WO2002000330A1 - Procede et dispositif de traitement par decharge electrique d'effluents organiques volatils gazeux - Google Patents

Procede et dispositif de traitement par decharge electrique d'effluents organiques volatils gazeux Download PDF

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WO2002000330A1
WO2002000330A1 PCT/FR2001/002002 FR0102002W WO0200330A1 WO 2002000330 A1 WO2002000330 A1 WO 2002000330A1 FR 0102002 W FR0102002 W FR 0102002W WO 0200330 A1 WO0200330 A1 WO 0200330A1
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WO
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nozzle
effluents
volatile organic
central electrode
gaseous
Prior art date
Application number
PCT/FR2001/002002
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English (en)
Inventor
Fayez Kassabji
Joseph Chapelle
Stéphane PELLERIN
Original Assignee
Electricite De France Service National
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/10—Single element gases other than halogens

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for treating electrically volatile gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature.
  • this technique consists in generating an electric arc AR between two divergent electrodes, a flow of gas containing the VOCs being directed towards these electrodes.
  • An electric arc AR starts at the neck of the electrodes A, in accordance with Paschen's law, moves by sliding towards the flared part B under the action of the gas flow.
  • the electrical voltage drop across the arc increases with the length of the arc.
  • the displaced electric arc is short-circuited and extinguished by a new arc, the process is repeated according to an oscillatory relaxation phenomenon.
  • the purpose of the preionization process is to increase the conductivity of the flame, in the absence of any addition of additive liable to present a risk of pollution.
  • a solution described in French patent application 2,577,304 published on August 14, 1986 in the name of ELECTRICITE DE FRANCE and STEIN-HEURTEY implements a nozzle, the pre-ionization process being carried out by creating electric arcs between an axial electrode and one or more annular electrodes, forming a nozzle.
  • the arcs generated and the lively combustion produced are produced at high temperature, above 2000 ° K.
  • the electric arcs generated are arcs in thermodynamic equilibrium at high temperature and the phenomenon of expansion, and the correlative lowering of gas caused by the nozzle effect is substantially obscured by the aforementioned significant temperature increase .
  • nitrogen oxide NO x is important. Indeed, this production is essentially of thermal origin, the maximum of the level of emission of nitrogen oxide NO x being located at a temperature close to 3500 ° K.
  • the present invention relates to the implementation of a method and a device for the treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature making it possible to notably avoid the formation of nitrogen oxide NO X.
  • the subject of the present invention is a method and a device for treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature using a phenomenon of electric discharge outside local thermodynamic equilibrium, the treatment of these effluents, therefore, being carried out at low temperature and at low pressure, which makes it possible substantially to avoid the formation of nitrogen oxide NO x .
  • Another object of the present invention is also the implementation of a method and a device for treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents, containing hydrogen, the treatment leads to low pressure allowing in these effluents to release hydrogen radicals having, due to the low pressure surrounding them, a lifetime ten times greater than that of these same hydrogen radicals subjected to atmospheric pressure.
  • the method of treatment by electrical discharge of volatile organic gaseous effluents, object of the present invention is remarkable in that it consists at least in subjecting these effluents to an expansion at low pressure, in order to generate a lowering of temperature.
  • the device for the treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature is remarkable in that it comprises, at least, an intake stage for these effluents, a stage of the same effluents allowing to generate a relaxation at low pressure and a lowering of the temperature of these effluents to a temperature between 150 ° K and 173 ° K.
  • an electrical discharge generator stage between a high voltage electrical potential and a low voltage electrical potential is provided, this electrical discharge being applied to these effluents at low pressure and at low temperature to cause rupture of the hydrocarbon chains of these latter, in the absence of creation of nitrogen oxide compound NO x .
  • the process and the device which are the subject of the present invention find application in the destruction of volatile organic effluents, in the production of hydrogen radicals with increased lifetime in hydrocarbon products, in particular in the cracking of hydrocarbons used or produced by industry. petroleum, in the absence of crippling production of nitrogen oxide.
  • FIG. 2a shows, by way of illustration, a functional diagram of the steps for implementing the method of treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature, object of the present invention
  • FIG. 2b represents, by way of illustration, a functional diagram of the stages of an alternative implementation of the method of treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature, object of the present invention, in which, by repeating the steps of the process which is the subject of the invention as illustrated in FIG. 2a, a synergistic effect is however obtained;
  • FIG. 3a shows, by way of illustration, a sectional view, along a plane of radial symmetry, of the device for treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature, object of the present invention
  • FIG. 3b ⁇ , 3b 2 , 3b 3 and 3b 4 show diagrams illustrating the principle of the different flow regimes in a nozzle such as that used in the device object of the invention illustrated in Figure 3a;
  • FIG. 4a shows, by way of illustration, a sectional view, along a plane of radial symmetry, of an alternative embodiment of the device for treatment by electrical discharge of gaseous volatile organic effluents at low pressure and at low temperature, object of the present invention, this variant embodiment being more particularly suitable for implementing the method which is the subject of the present invention as illustrated in FIG. 2b;
  • Figure 4b shows a diagram of the profile of the relative pressures recorded in the flow produced in the device object of the present invention as shown in Figure 4a;
  • FIG. 4c shows a diagram giving the position of the shock wave generated in a nozzle of the device object of the present invention shown in Figure 4a as a function of the gas flow
  • FIG. 4d represents a diagram of the values of the Paschen parameter, product of the pressure in a straight section of the flow and of the electrical distance, likely to generate an electric discharge in this section, this diagram making it possible to locate the position of the electric discharge for the minimum value of this parameter;
  • FIG. 5a shows, by way of illustration, a sectional view along a radial plane of symmetry of the central electrode equipping the device object of the present invention as illustrated in Figure 3a or 4a;
  • - Figure 5b shows, by way of illustration, a preferred diagram of connection and electrical supply of the electrodes fitted to the device object of the present invention as illustrated in Figure 4a;
  • FIG. 6a shows a preferred non-limiting embodiment of the device object of the invention as illustrated in Figure 3a;
  • FIG. 6c shows another preferred non-limiting embodiment of the device object of the invention as shown in Figure 3a or 6a.
  • the process which is the subject of the present invention consists in treating the abovementioned effluents when these are accompanied by a carrier gas, these effluents then being able to correspond to aerosols, vapors or other gases which are in suspension, respectively mixed with the abovementioned carrier gas.
  • the carrier gas can consist of air, ambient air, which, taking into account the proportion of nitrogen contained in the ambient air above, implies, in the absence of special precautions, the risk of creating nitrogen oxide NO x .
  • this consists, in a step A, in subjecting the volatile organic gaseous effluents to an expansion at low pressure, in order to generate a lowering of the temperature of these effluents, the latter being brought to a temperature between 150 ° K and 173 ° K.
  • low pressure expansion means any expansion of organic effluents, and of course of the carrier gas, at a pressure less than or equal to 350 millibars for example.
  • step B The aforementioned gaseous volatile organic effluents having been brought to the state of low pressure and of reduced temperature are then subjected, in step B, to a treatment by electric discharges.
  • This procedure makes it possible to treat the aforementioned volatile organic gaseous effluents by breaking the chains. constituent hydrocarbons of the latter, in the absence of creation of nitrogen oxide compounds NO X , as will be described and illustrated later in the description.
  • step A must be carried out prior to step B or, where appropriate, at least concomitantly.
  • the electric discharge treatment operation makes it possible to crack the carbonaceous bonds CH and to generate hydrogen radicals whose lifespan in the atmosphere at low pressure mentioned above is lengthened significantly. It has been observed during investigations that for a low pressure of the order of 300 millibars, the lifetime of the hydrogen radicals is approximately ten times greater than at atmospheric pressure.
  • the electrical discharges generated are formed by electrical discharges at low temperature, that is to say in the medium of gaseous volatile organic effluents brought to the temperature between 150 ° K and 173 ° K, these electrical discharges being generated in an environment outside of local thermodynamic equilibrium, which makes it possible to maintain the environment of the discharge atmosphere at a temperature substantially lower than the temperature room. For this reason, the level of nitrogen oxide emission from the nitrogen contained in the carrier gas is significantly reduced and, under certain experimental conditions, practically negligible, as will be described later in the description.
  • step Ai of subjecting the gaseous organic effluents to steps A and B shown in FIG. 2a, that is ie respectively at a low pressure expansion step by lowering the temperature to a temperature between 150 ° K and 173 ° K, and, concomitantly or successively, subjecting the cooled and low temperature effluents to discharges electrical under conditions similar to those explained above in the description in conjunction with Figure 2a.
  • Step i can then advantageously be repeated, this repetition making it possible, from gaseous organic effluents having already undergone a treatment during the implementation of step Ai, in particular from ozone 0 3 and oxygen radicals generated by the emanations of the electrical discharge carried out in step B of the aforementioned step Ai, to further submit the effluents gaseous organics treated with a phenomenon of enhanced oxidation by means of ozone and the oxygen radicals thus created.
  • step Ai is meant the repetition of steps A and B constituting it at least qualitatively, the conditions for implementing these steps can however be modified according to specific criteria related to the mode of production of the low pressure expansion processes during the repetition, as will be described in more detail later in the description.
  • the relaxation carried out during the repetition may be less intense, the pressure and the temperature reached being able to be greater than in the case of the first relaxation, the repeated relaxation being consequently less strong, as will be described later in the description.
  • the device which is the subject of the present invention comprises at least one stage 1 for admitting the effluents volatile organic gases with which an expansion stage 2 for these effluents is associated, this expansion stage making it possible to generate expansion at low pressure, pressure less than 350 to 400 millibars for example, and a lowering of the temperature of these effluents to a temperature between 150 ° K and 173 ° K.
  • the device which is the subject of the present invention comprises an electrical discharge generator stage, marked with the reference 3, between a high voltage electrical potential and a low voltage electrical potential.
  • the electric discharge is applied to volatile organic effluents at low pressure and at low temperature, this operating procedure making it possible to treat volatile organic effluents by breaking the hydrocarbon chains constituting them in the absence of the creation of oxide compounds. 'nitrogen NO x .
  • the expansion stage 2 is constituted by a supersonic nozzle under the operating conditions which will be described later in the description.
  • the device which is the subject of the invention can advantageously be made up and comprise at least, in a tube T provided with a pipe for admitting the carrier gas, this pipe bearing the reference 10, a central electrode EC of revolution, this central electrode extending substantially along the longitudinal axis of the tubing T. More specifically, it is indicated that the central electrode EC can be produced by a cylindrical rod of electrically conductive material, such as copper, stainless steel for example.
  • the device which is the subject of the invention successively comprises, and arranged substantially in revolution around the central electrode EC so as to form the expansion stage 2, a chamber d 'inlet, denoted CA, volatile organic gaseous effluents, the inlet chamber CA constituting in fact a reservoir of the buffer tank type of the carrier gas and volatile organic gaseous effluents contained in the latter.
  • a chamber d 'inlet denoted CA
  • volatile organic gaseous effluents volatile organic gaseous effluents
  • the inlet chamber CA constituting in fact a reservoir of the buffer tank type of the carrier gas and volatile organic gaseous effluents contained in the latter.
  • the device which is the subject of the invention comprises a nozzle 20 comprising a nozzle neck and forming a duct of the Venturi duct type, for example, the intake face of the nozzle being in direct engagement in the inlet chamber CA.
  • the nozzle 20 surrounds the central electrode EC and constitutes with the latter a supersonic flow channel, if necessary subsonic, for the gaseous volatile organic effluents and the carrier gas contained in the inlet chamber CA.
  • the assembly consisting of the carrier gas and the effluents VOC is subjected to a flow causing a shock wave accompanied by the expansion and the decrease in temperature of gaseous volatile organic effluents mentioned above, as will be described later in the description.
  • the nozzle 20 and the nozzle neck consist of an electrically conductive material, such as copper or stainless steel, and formed by a tube of revolution having a convergent / divergent profile.
  • the central electrode EC and the revolution tube constituting the nozzle 20 are coaxial to form the cylindrical expansion channel of the carrier gas and organic VOC effluents.
  • the central electrode EC and the nozzle neck as well as the complete nozzle 20 are connected to an electric voltage generator to form the electric discharge generator stage 3 between the central electrode EC and the nozzle 20.
  • the electric voltage generator is not shown, only the connections to the latter, 200 and 201, of the nozzle 20, respectively of the central electrode EC being shown, so as not to unnecessarily overload the drawing .
  • the inlet chamber CA can be produced directly in the tube T formed by a cylindrical sleeve, a shutter 11 forming a shim for holding the central electrode EC and made of electrically insulating material being provided so as to maintain and center the above-mentioned central electrode EC.
  • FIG. 3a the direction of flow e of the carrier gas and of the organic VOC effluents is shown.
  • this can be held by a mechanical piece of insulating material denoted 21, fixed directly to the internal wall of the tube T.
  • the connection of the nozzle 20 and the nozzle neck to the external electric generator by the connection 200 can then be produced in a manner known as such by a sealed electrical crossing making it possible to ensure the passage through the body of the tubing T of the conductor 200 under suitable electrical insulation conditions.
  • the central electrode EC can be maintained if necessary by any suitable device, not shown in the drawing, and located outside a part of the tubing T and the nozzle 20 for example. Indeed, it is indicated that, beyond the termination end of the nozzle in the direction of flow e, the VOC effluents and the carrier gas are, for example, at atmospheric pressure Patm, as shown in FIG. drawing and that will be explained in more detail later in the description.
  • FIG. 3b ⁇ there is shown the profile of a nozzle type Laval nozzle convergent / divergent, the neck of the nozzle being noted C on the abscissa Xc.
  • the profile is defined by the radius r of any straight section of the nozzle, each section having an area A and the section at the neck of the nozzle having an area A c .
  • the inlet chamber CA is deemed to constitute a large upstream reservoir where the organic VOC effluents and the carrier gas are at a pressure P 0 and have a specific mass po as well as an original temperature T 0 .
  • atmospheric pressure Patm prevails.
  • the P / Po ratio of the pressure in any section of the nozzle to the generating pressure Po and the Mach number M are represented along the nozzle of the abscissa 0 corresponding to the inlet face of the nozzle 20 up to 'at' the abscissa Xs, termination of the nozzle, as mentioned previously in the description, these representations being given in FIGS. 3b 2 and 3b 3 .
  • P N and P P denote particular values of the pressure of the external medium.
  • the calculation of the position of the shock wave in the divergent part of the nozzle can be carried out in the following manner.
  • Mi is the Mach number immediately upstream of the shock wave considered.
  • the shutdown temperature which is equal to the flow generating temperature, remains the same on either side of the shock wave.
  • the flow downstream of the shock wave can be considered as an isentropic flow from the reservoir with a generating temperature T ' 0 equal to the previous temperature T 0 but with a generating pressure p' 0 less than p 0 .
  • the number of Mach Mi upstream of the shock wave can then be calculated for a ratio A ⁇ / A c given from relation (2).
  • the ratio p / p'o and the number of Mach M for the area A considered are then determined from the relations ( 1) and (2) above.
  • the temperature ratio for any section of the flow is then deduced from the Mach number from relation (3).
  • FIG. 4a A more detailed description of a device according to the object of the present invention, more particularly intended for the implementation of the method illustrated in FIG. 2b, will now be given in conjunction with FIG. 4a and the following figures 4b to 4d.
  • the expansion stage 1 can be completed by another expansion stage 4 ensuring an analogous function and making it possible to repeat step Ai of the process described above in connection with the Figure 2b.
  • the additional expansion stage 4 can be formed by another nozzle 40 of revolution around the central electrode EC and arranged in cascade with the nozzle 20.
  • the nozzle 20 constituting the expansion stage 2 and the nozzle 40 constituting the additional expansion stage 4 are cascaded around the central electrode EC via a passage chamber forming a mixing chamber and denoted CB.
  • the passage chamber CB may comprise an intake outlet for gaseous volatile organic effluents passing through the wall of the tube T and bearing the reference D.
  • the passage chamber CB forming a mixing chamber, makes it possible to introduce turbulence at the level flow, which has the effect of promoting the treatment of VOCs.
  • the nozzles 20 and 40 can be constituted by Laval nozzles.
  • the inlet chamber CA can be constituted by a cylindrical chamber with a diameter between 30 and 70 mm. In the inlet chamber A there reigns the pressure generating Po of the flow.
  • the opening angle of the nozzle 20, that is to say of the divergent thereof, can be taken equal to a value between 2 and 5 °.
  • the passage chamber CB also of cylindrical shape, may have a length between 30 and 70 mm and a diameter between 30 and 80 mm.
  • the neck of the first nozzle 20 may have a length of a few tens of millimeters and a constant diameter over this length of between 17 mm and 20 mm
  • the neck of the second nozzle 40 is preferably a neck of radius greater than that of the neck of the first nozzle 20, but of neck length, over which the radius of the neck is substantially constant, less than that of the first nozzle.
  • the central electrode can have a diameter between 13 and 16 mm.
  • the aforementioned dimensioning parameters can be adapted according to the industrial application chosen.
  • a filtering system is provided before injection.
  • the air flow constituting the carrier gas can then be between 20 and 200 Nm 3 / h. It is recalled that 1 Nm 3 denotes a volume of 1 m 3 of gas measured under normal conditions of temperature and pressure.
  • FIG. 4a it is thus possible, as shown in FIG. 4a, to obtain a shock wave phenomenon in the divergent part of the first, 20, respectively the divergent part of the second nozzle 40.
  • This operating mode then allows the implementation of the method which is the subject of the present invention according to the embodiments shown in FIG. 2a and / or 2b.
  • the first nozzle 20 can be a supersonic or subsonic nozzle while the second nozzle 40 can be supersonic or subsonic, conditionally to the flow regime of the first nozzle 20.
  • the experimental results are given in FIG.
  • FIG. 4c represents the position ⁇ x of the shock wave with respect to the neck as a function of the volume flow rate D g of the gas admitted into the intake chamber CA.
  • the gas flow rates are expressed in Nm 3 / h and the position difference ⁇ x in mm.
  • the voltage required to initiate each discharge is directly related to the inter-electrode distance noted as di- Generally, it is indicated that the initiation voltage at the neck is equal to the breakdown voltage according to Paschen's law .
  • an optimum operating mode of the device which is the subject of the present invention in fact corresponds to a cut-off of the discharge by at least one reboot at the neck when the power dissipated in the plasma cord corresponds substantially to the charge adaptation with the generator. It is in fact understood that under these conditions, the efficiency of the energy transfer is then optimal.
  • the phenomenon of extinction of each discharge which corresponds substantially to a phenomenon of relaxation oscillation under the conditions indicated previously in the description, can be achieved in three different ways: the discharge voltage reaches the breakdown voltage at the throat of the nozzles .
  • the priming zone is then the space where the electrodes, central electrode and corresponding nozzle, are closest and where the electric field is sufficient, taking into account the flow conditions. This new discharge short-circuits the old one which is no longer maintained and then ends up going out.
  • This operating mode is the operating mode when the supply by the electric generator is a continuous supply.
  • the length, and the resistance, of the discharge increases over time, as well as the energy necessary to maintain it. From a critical length, the power supply can no longer provide enough energy to maintain the plasma.
  • the conductivity of the discharge decreases and eventually cancels, leading to the extinction of the above-mentioned discharge.
  • the discharge voltage then increases suddenly to reach the no-load voltage of the generator and a new ignition occurs at the neck of the nozzle. - When the voltage generator is an alternating generator, the passage through the zero value of the current / 00330
  • the initiation of the discharge must be done at the point of the nozzle where the product P x deiec / that is to say the product of the pressure P of the gas or gas mixture for a section of any given nozzle, by the inter-electrode distance and the distance between the central electrode EC and the convergent / divergent body of the nozzle, is the smallest.
  • FIG. 4d shows the evolution of the product P x die for different gas flow rates or gas mixture. From the observation of FIG. 4d above, it appears that the breakdown must occur, in particular at the level of the shock wave OC, where the product P xd é i ec is the weakest.
  • the shock wave is pushed back into the divergence of the first nozzle 20 and the product P x deiec then passes through its minimum upstream of the shock. In this case, the discharge begins upstream of the above-mentioned shock wave.
  • This embodiment is more particularly suitable for fine adjustment of the position of admission of the organic effluents to be treated with respect to the position of the shock wave generated in the first nozzle 20, if necessary in the second nozzle 40.
  • the aforementioned preferred embodiment will be described in connection with FIG. 3a with respect to the first nozzle 20, all of the elements being able to be taken up similarly with respect to the second nozzle 40.
  • the central electrode EC is formed by an electrode hollow whose end, in the direction of flow of the gas mixture comprising the organic effluents to be treated VOC, is completely closed.
  • the central electrode EC thus forms an intake channel for organic effluents by means of an intake intake, denoted PRA, situated at the other end, that is to say at the upstream end of the hollow electrode EC.
  • PRA an intake intake
  • the hollow electrode thus constituted EC can be advantageously mounted between the sealing and holding shutter 11 and a holding device 12, located at the terminal end of the hollow electrode EC outside the tubing T and mechanically connected to the latter.
  • the holding device 12 can be constituted, by way of nonlimiting example, by a ring holding the end of the hollow electrode EC firmly, this ring being attached by fixing lugs to the tubing T.
  • the hollow central electrode EC has holes passing through the side wall of the latter, these holes forming a nozzle on at least one cross section of the above-mentioned central electrode EC.
  • the holes forming the nozzle bear the reference 13. They can be diametrically opposite, a number of two holes being represented in FIG. 5a, or on the contrary offset by 120 ° in the cutting plane QQ represented in FIG. 5a cited above.
  • the admission of the VOC effluents to be treated can be carried out via the PRA intake socket, transmitted by the channel formed by the hollow electrode EC and distributed. at the nozzles 13 under optimal distribution conditions, as will be explained below.
  • the pressure of the VOC effluents to be treated at the PRA intake outlet can be between 0.35 and 5 bars.
  • This embodiment allows, thanks to the nozzles 13, to determine the pressure in a given section of the entire device, even in the presence of electrical discharges without however requiring the introduction of a Pitot tube, which, taking into account the small cross-section of the gas mixture at each nozzle would be likely to significantly disturb the field of flow velocities.
  • the diameter of the holes constituting the nozzles 13 can be between 0.5 and 1 mm. The nozzles 13 also make it possible to inject the VOC effluents into the flow.
  • the embodiment represented in FIG. 5a is particularly advantageous insofar as, taking into account the displacement ⁇ x of the shock wave as a function of the flow rate D g as represented in FIG. 4c, it is advantageous to admit the organic effluents to treat VOC in a neighborhood upstream or downstream of the effective position of the above-mentioned shock wave, depending on the treatment to be applied to organic effluents introduced via the carrier gas. Under these conditions, as shown in FIG.
  • the central electrode EC hollow electrode
  • the shutter and holding systems 11, respectively 12 can advantageously be provided with a guide system of the rolling guide type 110, respectively 120, allowing sliding mounting.
  • this must be maintained at the level of the only holding and sealing system 11 by the intermediate seals, which are not shown in the drawing.
  • the upstream end of the central electrode EC that is that is to say in the vicinity of the holding and sealing device 11, can advantageously be provided with a system for translational movement of the central electrode EC formed, for example, by a micrometric screw VM, which, from a suitable thread of the external end of the central electrode EC, allows the displacement of the aforementioned central electrode in translation along the axis of symmetry XX of the latter.
  • the micrometric screw device VM will not be described in detail since it corresponds to a device known from the state of the art.
  • the electrodes are supplied from a direct current generator, such a generator can be produced from the supply of the three-phase network. It can then include, in cascade, an autotransformer, a step-up transformer, a rectifier assembly and a filter cell for example. The average value of the no-load voltage can be adjusted by acting on the autotransformer so as to reach a maximum value of 4.5 kV.
  • the production of such a generator will not be described in detail since the mode of implementation thereof corresponds to the use of elements known from the state of the art.
  • the generator In the presence of the electrical discharge, the generator is then subjected to the periodic transition from a short-circuit regime to an idle operating regime, with numerous instabilities due to the almost simultaneous extinction and re-ignition.
  • the supply generator is a periodic supply generator
  • the generator is constituted in the form of a high sinusoidal voltage supply delivering a voltage of 10 kV at a frequency of 50 Hz for example.
  • the generator is then constituted by a high voltage transformer with magnetic leaks, the magnetic leaks of such a transformer making it possible to maintain a practically sinusoidal current whose effective value remains constant and of the order of 0.14 amperes for a primary voltage. of 220 volts.
  • An alternative implementation in alternative power supply may consist in using a high voltage electronic power supply delivering a periodic voltage at 25 kHz. Under these operating conditions, the maximum value of the current delivered can reach 180 mA.
  • Each of the aforementioned supply generators can be used to supply one or the other of the nozzles 20, respectively 40.
  • This preferred mode of supply consists in using an alternating generator at a frequency of 50 Hz making it possible to initiate the discharge in one or the other of the nozzles 20 or 40 without limitation of flow rate.
  • the corresponding supply mode as shown in FIG. 5b then consists in connecting the tubing T and finally the second nozzle 40, which is not electrically isolated from the body of the tubing T, at the reference voltage or ground voltage.
  • the first nozzle 20, electrically isolated from the tubing body T by the fixing and isolation piece 21 shown diagrammatically in FIG. 5b, consists in applying the alternating voltage between the central electrode and the first nozzle 20.
  • the supply diagram shown in this figure allows to secure the device whose tubing body T is then brought to the reference potential, that is to say to the mass.
  • the body of the second nozzle 40 may be provided with a coating 401 of material oxidation catalyst, increasing the yield of VOC treatment.
  • the expansion channel formed by the central electrode EC and the wall of the second nozzle 40, in particular the coating 401 mentioned above, can be subdivided into elementary expansion channels CD delimited by radial and concentric walls for example comprising elements made of oxidation catalyst material.
  • the oxidation catalysts which may be used, mention may be made of platinum-iridium, silica-alumina, for example.
  • FIGS. 6a, 6b ⁇ , 6b 2 and 6c A non-limiting preferred embodiment of the device for the treatment by electrical discharge of VOC effluents will now be described in conjunction with FIGS. 6a, 6b ⁇ , 6b 2 and 6c, relating to specific elements making it possible to improve the stability of the zone of electric shock in the nozzles used.
  • the intake chamber CA if necessary the passage chamber CB, can comprise a deflecting part 14 making it possible to print with a jet of gas or of gaseous mixture, coming from the intake pipe gas 10, a substantially vortex movement in a plane substantially orthogonal to the longitudinal axis XX of the inlet chamber CA or passage CB and the nozzle 20 or 40. This movement swirling stabilizes the electric discharge zone in the vicinity of the above-mentioned plane.
  • the deflecting part 14 can be made of an electrically insulating, molded material, such as PVC, substantially of revolution, comprising a central orifice 140 allowing the passage of the central electrode. EC.
  • deflection and injection orifices formed in the thickness of the deflecting part 14 provide, with the internal side wall of the inlet chamber CA or passage CB, a profile of radial deflection towards the internal side wall of each chamber, in order to allow a tangential injection of the gas jet or gas mixture in the vicinity of the abovementioned internal side wall.
  • the gas jet admitted from the pipe 10 upstream of the deflecting part 14 is subdivided into elementary transverse jets directed towards this internal side wall.
  • the deflecting part 14 can be installed by means of a spacer 14a. Under these conditions, the electric discharge, initiated radially in the absence of vortex movement of the gas or gas mixture, is on the contrary driven in rotation in the original discharge plane and maintained in the latter. This allows, on the one hand, to stabilize the abscissa of the electric discharge plane and, on the other hand, to delocalize the points of electric discharge impacts on a circle, intersection of the discharge plane and the central electrode EC, respectively of the nozzle.
  • the stabilizing effect of the electric discharge zone can also be obtained, or reinforced, thus as shown in Figure 6c, thanks to the implementation of a CO coil generating a magnetic field B collinear with the longitudinal axis XX of the inlet chamber CA or passage CB and the nozzle.
  • the CO coil can advantageously be placed outside the tubing T.
  • the magnetic field B is of substantially constant and stationary amplitude, over a distance corresponding to the extent of the dimension of the chamber CA or CB, increased at least the length, in this same direction, of the distance from the inlet of the nozzle to the outlet of the nozzle.
  • the existence of this magnetic field makes it possible to cause the electric discharge in rotation, constituted by the plasma cord forming a current tube, according to a magnetron effect.
  • the rotary drive is located substantially in a plane orthogonal to the longitudinal axis XX.
  • the superimposed magnetic field is continuous, while when the discharge current is sinusoidal, the superimposed magnetic field is sinusoidal, at the same frequency and in phase or in phase opposition with the discharge current.
  • the pipe 10 for supplying carrier gas and effluents can be formed in the body of the tubular T and lead to the flat face of the latter by an intake orifice OR, in order to allow the installation of the CO coil on the surface of revolution of the tubing T, without major obstacle. Due to the significant improvement in the stability of the electrical discharge zone, it is then possible to provide an alternative electrical supply of the electrodes, central electrode EC and nozzle, at significant frequencies up to 25 kHz or more, and thus obtaining a reduction in the production of nitrogen oxide NO x .
  • the range of use of the electrochemical cell was between 0 and 2000 ppm and the measurement accuracy was plus or minus 20 ppm for concentrations below 400 ppm and 5% for higher concentrations. With regard to nitrogen oxides, it is indicated that the measurement system gave an indication of all the NO X detected.
  • a higher NO x emission concentration is noted in the case of the second operating nozzle subsonic with respect to the first nozzle operating in supersonic regime.
  • the characteristic decay time ⁇ for which the number of hydrogen atoms has been divided by 10 is itself approximately multiplied by a factor 10.

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 150 DEG K </= 173 DEG K et à des décharges électriques (B), au moyen d'une tuyère supersonique, ce qui permet d'effectuer un traitement sans formation appréciable de No>x<. Application au traitement des gaz polluants tels que le styrène, toluène.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT PAR DECHARGE ELECTRIQUE D ' EFFLUENTS ORGANIQUES VOLATILS GAZEUX
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 œuvre 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 N0X, 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 œuvre la création d'arcs électriques, ou tout au moins une pré-ionisation des gaz comburants dans des électro-brûleurs, ont été mises en œuvre afin d'assurer une combustion vive, à haute température, de ces derniers.
Dans ce type de technique, le processus de préionisation 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 œuvre une tuyère, le processus de pré-ionisation étant conduit par création d'arcs électriques entre une électrode axiale et une ou plusieurs électrodes annulaires, formant tuyère.
Dans le processus mis en œuvre 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 œuvre 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 N0X.
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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 œuvre 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 3bι, 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 œuvre 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 6bι et 6b2, vue en coupe VI-VI de la figure 6blA représentent un détail de réalisation d'une pièce deflectrice 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 œuvre 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 N0X, 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 1 ' environnement de 1 ' 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 œuvre 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 Ai, 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 i peut alors avantageusement être répétée, cette répétition permettant, à partir d'effluents organiques gazeux ayant déjà subi un traitement lors de la mise en œuvre de l'étape Ai, 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 Ai 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 créés.
Par répétition de l'étape Ai, 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 œuvre 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 œuvre au moyen d'un dispositif spécifique particulièrement adapté à la mise en œuvre de ce procédé, ainsi qu'il sera maintenant décrit en liaison avec les figures 3a et 3bι à 3b 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 chaînes 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 20 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 1 ' 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 e 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 e 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 3bχ à 3b4. Sur la figure 3bι, 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 Ac.
La chambre d'admission CA est réputée constituer un réservoir amont de grande dimension où 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 T0. 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 croît ; 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 Ac 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 γ = 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 :
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0002
(3)
I +1= M 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/Po de la pression dans une section quelconque de la tuyère à la pression génératrice Po 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 œuvre 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 = Pu, 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, 1 ' onde de choc remonte dans le divergent en même temps qu'elle s'affaiblit, l'écoulement dans le divergent en amont de 1 ' onde de choc OC étant supersonique et subsonique en aval, ainsi que représenté sur la figure 3b précitée ; pour Pa = PP, l'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- après .
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'o < Po- Le rapport de ces pressions est donné par la relation (4) ci-après :
Figure imgf000021_0001
Dans cette relation Mi 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'0 égale à la température précédente T0 mais avec une pression génératrice p'0 inférieure à p0.
Il est alors possible de déterminer les paramètres caractéristiques p'o/por 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 Aι/Ac grâce à l'utilisation des relations (1), (2), (3) et (4) précédemment citées dans la description.
Le nombre de Mach Mi en amont de 1 ' onde de choc peut alors être calculé pour un rapport Aι/Ac donné à partir de la relation (2) .
Le rapport des pressions génératrices po/p'o = 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'o 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 œuvre 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 Ai du procédé précédemment décrit en liaison avec la figure 2b.
En référence à la figure 4a précitée, on indique que 1 ' 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 /00330
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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 Po de l'écoulement.
L'angle d'ouverture de la tuyère 20, c'est-à-dire du divergent de celle-ci, 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 œuvre, 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 œuvre 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 1 ' écoulement devient supersonique au col de la première tuyère pour un débit volumique Dg = 35 Nm3/h pour une pression génératrice Po = 1,333 atm. La pression mesurée au col Pc vérifie alors la relation (5) :
Figure imgf000026_0001
Pour des débits plus importants, c'est-à-dire supérieurs à 35 Nm3/h, le passage par le point correspondant à la valeur P/Po = 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 φc 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 :
Figure imgf000026_0002
Les valeurs de Ac calculées sont en bon accord, à moins de 2% près, avec la valeur φc retenue pour la mise en œuvre 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 δx du col d'autant plus grande que le débit de gaz est important. La figure 4c représente la position δx 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 δx 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 déiec- 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 œuvre du procédé objet de la présente invention, on indique qu'il est nécessaire de choisir une valeur déiec suffisamment faible pour que le générateur permette au moins 1 ' 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 où les électrodes, électrode centrale et tuyère correspondante, sont les plus proches et où 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 /00330
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électrique de décharge peut provoquer l'extinction de cette dernière. En effet, dans le cas où 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 où le produit P x déiec/ 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 éiec 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 1 ' évolution du produit P x déiec 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 où le produit P x déiec 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 déiec 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 conçoit 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 120° 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 où, compte tenu du déplacement δx de 1 ' 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 1 '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 δx 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. II 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 déiec 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 œuvre 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 œuvre 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 plasmagenes 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 où, 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 Uo = 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 décrit en liaison avec les figures 6a, 6bι, 6b2 et 6c, relatives à des éléments spécifiques permettant d'améliorer la stabilité de la zone de décharge électrique dans les tuyères mises en œuvre.
Ainsi que représenté sur la figure 6a, la chambre d'admission CA, le cas échéant la chambre de passage CB, peut comporter une pièce deflectrice 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 6bi et 6b2, la pièce deflectrice 14 peut être constituée en un matériau électriquement isolant, moulé, tel que le PVC, sensiblement de révolution, comportant un orifice central 140 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 deflectrice 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 deflectrice 14 est subdivisé en jets élémentaires transversaux dirigés vers cette paroi latérale interne. La pièce deflectrice 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 œuvre 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, 6bι, 6b2 et 6c peuvent être mis en œuvre 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 25 kHz ou plus, et d'obtenir ainsi une réduction de la production d'oxyde d'azote NOx.
Des résultats d'expérimentation de mise en œuvre de traitement d' effluents organiques spécifiques seront maintenant donnés lors de la mise en œuvre 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/Schwarz ald, Kolumban-Kayser Strasse 17, Allemagne, cet appareil mettant en œuvre 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 N0X détectés. RESULTATSEXPERIMENTAUX
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 25 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-à-dire 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 C6H5CH3 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 où 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 :
Figure imgf000043_0001
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 θ 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

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 1 ' environnement de 1 ' 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.
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