Etude de la répartition du champ électrostatique dans un

Etude de la r´epartition du champ ´electrostatique dans
un ´electrofiltre afin d’optimiser la collecte des particules.
Sonia Souakri
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Sonia Souakri. Etude de la r´epartition du champ ´electrostatique dans un ´electrofiltre afin
d’optimiser la collecte des particules.. Journ´ees JCGE’2014 - SEEDS, Jun 2014, Saint-Louis,
France.
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Submitted on 18 Nov 2014
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1
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
[e-mail]
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.

2
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 :
 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.
2 Travaux antérieurs et Méthodes
Procédés d’incinération : Projet du CEA 2.1
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]

3
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.
Pilote de Laboratoire 2.2
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).
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.
Figure 3 : Electrode émissive de type fil et Héritrode
Fil
Héritrode
(a)
(b)
(c)

4
Conditions Expérimentales 2.3
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®.
Modélisation sous CST EM Studio® 2.4
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.