Etude de la répartition du champ électrostatique dans un
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Etude de la répartition du champ électrostatique dans un électrofiltre afin d’optimiser la collecte des particules. Sonia Souakri To cite this version: Sonia Souakri. Etude de la répartition du champ électrostatique dans un électrofiltre afin d’optimiser la collecte des particules.. Journées JCGE’2014 - SEEDS, Jun 2014, Saint-Louis, France. HAL Id: hal-01083928 https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-01083928 Submitted on 18 Nov 2014 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of scientific research documents, whether they are published or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Etude de la répartition du champ électrostatique dans un électrofiltre afin d’optimiser la collecte des particules. Sonia Souakri SIAME, Université de Pau, 2 avenue Angot, 64000 Pau, France CEA Marcoule, Centre de la Vallée du Rhône, 30200 Bagnols-sur-Cèze, France [email protected] RESUME - Dans le cadre de travaux antérieurs visant à améliorer l’efficacité de traitement d’un électrofiltre, le Laboratoire des Sciences de l’Ingénieurs Appliquées à la Mécanique et au Génie Electrique (SIAME) en collaboration avec le Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA) a montré que l’utilisation d’une électrode multi-pointes, appelée « Héritrode », combinée à un générateur hybride améliore de façon significative les performances du précipitateur électrostatique (ESP). Dans ce papier, la répartition du champ électrostatique dans un ESP à un étage est simulée avec le logiciel CST EM Studio®, en condition statique, pour différentes géométries d’électrodes émissives. L’objectif de cette analyse est d’étudier et de comparer leurs répartitions de champ électrostatique, afin de développer une nouvelle électrode émissive avec de nouvelles contraintes géométriques tout en conservant l’efficacité de filtration des études antérieures. ABSTRACT - Following previous works on the improvement of an electrostatic precipitator (ESP) for gas cleaning, the SIAME Laboratory in collaboration with the CEA (Atomic Energy Commission) have highlighted that combining a multipoint electrode, called Heritrode, and a hybrid generator improves the process efficiency of the ESP. In this paper, the electric field distribution in a single stage ESP is simulated for different kinds of emissive electrodes in static condition by using the CST EM Studio® software. The aim of this study is to compare different emissive electrode geometry in term of electrical field distribution with the objective of developing a new electrode with new geometric stress while conserving the same collect efficiency. MOTS-CLES – Précipitateur électrostatique ; Champ électrique ; Puissance Pulsée ; Plasma ; Collecte de poussières ; Particules fines ; Modélisation ; Electrode 1 Introduction Suite aux restrictions concernant la qualité de l’air (index ATMO et IAQ), la réduction d’émission polluante est devenue un enjeu majeur pour les pays industrialisés. Cependant, malgré des progrès notables dans les procédés de filtration, les particules fines demeurent un sujet d’actualité, sur lequel les chercheurs ne cessent de travailler avec en vue le développement et l’optimisation des moyens de filtration. De par les nombreux avantages qu’il présente, l’électrofiltre est l’un des procédés de purification le plus couramment utilisé, pour la récupération de poussières, dans le domaine industriel. Le principe physique de fonctionnement d’un électrofiltre a fait l’objet de nombreuses études [1,2]. Il est basé sur quatre mécanismes principaux, à savoir : la création de charges dans le gaz, le transfert de charges aux poussières, la dérive des particules chargées sous l’effet d’un champ électrique et la récupération des particules chargées sur une électrode métallique reliée à la terre et dite de collecte. 1 Des recherches précédentes [3] menées au laboratoire SIAME ont permis de développer une électrode émissive, appelée Héritrode. L’objectif de ces nouveaux travaux est de concevoir une électrode répondant à des critères industriels imposés et qui conserverait une bonne efficacité de précipitation des poussières. Afin de mener à bien ce projet, ce dernier a été divisé en plusieurs phases : 1. En premier lieu, seront réalisées des études de modélisation, relatives à la répartition des champs électrostatique (logiciel CST EM Studio®) et des simulations des écoulements de gaz (logiciel FLUENT) pour les nouvelles géométries d’électrodes et ceux afin de pré dimensionner la nouvelle électrode. 2. Ensuite, une étude sur le choix des matériaux constituants les électrodes sera menée, pour optimiser la quantité de charges dans le gaz lors du développement de la décharge électrique. 3. Des essais sur le pilote du laboratoire, de la nouvelle électrode développée, seront réalisé afin d’optimiser les conditions expérimentales (électriques, débit, fréquence…) et étudier l’influence de divers paramètres (température, nature des poussières…) 4. Enfin, la dernière phase sera spécifiquement dédiée à la nouvelle électrode et à son insertion dans la structure d’accueil de la boucle (CEA) avec des essais d’efficacité et d’optimisation de filtration. Ainsi, nous allons commencer ces travaux par la première étape consistant en une simulation de la répartition du champ électrique dans un ESP pour différentes géométries d’électrodes émissives, afin de comparer : 2 2.1 Le champ électrique maximal responsable de la production de particules chargées au voisinage des pointes Le champ électrique moyen responsable de la dérive des particules de poussière préalablement chargées. Travaux antérieurs et Méthodes Procédés d’incinération : Projet du CEA Le centre CEA de Marcoule (France) a mis en place différents procédés afin de traiter les déchets technologiques organiques. L’un de ces procédés est un Système Hybride de Vitrification Avancées appelé SHIVA, qui combine les technologies de divers procédés de vitrification (FID : Fusion par Induction Directe, CFA : Creuset Froid Avancé) et d’incinération IRIS : Installation de Recherche en Incinération des Solides. Le procédé SHIVA utilise de fortes températures (3000K à 14000K) et permet donc de bruler une grande variété de déchets et de réduire leur volume. Cependant, durant ce processus des gaz sont émis et nécessitent d’être traités. L’une des étapes de filtration de ces gaz émis consiste en l’utilisation d’un électrofiltre (ESP) (Figure 1). Figure 1 : Procédé SHIVA avec un électrofiltre [4] 2 Le débit du gaz de combustion en sortie de procédé est d’environ 120m3/h à une température de 130°C. La densité de particules est faible de 2.106 particules/l à 4.106 particules/l. Ces caractéristiques de flux (vitesse, température) sont des paramètres majeurs dans l’étude d’un électrofiltre et leur influence peut être étudiée au moyen d’un pilote installé au laboratoire SIAME de Pau. 2.2 Pilote de Laboratoire Le pilote construit par le CEA (Figure 2) est un modèle réduit de l’installation placée en sortie des incinérateurs IRIS et SHIVA. Il permet de tester un grand nombre de conditions expérimentales à la fois électrique (tension/formes d’onde), géométrique (électrode) ou encore granulométrique (taille/nature) et aérodynamique (débit/température). (b) (c) (a) Figure 2 : Pilote ESP localisé au laboratoire SIAME [5] Ce pilote installé au laboratoire SIAME à Pau (France) est constitué de trois parties (Figure 2) : une partie horizontale inférieure (amont du filtre ESP) comprenant un filtre très Haute Efficacité (THE), une vanne d’admission, un réchauffeur de gaz et diverses implantations de sondes une partie horizontale supérieure (aval du filtre ESP) comprenant également un filtre THE, les mêmes implantations de sonde que la partie aval, ainsi qu’un ventilateur aspirant et un jeu de vannes de refroidissement. une troisième partie comprise entre ces deux qui correspond au filtre ESP. Le gaz pénètre par la partie inférieure (a), traverse le filtre ESP et une fois filtré ressort à travers la partie supérieure (b). L’électrofiltre utilisé est de type cylindrique (électrode de collecte) à un étage et comporte une électrode émissive de type « fil » ou « Héritrode ». Le diamètre de l’électrode de collecte est modifiable (100, 200, 300 mm) et est connectée à la masse. Fil Héritrode Figure 3 : Electrode émissive de type fil et Héritrode 3 2.3 Conditions Expérimentales Le pilote permet d’étudier l’influence de divers paramètres tels que la température (40°C-160°C), le débit (60m3/h-240m3/h) et donc de simuler différentes conditions expérimentales. Les limites de ces dernières sont liées à la protection du filtre THE et du ventilateur. Des études antérieures, réalisées au laboratoire de Pau, ont abouti à un choix d’alimentation combinée superposant une tension continue et une tension pulsée. La tension continue permet principalement la dérive des particules de poussières vers l’électrode de collecte alors que la tension pulsée favorise l’ionisation du gaz et donc la création de particules chargées autour des pointes de l’électrode émissive (Héritrode). Une alimentation combinant une tension continue de -30kV et des impulsions de -30kV/1kHz a donné des résultats d’efficacité de filtration très intéressants (Figure 4). Figure 4 : Efficacité de précipitation en fonction du temps de fonctionnement [6] A ce jour, des applications confidentielles requièrent une modification de la géométrie de cette Héritrode. La première étape de ce projet consiste donc en une étude de la répartition du champ électrique qui sera réalisée à l’aide du logiciel de simulation CST EM Studio®. 2.4 Modélisation sous CST EM Studio® CST EM Studio® (CST EMS) est un simulateur électromagnétique à usage général, basé sur la technique d’intégration finie [7]. Les modélisations ont été réalisées à l’aide de ce logiciel pour simuler le fonctionnement de l’ESP et déterminer la répartition du champ électrique (E-field) en conditions statiques. Nous utilisons pour se faire un maillage « tétrahédral ». Nous appliquons une tension de -30kV et -60kV sur l’électrode émissive afin de simuler les deux extremums de la tension combinée, à savoir respectivement le fond continu et le maximum de la tension impulsionnelle [8]. Les différents modèles ont été validés en réalisant une étude de convergence du champ électrique (V/m) en fonction du raffinement du maillage. 4 3 Résultats et Discussions Dans la section suivante différentes géométries d’électrodes émissives pour l’ESP sont étudiées. 3.1 Etude du champ électrique moyen (U=-30kV) La répartition du champ électrique (E-field) dans des ESP de géométrie fil/cylindre et Héritrode/cylindre, pour une tension appliquée de -30kV est donnée ci-dessous (Figure 5 - Figure 6). Fil Heritrode Zoom Figure 5. Répartition du champ électrique pour deux électrodes émissives (fil et Heritrode) – Vue de face Vu de face zoomée Vu de dessous Figure 6 : Vu de face zoomée et Vu de dessous de l'Héritrode La Figure 7 (courbe suivante) montre la variation du champ électrique en fonction de la distance interélectrodes (GAP) pour ces deux électrodes émissives (fil et Héritrode). 5 Zoom Figure 7 : E-field (V/m) en fonction du gap (en cm) (U=-30kV appliqué aux électrodes fil et Héritrode) La tension continue est responsable de la dérive des particules, donc en simulant une tension appliquée de -30kV, nous allons nous intéresser au champ électrique moyen (Em) qui va influencer la dérive des particules. E*90%: Champ électrique localisé à une distance de 90% de la distance du champ électrique maximal E min: valeur minimale du champ électrique (après 0) Ce calcul permet de déterminer une valeur approchée de ce champ électrique moyen sans prendre en considération le gradient de champ causé par l’effet de pointe (Figure 6 - Figure 7). Em-field (fil) = 2,1kV/cm Em-field (Heritrode) = 2,3kV/cm La valeur du champ électrique moyen de l’Héritrode est plus élevée que celle du fil, cela suppose donc que la dérive des particules sera plus importance dans la configuration Hertitrode/cylindre que dans la configuration fil/cylindre. De plus, la valeur du champ électrique de propagation d’un streamer dans l’air à température ambiante est de l’ordre de 18kV/cm. En partant du principe que le champ réduit sur la densité de neutre (E/N) reste constant, cette valeur de champ de propogation devient de l’ordre de 14kV/cm à 130°C. Nous devons donc nous assurer que les valeurs de champ moyen obtenues soient inférieures, afin d’éviter tout claquage dans l’espace interélectrode. Dans ces deux configurations, les valeurs du champ électrique moyen obtenues garantissent qu’il n’y aura pas de développement d’arc dans l’espace inter-electrode. Toutefois, la différence importante d’efficacité de précipitation des poussières entre la configuration fil et Héritrode observée Figure 4, ne peut s’expliquer uniquement par la différence de champ moyen constatée, mais aussi par l’effet du renforcement de champ causé par les pointes de l’Héritrode (Figure 6 - Figure 7). L’Héritrode a été validée expérimentalement et comme nous souhaitons dimensionner une nouvelle électrode présentant les mêmes propriétés, nous comparerons, de ce fait, les nouvelles géométries étudiées à celle-ci. Comme précédemment, une tension de -30kV est appliquée sur les nouvelles électrodes qui disposent cette fois d’un diamètre plus grand. La Figure 8 ci-dessous, illustre ces différentes configurations (pipe et New Heritrode : NH) et nous donne également la répartition du potentiel appliqué (équipotentiel). 6 Heritrode Pipe NH Figure 8 : Répartition du potentiel (isoline) pour différentes configuration d’électrodes/cylindre La variation du champ électrique en fonction du GAP pour ces différentes configurations d’ESP est donnée dans la courbe ci-dessous (Figure 9). Zoom Figure 9 : Champ électrique (en V/m) en fonction de la distance inter-électrodes (en cm) (U=-30kV) Les résultats obtenus sont les suivants : Em-field (pipe) = 3.17kV/cm Em –field (NH) = 3.31kV/cm 7 Une augmentation du diamètre (Fil vs Pipe et Héritrode vs New Héritrode) et l’ajout de pointes sur l’électrode (Pipe vs New Héritrode) influe bien évidemment sur la valeur du champ électrique moyen. Le diamètre de l’életrode permettra vraisemblablement d‘éviter le claquage de l’intervalle tout en améliorant la dérive des particules. Cependant, pour faire dériver des particules, ces dernières se doivent d’être préalablement chargées et cela n’est possible que si nous avons suffisamment de champ électrique pour ioniser le gaz et charger les particules polluantes. C’est la raison pour laquelle une tension pulsée a été combinée à la tension continue ; le but étant de générer un champ électrique le plus intense possible mais de courte durée (Efield max) afin d’optimiser l’ionisation du gaz. 3.2 Etude du champ électrique maximal (U=-60kV) A l’heure actuelle, cette partie est encore à l’étude, mais les premiers résultats obtenus seront présentés. Une tension de -60kV est appliquée sur les différentes électrodes (Figure 10) afin de simuler en condition statique, la tension combinée (-30kV DC superposée à -30kV pulsée). Heritrode Pipe NH Figure 10 : Répartition du Potentiel (contour) pour l’Heritrode, le Pipe et la New Heritrode (NH) Lors de la modélisation, des différences de maillage au voisinage des pointes ont été constatées, pouvant s’expliquer par la géométrie complexe de l’électrode émissive, ce qui occasionne de légères variations concernant la valeur maximale du champ électrique sur les pointes. Afin d’obtenir une valeur de ce champ électrique maximal sur les pointes, nous avons déterminé la valeur moyenne des champs max sur l’ensemble des pointes. La variation du champ électrique en fonction de la distance inter-électrode obtenue pour l’Héritrode, le pipe et la New Héritrode pour une tension appliquée de -60kV est donné ci-dessous (Figure 11) : 8 Zoom Figure 11. E-field (V/m) en fonction du GAP (en cm) (U=-60kV pour différentes électrodes émissives) Comme attendu, nous observons une différence importante entre la valeur du champ électrique maximal du Pipe (Emax-field pipe ≈ 1.106V/m) et celles de l’Héritrode (Emax-field Heritrode ≈ 4.107V/m) et de la New Héritrode (Emax-field NH ≈ 3,2.107V/m). Cette différence révèle un renforcement de champ dû à l’effet de pointe et confirme que leur ajout permet de générer un champ électrique plus élevé, susceptible d’améliorer l’ionisation du gaz. De plus, en comparant la première Heritrode à la New Heritrode (NH), nous observons que le champ électrique maximal de cette dernière est plus faible que celle de la première Héritrode. Cette diminution du champ électrique maximal, ne peut s’expliquer par la réduction du GAP, mais plutôt par une interaction des pointes avoisinantes qui vont avoir tendance à atténuer la valeur du champ électrique sur la pointe. Pour confirmer cette analyse, nous avons modélisé une nouvelle électrode (NH2) avec une géométrie similaire à celle de la New Héritrode, mais pour laquelle un étage de pointe sur deux a été enlevé. Le champ électrique maximal obtenu pour la nouvelle électrode (NH2) est de l’ordre de 4,5.107V/m ; cette valeur est plus élevée que celle de la New Héritrode (Emax-field NH ≈ 3,2.107V/m). Cela confirme qu’enlevé une couronne de pointe sur deux permet de réduire l’effet des pointes avoisinante et d’augmenter le champ électrique maximal sur une pointe (intégration du champ). 4 Conclusion et Perspectives Une étude de la répartition du champ électrique dans un électrofiltre a été modélisée et présentée dans ce papier, dans le but de dimensionner et d’optimiser une nouvelle électrode émissive. Nous avons pour cela simuler différentes géométries d’électrode émissive sur CST EM Studio® en condition statique et analyser le champ électrique moyen responsable de la dérive des particules (U=-30kV). De plus, un début d’analyse a été mené concernant le champ électrique maximal (U=-60kV) utilisé pour ioniser le gaz et charger les poussières (particules polluantes). Au terme de ces analyses, certaines questions demeurent concernant le nombre de pointes qui seront placées sur l’électrode, leur taille ou concernant d’un point de vue électrique, la forme d’onde (duty, amplitude…). Finalement, ce travail qui a débuté récemment doit se poursuivre et des études de flux devront être réalisée et couplée à ces premiers travaux, dans le but de concevoir la meilleure électrode capable de filtrer des particules allant de 0,1-10µm de diamètre qui sera testée par la suite au laboratoire. 9 5 Références [1] Theodore L and Buonicore A J, “Industrial Air Pollution Control Equipment for Particulates”, Boca Raton, FL: CRC Press, p 385, (1976). [2] Agamemnon A et al; “Prediction of the cleaning efficiency of an electrostatic precipitator”, 55 111–33, J. Electrostatics, (2002). [3] F Lemont, A Silvestre de Ferron, T Reess, A Russelo, Patent : WO 2009/103704 A2, WIPO, OMPI, PCT (2009) [4] Florent Lemont and Christophe Girold, “Le conditionnement des déchets nucléaires”, Monographie DEN, pp105-110, (2008) [5] A Silvestre de Ferron, thesis from Pau University (France) (2006) [6] A Silvestre de Ferron, T Reess, L Pécastaing, P Pignolet and F Lemont, “Optimizing the operation of an electrostatic precipitator by developing a multipoint electrode supplied by a hybrid generator”, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) [7] CST Studio Suite 2013 (https://www.cst.com) [8] S Gaychet, thesis from Pau University (France) (2010) 10
