
Revenir au Sommaire Principal

4.1. Les séparateurs mécaniques - Cyclone - Multicyclone.. 28

4.1.1. Les chambres de décantation (le piège à bois) 49

4.1.2. Les Cyclones. 60

4.2. SEPARATEUR A COUCHE FILTRANTE.. 133

4. LES DEPOUSSIEREURS TRADITIONNELS

Un dépoussiéreur est un appareil qui permet la séparation des particules polluantes solides ou gazeuses du courant gazeux dans lequel elles sont en suspension.

Dans tous les cas, il faudra choisir l'appareil en considérant le problème des déchets, de leur stockage intermédiaire et de leur évacuation, qu'ils se présentent sous forme solide ou liquide. Ce problème qui ne sera pas traité dans ce chapitre est lié aussi à celui de la pollution des eaux lorsqu'on choisit un dépoussiéreur par voie humide.

Dans le choix du dépoussiéreur, on devra toujours examiner la possibilité de traiter l'air à sec avant une solution par voie humide et envisager la possibilité du recyclage de l'air de manière à réaliser globalement un «procédé propre et autonome». Sans recyclage d'air, il sera nécessaire de prévoir une compensation d'air (voir chapitre 4.4.)

Les professionnels de la dépollution des gaz classent habituellement leurs appareils dans quatre grandes familles principales qui sont :

les séparateurs mécaniques, notamment cyclones ;

les séparateurs à couche filtrante (filtre à manches, à lit de gravier) ;

les séparateurs par voie humide (dépoussiéreurs humides et laveurs de gaz) ;

les séparateurs électriques (ou électrofiltre).

Il convient d'ajouter à cette énumération des appareils plus spécifiques tels que :

les réacteurs et accessoires (très diversifiés selon les constructeurs) ;

les séparateurs adsorbeurs (charbons actifs, ...) ;

les séparateurs par catalyse ;

les incinérateurs.

Nous allons examiner ci-après ce que nous pouvons appeler les dépoussiéreurs traditionnels, c'est à dire les séparateurs les plus usités. C'est pourquoi, nous aborderons ci-après les cyclones et les filtres. Nous parlerons des autres types de séparateurs dans un autre chapitre après le circuit relais, et le stockage.

4.1. Les séparateurs mécaniques - Cyclone - Multicyclone

Les séparateurs de cette famille mettent en jeu une force mécanique pour assurer la séparation des polluants : pesanteur, inertie ou force centrifuge. Ils ne pourront être utilisés pour séparer des gaz les uns des autres, mais seulement les particules solides en profitant de ce que leur masse volumique est généralement plus de 500 fois supérieure à celle du gaz porteur.

Il y a antagonisme entre une force F, qui est proportionnelle à la masse m de la particule et une résistance R, due à la viscosité des gaz, qui s'oppose à son déplacement, antagonisme qui permet la séparation.

Ainsi, sous l'effet de la gravité g, l'expression de F est :

Pour des particules comprises entre 1 et 50 µm, la résistance à leur déplacement dans un gaz est donnée par la formule de STOKES :

avec d = diamètre de la particule supposée sphérique

= viscosité du gaz

V = vitesse du déplacement de la particule par rapport au gaz

Ainsi dans l'air, la vitesse limite de chute est obtenue quand R = F soit d'après STOKES :

(m étant la masse volumique de la particule)

d'où :

Cette vitesse limite prend une expression différente pour les très grosses particules de dimension comprise entre 500 et 1500 µm. Elle obéit alors à la loi de NEWTON :

(m' étant la masse volumique du fluide porteur).

Une loi de OSEEN établit la transition entre ces formules pour les particules comprises entre 50 et 500 µm, tandis que la loi de CUNNINGHAM, qui fait intervenir le libre parcours moyen des molécules gazeuses, peut rendre compte de la vitesse de chute des particules submicromiques.

En résumé, on retiendra que la vitesse limite de chute des particules dépend essentiellement de leurs dimensions. La figure 49 donne l'allure générale de ces lois de chute tandis que la figure 51 donne les vitesses de chute dans l'air des poussières qui sont concernées par les séparateurs mécaniques.

Fig. 49 Lois de chute des particules

4.1.1. Les chambres de décantation (le piège à bois)

Ces chambres utilisent le seul effet de la pesanteur. Elles ne sont efficaces que pour les grosses poussières (plus de 100 µm) et pour des gaz relativement concentrés en poussières, dans le but par exemple de valoriser les plus grosses.

Fig. 50 piège à bois CATTINAIR type S

Dérivé de ces chambres on trouve les appareils comportant à inertie dans lequel l'air est soumis à une succession de changement de direction voir figure 52.

Là encore, les particules solides suivent des trajectoires moins incurvées que celle du flux d'air et se dirigent ainsi vers les surfaces de dépôt le long desquelles elles descendent par gravité.

Une des principales applications de ces appareils dits chambre de décantation est le piège à grosses particules. Ce dernier placé avant le ventilateur arrêtera les gros déchets afin d'éviter d'endommager le rotor.

Fig. 51 Vitesse de chute des particules dans l'air en fonction de leur diamètre

Fig. 52 divers appareils à inertie

4.1.2. Les Cyclones

Ils peuvent être de différents types selon que, dans la zone de séparation des poussières (figure 53), les poussières cheminent ou non dans le même sens que le gaz.

Ils peuvent être :

soit à retournement de flux :

entrée tangentielle extérieure par volute ou hélicoïdale par-dessus ;

sortie des gaz par une cheminée centrale par le dessus ;

sortie des poussières à la base d'une partie conique.

soit de type axial :

entrée hélicoïdale des gaz à une extrémité ;

sortie des gaz au centre et des poussières en périphérie à l'autre extrémité.

Fig. 53 Cyclone

1-Sortie ; 2-Entrée tangentielle ; 3-Mouvement centrifuge ; 4- Zone de séparation ; 6-Extraction poussières ; 5-7-8-Sorties poussières
A-Cyclone tangentiel à retournement de flux; - Entrée hélicoïdale ; C-Cellule axiale

Quelque soit le principe, la sortie de poussières peut être améliorée par la ponction d'une faible partie du débit gazeux, qui est recyclé ou traité dans un autre dépoussiéreur.

Les cyclones peuvent être utilisés soit individuellement soit par groupe de 2 à 10 par exemple. Leur diamètre unitaire est généralement compris entre 500 mm et 3000 mm (exceptionnellement plus). On utilise aussi des arrangements multitubulaires (figure 56).

L'appareil comporte alors de nombreux tubes cyclonaires - à retournement de flux ou axiaux - fonctionnant en parallèle et de diamètre unitaire compris le plus souvent entre 100 et 400 mm.

Des calculs théoriques qui ne sont pas développés ici, permettent pour chaque type d'appareil de déterminer un diamètre limite de séparation qui dépend de la masse volumétrique des poussières, de la viscosité des gaz, de la forme et de la dimension du tube du cyclone.

Fonctionnement

Le mélange air-déchets arrivant par la bouche d'entrée est mis en rotation immédiatement, du fait de la courbure de la paroi ; le tourbillon créé transmet aux particules solides une énergie cinétique qui tend à plaquer les déchets les plus grossiers contre la paroi du cylindre C₂ (figure 54) quant aux filets d'air ils se dirigent vers le tourbillon ascensionnel qui s'est formé à l'intérieur de C₁, à cause de la différence de pression existant entre celle du cyclone et celle de l'atmosphère.

Fig. 54 Schéma de fonctionnement d'un cyclone

Le prolongement conique à la partie basse du cyclone a pour effet de repousser progressivement vers le tourbillon ascendant les filets d'air descendants et de les intégrer à celui-ci, en même temps qu'il canalise les déchets vers l'orifice d'évacuation inférieure.

Une particule débouche en A dans le cyclone et, par l'action de la force centrifuge, tend à se rapprocher de la périphérie ; elle prend contact avec la paroi en B et se trouve, à partir de ce moment, dans le filet d'air tournant contre la paroi et contenant en suspension une forte concentration de particules.

La valeur de l'angle de rotation à l'intérieur du cyclone, nécessaire pour que la particule touche la paroi, est d'autant plus réduite que la particule est plus lourde.

Perte de charge d'un cyclone

La perte de charge d'un appareil cyclonaire est, pour une configuration donnée proportionnelle à l'énergie cinétique d'entrée.

avec K étant généralement compris entre 3 et 8

Pour une même série d'appareil, de formes homothétiques, ce coefficient K sera constant. Alors que la valeur de K ne peut être obtenue que par une approche expérimentale. Par contre, on peut dire :

la perte de charge est proportionnelle au carré du débit d'air ;

la perte de charge est proportionnelle à la masse volumique du gaz ;

le débit est proportionnel au carré des dimensions de l'appareil, dans une même famille.

fig. 55 Cyclone sur sa charpente

Fig. 56 Cyclone Multitubulaire

Efficacité d'un cyclone

Si on considère une poussière obéissant à la loi de STOKES, sa vitesse de décantation v vers la paroi sera :

L'efficacité d'un cyclone est d'autant meilleure, pour une même série d'appareils, que :

la masse volumique m des poussières est plus importante ;

le diamètre d des particules est grand ;

le diamètre du cyclone (proportionnel à R dans une même famille) est plus petit (d'où l'emploi fréquent de plusieurs cyclones ou appareils multicyclones) ;

la perte de charge, proportionnelle à V², est plus importante et de l'ordre par exemple de 150 à 200 daPa (au-delà, la perte de charge devient économiquement prohibitive et on peut craindre des phénomènes d'abrasion) ;

la concentration en poussière est importante (au-delà de 10 g/m³) ;

la viscosité des gaz est faible.

(Ces deux derniers paramètres montrent bien la difficulté d'une bonne efficacité pour des gaz de combustion de chaudière.)

Dans le cas d'utilisations courantes, on peut dire qu'à différents débits et températures, l'efficacité d'un cyclone dépend essentiellement de la perte de charge sous laquelle il travaille.

EFFICACITE D'UN CYCLONE selon Granulométrie et Type de fabrication pour des déchets de densité 0,8 et une vitesse d'entrée de 13 m/s
Type	GC	GCS	HC
5 µm	27%	35%	50%
10 µm	40%	50%	71%
15 µm	58%	65%	85%
20 µm	65%	72 %	92 %
25 µm	75 %	80 %	96 %
30 µm	80 %	86 %	97,5 %
35 µm	82%	92 %	99 %
40 µm	88%	94 %	99,5 %
45 µm	91%	96 %
50 µm	95%	97,5 %
55 µm	98%	98,5 %
60 µm	99%	99 %

On trouvera figures 58, les courbes pour une série de cyclones à haute efficacité. A titre indicatif le tableau ci-dessus donne quelques efficacités, des cyclones type GC (entrée tangentielle) type GCS (entrée spiroïdale) et type HC (entrée tangentielle haute efficacité), pour des poussières de bois. Ces données sont établies à partir d'une vitesse d'entrée de 13 m/s (vitesse idéale pour les déchets de bois) afin d'éviter l'usure et de réduire le bruit

Utilisation des cyclones

Les cyclones sont utilisés de plus en plus comme pré-dépoussiéreurs. Ils conviennent rarement seuls pour résoudre les problèmes actuels de dépoussiérage car ils sont inopérants sur la tranche la plus fine des poussières et peu efficace en dessous des particules de 10 µm. L'arrêté du 1er mars 1993 en interdit pratiquement l'utilisation si la quantité de rejets dépasse 1 kg/h.

Fig. 57 Exemples de Courbes pour Cyclone Haute efficacité type HC

Fig. 58 Exemples de Courbes pour Cyclone Haute efficacité type HC