Filtres et filtration en milieu industriel

Filtres et filtration en milieu industriel présente les généralités sur l’assainissement particulaire de l’air ambiant en milieu industriel. C'est une présentation détaillée des aspects industriels de la filtration^[1].

Introduction

L’objet de la technique qui nous intéresse ici 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)

Les différents aspects à connaître sont :

1. L’émission des particules
2. Leur captation
3. Le transport du flux chargé
4. La séparation des particules et de la veine d’air
5. L’extraction des particules
6. L’exhaure de l’air assaini

Le schéma ci dessous présente ces aspects dans un exemple :

Émission des particules

Causes d'apparition

Les particules peuvent apparaitre pour différentes raisons :

• Production d'énergie
• Process
• Nuisance

Les poussières

Les particules en suspension dans l’air, communément appelées poussières, outre leur nature chimique se caractérisent par un certain nombre de paramètres :

• La granulométrie
• L’abrasivité
• L’hydrophilie
• L’agressivité chimique

Captation

Classiquement, les particules en suspension dans l’air sont captées par un système d’aspiration. Cette captation 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

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

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

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

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/m^3. 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 filtré 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 filtration. Les liens suivants amènent aux articles présentant plus en détail ces éléments.

• Filtration mécanique
• Électrostatique
• Filtration humide
• Filtration sèche

Filtration mécanique

La séparation mécanique 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 trois types principaux d’équipements :

• Les chambres de décantation
• Les cyclones
• Les multi-cyclones

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.

Présentation rapide des méthodes de filtration mécanique

Chambres de décantation

Chambre de décantation
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

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.

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Cyclones

Cyclone
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

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.

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Multi-cyclones

Multi-cyclone
Rouge : Air Chargé
Bleu : Air Propre
Noir : Particules

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.

 

Électrostatique

Les poussières présentes 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.

Filtration humide

Dans ce système l’abattement 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.

Filtration sèche

La filtration voie sèche consiste à faire traverser un média par la veine d’air chargée de poussières. Lors du passage, les particules sont retenues par le média 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 médias filtrants 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

Dans les filtres à manches ou à panneaux, le média filtrant est souvent un feutre, maintenu en forme par un mannequin, sorte de squelette métallique. Le plus souvent, la veine d’air traverse de l’extérieur vers l’intérieur de la manche ou du panneau, de sorte que les poussières se déposent à l’extérieur. Les surfaces installées se déterminent par le ratio débit/ surface, appelé vitesse de filtration, le plus souvent exprimé en mètres par min (m/min). Sa valeur est généralement comprise entre 0,5 et 2 m/min.

Filtres à cartouches

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 l'injection d'air comprimé.

Comparatif

Extraction des particules

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

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

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

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

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