Assainissement particulaire de l'air

Les particules peuvent apparaître pour différentes raisons :

• Production d'énergie : à l’exception de l’énergie nucléaire, la production d’énergie passe par une combustion. Cette combustion génère d’une part des gaz (Principalement des oxydes de carbone), d’autre part des envolées de particules (imbrûlées, incandescentes, ou cendres). Exemple : Chaudière, Incinérateur à ordures, Centrale thermique
• Procédé de production : Le procédé de production consiste à produire des particules qui sont réutilisées ensuite dans l’élaboration d’un produit. Exemple : Tambour de séchage, etc.
• Nuisance : l’émission des particules est un effet secondaire du process. Elle nuit aux conditions de travail et/ou au bon fonctionnement des équipements. Exemple : Manutentions de produits vrac (transporteurs à bandes, élévateurs, …), broyeur

Les particules en suspension dans l’air, communément appelées poussières, outre leur nature chimique se caractérisent par un certain nombre de paramètres :

• La granulométrie : les particules sont assimilées à des sphères. Les particules sont caractérisées par le diamètre de ces sphères. Évidemment, toutes n’ont pas la même dimension. On définit donc une répartition granulométrique, indiquant la proportion de particules comprises dans une fourchette de diamètres.

• L’abrasivité : du fait de la dureté de la matière et de la forme plus ou moins anguleuse des particules, les poussières sont plus ou moins abrasives. De ce critère dépend la prise de précautions particulières, notamment pour les réseaux de gaines nécessaires au transport, les appareils de séparation, et les extractions de particules.

• L’hydrophilie : certaines particules ont une capacité particulière à capter l’humidité ambiante et donc à s’agglomérer sous son effet. Dans les cas extrêmes, ce phénomène peut transformer les poussières humidifiées en boues particulièrement difficiles à travailler. On devra donc prendre des précautions particulières pour éviter toute présence intempestive d’humidité, notamment dues à des condensations.

• L’agressivité chimique : la matière constituante des poussières peut présenter des caractéristiques chimiques importantes à prendre en compte dans le choix des solutions. Par exemple, les engrais en présence d’humidité forment des acides particulièrement agressifs.

De façon à réduire la quantité d’air à acheminer et à traiter, et d’augmenter l’efficacité du système, il y a lieu de confiner la zone à traiter. Cet aménagement consiste à l’isoler par des cloisons. Il faut tout de même veiller à laisser suffisamment d’ouverture pour laisser pénétrer l’air nécessaire au transport des particules. La surface d’ouverture est liée au débit d’air par le ratio débit d’air/surface d’ouverture, soit la vitesse de passage, exprimée en m/s.

La valeur de la vitesse de passage varie généralement de 0,5 à 5 m/s.

À l’intérieur de la zone confinée, la vitesse de l’air est faible. À l’intérieur des conduites d’aspiration, la vitesse de circulation est significative. De façon à limiter les pertes de charge et à assurer un bon balayage de l’ensemble de la zone confinée, on doit procéder à une mise en vitesse progressive.

Chambre de décantation
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

Cyclone
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

Multi-cyclone
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

Un séparateur inertiel ou collecteur extrait les contaminants les plus gros du flux d’air, souvent afin de les empêcher d’atteindre les filtres en aval[2].

La séparation inertielle conjugue l’utilisation de deux phénomènes :

• l’inertie des particules très supérieure à celle de l’air, mise en œuvre par un brusque changement de direction
• la gravité qui permet aux particules de s’écouler naturellement de haut en bas.

À partir de ces principes élémentaires, on peut obtenir l’effet recherché par exemple avec les équipements suivants :

La veine d’air débouche dans une enceinte à deux circuits, l’un descendant, l’autre ascendant.
Pour obtenir les meilleurs résultats, la vitesse dans le circuit descendant doit être de l’ordre de 10 m/s, celle dans le circuit ascendant de l’ordre de 3 à 5 m/s.
Lors du changement de direction en partie basse les particules ont tendance à se séparer de la veine d’air du fait de leur inertie. Elles descendent ensuite sous l’effet de la gravité vers le système d’extraction étanche à l’air.

Un cyclone est un séparateur de poussière ou séparateur de gouttes utilisant essentiellement la force centrifuge générée par le déplacement du gaz[2]. Le cyclone améliore considérablement le système de la chambre de décantation en ajoutant à l’inertie due au poids des particules, celle de la force centrifuge. Ce résultat est obtenu en animant la veine d’air par un mouvement de rotation, avant le changement de direction.

Les dimensions d’un cyclone sont directement liées au débit d’air à traiter. À débit égal, on peut faire varier les performances de l’appareil en jouant sur les rapports des dimensions. On peut en effet dans certains cas rechercher une efficacité moindre pour maîtriser les particules qui traverseront l’appareil.

Le cyclone utilise la force centrifuge. À vitesse tangentielle égale, la force centrifuge diminue quand le diamètre augmente. Quand les débits deviennent importants, la taille obtenue pour le cyclone ne permet plus d’atteindre les performances recherchées. Dans ce cas, on installe une batterie de plusieurs cyclones de plus petite dimension.

Pour plus de détails, consulter l'article sur les cyclones.

Multi-cyclones Il s’agit de la juxtaposition de plusieurs cyclones dans un seul casing. Les entrées sont regroupées en partie supérieure, la rotation est obtenue par un système d’aubages, les sorties d’air traité et de particules collectées sont également regroupées dans un casing et dans une trémie unique.

Les cyclones qui, dans ce cas, sont souvent appelés « cellules » ont des diamètres de l’ordre de 250 mm.

On peut trouver des multicyclones comptant de quelques cellules à plusieurs centaines.

Une attention particulière doit être portée à l’étanchéité du système d’extraction des poussières. Toute fuite provoque une entrée d’air toujours fortement préjudiciable à l’efficacité de la captation, pouvant aller jusqu’à la rendre nulle.

Un précipitateur électrostatique, également appelé collecteur électrostatique, séparateur électrique ou séparateur électrostatique, est un dispositif dans lequel les particules deviennent chargées et sont précipitées sur la surface collectrice du précipitateur[2].

Les poussières présentées dans la veine d’air sont ionisées puis piégées par l’action d’un champ électrique élevé créé entre une électrode collectrice et une électrode émissive. L’électrode collectrice est régulièrement mise en vibration pour récolter les poussières accumulées. Cette technologie présente une très bonne efficacité pour toutes les particules et permet de respecter 50 mg/m³ de poussières en rejet, voire 30 mg/m³ en adaptant le nombre de champs.

Dans ce système l’abattage des poussières est obtenu en utilisant un laveur dont le fonctionnement dépend d'un liquide agissant comme un média collecteur[2]. Ce liquide est généralement de l'eau ou une solution aqueuse acide ou basique, chauffée ou refroidie. Le laveur peut être, entre autres, à pulvérisation, à courants croisés, à mousse, à lit filtrant ou à venturi[3].

Un filtre en tissu est un média filtrant fabriqué à partir d'un matériau textile tissé ou non-tissé ou d'une combinaison des deux[2]. La filtration consiste à faire passer la veine d’air chargée de poussières à travers un filtre. Lors du passage, les particules sont retenues par ce filtre et, surtout, par la couche de poussières déjà déposées préalablement, le textile fournissant le substrat de support. Cette couche est appelée gâteau. De façon à en maîtriser l’épaisseur, les appareils sont équipés d’un système de décolmatage qui assure le nettoyage séquentiel du média.

Les matériaux utilisés pour la confection des filtres sont généralement très sensibles à la température et encore plus aux particules incandescentes. Des précautions draconiennes doivent être prises sur cet aspect, tant en ce qui concerne l’exploitation que les travaux de maintenance.

Dans les filtres à manches ou à panneaux, le filtre est souvent en feutre. La veine d'air traverse la manche ou le panneau soit de l’extérieur vers l’intérieur, soit en sens inverse. Dans le premier cas, la manche est maintenue en forme par un mannequin, sorte de squelette métallique.

Les surfaces installées se déterminent par le ratio débit/surface, appelé vitesse de filtration, le plus souvent exprimé en mètres par minute (m/min). Sa valeur est généralement comprise entre 0,5 et 2 m/min. Elle est déterminée par les particules traitées et le mode de régénération des manches (décolmatage pneumatiques, secouage mécanique, contre-courant).

Un filtre à cartouches est un filtre compact, généralement de conception cylindrique[2]. Les filtres à cartouches sont d’un principe très proche du filtre à manches, à ceci près que le média possède une rigidité propre rendant inutile la mise en place d’un mannequin. Cette rigidité est généralement obtenue par plissage. Certains médias sont aussi réalisés par frittage. Les filtres à cartouches doivent être équipés d'un dispositif de décolmatage automatique par injection d'air comprimé.

Le choix du ventilateur et de son moteur d’entraînement en fonction principalement des trois paramètres à déduire de la conception de l’ensemble de l’installation :

• débit : somme de toutes les entrées d’air de l’installation ;
• pression : nécessaire pour vaincre toutes les pertes de charge ;
• température : liée à celle au lieu de captation, modifiée par les pertes thermiques et les éventuels apports de l’installation.

De la conception du refoulement à l’atmosphère, éventuellement par le biais d’une cheminée dépendent un certain nombre de caractéristiques indispensables à maîtriser :

• perte de charge ;
• bruit ;
• présence d’un panache ;
• etc.