Assainissement particulaire de l'air

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Collecteur de poussière pour l'assainissement particulaire de l'air dégagé par une usine d'asphalt[1]

L’assainissement particulaire de l’air est un groupe de techniques utilisées pour améliorer la qualité de l'air libéré par les procédés industriels en recueillant la poussière et d'autres impuretés qu'il continent[2].

L’objet de cette technique est la maîtrise des flux de polluants dans l’air ambiant industriel. On peut distinguer deux catégories de problématique :

  • L’ambiance interne au site industriel (impact sanitaire)
  • Les rejets externes au site industriel (impact environnemental)

Émission des particules[modifier | modifier le code]

Causes d'apparition[modifier | modifier le code]

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

Poussières[modifier | modifier le code]

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 défini 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.

Captage des particules[modifier | modifier le code]

Classiquement, les particules en suspension dans l’air sont captées par un système d’aspiration. Ce captage a pour objet de les entraîner vers un conduit d’aspiration qui les transportera vers le groupe de séparation. Les particules sont donc entraînées par un courant d’air, l’air étant le moyen de transport des particules. La quantité d’air qui entraîne les poussières est défini par le ratio masse de produit / volume d’air, appelé concentration, exprimé en g/m³. La valeur de la concentration varie généralement de quelques g/m³ à plusieurs centaines de g/m³.

Confinement[modifier | modifier le code]

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.

Mise en vitesse[modifier | modifier le code]

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.

Transport du flux chargé[modifier | modifier le code]

Le transport du flux d’air chargé de poussières est assuré par un réseau de gaines. Sa conception met en œuvre les techniques de l’aéraulique. On retiendra les points essentiels suivants, valables dans une majorité de cas :

  • La vitesse de circulation ne doit pas dépasser 25 m/s pour ne pas générer des pertes de charges excessives ni provoquer d’abrasions prématurées.
  • La vitesse de circulation ne devra pas être inférieure à 15 m/s pour ne pas risquer de provoquer de dépôts intempestifs.
  • Les changements brusques de section et de direction sont propices à des pertes de charges élevées, et aux remous conduisant à des usures et des dépôts.
  • Les valeurs ci-dessus sont des moyennes constatées par expérience à adapter en fonction des applications.

Évidemment, on peut vouloir traiter plusieurs équipements avec la même installation. Dans ce cas, on peut aboutir à des réseaux de gaines complexes.

Séparation des particules et de la veine d’air[modifier | modifier le code]

La veine d’air chargée de poussières doit en être débarrassée avant d’être rejetée à l’atmosphère. La performance d’un séparateur se mesure principalement par son rejet, exprimé souvent en mg/m³. Il est essentiel de retenir que même si au cours des dernières décennies des progrès considérables ont été réalisés, un taux de rejet nul est impossible à atteindre.

La législation n’autorise le rejet d’air traité dans des locaux accueillant du personnel qu’avec des précautions particulières qui ne sont pas évoquées dans le présent article. On distingue quatre grands types de séparation :

Séparateurs inertiels[modifier | modifier le code]

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

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 :

Chambres de décantation[modifier | modifier le code]

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.

Cyclones[modifier | modifier le code]

Article principal : Cyclone (séparation).

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.

Précipitateurs électrostatiques[modifier | modifier le code]

Article principal : Précipitateur électrostatique.

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.

Dépoussiéreurs humides[modifier | modifier le code]

Article principal : Tour de lavage.

Dans ce système l’abattage des poussières est obtenu par pulvérisation d’eau en fines gouttelettes. Ce système devenu marginal reste éventuellement utilisé du fait de son insensibilité aux variations de température et à la présence de particules incandescentes.

Filtres en tissus[modifier | modifier le code]

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. 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.

Filtres à manches et à panneaux[modifier | modifier le code]

Article principal : Filtre à manches.

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).

Filtres à cartouches[modifier | modifier le code]

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.

Comparatif[modifier | modifier le code]

Comparatif des méthodes de séparation
Coût Performance de séparation Encombrement Coût de la maintenance
Décantation Négligeable Très Mauvaises Important Négligeable
Cyclone Très faible Mauvaise Important Négligeable
Multi-cyclone Faible Médiocre Réduit Faible
Précipitateur électrostatique Important Élevé Très important Moyen
Filtres à manches Élevé Très élevé Important Important
Filtres à cartouches Moyen Très élevé Réduit Très important

Récupération des particules[modifier | modifier le code]

L’extraction consiste à évacuer les poussières captées dans le séparateur vers l’extérieur de l’installation d’assainissement. Les appareils sont quasiment systématiquement installés sur une trémie pyramidale ou longitudinale. En fonction de la taille de l’installation, les poussières sont évacuées en un ou plusieurs points de l’installation. Dans tous les cas, il est prévu un organe d’évacuation étanche aux entrées d’air. On trouve le plus souvent :

  • Écluse rotative (dite alvéolaire)
  • Sas à clapets (un ou deux)
  • Clapets à dépression

Dans tous les cas, et particulièrement dans les séparateurs mécaniques, cet organe est de première importance dans le bon fonctionnement de l’installation. En effet, l’équipement étant souvent en forte dépression, toute fuite se traduit par une entrée d’air à grande vitesse qui peut perturber fortement le bon fonctionnement, voire amener la performance à zéro.

Exhaure de l’air assaini[modifier | modifier le code]

L’exhaure ne travaille qu’avec de l’air réputé propre. Son rôle est de fournir l’énergie nécessaire pour mouvoir le flux à travers toute l’installation (rôle du ventilateur), et de le rejeter à l’atmosphère dans de bonnes conditions

Moto-ventilateur[modifier | modifier le code]

Le choix du ventilateur et de son moteur d’entraînement est 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.

Cheminée – Refoulement[modifier | modifier le code]

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…

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. « Baghouse Dust Collector »
  2. Les valeurs indiquées tout au long de l'article sont celles généralement admises. Elles n’ont pour objet que de donner des ordres de grandeur classique au lecteur. Elles ne doivent pas être utilisées pour le dimensionnement d’équipement sans un avis compétent sur l’application concernée.