WO2019192826A1 - Procede de traitement d'air exterieur urbain - Google Patents

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WO2019192826A1
WO2019192826A1 PCT/EP2019/056645 EP2019056645W WO2019192826A1 WO 2019192826 A1 WO2019192826 A1 WO 2019192826A1 EP 2019056645 W EP2019056645 W EP 2019056645W WO 2019192826 A1 WO2019192826 A1 WO 2019192826A1
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liquid effluent
washing
washing device
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PCT/EP2019/056645
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Fabrice Giroudiere
Aurelien COQUARD
Arnold Lambert
Pascal Alix
Benoît Amaudric du Chaffaut
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IFP Energies Nouvelles
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    • Y02C20/10—Capture or disposal of greenhouse gases of nitrous oxide (N2O)

Definitions

  • the invention is concerned with the treatment of outdoor air in an urban environment.
  • the urban or peri-urban roads loaded with heavy traffic are the seat of increasingly important air pollution, which is increasingly analyzed and controlled.
  • AIR PARIF the air quality monitoring association in Ile de France, which monitors the evolution of air quality in key areas of the Paris region, with treatments
  • This data is provided by tools, including calculation and modeling, to provide air quality indicators, pollution maps in real time, and forecast maps that are more and more accurate.
  • gaseous compounds essentially nitrogen oxides, with NOx including monoxide and / or nitrogen dioxide (NO, N0 2 ), but also carbon monoxide CO (Note that NO can oxidize spontaneously in N0 2 under the effect of the sun and the presence of oxygen, so even if it is potentially less harmful than N0 2 at equal concentrations, it is also potentially a precursor of N0 2 ), volatile organic compounds (or VOC for the acronym Volatile Organic Compound), or sulfur derivatives, such as SOx sulfur oxides, also from motor vehicles or even district heating or industrial facilities.
  • NOx including monoxide and / or nitrogen dioxide (NO, N0 2 )
  • CO carbon monoxide CO
  • VOC volatile organic compounds
  • sulfur derivatives such as SOx sulfur oxides
  • electrostatic filtration devices In road tunnels, electrostatic filtration devices have already been considered to trap solid particles, the aim being to improve visibility in tunnels more than to clean up the atmosphere before discharge to the outside. .
  • the air flows are often significant, from tens to hundreds of m 3 per second, and concentrations in very small pollutants, milligram per m 3 or less, the most commonly used devices are electrostatic precipitators for particulate pollutants and chemical traps on absorbing surfaces for gaseous pollutants, so as to minimize the pressure drop of the air circulation. The results are often disappointing, especially for particles that can also "poison" chemical traps and render them ineffective.
  • Tunnels have actually been equipped with an air handling device, mainly in Japan and Norway.
  • the efficiency of the electrostatic filtration devices depends to a great extent on the speed of the air inside the filters, but also the clogging of the filters.
  • the step of ionization of the particles a prerequisite for their electrostatic precipitation, produces nitrogen dioxide (NO 2 ) by reaction of NO with the ozone (O 3 ) produced in the ionizer, which is a harmful effect.
  • Patent FR 3,014,327 has itself been interested in treatments of natural gas or of industrial origin, in order to eliminate acidic compounds such as C0 2 , or sulfur derivatives such as H 2 S or COS, it describes a washing the gases with a liquid solution capable of absorbing these acidic compounds at a temperature of the order of 30 to 95 ° C.
  • This absorbent solution is an aqueous solution comprising N, N, N ', N'-tetra-methyl-1,6 hexanediamine (TMHDA) associated with an activator. It is then necessary to regenerate the solution of sending the solution loaded with acidic compounds into a distillation column to release these acidic compounds. It is therefore a powerful solution vis-à-vis certain gaseous compounds of the acid type, but which does not deal with particulate pollution, and which requires two complex and energy-consuming steps.
  • TMHDA N, N, N ', N'-tetra-methyl-1,6 hexanediamine
  • the invention therefore aims to overcome these disadvantages by proposing a new urban outdoor air treatment system.
  • it aims at a treatment which is effective both with regard to pollutants in the form of particles and in the form of gaseous compounds.
  • More specifically, it aims at a new system applicable to large volumes of air to be treated, with easier implementation and maintenance.
  • the invention firstly relates to a method of treating urban outdoor air to deplete it in gaseous polluting compounds, in particular NOx, and solid particles, which is conducted in a washing device at least one part of the air to be treated in contact with a flow of a liquid effluent comprising at least one active compound with respect to the or at least one of the gaseous pollutant compounds, so that said liquid effluent in contact with the air to be treated is charged in particles and acts on said gaseous compound, for example by absorption, then optionally chemical conversion including oxidation or reduction type.
  • the washing device of the invention is mostly underground: this implantation allows to combine, as detailed below, aesthetic considerations (it is hidden from view) and safety (it can not be an obstacle when it is located near a taxiway, in particular).
  • the flow of the liquid effluent may be in the form of a spray of droplets, or in the form of a gravity flow on packings in the washing device.
  • the invention thus chooses a treatment using a liquid phase, and not, as already known, with filters. And this liquid phase makes it possible to treat both the particles and certain compounds such as NOx, in a single operation: in fact, surprisingly, the invention shows that the choice of a liquid phase makes it possible to suspend the particles when they come into contact with the effluent, the suspension allowing easy to embark in the liquid phase and rid the air to treat so.
  • a spray of droplets promotes air / effluent contact, in terms of air / liquid contact surface and residence time of the air in contact with the liquid. It is the same if we choose a gravity flow on packings, which will "break" the flow and promote the same air / liquid contact.
  • the liquid phase is therefore a basic aqueous phase: its pH is for example between 7.5 and 10, preferably between 7.5 and 8.5 or between 7.5 and 8, so a pH preferably slightly basic, which has a beneficial effect on the absorption / reduction of tyoe NOx gases, without requiring precautions too complex / expensive in terms of equipment safety during their implementation.
  • the treatment according to the invention is carried out at ambient temperature and pressure. This is a considerable advantage in view of the location and the flow rates of air to be treated, because it greatly simplifies the implementation of the process, since the equipment is thus limited (no heating means or pressurization to predict) and the energy consumption of the treatment.
  • the treatment is carried out in a washing device defining an enclosure in which the liquid effluent flows by gravity.
  • a washing device defining an enclosure in which the liquid effluent flows by gravity.
  • the liquid effluent can also flow by pressurized spraying.
  • the air to be treated can flow into said chamber co-current, countercurrent or cross flow with respect to the flow of the liquid effluent.
  • the choice is made in particular in view of the configuration of the available space in which the treatment device is intended to be placed.
  • Cross flow is preferred because it allows device configurations easier to implement, and because it is particularly effective in promoting exchanges between the air to be treated and the liquid effluent.
  • the air is treated in a washing device disposed predominantly outside, in an urban or suburban environment, with in particular at least one air inlet to be treated at the bottom of the device, particularly in the vicinity. ground level, and a treated air outlet at the top. It is thus possible to come and suck the polluted air close to the ground, where the pollution, particularly particulate, is generally the strongest, and reject the purified air above, for example at man's height.
  • the washing device may in fact be for example a substantially vertical orientation column, and a height that can be chosen between 1 and 4 meters, or between 1 and 2 meters for example.
  • washing device may be partly underground, disposed partly below the ground level, in particular to limit the size of the urban space by “burying” for example peripheral elements to the washing device itself (instrumentation, fans, purge %) and even a part of the washing chamber.
  • the washing device can then be disposed in a central zone of said axis with lateral air feeds drawing air on each of the channels disposed on either side of said central zone.
  • washing device it is thus possible with a single washing device to treat the polluted air on the two lanes of the road.
  • a single device for example at a junction or a portion of a particularly busy road axis.
  • washing device street furniture type bus shelter but also to building facades or other buildings / urban amenities, tube mouths or Morris columns which he can then adopt the height.
  • the device according to the invention can also be advantageously used to treat outdoor air in partially enclosed spaces, including public spaces such as railway stations.
  • the air is treated in a washing device mainly, in particular totally, underground.
  • the air to be treated is brought into said device and the treated air is discharged from said device by fluid connection means to and from the washing device of the at least partly underground duct type.
  • the advantage of this embodiment is to limit the size in the urban space, often constrained washing devices.
  • the outside urban air can be treated by a plurality of washing devices sharing at least a common portion of the air supply means to be treated to said devices and / or air outlet means treated. It is thus possible to pool at least a certain portion of the ducts necessary for conveying air to or from the devices for a set of devices, grouping them by sector, by road ... It is also possible to use a common control system.
  • the air to be treated can be taken from a central zone of a multi-lane road axis and brought into washing devices arranged on the sides, or at least one of the sides, of said axis.
  • the treatment can be controlled by an electronic / computer control system enabling manual, automatic or semi-automatic remote control.
  • the control system may comprise electronic / computer means connected on the one hand to one or more measuring means associated with the washing device, in particular a pH sensor of the liquid effluent for example, and to one or more means for controlling the process, in particular valve opening / closing control means, and connected on the other hand to a Human Machine Interface.
  • the monitoring of the process can therefore be done remotely, limiting as much as possible maintenance operations requiring human intervention.
  • control method includes a method involving electronic / computer means associated with sensor type instrumentations, while maintaining monitoring / human intervention.
  • the liquid effluent is circulated in the closed loop washing device.
  • the liquid effluent can then be regenerated or replaced continuously or by periodic purge.
  • a "new" effluent container intended to replace gradually or once after complete purging the "spent" liquid effluent once sufficiently charged / saturated with solid particles or pollutant gases absorbed / converted.
  • a gravity flow by providing the inside of the enclosure of the washing device of packings (also called “internal"), of the type used for example in the field of distillation columns.
  • packings also called "internal”
  • the gravity flow can be achieved by a plurality of water inlets at the top of the washing device enclosure, which create a plurality of liquid streams flowing up and down and breaking on the packings .
  • the subject of the invention is also a device for treating outdoor urban air in order to deplete it in gaseous polluting compounds, in particular NOx, and in solid particles, and which comprises a washing device comprising an enclosure, in particular of orientation substantially vertical or oblique, which is provided with a liquid effluent inlet, a liquid effluent outlet, and an air inlet to be treated and a treated air outlet, with a flow, in particular by gravity from top to bottom, the liquid effluent either in the form of a stream of droplets or by a gravity flow on packings and comprising at least one active compound vis-à-vis the or at least one of pollutant gaseous compounds, such that said liquid effluent in contact with air is charged in particles and acts on said or at least one of said gaseous compound by absorption, then optionally chemical conversion, in particular of the oxidation or reduction type.
  • a washing device comprising an enclosure, in particular of orientation substantially vertical or oblique, which is provided with a liquid effluent
  • the washing device is equipped with air supply means to be treated to said device and treated air outlet means of said device, said input and optionally output means being provided with pneumatic means of the average type. Ventilators / blowers forcing the flow of air through the washing device.
  • the treatment device comprises mechanical fastening means, removable or non-removable, to an urban environment element, such as a road pavement, a sidewalk, urban furniture bus shelter type, a building facade, a mouth of subway, a Morris column.
  • an urban environment element such as a road pavement, a sidewalk, urban furniture bus shelter type, a building facade, a mouth of subway, a Morris column.
  • the treatment device according to the invention can group a plurality of washing devices with a common portion of at least air supply means to be treated to said washing devices and / or treated air outlet. It is thus possible to pool portions of pipes, pneumatic means, and operate these washing devices in series or in parallel.
  • washing device When the washing device is disposed outside, preferably at least one air inlet to be treated in the lower part of the device, in particular near the ground level, and a treated air outlet at the top of the device are provided. washing device. It is understood by “in the neighborhood” that the inlet is at ground level, or possibly slightly above or below the ground level (if the device is at least partially buried), with means for bringing additional appropriate (pipes). One understands “high” and “low”, or any other term of spatial positioning, considering the device of washing like a device of essentially vertical orientation.
  • the washing device When the washing device is predominantly, in particular totally, underground, it is provided with air supply (s) to be treated in said device and means for the outlet of treated air for fluidic connection to and from the washing device , duct type, at least partly underground.
  • air supply s
  • duct type duct type
  • the device is underground on at least half of its height. Preferably, it can be underground over at least 80 or 90% of its height.
  • the device is thus partially or completely hidden from view.
  • the interior of the enclosure of the washing device is provided with packings when the flow of the effluent is done in a gravitational manner, without spraying under pressure. It is thus possible to increase the time and the contact surface between the air to be treated and the liquid effluent by providing inside the enclosure of the washing device of these packings (also called "internal"), of the type of those used for example in the field of distillation columns. By thus maximizing this contact, the suspension of the particles and the solubilization of the compounds to be treated in the liquid phase comprising the active agent intended for treating them are further improved. This can also reduce the size of the enclosure without decreasing the air / liquid effluent contact time.
  • the liquid effluent may contain a solubility promoter of the gaseous pollutant compounds. It may be in particular, oxidizing agents such as hydrogen peroxide, which converts at least a portion of the NO to NO 2 , which, as previously seen, solubilize better in a liquid effluent than NO, which, globally , improves the extraction of NOx by the washing effluent of the invention.
  • oxidizing agents such as hydrogen peroxide, which converts at least a portion of the NO to NO 2 , which, as previously seen, solubilize better in a liquid effluent than NO, which, globally , improves the extraction of NOx by the washing effluent of the invention.
  • the processing device is preferably provided with an electronic / computer control system enabling manual, automatic or semi-automatic remote control, said control system comprising in particular electronic / computer means connected on the one hand to one or measuring means associated with the washing device, in particular a pH sensor of the liquid effluent, and at least one process control means, in particular valve opening / closing control means and connected to the other hand, a man / machine interface. All or part of the control system can be pooled to centralize the control of a plurality of processing devices.
  • the pumping means and / or spraying to ensure the circulation of the liquid effluent, it is possible to use the electrical networks already present, in particular to supply urban lighting or signaling means.
  • the liquid effluent inlet and the liquid effluent outlet of the chamber are in fluid connection with each other, the liquid effluent circulating in a closed loop.
  • the liquid effluent which is collected at the bottom of the chamber and which, via a pipe system and, for example, a pumping means, is then reinjected into the enclosure "from above” is then injected into the chamber "from above”. top of the speaker.
  • the device can be provided with a means of purging the liquid effluent, and purging it completely to replace it with a "new" liquid effluent periodically, or as soon as thresholds followed by instrumentation means are reached (fall of pH, particle content ). It is also possible to provide means for taking part of it, to replace it periodically or continuously.
  • a "new" effluent container can be provided near the washing chamber, with a possible fluid connection between the container and the chamber.
  • spent effluent an effluent charged with particles / pollutant gas to such a level that it becomes useful / necessary to evacuate to replace it.
  • This level can be defined according to the degree of saturation in particles / gas, the spent effluent being preferably replaced (a little) before reaching this degree of saturation to preserve its effectiveness.
  • the "new” effluent is to be understood as a "fresh” effluent or a spent effluent that has been reprocessed / cleaned and that is not donated / almost not loaded with particles / polluting gas.
  • the liquid effluent is an aqueous phase, which is the simplest, the least expensive and the least polluting of the liquids. It may contain at least one active agent such as an alkaline compound of the KOH type and / or a solubility promoter of the gaseous pollutant compound, such as hydrogen peroxide.
  • active agent such as an alkaline compound of the KOH type and / or a solubility promoter of the gaseous pollutant compound, such as hydrogen peroxide.
  • the invention also relates to any street furniture, which incorporates at least one device described above, such as a bus shelter, a subway mouth, a building facade cladding, a Morris column, a means of signaling or urban lighting ...
  • the invention also relates to the use of the method or device described above for purifying outdoor urban or peri-urban air.
  • Figure 1 a representation of an exemplary embodiment of a washing device according to the invention in vertical section;
  • FIG. 2 a representation of a use of the washing device of FIG. 1 for treating the air of an urban or peri-urban road according to a first variant, in vertical section transversely to the road axis;
  • FIG. 3 a representation of a use of the washing device of FIG. 1 for treating the air of an urban or peri-urban road in a second variant in vertical section transversely to the road axis.
  • the washing device 1 With the help of Figure 1, first described the washing device 1 according to the invention alone, before then see its integration to treat air confined spaces of different types.
  • the device 1 will be described only by its main components. It comprises an enclosure 2 in the form of a column intended to be oriented substantially along a vertical axis. This column here has a substantially circular section, other variants may provide different sections, square, oval, rectangular ...
  • the enclosure is equipped in the upper part of a flow ramp 3 connected via an inlet 4 in part high in the enclosure to a circulation loop 5. It can provide multiple ramps, or individual nozzles.
  • This ramp sends a plurality of jets, in the form of a plurality of aqueous liquid effluent flows, distributed over the section of the enclosure, in the manner of a shower which, under the effect of gravity, circulates from top to bottom to break on packings (not shown, and which remain optional) and form, in the lower part of the enclosure, a certain level of liquid which is then discharged through an outlet 7 connected to the pipe 5, to allow closed-loop recirculation of the liquid effluent.
  • a pump 8 is provided in the lower part of the pipe, to raise the liquid effluent exiting through the lower outlet 7 to the inlet 4 in the upper part.
  • the liquid effluent instead of making a simple gravity flow of the liquid effluent, it can be carried out under pressure pressure via ad hoc ramps / nozzles, to create in the enclosure one or more clouds of droplets running from top to bottom of the enclosure, there is no longer any need for packing.
  • the appropriate settings can be made to best adjust the droplet velocity, and / or change their size and / or the trajectory of the drops or the cloud of drops as a whole.
  • the chamber is also provided with an air inlet 9 to be treated at the bottom of the enclosure and an air outlet 10 at the top of the enclosure.
  • the inputs and outputs 9, 10 are each connected to pipes.
  • the air to be treated circulates from bottom to top, counter to the liquid effluent.
  • the quality of the gas-liquid contact can be improved if necessary by placing inside the enclosure 2 specific runoff structures called packings (not shown) or "internal" in the field of distillation columns for example.
  • packings not shown
  • internal in the field of distillation columns for example.
  • structured packings geometric areas ranging from 100 to 750 m 2 / m 3
  • bulk geometric areas ranging from 70 to 300 m 2 / m 3
  • the liquid effluent is too much particulate matter or no longer absorbs the gaseous compounds targeted, it is drained and replaced by a simple pumping operation.
  • the system can advantageously be equipped with online analyzers for monitoring and preventive maintenance of the installation, for example by pH control.
  • the liquid effluent is for example an aqueous phase containing KOH (or NaOH) to ensure a basic pH neutralizing the HNO 3 resulting from the solubilization of NO 2 to form a nitrate.
  • Hydrogen peroxide can be added to oxidize HNO 2 from the solubilization of NO, which increases the solubility of NO by equilibrium displacement.
  • a solution at basic pH also makes it possible to absorb other polluting or at least unwanted gaseous compounds including C0 2 , S0 2 , H 2 S.
  • the mechanisms in aqueous solution for the absorption of NOx in water in the presence of H 2 O 2 and NaOH are in particular explained in the techniques of the engineer, G1805 V1-NO (nitrogen oxides).
  • the chamber 2 may have a passage section of between 1 and 170 m 2 , for example 90 m 2 , which corresponds to a square surface of 13 mx 13 m, and a height included between 2 and 30 m. for example 10 m for the largest speakers. It is also possible, particularly in a congested urban context, to prefer smaller enclosures, for example in the form of a column of circular section with a diameter of 1 m and height of 2 to 4 m.
  • a flow rate of air to be treated having a flow rate of 55 m 3 / s.
  • the air is at 20 ° C and the pressure is the ambient pressure (1 bar).
  • a flow rate of liquid effluent such that the watering rate is at least about 60 m 3 / m 2 / h, is provided.
  • the watering rate is defined as the flow of liquid divided by the section of the washing column.
  • the section can be reduced to about 40-50 m 2 or a square of 6-7 m.
  • the height remains comparable.
  • packings can occupy only part of the height of the enclosure, and that, alternatively, the washing chamber can also operate without packings.
  • the device 1 is also equipped with instrumentation, in particular a pH sensor of the liquid effluent, to measure the evolution of its concentration of KOH.
  • instrumentation in particular a pH sensor of the liquid effluent, to measure the evolution of its concentration of KOH.
  • the proper functioning of the pump 8 and the ramp 3 can be monitored, cameras can be provided, and the valves equipping the device, including the not shown bleed valve (associated with a possible retention tank), can be controlled.
  • a control system controls and monitors the device and displays relevant information (alarms, monitoring of measurements by instruments, video image ...) on a remote HMI man machine interface.
  • connections between the instrumentations, the controllable elements, the control unit and I ⁇ HM are made in a known manner, for example by a local internet network, using optical fibers, modular connectors for Ethernet connection type RJ45 (with possible addition of a switch / LAN closer to the washing device 1).
  • the suction means for supplying the air to be treated in the washing device are fans with an air flow rate of preferably at most 5 m / s, in particular at most 1 m / s, this which is sufficient and makes it possible to limit any noise nuisance near the devices.
  • FIG. 2 represents the application of the washing device of FIG. 1 according to a first variant for improving the quality of the outside air in the vicinity of a road 20 with two lanes of traffic: a washing device 1 in the form of a vertical orientation column is installed outside, in the central part of the road.
  • the column is provided at the bottom with air inlets 21, 22 facing each of the two lanes, with a suction means common at the bottom of the column and not shown, the fan type. It can also provide as many fans as air supply. It can also be provided that external pipes extend these air supply 12,22.
  • the column can be fixed by any mechanical means to the road. All its "peripherals”, like the possible containers of new or used liquid etc. ... can be arranged under the road level.
  • a series of wash columns can be distributed along the road at regular intervals or by adjusting the number to the usual level of pollution. This type of column can also be placed in the middle or at the edge of a junction.
  • the series of columns can be arranged on one side of the road, with only one side air intake facing the traffic lane.
  • the column may be on the roadway or on a sidewalk.
  • Each column (washing device) or all the columns of a sector can be controlled by a centralized control system, which can operate on / off or more or less each of the columns as a function of the air quality estimated or measured, for example in connection with real-time measurement or pollution peak prediction systems and / or in connection with pollution measurements made directly on the device or close to it.
  • FIG. 3 shows the application of the washing device of the figure for treating the air above the same road 20 as in FIG. 2.
  • an aspiration of the air to be treated in the central part is chosen. of the road between the two traffic lanes, with a suction mouth flush with the surface of the track and opening into a pipe 30 here vertical underground, itself in connection with two pipes 31, 32, here horizontal and underground also and each supplying a portion of the air sucked through line 30 to the inlet of two underground washing columns 1 disposed under the opposite edges of the road 20.
  • the air enters the columns at the bottom, emerge at the top via 33.34 pipes that reject the air near the ground level through outlets provided in the roadway or sidewalks in the same way as the suction mouths.
  • the suction and air outlet mouths are preferably provided with means of retention / filtration solids type grids or other, to prevent miscellaneous waste from the roadway accumulate in the pipes.
  • Ventilation means are provided either in the common pipe 30 or in each of the pipes 31, 32 or in all of these three pipes.
  • the pipes 33,34 reject the air treated above, for example at 1 meter or 1 m 50 or 2 meters.
  • the washing device of the invention is inexpensive in energy or installation, it adapts well to the treatment of the outside urban air, it is flexible of implementation, since one can choose its dimensioning, its mode of operation, the most appropriate distribution of a plurality of possibly centrally controlled devices. It also adapts to the urban space, since it can integrate into existing urban furniture, bury itself ... It allows to treat both particulate and gaseous pollution in a single operation , operating with an aqueous phase, which makes it particularly suitable for urban use.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de traitement d'air extérieur urbain pour l'appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, où l'on conduit dans un dispositif de lavage au moins une partie de l'air à traiter au contact d'un écoulement d'un effluent liquide et comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d'au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l'air à traiter se charge en particules et agit sur ledit composé gazeux, par exemple par absorption, puis éventuellement conversion chimique notamment du type oxydation ou réduction.

Description

PROCEDE DE TRAITEMENT D’AIR EXTERIEUR URBAIN
Domaine de l’invention
L’invention s’intéresse au traitement de l’air extérieur dans un environnement urbain. En effet, les axes routiers urbains ou périurbains chargés d’une circulation dense sont le siège d’une pollution de l’air de plus en plus importante, et de plus en plus analysée et contrôlée. On peut notamment mentionner AIR PARIF, l’association de surveillance de la qualité de l’air en Ile de France, qui surveille l’évolution de la qualité de l’air en permanence dans des points clés de la région parisienne, avec des traitements de ces données par des outils, notamment de calcul et de modélisation, permettant de donner des indicateurs de qualité de l’air, des cartes de niveaux de pollution en temps réel, et des cartes de prévision de plus en plus précises.
L’air urbain présente différentes types de pollution, qu’on peut classer en deux catégories :
- les particules solides, qui proviennent généralement de combustions imparfaites (suies), émises par les gaz d’échappement des moteurs thermiques des véhicules automobiles, mais également de l’usure de leurs pneumatiques ou de leurs organes de freinage, ou tout simplement de la dégradation des revêtements routiers (poussières) ou encore émises par les moyens de chauffage urbains ou par des installations industrielles proches. Leur petite taille, de l’ordre de quelques microns, explique leur maintien en suspension dans l’air, notamment en absence de pluie et de vent,
- les composés gazeux, essentiellement des oxydes d’azote, avec les NOx dont le monoxyde et/ou le dioxyde d’azote (NO, N02), mais aussi le monoxyde de carbone CO (A noter que le NO peut s’oxyder spontanément en N02 sous l’effet du soleil et de la présence d’oxygène, donc même s’il est potentiellement moins néfaste que N02 à concentrations égales, c’est aussi potentiellement un précurseur de N02), les composés organiques volatils (ou VOC pour l’acronyme anglais Volatile Organic Compound), ou les dérivés soufrés, comme les oxydes de soufre SOx, eux aussi provenant notamment de véhicules automobiles ou encore du chauffage urbain ou d’installations industrielles.
On voit qu’il y a un réel besoin d’amélioration de la qualité de l’air en milieu urbain et périurbain.
Art antérieur
Dans les tunnels routiers, on a déjà envisagé des dispositifs de filtration électrostatiques pour piéger les particules solides, l’objectif visé étant en fait d’améliorer la visibilité dans les tunnels plus que d’en dépolluer l’atmosphère avant rejet à l’extérieur. Comme les débits d’air sont souvent importants, de quelques dizaines à quelques centaines de m3 par seconde, et les concentrations en polluants très petites, de l’ordre du milligramme par m3 ou moins, les dispositifs le plus souvent employés sont des dépoussiéreurs électrostatiques pour les polluants particulaires et des pièges chimiques sur surfaces absorbantes pour les polluants gazeux, de manière à minimiser la perte de charge de la circulation d’air. Les résultats sont souvent décevants, notamment pour les particules qui peuvent également « empoisonner » les pièges chimiques et les rendre inefficaces.
Des tunnels ont effectivement été équipés d’un dispositif de traitement de l’air, principalement au Japon et en Norvège. Il s’est agi dans la plupart des cas de filtres électrostatiques des particules, sans traitement des effluents gazeux, l’objectif étant effectivement d’améliorer la visibilité dans les tunnels. L’efficacité des dispositifs de filtration électrostatique dépend pour beaucoup de la vitesse de l’air à l’intérieur des filtres, mais également de l’encrassement des filtres. En outre, l’étape d’ionisation des particules, préalable indispensable à leur précipitation électrostatique, produit du dioxyde d’azote (N02) par réaction de NO avec l’ozone (03) produit dans le ioniseur, ce qui est un effet induit néfaste.
La demande de brevet EP 0 431 648 s’est aussi intéressée au traitement d’air d’espaces confinés, notamment de bureaux ou d’hôpitaux, en proposant des traitements à l’ozone avec des catalyseurs d’oxydation pour éliminer les VOC et les polluants biologiques, avec les inconvénients liés à l’utilisation d’ozone soulignés plus haut, et les particules solides ne sont pas traitées.
Le brevet FR 3 014 327 s’est, lui, intéressé aux traitements de gaz naturel ou d’origine industrielle, afin d’en éliminer les composés acides comme le C02, ou des dérivés soufrés comme H2S ou COS il décrit un lavage des gaz par une solution liquide capable d’absorber ces composés acides à une température de l’ordre de 30 à 95°C. Cette solution absorbante est une solution aqueuse comprenant de la N,N,N’,N’-tétra méthyl-1 ,6 hexanediamine (TMHDA) associée à un activateur. Il est ensuite nécessaire de faire une régénération de la solution consistant à envoyer la solution chargée en composés acides dans une colonne de distillation pour libérer ces composés acides. C’est donc une solution performante vis-à-vis de certains composés gazeux de type acide, mais qui ne traite pas de la pollution particulaire, et qui nécessite deux étapes complexes et consommatrices d’énergie.
L’invention a donc pour but de remédier à ces inconvénients en proposant un nouveau système de traitement de l’air extérieur urbain. Elle a notamment pour but un traitement qui soit efficace aussi bien vis-à-vis de polluants sous forme de particules que sous forme de composés gazeux. Elle a plus particulièrement pour but un nouveau système applicable sur de grands volumes d’air à traiter, avec une mise en œuvre et une maintenance facilitées.
Résumé de l’invention L’invention a tout d’abord pour objet un procédé de traitement d’air extérieur urbain pour l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, où l’on conduit dans un dispositif de lavage au moins une partie de l’air à traiter au contact d’un écoulement d’un effluent liquide comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air à traiter se charge en particules et agit sur ledit composé gazeux, par exemple par absorption, puis éventuellement conversion chimique notamment du type oxydation ou réduction.
Avantageusement, le dispositif de lavage de l’invention est majoritairement souterrain : cette implantation permet d’allier, comme détaillé plus loin, des considérations esthétiques (il se trouve dissimulé à la vue) et de sécurité (il ne peut pas constituer un obstacle quand il est disposé près d’une voie de circulation notamment).
L’écoulement de l’effluent liquide peut s’effectuer sous forme de pulvérisation de gouttelettes, ou sous forme d’un écoulement gravitaire sur des garnissages dans le dispositif de lavage.
Dans un cas comme dans l’autre, l’invention choisit donc un traitement ayant recours à une phase liquide, et non pas, comme déjà connu, avec des filtres. Et cette phase liquide permet de traiter à la fois les particules et certains composés comme les NOx, en une seule opération: en effet, de façon surprenante, l’invention montre que le choix d’une phase liquide permet de mettre en suspension les particules quand elles entrent en contact avec l’effluent, la mise en suspension permettant facilement de les embarquer dans la phase liquide et d’en débarrasser l’air à traiter donc.
Une pulvérisation de gouttelettes favorise le contact air/effluent, en termes de surface de contact air/liquide et de temps de séjour de l’air au contact du liquide. Il en est de même si on choisit un écoulement gravitaire sur des garnissages, qui vont « casser » le flux et favoriser de la même manière ce contact air/liquide.
Et vis-à-vis de certains polluants gazeux comme les NOx, il s’est avéré que choisir une phase liquide basique, par exemple par ajout de KOH/ NaOH ou toute autre base minérale ou organique, permet d’extraire les NOx, essentiellement les N02, de l’air. Ils peuvent ensuite être traités dans l’effluent de lavage.
De préférence, la phase liquide est donc une phase aqueuse basique : son pH est par exemple compris entre 7,5 et 10, de préférence entre 7,5 et 8,5 ou entre 7,5 et 8, donc un pH de préférence légèrement basique, ce qui a un effet bénéfique sur l’absorption/réduction des gazde tyoe NOx, sans pour autant nécessiter des précautions trop complexes/couteuses en termes de sécurité des équipements lors de leur mise en oeuvre. Avantageusement, le traitement selon l’invention s’effectue à température et pression ambiantes. C’est un avantage considérable au vu de l’implantation et des débits d’air à traiter, car cela simplifie grandement la mise en œuvre du procédé, puisqu’on limite ainsi les équipements (pas de moyens chauffant ou de mise sous pression à prévoir) et la consommation énergétique du traitement.
De préférence, le traitement s’effectue dans un dispositif de lavage définissant une enceinte dans laquelle l’effluent liquide s’écoule par gravité. Là encore, on choisit ainsi la simplicité, en utilisant la notamment la gravité pour faire circuler, de haut en bas, la phase liquide. L’effluent liquide peut aussi s’écouler par pulvérisation sous pression.
L’air à traiter peut s’écouler dans ladite enceinte à co-courant, à contre-courant ou à courant croisé par rapport à l’écoulement de l’effluent liquide. Le choix est fait notamment au vu de la configuration de l’espace disponible dans lequel le dispositif de traitement est destiné à être placé.
Un écoulement croisé est préféré, car il permet des configurations de dispositif plus faciles à implanter, et parce qu’il est particulièrement efficace pour favoriser les échanges entre l’air à traiter et l’effluent liquide.
Selon l’invention, on peut forcer la circulation de l’air au travers du dispositif de lavage afin de le traiter, notamment par des ventilateurs, surpresseurs, etc.
Selon un premier mode de réalisation, on traite l’air dans un dispositif de lavage disposé majoritairement à l’extérieur, en milieu urbain ou périurbain, avec notamment au moins une entrée d’air à traiter en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air traité en partie haute. On peut ainsi venir aspirer l’air pollué près du sol, là où la pollution, notamment particulaire, est généralement la plus forte, et rejeter l’air purifié plus haut, par exemple à hauteur d’homme. Comme mentionné plus loin, le dispositif de lavage peut en effet se présenter par exemple comme une colonne d’orientation essentiellement verticale, et d’une hauteur qui peut être choisie entre 1 et 4 mètres, ou entre 1 et 2 mètres par exemple. On comprend par « disposé majoritairement à l’extérieur » le fait que le dispositif de lavage peut être en partie souterrain, disposé en partie sous le niveau du sol, notamment pour limiter l’encombrement de l’espace urbain en « enterrant » par exemple les éléments périphériques au dispositif de lavage lui-même (instrumentation, ventilateurs, purge...) et même une partie de l’enceinte de lavage.
On peut traiter l’air qui se trouve au-dessus d’un axe routier à plusieurs voies, le dispositif de lavage peut alors être disposé dans une zone centrale dudit axe avec des amenées d’air à traiter latérales prélevant de l’air sur chacune des voies disposées de part et d’autre de ladite zone centrale.
On peut ainsi avec un seul dispositif de lavage traiter l’air pollué sur les deux voies de l’axe routier. Naturellement, on peut prévoir un seul dispositif, par exemple au niveau d’un carrefour ou d’une portion d’axe routier particulièrement chargée. On peut aussi en prévoir une série, espacée régulièrement, chaque dispositif traitant une portion de longueur de voie. On peut aussi placer les dispositifs de lavage sur un seul côté de l’axe routier, quand il ne présente qu’une voie de circulation par exemple, ou, au contraire, munir chaque côté de l’axe routier de dispositifs de lavage, quand il a plusieurs voies.
On peut aussi intégrer le dispositif de lavage à du mobilier urbain du type abribus, mais aussi à des façades d’immeuble ou d’autres édifices / équipements urbains, des bouches de métro ou des colonnes Morris dont il peut alors adopter la hauteur.
Le dispositif selon l’invention peut aussi être avantageusement utilisé pour traiter l’air extérieur dans des espaces partiellement clos, notamment des espaces publics comme des gares ferroviaires.
Selon un autre mode de réalisation, on traite l’air dans un dispositif de lavage majoritairement, notamment totalement, souterrain. Dans ce cas, on amène l’air à traiter dans ledit dispositif et on sort l’air traité dudit dispositif par des moyens de connexion fluidique vers et depuis le dispositif de lavage du type conduits au moins en partie souterrains. L’avantage de ce mode de réalisation est de limiter l’encombrement dans l’espace urbain, souvent contraint, des dispositifs de lavage. En outre, il y a parfois déjà des réseaux de conduites près ou sous les axes routiers/ des bouches d’aération, qui peuvent être exploités pour y faire passer les conduites d’amenée et de sortie d’air vers et depuis les dispositifs de lavage.
Avantageusement, on peut traiter l’air urbain extérieur par une pluralité de dispositifs de lavage partageant au moins une portion commune des moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs et/ou des moyens de sorties d’air traité. On peut ainsi mutualiser une certaine partie au moins des conduites nécessaires pour acheminer l’air vers ou depuis les dispositifs pour un ensemble de dispositifs, en les regroupant par secteur, par axe routier... On peut aussi utiliser un système de commande commun.
Selon un exemple de réalisation, on peut prélever l’air à traiter dans une zone centrale d’un axe routier à plusieurs voies, et on l’amène dans des dispositifs de lavage disposés sur les côtés, ou au moins un des côtés, dudit axe.
Avantageusement, on peut piloter le traitement par un système de commande électronique/informatique permettant un pilotage manuel, automatique ou semi-automatique, à distance. Ainsi, le système de commande peut comprendre des moyens électroniques/informatiques connectés d’une part à un ou des moyens de mesure associés au dispositif de lavage, notamment un capteur de pH de l’effluent liquide par exemple, et à un ou des moyens de pilotage du procédé, notamment des moyens de pilotage d’ouverture/fermeture de vannes, et connectés d’autre part à une interface homme/machine. Le suivi du procédé peut donc se faire à distance, en limitant au maximum les opérations de maintenance nécessitant des interventions humaines.
On comprend par procédé de pilotage « semi-automatique » un procédé faisant intervenir des moyens électroniques/informatiques associés à des instrumentations de type capteur, tout en maintenant une surveillance /une intervention humaine.
Selon un mode de réalisation préféré, on fait circuler l’effluent liquide dans le dispositif de lavage en boucle fermée. On peut alors régénérer ou remplacer l’effluent liquide de façon continue ou par une purge périodique. On peut prévoir à proximité de l’enceinte où s’effectue le lavage un contenant d’effluent « neuf », destiné à remplacer progressivement ou d’un coup après purge complète l’effluent liquide « usé » une fois suffisamment chargé / saturé en particules solides ou en gaz polluants absorbés/convertis.
On peut également prévoir un contenant d’effluent « usé », destiné à récupérer tout ou partie de l’effluent usé, avec éventuellement un temps de décantation suffisant pour collecter plus facilement les particules en fond de contenant. Les espèces polluantes gazeuses éventuellement encore présentes dans cet effluent usé peuvent être traitées sur place ou ultérieurement, après vidage du contenant une fois plein, et récupération de la phase liquide. On prévoit toutes les connexions fluidiques appropriées (conduites équipés de vannes) pour assurer facilement la purge ou le remplissage de liquide depuis ou vers l’enceinte de lavage.
Comme mentionné plus haut, on parvient à augmenter le temps et la surface de contact entre l’air à traiter et l’effluent liquide en choisissant selon une première variante un écoulement gravitaire en munissant l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage de garnissages (encore appelés « internes »), du type de ceux utilisés par exemple dans le domaine des colonnes de distillation. En maximisant ainsi ce contact, on améliore encore la mise en suspension des particules et la solubilisation des composés qu’on veut traiter dans la phase liquide comprenant l’agent actif destiné à les traiter. Cela peut permettre aussi de diminuer la taille de l’enceinte sans diminuer le temps de contact air/effluent liquide. L’écoulement gravitaire peut être réalisé par une multitude d’amenées d’eau en partie haute de l’enceinte du dispositif de lavage, qui créent une pluralité de de flux liquides s’écoulant de haut en bas et venant se briser sur les garnissages.
Selon une deuxième variante également mentionnée plus haut, on peut aussi utiliser une ou des rampes ou buses de pulvérisation, qui viennent pulvériser sous pression l’effluent liquide sous forme d’un ou plusieurs nuages de gouttelettes, cheminant de haut en bas de l’enceinte du dispositif de lavage sous l’effet de la gravité.
De la même façon, l’invention a également pour objet tout dispositif destiné à la mise en œuvre du procédé décrit plus haut. L’invention a également pour objet un dispositif de traitement d’air extérieur urbain afin de l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, et qui comprend un dispositif de lavage comprenant une enceinte, notamment d’orientation substantiellement verticale ou oblique, qui est munie d’une entrée d’effluent liquide, d’une sortie d’effluent liquide, et d’une entrée d’air à traiter et d’une sortie d’air traité, avec un écoulement, notamment par gravité de haut en bas, de l’effluent liquide soit sous forme d’un flux de gouttelettes soit par un écoulement gravitaire sur des garnissages et comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air se charge en particules et agit sur ledit ou au moins un desdits composé gazeux par absorption, puis éventuellement conversion chimique, notamment du type oxydation ou réduction.
De préférence, le dispositif de lavage est équipé de moyens d’amenée d’air à traiter audit dispositif et de moyens de sortie d’air traité dudit dispositif, lesdits moyens d’entrée et éventuellement de sortie étant munis de moyens pneumatiques du type moyens de ventilation/surpresseurs forçant la circulation d’air à travers le dispositif de lavage.
Avantageusement, le dispositif de traitement comprend des moyens de solidarisation mécanique, amovibles ou non amovibles, à un élément d’environnement urbain, comme une chaussée routière, un trottoir, un mobilier urbain du type abribus, une façade d’immeuble, une bouche de métro, une colonne Morris.
Le dispositif de traitement selon l’invention peut regrouper une pluralité de dispositifs de lavage avec une portion commune au moins de moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs de lavage et/ou de sortie d’air traité. On peut ainsi mutualiser des portions de conduites, des moyens pneumatiques, et faire fonctionner ces dispositifs de lavage en série ou en parallèle.
Quand le dispositif de lavage est disposé à l’extérieur, on prévoit de préférence au moins une entrée d’air à traiter en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air traité en partie haute du dispositif de lavage. On comprend par «au voisinage » le fait que l’entrée est au raz du sol, ou éventuellement légèrement au dessus - ou au dessous- du niveau du sol (si le dispositif est au moins partiellement enterré), avec des moyens d’amené additionels appropriés (conduites). On comprend « haute » et « basse », ou tout autre terme de positionnement spatial, en considérant le dispositif de lavage comme un dispositif d’orientation essentiellement verticale.
Quand le dispositif de lavage est majoritairement, notamment totalement, souterrain, il est muni d’amenée(s) en d’air à traiter dans ledit dispositif et de des moyens sortie d’air traité de connexion fluidique vers et depuis le dispositif de lavage, du type conduits, au moins en partie souterrains. On peut alors prélever l’air à traiter par des bouches d’aspiration affleurant le sol et connectées à des conduites appropriés, et le rejeter par des bouches de sortie également affleurant le sol ou le rejeter plus en hauteur, à hauteur d’homme par exemple, à l’aide de conduites extérieures.
On comprend par « majoritairement » le fait que le dispositif est souterrain sur au moins la moitié de sa hauteur. De préférence, il peut être souterrain sur au moins 80 ou 90% de sa hauteur.
Il est avantageux de prévoir ainsi d’implanter au moins partiellement le dispositif en sous terrain pour au moins deux raisons : pour des raisons esthétiques, le dispositif étant ainsi partiellement ou complètement dissimulé à la vue. En outre, pour des applications pour traiter de l’air à proximité de voies routières/voies de circulation, il est préférable, pour des raisons de sécurité, que le dispositif soit enterré, et ne constitue pas ainsi un éventuel obstacle quand un véhicule quitte sa voie accidentellement.
De préférence, l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage est muni de garnissages quand l’écoulement de l’effluent se fait de façon gravitaire, sans pulvérisation sous pression. On parvient ainsi à augmenter le temps et la surface de contact entre l’air à traiter et l’effluent liquide en munissant l’intérieur de l’enceinte du dispositif de lavage de ces garnissages (encore appelés « internes »), du type de ceux utilisés par exemple dans le domaine des colonnes de distillation. En maximisant ainsi ce contact, on améliore encore la mise en suspension des particules et la solubilisation des composés qu’on veut traiter dans la phase liquide comprenant l’agent actif destiné à les traiter. Cela peut permettre aussi de diminuer la taille de l’enceinte sans diminuer le temps de contact air/effluent liquide.
Toujours dans l’optique d'améliorer l’efficacité du traitement, l’effluent liquide peut contenir un promoteur de solubilité des composés gazeux polluants. Il peut s’agir notamment, d’agents oxydants comme le peroxyde d’hydrogène, qui convertit au moins une partie des NO en N02, qui, comme vu précédemment, se solubilisent mieux dans un effluent liquide que NO, ce qui, globalement, améliore l’extraction des NOx par l’effluent de lavage de l’invention.
Le dispositif de traitement est de préférence muni d’un système de commande électronique/informatique permettant un pilotage manuel, automatique ou semi-automatique, à distance, ledit système de commande comprenant notamment des moyens électroniques/informatiques connectés d’une part à un ou des moyens de mesure associés au dispositif de lavage, notamment un capteur de pH de l’effluent liquide, et au moins un moyen de pilotage du procédé, notamment des moyens de pilotage d’ouverture/fermeture de vannes et connectés d’autre part à une interface homme/machine. Tout où partie du système de commande peut être mutualisé pour centraliser le pilotage d’une pluralité de dispositifs de traitement.
Pour l’alimentation électrique du dispositif selon l’invention, notamment pour alimenter les moyens pneumatique (ventilation) pour la circulation forcée de l’air à traiter, les moyens de pompage et/ou de pulvérisation pour assurer la circulation de l’effluent liquide, on peut utiliser les réseaux électriques déjà présents, notamment pour alimenter des moyens d’éclairage ou de signalisation urbains.
Selon un mode de réalisation le plus simple, l’entrée d’effluent liquide et la sortie d’effluent liquide de l’enceinte sont en connexion fluidique l’une avec l’autre, l’effluent liquide circulant en boucle fermée. On vient donc injecter dans l’enceinte « par le haut » l’effluent liquide, qu’on collecte en bas de l’enceinte, et qui, via un système de conduites et de par exemple un moyen de pompage, est ensuite réinjecté en haut de l’enceinte.
Comme l’effluent liquide va alors progressivement se charger en particules solides et s’appauvrir en agent réactif, il est nécessaire de prévoir comment remplacer l’effluent « usé ». On peut munir le dispositif d’un moyen de purge de l’effluent liquide, et le purger complètement pour le remplacer par un effluent liquide « neuf » périodiquement, ou dès que des seuils suivis par des moyens d’instrumentation sont atteints (chute de pH, teneur en particules...). On peut aussi prévoir des moyens de prélèvement d’une partie de celui-ci, pour le remplacer périodiquement ou en continu.
On peut prévoir un contenant d’effluent « neuf » à proximité de l’enceinte de lavage, avec une connexion fluidique éventuelle entre le contenant et l’enceinte.
On peut aussi prévoir un contenant de rétention pour stocker temporairement de l’effluent liquide « usé » suite à une purge complète ou totale. On peut alors déterminer un temps de séjour de l’effluent « usé » dans ce contenant (bac) minimum avant vidage pour permettre aux particules solides de tomber par gravité au fond dudit contenant, ce qui peut en faciliter la collecte et l’évacuation de déchets solides séparément de la phase liquide surnageante.
On comprend donc par « effluent usé » un effluent chargé en particules/ en gaz polluant à un niveau tel qu’il devient utile/nécessaire de l’évacuer pour le remplacer. Ce niveau peut être défini en fonction du degré de saturation en particules / en gaz, l’effluent usé étant de préférence remplacé (un peu) avant d’atteindre ce degré de saturation pour préserver son efficacité. L’effluent « neuf » est à comprendre a contrario comme un effluent « frais » ou un effluent usé qui a été retraité/nettoyé et qui n’est dons pas/quasiment pas chargé en particules/gaz polluant.
De préférence, l’effluent liquide est une phase aqueuse, ce qui est le plus simple, le moins coûteux et le moins polluant des liquides. Il peut contenir au moins un agent actif comme un composé alcalin du type KOH et/ou un promoteur de solubilité du composé gazeux polluant, comme du peroxyde d’hydrogène.
L’invention a également pour objet tout mobilier urbain, qui intègre au moins un dispositif décrit précédemment, comme un abri bus, une bouche de métro, un parement de façade de bâtiment, une colonne Morris, un moyen de signalisation ou d’éclairage urbain... L’invention a aussi pour objet l’utilisation du procédé ou du dispositif décrits plus haut pour purifier l’air extérieur urbain ou périurbain.
Description détaillée
L’invention sera ci-après détaillée à l’aide d’exemples non limitatifs illustrés par les figures suivantes :
Figure 1 : une représentation d’un exemple de réalisation d’un dispositif de lavage selon l’invention en coupe verticale ;
Figure 2 : une représentation d’une utilisation du dispositif de lavage de la figure 1 pour traiter l’air d’un axe routier urbain ou périurbain selon une première variante, en coupe verticale transversalement à l’axe routier ;
Figure 3 : une représentation d’une utilisation du dispositif de lavage de la figure 1 pour traiter l’air d’un axe routier urbain ou périurbain selon une deuxième variante en coupe verticale transversalement à l’axe routier.
Toutes ces figures sont très schématiques, et les différents composants représentés ne sont pas nécessairement à l’échelle. Les références identiques d‘une figure à l’autre se rapportent à un composant identique. Les composants du dispositif de lavage représentés sont représentés dans leur positionnement en fonctionnement normal.
A l’aide de la figure 1 , on décrit tout d’abord le dispositif de lavage 1 selon l’invention seul, avant de voir ensuite son intégration pour traiter l’air d’espaces confinés de différents types. Le dispositif 1 ne sera décrit que par ses composants principaux. Il comprend une enceinte 2 sous forme d’une colonne destinée à être orientée substantiellement selon un axe vertical. Cette colonne a ici une section sensiblement circulaire, d’autres variantes pouvant prévoir des sections différentes, carrées, ovales, rectangulaires... L’enceinte est équipée en partie haute d’une rampe d’écoulement 3 connectée via une entrée 4 en partie haute dans l’enceinte à une boucle de circulation 5. On peut prévoir plusieurs rampes, ou des buses individuelles. Cette rampe envoie une pluralité de jets, sous forme d’une pluralité d’écoulements d’effluent liquide aqueux, répartis sur la section de l’enceinte, à la façon d’une douche qui, sous l’effet de la gravité, circule de haut en bas pour se briser sur des garnissages (non représentés, et qui restent optionnels) et former, en partie basse de l’enceinte, un certain niveau de liquide qui est ensuite évacué par une sortie 7 connectée à la conduite 5, de façon à permettre une recirculation en boucle fermée de l’effluent liquide. Une pompe 8 est prévue en partie basse de la conduite, pour remonter l’effluent liquide sortant par la sortie basse 7 jusqu’à l’entrée 4 en partie haute. Alternativement, au lieu de faire un simple écoulement gravitaire de l’effluent liquide, on peut procéder à une pulvérisation sous pression via des rampes/buses ad hoc, pour créer dans l’enceinte un ou plusieurs nuages de gouttelettes cheminant du haut vers le bas de l’enceinte, on n’a alors plus besoin de garnissages. On peut faire les réglages appropriés pour ajuster au mieux la vitesse des gouttelettes, et/ou modifier leur taille et/ou la trajectoire des gouttes ou du nuage de gouttes dans son ensemble.
L’enceinte est également pourvue d’une entrée 9 d’air à traiter en partie basse de l’enceinte et d’une sortie d’air 10 en partie haute de l’enceinte. Les entrées et sorties 9, 10 sont chacune reliées à des conduites.
L’air à traiter circule donc de bas en haut, à contrecourant de l’effluent liquide. La qualité du contact gaz-liquide (surface de contact, temps d’exposition) peut être améliorée si nécessaire en disposant à l’intérieur de l’enceinte 2 des structures spécifiques de ruissellement appelées garnissages (non représentés) ou « internes » dans le domaine des colonnes de distillation par exemple. Typiquement, on peut utiliser des garnissages structurés (aires géométriques allant de 100 à 750 m2/m3) ou vracs (aires géométriques allant de 70 à 300 m2/m3).
Pour réduire encore la perte de charge, on peut alternativement envisager de faire circuler l’air de haut en bas (on parle alors d’écoulements en co-courant). On peut aussi envisager de faire circuler l’air de manière latérale (on a alors des écoulements en courants croisés).
L’effluent liquide, le liquide de lavage donc, circule en continu, se charge progressivement en particules et se transforme chimiquement par l’absorption/conversion des composés gazeux polluants dont on cherche à diminuer la teneur dans l’air ainsi traité. Quand l’effluent liquide est trop chargé en particules ou qu’il n’absorbe plus les composés gazeux visés, il est vidangé et remplacé par une simple opération de pompage. Alternativement, on peut aussi prévoir un renouvellement continu par un système d’appoint/purge pour limiter le volume d’effluents à traiter. Le système pourra avantageusement être équipe d’analyseurs en ligne permettant le suivi et la maintenance préventive de l’installation, par exemple par contrôle du pH.
L’effluent liquide est par exemple une phase aqueuse contenant du KOH (ou du NaOH) pour assurer un pH basique neutralisant le HN03 issu de la solubilisation du N02 pour former un nitrate. On peut y ajouter du peroxyde d’hydrogène pour oxyder le HN02 issu de la solubilisation du NO, ce qui augmente la solubilité de NO par déplacement d’équilibre. A noter qu’une solution à pH basique permet aussi d’absorber d’autres composés gazeux polluants ou à tout le moins non désirés dont C02, S02, H2S. Les mécanismes en solution aqueuse d’absorption des NOx dans de l’eau en présence de H202 et de NaOH sont notamment expliqués dans Les techniques de l’Ingénieur, G1805 V1 - NO (oxydes d’azote).
Pour donner des ordres de grandeur dimensionnels, l’enceinte 2 peut présenter une section de passage comprise entre 1 et 170 m2, par exemple de 90 m2, ce qui correspond à une surface carrée de 13 m x 13 m, et une hauteur comprise entre 2 et 30 m. par exemple de 10 m pour les enceintes les plus grandes. On peut aussi, notamment dans un contexte urbain encombré, préférer des enceintes de plus petites dimensions, par exemple sous forme d’une colonne de section circulaire de diamètre de 1 m et de hauteur de 2 à 4 m.
Pour donner des ordres de grandeur de paramètres de procédé, on peut prendre l’exemple d’un flux d’air à traiter présentant un débit de 55 m3/s. L’air est à 20°C et la pression est la pression ambiante (1 bar). Pour absorber la quasi-totalité des N02 et des particules, on prévoit un débit d’effluent liquide tel que le taux d’arrosage soit au moins aux environs de 60 m3/m2/h. Le taux d’arrosage est défini comme le débit de liquide divisé par la section de la colonne de lavage.
Pour des garnissages vracs standards (« Pâli Rings » 100-300 m2/m3) il convient de se limiter de préférence à des vitesses de l’ordre de 0,6 m/s, soit une section de 92 m2 environ (typiquement un carré de 10 m de côté environ). La hauteur de garnissage est de 10 m pour assurer une réduction de 70% de la teneur en N02 de l’air. Le débit minimum de KOH est de 1 ,54 m3/s pour assurer un bon mouillage de la structure.
Avec un garnissage structuré standard (100-300 m2/m3) on peut réduire la section à environ 40-50 m2 soit un carré de 6-7 m. La hauteur reste comparable. Pour conserver un taux de mouillage pertinent, le débit d’effluent liquide de l’ordre de 0,5 m3/s.
Il est à noter que les garnissages peuvent n’occuper qu’une partie de la hauteur de l’enceinte, et que, alternativement, l’enceinte de lavage peut également fonctionner sans garnissages.
Le dispositif 1 est également muni d’instrumentations, notamment d’un capteur de pH de l’effluent liquide, pour mesurer l’évolution de sa concentration en KOH. Le bon fonctionnement de la pompe 8 et de la rampe 3 peuvent être surveillés, on peut prévoir des caméras, et les vannes équipant le dispositif, notamment la vanne de purge non représentée (associée à un éventuel bac de rétention), peuvent être pilotées. Un système de contrôle commande vient piloter et surveiller le dispositif et afficher les informations pertinentes (alarmes, suivi des mesures par les instruments, image vidéo...) sur une interface homme machine IHM déportée. Les connexions entre les instrumentations, les éléments pilotables, l’unité de contrôle et IΊHM sont réalisées de manière connue, par exemple par un réseau local internet, à l’aide de fibres optiques, de connecteurs modulaires pour connexion Ethernet type RJ45 (avec éventuel ajout d’un commutateur/LAN au plus près du dispositif de lavage 1 ).
Les moyens d’aspiration pour amener l’air à traiter dans le dispositif de lavage sont des ventilateurs avec une vitesse de flux d’air de préférence d’au plus 5 m/s, notamment d’au plus 1 m/s, ce qui est suffisant et permet de limiter toute nuisance sonore à proximité des dispositifs.
La figure 2 représente l’application du dispositif de lavage de la figure 1 selon une première variante pour améliorer la qualité de l’air extérieur au voisinage d’une route 20 à deux voies de circulation : un dispositif de lavage 1 sous forme d’une colonne d’orientation verticale est installée à l’extérieur, dans la partie centrale de la route. La colonne est munie en partie basse d’entrées d’air 21 ,22 orientées vers chacune des deux voies., avec un moyen d’aspiration commun en partie basse de la colonne et non représenté, du type ventilateur. On peut aussi prévoir autant de ventilateurs que d’amenées d’air. On peut aussi prévoir que des conduites extérieures prolongent ces amenées d’air 12,22. L’air une fois entré en partie basse de la colonne de lavage remonte à contrecourant du rideau d’effluent liquide, puis ressort en partie haute de la colonne par une sortie 23, les flèches sur la figure indiquant le sens d’écoulement global de l’air dans et hors de la colonne de lavage. La colonne peut être fixée par tout moyen mécanique à la route. Tous ses « périphériques », comme les éventuels contenants de liquide neuf ou usé etc. ... peuvent être disposés sous le niveau de la route.
On peut répartir ainsi toute une série de colonnes de lavage au long de la route, à des intervalles réguliers ou en ajustant le nombre au niveau de pollution habituel. On peut aussi disposer ce type de colonne au milieu ou au bord d’un carrefour.
Si la route ne présente qu’une seule voie de circulation par exemple, on peut disposer la série de colonnes que d’un côté de la route, avec une seule amenée d’air latérale tournée vers la voie de circulation.
La colonne peut être sur la chaussée ou sur un trottoir.
On peut piloter chaque colonne (dispositif de lavage) ou l’ensemble des colonnes d’un secteur par un système de commande centralisé, qui peut faire marcher en on/off ou de façon plus ou moins importante chacune des colonnes en fonction de la qualité de l’air estimée ou mesurée, par exemple en liaison avec des systèmes de mesure en temps réel ou de prévision des pics de pollution et/ou en liaison avec des mesures de pollution faites directement sur le dispositif ou à proximité de celui-ci.
La figure 3 représente l’application du dispositif de lavage de la figure pour traiter l’air au-dessus de la même route 20 qu’à la figure 2. Cette fois, on choisit une aspiration de l’air à traiter en partie centrale de la route entre les deux voies de circulation, avec une bouche d’aspiration affleurant à la surface de la voie et débouchant dans une conduite 30 ici verticale souterraine , elle-même en connexion avec deux conduites 31 ,32, ici horizontales et souterraines également et amenant chacune une portion de l’air aspiré via la conduite 30 en entrée de deux colonnes de lavage souterraines 1 disposées sous les bords opposés de la route 20. L’air entre dans les colonnes en partie basse, en ressortent en partie haute via des conduites 33,34 venant rejeter l’air à proximité du niveau du sol par des bouches de sortie prévues dans la chaussée ou sur les trottoirs de la même manière que les bouches d’aspiration.
Les bouches d’aspiration et de sortie d’air sont de préférence munies de moyens de rétention/filtration de solides du type grilles ou autres, pour éviter que des déchets divers provenant de la chaussée ne s’accumulent dans les conduites.
On peut aussi prévoir des moyens pour séparer les eaux pluviales de l’air aspiré à traiter.
Des moyens de ventilation sont prévus soit dans la conduite commune 30, soit dans chacune des conduites 31 ,32 soit dans l’ensemble de ces trois conduites.
On peut prévoir que les conduites 33,34 rejettent l’air traité plus haut, par exemple à 1 mètre ou 1 m 50 ou 2 mètres.
Ici, on vient donc mutualiser une partie des conduites, ici la conduite 30, et éventuellement aussi tout ou partie des moyens pneumatiques pour forcer l’aspiration et la circulation d’air. L’avantage ici est que le dispositif de traitement est quasi invisible pour les passants, et n’encombre pas l’espace routier/urbain. Par contre, cette variante oblige à « enterrer » les dispositifs, mais il est parfois possible de réutiliser des conduites et des espaces souterrains préexistants. Ici, on utilise deux fois plus de colonnes de lavage que dans la variante précédente, ce qui permet soit de traiter plus d’air, soit de traiter la même quantité d’air avec des colonnes de taille plus réduite, par exemple. Les colonnes de lavage peuvent être mises en série ou en parallèle, que ce soit sur le circuit d’air à traiter ou le circuit d’effluent liquide.
Naturellement, on peut aussi avoir des dispositifs de traitement « souterrains » que d’un côté de la rue. On peut aussi avoir des dispositifs souterrains avec une aspiration d’air par des bouches d’aspiration dans la chaussée ou le trottoir à traiter à proximité de la colonne de lavage, ce qui peut s’avérer plus simple notamment quand la route est étroite, on diminue ainsi la longueur des conduites nécessaires.
En conclusion, le dispositif de lavage de l’invention est peu coûteux en énergie ou en installation, il s’adapte bien au traitement de l’air extérieur urbain, il est flexible de mise en oeuvre, puisqu’on peut choisir son dimensionnement, son mode de fonctionnement, la répartition la plus appropriée d’une pluralité de dispositifs éventuellement à commande centralisée. Il s’adapte aussi à l’espace urbain, puisqu’il peut s’intégrer dans du mobilier urbain existant, s’enterrer ... Il permet de traiter à la fois la pollution sous forme particulaire et sous forme gazeuse en une seule opération, en fonctionnant avec une phase aqueuse, ce qui le rend particulièrement adapté à une utilisation urbaine.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de traitement d’air extérieur urbain pour l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, caractérisé en ce qu’on conduit l’air à traiter dans un dispositif de lavage majoritairement souterrain au contact d’un écoulement d’un effluent liquide (6), notamment aqueux, comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air à traiter se charge en particules et agit sur ledit composé gazeux par absorption puis éventuellement conversion chimique, notamment du type oxydation ou réduction.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’écoulement de l’effluent liquide s’effectue sous forme de pulvérisation de gouttelettes, ou sous forme d’un écoulement gravitaire sur des garnissages dans le dispositif de lavage.
3. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement s’effectue dans un dispositif de lavage (1 ) définissant une enceinte (2) dans laquelle l’effluent liquide s’écoule, l’air à traiter s’écoulant dans ladite enceinte à co-courant, à contre-courant ou à courant croisé par rapport à l’écoulement de l’effluent liquide.
4. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on traite l’air dans un dispositif de lavage (1 ) disposé majoritairement à l’extérieur, avec notamment au moins une entrée d’air (21 ,22) à traiter en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air (23) traité en partie haute dudit dispositif.
5. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on traite l’air au-dessus d’un axe routier (20) à plusieurs voies, et en ce que le dispositif de lavage est disposé dans une zone centrale dudit axe avec des amenées d’air à traiter latérales (21 ,22) prélevant de l’air sur chacune des voies disposées de part et d’autre de ladite zone centrale.
6. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on traite l’air extérieur dans un dispositif de lavage (1 ) majoritairement, notamment totalement, souterrain, en amenant l’air à traiter dans ledit dispositif et en sortant l’air traité dudit dispositif par des moyens de connexion fluidique vers 30,31 ,32) vers et depuis le dispositif de lavage (33,34) du type conduits au moins en partie souterrains.
7. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’on traite l’air extérieur par une pluralité de dispositifs de lavage (1 ) partageant au moins une portion commune (30) des moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs et/ou de sorties d’air traité.
8. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’on prélève l’air à traiter dans une zone centrale d’un axe routier (20) à plusieurs voies, en ce qu’on l’amène dans des dispositifs de lavage (1 ) disposés sur les côtés dudit axe.
9. Procédé selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’effluent liquide est aqueux, et contient notamment un promoteur de solubilité du composé gazeux polluant, notamment du peroxyde d’hydrogène pour NO, et/ou un agent actif sous forme d’un composé alcalin comme KOH pour N02, C02, S02, et H2S.
10. Dispositif de traitement d’air extérieur urbain afin de l’appauvrir en composés gazeux polluants, notamment en NOx, et en particules solides, caractérisé en ce qu’il comprend un dispositif de lavage (1 ) comprenant une enceinte (2), notamment d’orientation substantiellement verticale ou oblique, qui est munie d’une entrée d’effluent liquide (4), d’une sortie (7) d’effluent liquide, et d’une entrée (9) d’air à traiter et d’une sortie (10) d’air traité, avec un écoulement par gravité de haut en bas de l’effluent liquide soit sous forme d’un flux de gouttelettes soit par un écoulement gravitaire sur des garnissages et comprenant au moins un composé actif vis-à-vis du ou d’au moins un des composés gazeux polluants, de sorte que ledit effluent liquide au contact de l’air se charge en particules et agit sur ledit ou au moins un desdits composé gazeux par absorption, puis éventuellement conversion chimique, notamment du type oxydation ou réduction.
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en qu’il comprend des moyens de solidarisation mécanique, amovibles ou non amovibles, à un élément d’environnement urbain, comme une chaussée routière, un trottoir, un mobilier urbain du type abribus, une façade d’immeuble.
12. Dispositif selon l’une des revendications 10 ou 1 1 , caractérisé en ce qu’il comprend une pluralité de dispositifs de lavage (1 ) avec une portion commune au moins de moyens d’amenée d’air à traiter auxdits dispositifs de lavage et/ou de sortie d’air trait et/ou un système de commande commun.
13. Dispositif selon l’une des revendications 10 à12, caractérisé en ce qu’il est majoritairement disposé à l’extérieur, avec notamment au moins une entrée d’air à traiter (21 ,22) en partie basse du dispositif, notamment au voisinage du niveau du sol, et une sortie d’air (23) traité en partie haute.
14. Dispositif selon l’une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que qu’il comprend un dispositif de lavage (1 ) majoritairement, notamment totalement, souterrain, muni d’amenée(s) en d’air à traiter (30,31 ,32) dans ledit dispositif et de des moyens sortie (33,34) d’air traité de connexion fluidique vers et depuis le dispositif de lavage, du type conduits, au moins en partie souterrains.
15. Dispositif selon l’une des revendications 10 à 14, caractérisé en ce qu’il est muni d’un système de commande électronique/informatique permettant un pilotage manuel, automatique ou semi-automatique, à distance, ledit système de commande comprenant notamment des moyens électroniques/informatiques connectés d’une part à un ou des moyens de mesure associés au dispositif de lavage, notamment un capteur de pH de l’effluent liquide, et au moins un moyen de pilotage du procédé, notamment des moyens de pilotage d’ouverture/fermeture de vannes et connectés d’autre part à une interface homme/machine.
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