique d'un point (en kJ.kg EK1) et l'ordonnée correspond à son enthalpie (en kJ.kg_1).
Ainsi, la quantité d'eau à injecter dans le système est déterminée par la différence entre la valeur de l'humidité à saturation des gaz et l'humidité relative d'origine des gaz.
Par ailleurs, la pression de saturation de H2O dans les gaz est fonction de leur composition élémentaire déterminée par le calcul de combustion.
Aussi la présente invention concerne un dispositif pour mesurer un taux d'humidité dans un gaz, ledit dispositif comprenant :
- un saturateur de gaz, lequel comprend une arrivée d'eau, une évacuation d'eau, une entrée de gaz, une sortie de gaz, et une zone de saturation de gaz ;
- un premier moyen de mesure de la température du gaz arrivant à l'entrée de gaz ;
- un second moyen de mesure de la température du gaz en sortie du saturateur ; et
- un moyen de calcul du taux de vapeur d'eau dans le gaz à partir des mesures du premier et du second moyen de mesure de température.
La présente invention se propose de fournir un dispositif de mesure du taux d'humidité des gaz de combustion facile à mettre en œuvre et dont les coûts de mise en œuvre sont réduits.
En effet, le dispositif selon l'invention utilise un différentiel de mesures physiques pour obtenir le taux d'humidité des gaz lors du traitement des fumées de combustion. Ce taux d'humidité est obtenu par la relation physique directe, représentée sur le diagramme de Mollier, entre l'humidité, la température des fumées et la température de saturation des gaz.
Par ailleurs, le taux de vapeur d'eau dans le gaz est calculé par différence des mesures des premier et second moyens de mesure de température.
Ainsi le dispositif selon l'invention présente l'avantage d'une mesure indirecte simplifiée du taux d'humidité dans les gaz de combustion à l'aide d'un premier et d'un second moyen de mesure de température ainsi qu'un saturateur des gaz bruts placé en dérivation de la gaine de fumées. Cette disposition du saturateur assure ainsi un débit de gaz très faible ainsi qu'une maintenance réduite au nettoyage périodique du corps du saturateur, sans qu'il soit nécessaire d'interrompre le fonctionnement de l'installation.
Par ailleurs, le dispositif selon l'invention présente également l'avantage de ne pas avoir de décalage dans le temps entre la valeur physique mesurée et la valeur enregistrée pour l'ajustement de la quantité d'eau à injecter dans le saturateur, ce qui permet une meilleure mesure. En effet, la mesure de température est beaucoup plus fiable qu'une mesure électrochimique qui nécessite un étalonnage régulier.
Le coût de l'équipement est dérisoire comparé à un appareil électrochimique. La tolérance de mesure est meilleure car la mesure de température est bien plus fiable qu'une mesure électrochimique qui doit être étalonnée régulièrement.
Un autre avantage de la mesure du taux d'humidité dans les gaz de combustion est également de permettre l'évaluation du pouvoir calorifique inférieur (PCI) des déchets entrant dans le four d'une installation industrielle, optimisant ainsi la combustion des fours.
En effet, les inventeurs ont établi une corrélation entre le taux d'humidité des gaz et celui des déchets entrant dans le four d'une installation industrielle ce qui permet d'établir le PCI de ces déchets et donc d'ajuster la charge de déchets entrant dans le four.
Pour ce faire, le dispositif peut en outre comprendre un moyen de mesure du débit de l'eau afin d'améliorer le suivi de la teneur en eau dans les gaz de combustion en fonction du temps.
Conformément à l'invention, ledit saturateur de gaz peut être choisi parmi tout type de saturateur permettant l'injection de gaz dans un liquide connu de l'Homme du métier. Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, le saturateur de gaz est choisi parmi une trompe à eau, une chambre de saturation à pulvérisation, autrement appelée quench à pulvérisation, ou un corps d'échange en nid d'abeille.
Dans le cadre de la présente invention, lesdits premier et second moyens de mesure de la température du gaz arrivant respectivement à l'entrée de gaz et à la zone de saturation du gaz peuvent être tout moyen apte à mesurer la température connue de l'Homme du métier.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, lesdits moyens de mesure de la température du gaz sont des thermocouples. L'Homme du métier saura choisir le type de thermocouples à la lumière de ses connaissances générales.
Le dispositif de l'invention peut comprendre en outre un moyen d'aspiration du gaz, celui-ci pouvant être compris ou non dans le saturateur de gaz.
En effet, dans le cas où le saturateur de gaz est une trompe à eau, celuici assure trois fonctions complémentaires : l'aspiration du gaz, la saturation du gaz et le lavage du saturateur pour éviter les dépôts.
En revanche, dans le cas où le saturateur de gaz n'est pas une trompe à eau, et en particulier lorsque le saturateur de gaz est une chambre de saturation à pulvérisation ou un corps d'échange en nid d'abeille, il est nécessaire d'ajouter au dispositif un moyen d'aspiration du gaz afin de faire circuler les fumées dans le saturateur de gaz.
Après combustion, les fumées comprennent de nombreux polluants pouvant représenter un risque sanitaire ou environnemental. Parmi ces polluants, on compte les cendres volantes qui auraient pour inconvénient majeur de colmater le dispositif entraînant un entretien coûteux et fréquent pouvant donner lieu à une immobilisation temporaire des installations.
Aussi, le dispositif selon l'un quelconque des modes réalisation de la présente invention peut comprendre en outre un moyen de filtration sur les gaz prélevés en amont pour dépoussiérer le saturateur, notamment lorsque celui-ci n'est pas une trompe à eau, afin d'en limiter le colmatage. En effet, lorsque le saturateur est une trompe à eau assure lui-même sa propre filtration, celle-ci étant inhérente à son mode de fonctionnement du fait de l'aspiration de l'eau et des gaz par effet Venturi.
Toute combustion conduit à la production d'effluents gazeux pouvant contenir des gaz acides, dans les limites des réglementations en vigueur, et ce malgré le traitement via le saturateur de gaz. Ainsi, lorsque la température du gaz est inférieure au point de rosée des gaz acides, les corrosions chimiques humides apparaissent sur les surfaces froides de la gaine de fumées. Dans le cas de la présente invention, le point de rosée des acides considéré est celui du gaz SO3 lequel est compris entre 50°C et 60°C, de préférence entre 52°C et 57°C et de manière encore plus préférée le point de rosée des acides est de 55°C.
Aussi, le dispositif selon l'invention peut comprendre en outre un premier moyen de chauffage relié à la sortie de gaz du saturateur pour éviter ce type de corrosion. L'Homme du métier saura choisir le moyen de chauffage le plus adapté à la lumière de ses connaissances générales. On peut citer à titre d'exemple des résistances électriques de type blindée ou stéatite.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit dispositif peut en outre comprendre un second moyen de chauffage relié à l'arrivée d'eau du saturateur.
Ledit second moyen de chauffage peut être tout moyen de chauffage adéquat connu de l'Homme du métier. On peut citer à titre d'exemple des résistances électriques de type blindée ou stéatite.
Par conséquent, le dispositif selon l'invention prévoit un dispositif de mise en circulation de l'eau liquide à la température de saturation du gaz en assurant la saturation du gaz de manière adiabatique tout en maintenant la pression constante tandis que le gaz de combustion est mis en contact avec l'eau.
En outre, l'avantage d'une saturation du gaz adiabatique est l'augmentation de l'efficacité du saturateur du fait de la baisse de température des gaz liée à l'évaporation jusqu'à saturation des gaz.
Un autre aspect de la présente invention est de fournir une méthode pour mesurer le taux d'humidité dans un gaz de combustion pour permettre l'évaluation du Pouvoir Calorifique Inférieur (PCI) des déchets entrant dans le four d'une installation industrielle et ainsi d'optimiser la combustion des fours. Le PCI indique la quantité de chaleur lors de la combustion complète d’une unité de masse du corps. En pratique, le PCI représente l’énergie qui se dégage au cours de la combustion, sa valeur indique si la combustion doit s'effectuer avec ou sans combustible d'appoint.
Conformément à l'invention cette méthode pour mesurer le taux d'humidité dans un gaz de combustion comprend une étape de mesure de la teneur en eau dans les fumées du four de combustion au moyen du dispositif selon l'invention.
De même que le dispositif selon l'invention, la méthode selon l'invention présente l'avantage d'une méthode simplifiée pour mesurer le taux d'humidité dans les gaz de combustion sans décalage dans le temps entre la valeur physique mesurée et la valeur enregistrée.
[R.EV8]
En outre, la méthode selon l'invention peut comprendre une étape de mesure de la teneur en oxygène dans les fumées du four de combustion.
En effet, la présence d'une étape de mesure de la teneur en oxygène dans les gaz de combustion permet une meilleure évaluation du PCI des déchets, notamment par une détermination de la valeur absolue du PCI et non d'un simple suivi d'évolution de la teneur en eau dans le temps.
Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, afin de caractériser le PCI des déchets en combustion, la méthode peut comprendre en outre une étape de calcul de la teneur en eau sans excès d'air dans les fumées du four de combustion. Ce calcul est obtenu à partir de la teneur en eau calculée selon la méthode décrite précédemment et de la teneur en oxygène des fumées de combustion.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré avec référence à la figure 1 mais qui n'a aucun caractère limitatif.
La figure 1 est un schéma d'un dispositif selon l'invention
Selon le mode de réalisation de la figure 1, le dispositif comprend un premier (7) et un second (8) thermocouple, une entrée de gaz (4) et une sortie de gaz (5) en sortie de chaudière dans la gaine de fumées, un saturateur (1), une arrivée d'eau sous pression (2) avec électrovanne tout ou rien (TOR), un réchauffeur d'eau électrique (9) régulé à la température de saturation, une purge équipée d'une pompe péristaltique et d'une conduite d'évacuation (3), une alimentation en air comprimé pour le nettoyage des entrées et sortie (élément non montré sur la figure), une isolation calorifique des piquages et du saturateur (élément non montré sur la figure), une résistance chauffante (R) autorégulée en sortie du saturateur (5) et un système d'enregistrement des données de température (élément non montré sur la figure).
L'évacuation de l'eau du saturateur se fait par la conduite d'évacuation (3) au moyen d'un système d'évacuation continue (P) comme une pompe péristaltique ou un siphon ; l'évacuation peut se faire par exemple vers un extracteur à mâchefer.
Dans ce mode de réalisation, le saturateur (1) est une trompe à eau alimentée en eau tiède qui aspire une petite quantité de gaz de combustion arrivant par l'entrée (4), les gaz traversent le saturateur (1) et subissent un refroidissement adiabatique naturel par évaporation interne au saturateur. Les gaz saturés sont séparés de l'eau dans une chambre de détente puis rejoignent la gaine de fumées par la sortie des gaz (5) après avoir été réchauffés à une température supérieure au point de rosée acide du trioxyde de soufre, c'està-dire à une température comprise entre 50°C et 60°C, de préférence entre 52°C et 57°C et de manière encore plus préférée à 55°C.
Dans ce mode de réalisation, la température dite « sèche » des fumées brutes est mesurée en amont du dispositif et la température de saturation des gaz est mesurée en aval du saturateur. Le dispositif peut fonctionner en continu ou de manière discontinue selon la fréquence des mesures et peut être relié à un système d'enregistrement des données de température. La température de l'eau (2) injectée dans le saturateur (1) est régulée par une résistance chauffante (9) pour la maintenir égale à la température de saturation des gaz et ainsi rendre le système entièrement adiabatique.
Dans ce mode de réalisation, l'eau est évacuée via la conduite d'évacuation (3) par une pompe péristaltique (P) de manière à maintenir le saturateur (1) toujours vide de liquide. L'eau légèrement acide est recyclée dans un extracteur à mâchefers dont le contenu en eau est fortement basique.
Dans ce mode de réalisation, les équipements sont en acier inoxydable et isolés thermiquement du fait de l'acidité des gaz de combustion. Le dispositif est fixé sur des brides de manière à pouvoir être démonté facilement et révisé périodiquement, même pendant le fonctionnement du four.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Dispositif pour mesurer un taux d'humidité dans un gaz, ledit dispositif comprenant :- un saturateur de gaz (1), lequel comprend une arrivée d'eau (2), une entrée de gaz (4) et une sortie de gaz (5) ;- un premier moyen de mesure de la température (7) du gaz arrivant à l'entrée de gaz (4) ;- un second moyen de mesure de la température (8) du gaz relié à la sortie de gaz (5) ; et- un moyen de calcul du taux de vapeur d'eau dans le gaz à partir des mesures du premier (7) et du second (8) moyen de mesure de température.
- 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit saturateur de gaz (1) est une trompe à eau, une chambre de saturation à pulvérisation ou un corps d'échange en nid d'abeille.
- 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen d'aspiration du gaz.
- 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de filtration sur les gaz prélevés en amont du saturateur.
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un premier moyen de chauffage est relié à la sortie de gaz (5).
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend en outre un second moyen de chauffage (9) relié à une arrivée d'eau (2).
- 7. Méthode de mesure du taux d'humidité des gaz de combustion comprenant une étape de mesure de la teneur en eau dans les fumées du four de combustion au moyen du dispositif tel que définit aux5 revendications 1 à 6.
- 8. Méthode selon la revendication 7 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une étape de mesure de la teneur en oxygène dans les fumées du four de combustion.
- 9. Méthode selon la revendication 7 ou 8 caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une étape de calcul de la teneur en eau sans excès d'air dans les fumées du four de combustion.
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-
2017
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US3515001A (en) * | 1969-01-08 | 1970-06-02 | Commerce Usa | Instrument for measuring the adiabatic saturation temperature (thermodynamic wet-bulb temperature) of a vapor-gas mixture |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| ANONYMOUS: "Lesson 27 Psychrometry", 26 February 2015 (2015-02-26), XP055505054, Retrieved from the Internet <URL:https://web.archive.org/web/20150226080238if_/http://nptel.ac.in:80/courses/112105129/pdf/R&AC%20Lecture%2027.pdf> [retrieved on 20180906] * |
| LEWIS GREENSPAN: "Heated Air Adiabatic Saturation Psychrometer", JOURNAL OF RESEARCH OF THE NATIONAL BUREAU OF STANDARDS - C, vol. 75C, no. 2, 29 December 1970 (1970-12-29), XP055505111 * |
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