Filtration des particules issues des moteurs Diesel par matrices fibreuses plongées dans un champ électrique

La filtration des particules diesel est un enjeu industriel et environnemental majeur depuis la découverte des effets cancérigènes de ces particules et l'avènement des réglementations drastiques Euro IV (2005) et V (2008-2010). Le but de cette étude est de montrer la faisabilité industrielle d'une filtration de ces particules sur un support métallique fibreux plongé dans un champ électrique. Le procédé prend la forme d'un électrofiltre fil-cylindre à contre-électrode poreuse à travers de laquelle passe tout le gaz traité. Il a été montré que ce procédé pouvait avantageusement être utilisé comme agglomérateur de particules et permettait un glissement de taille d'un facteur 50 des particules diesel. Le procédé, de par sa conception originale, permet de travailler avec des temps de séjour de quelques millisecondes et avec une forte intensité énergétique, ce qui entraîne par conséquent un volume extrêmement réduit compatible avec un montage sur véhicule. Sur un plan technique, le filtre électrostatique s'est montré peu tributaire des matériaux utilisés, en terme de matrices filtrantes et d'électrodes haute tension, mais très influencé par contre par la polarité de la haute tension et la qualité de l'isolation électrique. Les derniers essais avec un montage optimisé ont permis d'obtenir des abattements minimums de 90% en nombre de la phase particulaire submicronique diesel sur cycle NEDC avec des surconsommations carburant estimées de moins de 1%, ce qui correspond à peu près à une énergie volumique de 1 Joule par litre de gaz traité. Cette étude a permis de mettre au point un modèle mathématique de l'agglomérateur intégrant les toutes dernières avancées sur les méthodes numériques de résolution des équations de Maxwell en présence de charge espace, sur la prise en compte de la turbulence et sur le traitement des particules diesel comme amas fractaux. Le procédé est actuellement dans une phase d'industrialisation très avancée.The filtration of diesel particulate matter is a major industrial and environmental stake, since the discovery of carcinogenic effects of this kind of particles and the advent of Euro IV (2005) and Euro V (2008-2010) regulations. The aim of this study is to point out the industrial practicability of filtration of this particles by a fibrous media immersed in an electric field. The global shape of this process is a wire-to-cylinder electrostatic precipitator with an porous earth collecting electrode, the whole flow passing through it. It was shown that this process is essentially an agglomerator and not a filter, and that it allows an increase by 50 of the mean diameter of particles. The process, by its completely new and original shape, allows to work with only several millisecondes of residence time. The energetic intensity is so important that the whole volume is compatible with an installation on vehicles. On a technical point of view, the efficiency of this electrostatic agglomerator depends only little on the fibrous matrices or high voltage electrodes used. It is in return very influenced by the quality of electric insulation by ceramic plugs between the canning and high voltage electrodes, and by the discharge polarity. During the last tests with a very optimised agglomerator, we obtain a decrease of 90% in number of the submicronic particulate matter (on a NEDC cycle), with a fuel over-consumption of less than 1%, which corresponds to an "volumic energy of about 1 Joule per litre. A mathematical model of agglomerator was constructed during this study, integrating the last recent improvements in numeric simulation of Maxwell's equations in presence of space charge, integrating the particle turbulence and taking into account the fractal dimension of diesel aerosol particles. The process is nowadays in an advanced industrialisation stage.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

Etude du comportement d'un filtre à gaz autonettoyant par fluidisation

La production de gaz de grande pureté impose la plupart du temps l'utilisation de filtres haute efficacité qui évoluent au cours du temps, imposant leur remplacement périodique lorsqu'ils sont colmatés ou leur décolmatage séquentiel. Des recherches se sont développées sur la mise au point de procédés permettant de contrôler, voire de limiter, le colmatage. C'est par exemple le cas des filtres à écoulement tangentiel et du nettoyage continu par ultrasons ou par ondes de choc. Dans notre étude, le procédé envisagé est l'utilisation couplée de la fluidisation et de la filtration. Son intérêt réside dans le fait qu'il permet de filtrer un gaz tout en contrôlant le colmatage de lélément filtrant par le frottement des particules fluidisées sur celui-ci. Seule une fraction du gaz est filtrée, l'autre traverse le lit pout maintenir la fluidisation. La zone filtrante peut occuper tout ou partie du lit fluidisé, elle peut être constituée par des éléments filtrants immergés dans le lit ou par les parois de celui-ci permettant ainsi un montage parallèle de type filtre presse. La disparition progressive du gaz de la zone fluidisée entraîne un gradient vertical de vitesse qui modifie l'aspect de la fluidisation et conduit à une hydrodynamique particulière. Le principe de fonctionnement est le suivant : le fluide à traiter entre à la base du module. Les grains du lit, fluidisés par le gaz entrant, sont animés d'un mouvement aléatoire. Certains grains viennent donc en contact de la paroi filtrante. De part leur frottement sur cette paroi, ils permettent "d'éroder" le gâteau de particules formé et par conséquent de limiter son épaisseur. Les agrégats de particules décollés du médium filtrant sont ensuite entraînés vers le haut du lit. Par conséquent, la fraction du gaz traversant l'élément filtrant est totalement épurée tandis que le reste du fluide traverse le lit fluidisé sur toute sa hauteur et se concentre en particules.The production of gas of great purity usually requires use of high effectiveness filters, wich change with the time, imposing the need for periodic replacement when they are clogged or their sequential unclogging. Some researches developed on the adjustment of processes allow to control or to limit the clogging of the filter. It is for example the case of the tangential filtration and continuous cleaning by ultrasounds or shock waves. In our study, the process considered is the coupled use of fluidization and filtration. The interest of this process lies in the fact it allows the filtration of a gas while controling the clogging of the filter medium by the action of the fluidized particles friction on it. As a result, only a fraction of the gas is filtered, whereas the remaining one goes over through the bed to maintain the fluidization. The filter zone can occupy the whole or part of the fluidized bed. It can consist of filter elements immersed in the bed or by elements forming the walls of the bed. So, a parallel assembly, like a filter press employed in water treatment, can be used. The flow of a part of the gas through the filter medium leads to a vertical velocity gradient, which modifies the aspect of the fluidization and leads to a particular hydrodynamics of this process. The principle of the process is the following : the gas to be treated enters the lower part of the module. The grains of the bed, fluidized by the inflowing gas, are imparted a random movement. Some grains therefore come into contact with the filter wall. By rubbing on this wall they scrape the particle cake, therby limiting its formation on the filter surface. The aggregates of particles removed from the filter wall are then entrained towards the top of the bed. Consequently, part of the gas passing trough the filtering element is totally purified while the remaining fraction of the gas crosses the entire heigh of the fluidized bed and it concentrates in particles.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

MODELISATION ET OPTIMISATION DE SEPARATEURS HUMIDES APPLIQUES AUX PARTICULES DE PEINTURE

CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

Contribution à la maîtrise particulaire de l'air des stations du métro parisien

La présente étude s'isncrit dans la problématique de la qualité de l'air intérieur des stations de métro et plus précisément dans l'étude et la mise au point d'un procédé de traitement d'air. La première partie présente un état de l'art des connaissances sur la pollution particulaire en général et plus particulièrement sur l'état de l'empoussièrement du réseau métropolitain parisien. Elle souligne la difficulté d'estimation des sources de pollution, et de détermination des caractéristiques des particules du métro. Dans une seconde partie, le procédé choisi par la RATP pour abaisser la teneur en particules est décrit : il s'agit de l'électrofiltration. Dans une troisème partie, l'étude expérimentale menée dans une station de métro est décrite : une expérimentation a été menée à l'aide d'un électrofiltre prototype afin d'étudier le comportement de cet appareil vis à vis de l'aérosol du métro. Cette étude a permis d'estimer l'efficacité de l'appareil dans les conditions du métro, d'apporter quelques améliorations au filtre initial, d'estimer la fréquence de maintenance du dispositif à partir d'une détermination de l'efficacité sur une période de deux ans et le nombre de filtres à mettre en place en station. Cette partie évoque également la nécessité d'équiper un tronçon de ligne de métro afin de pouvoir conclure sur l'efficacité du système à grande échelle. La dernière partie traite de la modélisation numérique 3D du comportement des particules au sein d'écoulements confinés tels que ceux rencontrés dans les stations et les tunnels du métro. La dispersion de particules a ensuite été étudiée en l'absence et présence de trains et comparée à des résultats expérimentaux obtenus sur maquette hydraulique Les perspectives à la fois sur l'avenir de la filtration électrostatique à la RATP et sur le développement du code de mécanique des fluides sont présentées et argumentées en conclusion.The present study is in line with the indoor air particle pollution in underground and more precisely in the study and perfecting of air treatment process in underground stations. The first part starts with a state of the indoor particle pollution knowledge in general case and more precisely of the dust concentration on Parisian underground. The difficulties of predicting pollution sources and particle characteristics are put into relief. In a second part, the process chosen by the Parisian Transport Authority to lower the particle concentration in station, that is to say electrostatic precipitation is described. The third part is dedicated to the experimental study : it deals with a study of an electrostatic precipitator behaviour with respect to underground aerosol. This study lets us know the efficiency of the process in underground conditions, perfect the apparatus and predict the maintenance periodicity thanks to an experimentation during two years and the number of filters to place in station. This parts evokes also the question of settling this kind of process in a subway line to conclude with respect the efficiency of the process. The last part deals with 3D numerical simulations of particle transport in confined flows such as those encountered in underground stations and tunnels. The particle dispersion has been validated thanks to a fluid mechanics code Fluidyn from some known experimental results. Then the particle dispersion has been studied without and with trains in underground and compared to experimental results obtanined with an hydraulic scale model. Perspectives on the future of the electrostatic precipitation in the Parisian Transport Authority and on development of mechnics code are presented and discussed in conclusion.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

Traitement d'un effluent gazeux humide par adsorption/réaction chimique et catalyse

L'étude effectuée porte sur la mise au point d'un système compact de traitement d'un affluent gazeux humide faiblement concentré en dioxyde d'azote et en monoxyde de carbone. L'objectif est le traitement de sources diffuses de pollution afin d'assurer dans de petits volumes une qualité d'air optimale. Pour cela, nous avons choisi des procédés basés sur l'absorption, l absorption et/ou les réactions chimiques et mis en œuvre en lit fixe. Le temps de séjour du gaz est de quelques dizaines de ms et sa température proche de celle de l'ambiance.Différents matériaux absorbants et catalyseurs, ont donc été étudiés sur deux montages expérimentaux : - Un banc d'essais permettant de tester des volumes de matériaux inférieurs à 0,06 L en maîtrisant les différents paramètres. L effluent gazeux y est reconstitué par mélange d'air, de CO et de NO2. L'humidité est générée par barbotage du gaz dans de l'eau ou par injection directe de vapeur; - Un prototype en vraie grandeur (6 à 10 L de matériaux) sur lequel est effectué le traitement de l'efffluent gazeux réel. Il apparaît que le produit le plus intéressant pour le traitement du dioxyde d'azote est un charbon actif imprégné d'hydroxyde de potassium. L'oxydation catalytique du monoxyde de carbone dans ces conditions peut être effectuée par un catalyseur ternaire Pt-Pd-SnO2/AI2O3. L'influence des différents paramètres (humidité, temps de séjour, concentration, température) sur l'activité de ces deux matériaux a été étudiée. La neutralisation du NO2 sur le charbon actif nécessite une certaine humidité du gaz (> 40% à 40C). Une conversion du NO2 en NO à faible humidité ou pour des temps de travail importants a été observée. La capacité de fixation du NO2 sur le charbon actif imprégné de KOH a été mesurée. La détermination des mécanismes de neutralisation ainsi qu'un modèle permettant d'estimer l'efficacité initiale sont proposés. En ce qui concerne le catalyseur, les paramètres cinétiques d'oxydation du monoxyde de carbone présent dans de l'air sec ou humide ont été déterminés. Une réduction du dioxyde d'azote en présence de monoxyde de carbone (NO2 + CO -> NO + CO2) a aussi été observée. Pour valider ces résultats, des essais de longue durée ont été menés sur le prototype et ont permis de mettre en évidence différents problèmes relatifs à la mise en œuvre des matériaux retenus.The present work deals with the development of a compact system for the treatment of low concentrations in nitrogen dioxide and carbon monoxide in a wet gas. The aim of this work is to treat diffuse pollution sources in order to ensure, for example in small factory premises, a good air quality. To do that, a fixed bed process based on adsorption, absorption and/or chemical reaction was chosen. The residence time of the gas in the reactor is about ten milliseconds and the temperature is close to room value. Various, commercial or not, adsorbents and catalysts materials were tested on two experimental devices : - A set up which allows us to test volumes of materials lower than 0,06 L with the control of the different parameters. The gas is reconstituted by the mixing of air with pure CO and NO2 gases. Humidity is generated by gas bubbling in water or by water steam injection; - A full-scale prototype (6 to 10 L of material) on which is carried out the real gas treatment. It appears that the most interesting product for the nitrogen dioxide treatment is an hydroxide potassium impregnated activated carbon. The catalytic oxidation of carbon monoxide in this conditions can be made by a ternary Pt-Pd-SnO2/AI2O3 catalyst. The influence of the parameters (humidity, residence time, concentration, temperature) on the activity of these two materials was studied. The NO2 neutralization on activated carbon requires minimum gas humidity (40% at 40C). A NO2 to NO conversion at low humidity or for important working time was observed. The NO2 fixation capacity of the KOH impregnated activated carbon was measured. The determination of the neutralization mechanisms and a model for estimate initial efficiency are proposed. As regards catalyst, kinetics parameters for the oxidation of carbon monoxide present in dry or wet air were determined. A nitrogen dioxide reduction in the presence of carbon monoxide (NO2 + CO -> NO + CO2) is also observed. To confirm these results, long duration tests were carry out on the full-scale prototype and allowed to highlight various problems relating to the use of the two materials selected.CHAMBERY -BU Bourget (730512101) / SudocSudocFranceF

High frequency ultrasound as a pre or a post-oxidation for paper mill wastewaters and landfill leachate treatment

International audienceThe ultrasonic process is investigated to remove refractory pollutants. The particular case of sodium pentachlorophenate is studied as a model molecule and several raw paper mill wastewaters and a landfill leachate are chosen as real industrial wastewaters. As the sonication requires a lot of energy, it is investigated as a pre- or a post-treatment in combination with biodegradation. For that, global indicators of the environmental pollution (COD, TOC, toxicity and biodegradability) are examined. The results show that ultrasound can decrease toxicity and enhance biodegradability. The amount of energy supplied and the position of the chemical treatment (pre- or post-treatment) are discussed

Experimental and modelled efficiencies during the filtration of a liquid aerosol with a fibrous medium

International audienceThe aim of this study was to determine and model efficiency during the filtration of a liquid aerosol through a fibrous filter. A series of experiments demonstrated that liquid particle filtration is different from solid particle filtration in that a drainage state appears, characterized by a constant pressure drop at the end of filter clogging. Moreover, during filter clogging, the number efficiency presents a minimum level for particles close to 100 nm in diameter (the most penetrating particle size). The results also reveal that during filter clogging there is a decrease in the medium's performance for particles smaller than 100 nm and an increase in efficiency for particles with a diameter greater than 200 nm. Both effects are induced by the amount of liquid collected in the medium. Finally, a model is proposed to describe filter efficiency during clogging with a liquid aerosol

Filtration of liquid aerosols with a horizontal fibrous filter

International audienceThe aim of this study was to determine the filtration efficiency and pressure drop in liquid aerosol capture mechanisms using a fibrous coalescent filter. The experimental set-up was designed to measure filtration efficiency and pressure drop through the filter. To avoid the gravimetric effect, the filterwas placed horizontally. A series of experiments highlighted the importance of operating conditions such as filtration velocity and aerosol concentration. The results demonstrated the advantage ofworking at high velocities to minimise the resistance of the medium and to enhance the mass efficiency of the coalescent filter. In parallel, no effect of aerosol concentrations in the pressure drop increase was noted

Filtration of liquid aerosols with a horizontal fibrous filter

International audienceThe aim of this study was to determine the filtration efficiency and pressure drop in liquid aerosol capture mechanisms using a fibrous coalescent filter. The experimental set-up was designed to measure filtration efficiency and pressure drop through the filter. To avoid the gravimetric effect, the filterwas placed horizontally. A series of experiments highlighted the importance of operating conditions such as filtration velocity and aerosol concentration. The results demonstrated the advantage ofworking at high velocities to minimise the resistance of the medium and to enhance the mass efficiency of the coalescent filter. In parallel, no effect of aerosol concentrations in the pressure drop increase was noted