Précipitation électrostatique de particules submicroniques par décharge à barrière diélectrique : étude électrique, granulométrique et aérodynamique

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(1)THESE Pour l’obtention du Grade de. DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées (Diplôme National-Arrêté du 7 Août 2006) Ecole Doctorale: Sciences pour l’Ingénieur & Aéronautique Spécialité: Génie Electrique Présentée par:. Boni DRAMANE. PRECIPITATION ELECTROSTATIQUE DE PARTICULES SUBMICRONIQUES PAR DECHARGE A BARRIERE DIELECTRIQUE ETUDE ELECTRIQUE, GRANULOMETRIQUE ET AERODYNAMIQUE. Directeur de thèse: Pr. Eric MOREAU Co-Directeur de thèse: Dr. Noureddine ZOUZOU Soutenue le 9 Décembre 2009 devant la Commission d’Examen. -JURYJ.P. CAMBRONNE. Professeur à l’Université Toulouse III, LAPLACE. Rapporteur. J.M. CORMIER. Professeur à l’Université d’Orléans, GREMI. Rapporteur. E. ODIC. Professeur Adjoint à SUPELEC, DE. Examinateur. A. ROUSSEAU. Directeur de Recherche, CNRS, LPP. Examinateur. Y. GERVAIS. Professeur à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. G. TOUCHARD. Professeur Emérite à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. E. MOREAU. Professeur à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. N. ZOUZOU. Maître de Conférences à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur.

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(3) THESE Pour l’obtention du Grade de. DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DE POITIERS Faculté des Sciences Fondamentales et Appliquées (Diplôme National-Arrêté du 7 Août 2006) Ecole Doctorale: Sciences pour l’Ingénieur & Aéronautique Spécialité: Génie Electrique Présentée par:. Boni DRAMANE. PRECIPITATION ELECTROSTATIQUE DE PARTICULES SUBMICRONIQUES PAR DECHARGE A BARRIERE DIELECTRIQUE ETUDE ELECTRIQUE, GRANULOMETRIQUE ET AERODYNAMIQUE. Directeur de thèse: Pr. Eric MOREAU Co-Directeur de thèse: Dr. Noureddine ZOUZOU Soutenue le 9 Décembre 2009 devant la Commission d’Examen. -JURYJ.P CAMBRONNE. Professeur à l’Université Toulouse III, LAPLACE. Rapporteur. J.M CORMIER. Professeur à l’Université d’Orléans, GREMI. Rapporteur. E. ODIC. Professeur Adjoint à SUPELEC, DE. Examinateur. A. ROUSSEAU. Directeur de Recherche, CNRS, LPP. Examinateur. Y. GERVAIS. Professeur à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. G. TOUCHARD. Professeur Emérite à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. E. MOREAU. Professeur à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur. N. ZOUZOU. Maître de Conférences à l’Université de Poitiers, LEA. Examinateur.

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(5) À ma famille À tous les enseignants de l’école primaire de Topklégbé.

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(7) Remerciements. J. e voudrais tout d’abord exprimer mes plus profonds remerciements à Messieurs Jean Pascal CAMBRONNE et Jean Marie CORMIER pour l’honneur qu’il me font en acceptant de rapporter ce. travail, à Messieurs Emmanuel ODIC et Antoine ROUSSEAU pour avoir accepté de faire partie de mon jury de thèse. Je tiens également à saluer l’implication de la Région Poitou-Charentes dans l’éducation, en. particulier pour l’Excellence Environnementale et le Développement des Eco-Industries. Je rends un vibrant hommage au fabuleux travail d’orientation, de suivi et d’appréciation accompli par mes deux directeurs de thèse. A Monsieur Noureddine ZOUZOU, je dis toute ma gratitude et loue les qualités scientifiques. A Monsieur Eric MOREAU, je dis mon admiration et la reconnaissance d’une grandeur d’âme devenue rare. Au même titre, je voudrais saluer la sagesse et l’inestimable spectre de compétences de Monsieur Gérard TOUCHARD qui est à mes yeux, la parfaite illustration du concept africain selon lequel un "ancien a valeur de bibliothèque". Merci de participer au jury. Un grand merci à Monsieur Yves GERVAIS, non seulement en qualité de Directeur du Laboratoire mais également en qualité d’examinateur de mon travail. La boucle sera ainsi bouclée étant donné qu’il avait déjà au début de l’aventure, accepté de porter ma candidature au nom du laboratoire. Merci à tous les membres du laboratoire, quel que soit l’équipe ou le service auquel ils appartiennent, pour avoir favorisé le développement et le maintien d’une atmosphère conviviale en son sein. J’ai une pensée particulière pour Christian REFFIN et Laurent DUPUIS. A présent j’adresse toute ma gratitude à ma famille. A mes parents, je témoigne toute ma reconnaissance pour m’avoir transmis des valeurs telles que la culture de soi et surtout l’idéologie selon laquelle il faut toujours mener à bien ce qu’on entreprend. A mes frères, je dis merci pour leur soutien indéfectible, en particulier à Gado. Je finis mes remerciements en ayant une pensée particulière à tous mes amis et frères d’armes unis par le même combat que les initiés connaissent. A la première de tous, Inès, je dis, nous y voilà !. vii.

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(9) Table des matières. Table des matières. ix. Liste des figures. xiii. Liste des tableaux. xxi. Introduction. 1. 1 La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. 5. 1.1. Particules en suspension dans l’air et techniques de traitement . . . . . . . . . . . . .. 7. 1.2. Les électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.2.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.2.2. Forces à l’origine de la migration des particules chargées. . . . . . . . . . . . .. 10. 1.2.3. Mécanismes de charge des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11. 1.2.4. Vitesse de migration des particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 14. 1.2.5. Efficacité de collecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18. 1.2.6. Types d’électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.2.7. Modèles du fonctionnement d’un électrofiltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 20. 1.2.8. Phénomènes détériorant l’efficacité de collecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 24. Les décharges électriques dans les gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 1.3.1. Phénomènes dans les décharges hors équilibre à haute pression . . . . . . . . .. 27. 1.3.2. Systèmes de décharges électriques à la pression atmosphérique . . . . . . . . .. 31. Vent électrique et conséquences aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 1.4.1. Notion de vent électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 1.4.2. Vent électrique et phénomènes EHD dans les précipitateurs électrostatiques . .. 42. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 1.3. 1.4. ix.

(10) 2 Etude électrique des électrofiltres à Décharge à Barrière Diélectrique 2.1. 49. Moyens expérimentaux et techniques de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 51. 2.1.1. L’installation expérimentale et les outils de caractérisation . . . . . . . . . . . .. 51. 2.1.2. Les techniques de mesure des grandeurs électriques et validation de la mesure .. 52. Etude des caractéristiques électriques des électrofiltres plasma . . . . . . . . . . . . . .. 55. 2.2.1. Dispositif expérimental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55. 2.2.2. Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 71. 2.2. 3 Etude granulométrique de la précipitation électrostatique 3.1. 3.2. 3.3. 73. Moyens expérimentaux et techniques de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 75. 3.1.1. L’installation expérimentale et les outils de caractérisation . . . . . . . . . . . .. 75. Analyse des performances des électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 81. 3.2.1. L’influence de paramètres électriques sur l’efficacité de collecte . . . . . . . . .. 81. 3.2.2. Influence de paramètres géométriques sur l’efficacité de collecte . . . . . . . . .. 93. Comparaison avec d’autres électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 3.3.1. Cas de l’électrofiltre DC Fil-Cylindre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 3.3.2. Cas de l’électrofiltre DBD Fil-Plan-Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104. 3.3.3. Comparaison entre les coûts énergétiques de tous les électrofiltres . . . . . . . . 107. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4 Etude aérodynamique de la précipitation électrostatique 4.1. 4.2. 4.3. x. 111. Moyens expérimentaux et techniques de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 4.1.1. L’installation expérimentale et les outils de caractérisation . . . . . . . . . . . . 113. 4.1.2. Le protocole de mesure et le phénomène mesuré. . . . . . . . . . . . . . . . . . 116. Contexte de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2.1. Choix des configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117. 4.2.2. Propriétés électriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118. 4.2.3. Propriétés granulométriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120. Analyse des phénomènes aérodynamiques dans les électrofiltres . . . . . . . . . . . . . 122 4.3.1. Effet de la fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126. 4.3.2. Effet de la tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129. 4.3.3. Effet de la vitesse de l’écoulement principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129.

(11) 4.3.4. Comparaison avec le cas de la décharge couronne . . . . . . . . . . . . . . . . . 135. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Conclusion générale. 139. A Annexes. 141. A.1 Calcul de la longueur caractéristique LD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Bibliographie. 145. Liste des publications. 155. A.2 Articles dans des revues avec comité de lecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.3 Communications avec actes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 A.4 Communications sans actes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156. xi.

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(13) Liste des figures. 1.1. Classification des aérosols par domaine et par taille [Hin99]. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.2. Principales étapes intervenant dans le fonctionnement d’un filtre électrostatique. . . . . . . .. 9. 1.3. Lignes de champ en direction de la surface d’une particule isolante soumise à un champ électrique uniforme [Hin99]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 12. 1.4. Schéma explicatif du mouvement d’une particule chargée entre deux plaques parallèles. . . . .. 14. 1.5. Variations du facteur de correction de Cunningham en fonction du diamètre des particules (λg = 0, 065 µm). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.6. Variations du temps de relaxation en fonction du diamètre des particules (ηg = 1, 85 · 10−5 kg/m · s et ρp = 2700 kg/m3 ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.7. 1.9. 17. Variations de la charge des particules prédite par la relation de Cochet en fonction du diamètre des particules (λg = 0, 065 µm et r → ∞, cas des particules conductrices). . . . . . . . . . .. 1.8. 16. 17. Variations de la vitesse de migration théorique wth en fonction de la taille des particules (λg = 0, 065 µm et ηg = 1, 85 · 10−5 kg/m · s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 17. Schéma simplifié d’un électrofiltre à un seul étage de type Fil-Plaque. . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.10 Schéma simplifié d’un précipitateur électrostatique à deux étages avec des électrodes de collecte planes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 19. 1.11 Illustration schématique du modèle laminaire. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21. 1.12 Modèle de Deutsch : schéma des couches laminaires et bilan massique de particules sur une longueur dx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 22. 1.13 Schéma du problème considéré par Léonard et al.. [LD87] . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23. 1.14 Effets de Dp sur l’efficacité fractionnaire pour un précipitateur électrostatique selon [Par97]. .. 25. 1.15 Effet de la résistivité apparente sur l’efficacité de collecte [TF88]. . . . . . . . . . . . . . . .. 25. 1.16 Illustration du phénomène de ré-entraînement abnormal des particules [I.E98]. . . . . . . . .. 26. 1.17 Evolution des coefficients d’ionisation et d’attachement en fonction du champ électrique réduit dans l’air [HMP04]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 28. xiii.

(14) 1.18 Schéma d’une décharge initiée par un mécanisme de streamer, d’après Raether [Rae64]. Il s’agit d’un système à électrodes parallèles. Les phases A − C illustrent la formation et le développement d’avalanches au niveau de la cathode. L’électron germe provient dans ce cas de la cathode par effet photoélectrique. Une avalanche se développe jusqu’à atteindre l’anode (D). Les processus de photo-ionisation dans les gaz continuent à créer des électrons, notamment sur les bords de la micro-décharge, on assiste également à des processus d’attachement et de neutralisation mutuelle (E − F ). L’onde d’ionisation est initiée à partir d’un seuil critique de charge d’espace, elle se propage grâce aux photo-électrons produits en tête de décharge (G − J). . . . . . . . .. 30. 1.19 Configurations géométriques propices à la formation d’une décharge couronne. . . . . . . . .. 32. 1.20 Caractéristiques courant-tension d’une décharge couronne [Par99]. . . . . . . . . . . . . . . .. 33. 1.21 Configuration classique d’une DBD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 34. 1.22 Principe de fonctionnement d’une DBD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35. 1.23 Différentes configurations de décharges contrôlées par barrières diélectriques. . . . . .. 36. 1.24 Décharges à barrière diélectrique obtenues à pression atmosphérique [HMP04]. . . . . . . . .. 37. 1.25 Oscillogramme d’une décharge filamentaire à 10 kHz [Ghe98]. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37. 1.26 Oscillogramme du courant et de la tension [HMP04]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 1.27 Vent électrique en configuration Pointe-Plan positive [Smi97]. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 39. 1.28 Vent électrique en configuration Pointe-Plan négative [Smi97]. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 1.29 Vitesse axiale du vent électrique à 2 cm de la pointe (i = 0,04 mA, distance inter-électrodes d = 4 cm) [ZMT04]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40. 1.30 Vitesse maximale du vent électrique en fonction du courant dans la configuration PointeGrille [MAT06]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 41. 1.31 Lignes de champ dans un précipitateur électrostatique de type DC, pour divers nombres EHD [CCBM07]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.32 Schéma du montage expérimental d’un ESP. 44. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 44. 1.33 Images de mesures de PIV dans un ESP − lab de type longitudinal [NPK+ 07]. . . . .. 45. 1.34 Illustration de la prédiction du mouvement des particules dans un ESP − lab de type longitudinal à canal étroit [NPK+ 07]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 45. 1.35 Représentation des lignes de courant et du contour de la vitesse dans un ESP de type longitu-. xiv. dinal à canal étroit [NPM09]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. 2.1. Schéma du dispositif expérimental utilisé pour la caractérisation électrique. . . . . . . . . . .. 51. 2.2. Dispositif de mesure du courant et de la tension montrant l’électrofiltre Fil-Cylindre. . . . . .. 53. 2.3. Vue schématique des deux électrofiltres DBD de référence. . . . . . . . . . . . . . . .. 55. 2.4. Vue en perspective des deux électrofiltres DBD de référence. . . . . . . . . . . . . . .. 56.

(15) 2.5. Représentation schématique des différentes composantes du courant dans les cas d’une décharge Pointe-Plan alimentée par un signal sinusoïdal [Vin02].. 2.6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.7. 59. Exemple d’oscillogrammes relevés en configuration Fil-Cylindre. Conditions expérimentales : fréquence = 2 kHz, débit = 4,7 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 2.9. 58. Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps. Conditions expérimentales : tension = 6 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . .. 2.8. 57. 59. Différents régimes de décharge rencontrés en configuration Fil-Cylindre en fonction de l’amplitude et de l’alternance du signal de tension avec U1 , U2 et U3 , les tensions seuil entre deux régimes.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 59. 2.10 Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 60. 2.11 Evolution du champ électrique Laplacien en fonction de la distance inter-électrodes (Code de simulation : Ansoft Maxwell SV). Conditions expérimentales : tension = 16 kV ; représentation sur la distance inter-électrodes en configuration cylindrique et sur la moitié de la distance inter-électrodes en configuration plane, du fait de la symétrie du champ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61. 2.12 Formes d’onde de la charge en fonction du temps. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 . .. 61. 2.13 Périodes successives d’activité et de pause de la décharge. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 . 62 2.14 Caractéristiques charge-tension des électrofiltres. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz, débit = 16 L.mn−1 .. . . .. 63. 2.15 Représentation de la capacité résultante selon l’état de la décharge. . . . . . . . . . . .. 63. 2.16 Variation de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; débit = 16 L.mn−1 ; fréquence = 1 kHz. 65 2.17 Variation de la puissance moyenne consommée en fonction de la fréquence. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65. 2.18 Courbes de Lissajous obtenues pour plusieurs fréquences. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 66. 2.19 Courbes de Lissajous obtenues à plusieurs tensions. Conditions expérimentales : tension = 16 kV ; capacité de mesure = 33 nF ; débit = 16 L.mn−1 .. . . . . . . . . . . . . . .. 67. 2.20 Courbes de Lissajous obtenues à plusieurs tensions. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 68 xv.

(16) 2.21 Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz. . . . . . . .. 68. 2.22 Courbes de Lissajous obtenues à plusieurs débits. Conditions expérimentales : capacité de mesure = 33 nF ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz. . . . . . . . . . . . . . . .. 69. 2.23 Evolution de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 1 kHz. . . . . . . . . . . .. 69. 2.24 Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 16 kV ; fréquence = 1 kHz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 70. 2.25 Evolution de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 1 kHz ; débit = 16 L.mn−1 . 70 3.1. Schéma du dispositif expérimental global pour la caractérisation de la précipitation électrostatique. 75. 3.2. Distribution granulométrique des particules d’encens. Conditions expérimentales : débit = 8 L.mn−1 ; concentration normale de particules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.3. Image typique prise au Microscope Electronique à Balayage des particules solides contenues dans la fumée d’encens [ZLC+ 99]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.4. 83. Répartitions granulométriques des particules et rendements associés dans le cas de la fumée d’encens. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . .. 3.9. 81. Courbes d’efficacité en fonction de la tension, pour trois débits distincts. Conditions expérimentales : fréquence = 1 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.8. 80. Courbe de stabilité de l’électrofiltre. Conditions expérimentales : tension = 18 kV ; fréquence = 100 Hz, débit = 16 L.mn−1 ; concentration normale de particules. . . . .. 3.7. 79. Courbe d’évolution de la combustion de l’encens. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 ; concentration normale de particules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.6. 78. Distribution granulométrique bimodale des particules d’encens. Conditions expérimentales : débit = 8 L.mn−1 ; concentration de particules légèrement supérieure à la normale. . . . . . .. 3.5. 77. 83. Courbes d’efficacité fractionnaire. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 3.10 Courbes d’efficacité en fonction de la tension, pour trois débits distincts. Conditions expérimentales : fréquence = 1 kHz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 84. 3.11 Courbes d’efficacité en fonction de la fréquence, pour trois tensions distinctes. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 85. 3.12 Schématisation des différentes périodes d’activité et de pause de la décharge sur une péridode T du signal de tension. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3.13 Schématisation du mouvement oscillatoire des particules au sein de l’électrofiltre Fil-Cylindre. xvi. 86 87.

(17) 3.14 Schématisation du mouvement oscillatoire des particules au sein de l’électrofiltre Plan-Plan. .. 87. 3.15 Courbes d’efficacité fractionnaire. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . .. 88. 3.16 Courbes d’efficacité par classe de particule en fonction de la fréquence. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88. 3.17 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 89. 3.18 Evolution temporelle de la forme d’onde du courant et de la tension appliquées en configuration Fil-Cylindre. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension crête = 16 kV ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 90. 3.19 Evolution temporelle de la forme d’onde du courant et de la tension appliquées en configuration Plan-Plan. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension crête = 16 kV ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 91. 3.20 Variation de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . 91 3.21 Courbes d’efficacité en fonction de la tension. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92. 3.22 Courbes d’efficacité en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 93. 3.23 Effet du fil utilisé sur la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . .. 94. 3.24 Effet du fil utilisé sur l’efficacité de collecte. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 94. 3.25 Variation de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . 95 3.26 Courbes d’efficacité en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . .. 95. 3.27 Courbes d’efficacité en fonction de la fréquence pour différentes longueurs de l’électrode de masse. Conditions expérimentales : tension = 18 kV ; débit = 16 L.mn−1 .. . . . . . . . . . .. 96. 3.28 Courbes d’efficacité en fonction de la fréquence pour 2 cm de longueur d’électrode de masse. Conditions expérimentales : tension = 18 kV ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . .. 97. 3.29 Vue schématique de l’électrofiltre Fil-Cylindre utilisé pour la décharge couronne DC et AC. .. 98. 3.30 Schémas des montages expérimentaux utilisés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 99. 3.31 Caractéristiques courant-tension de la décharge DC couronne. . . . . . . . . . . . . . . 100 3.32 Courbes d’efficacités relevées à différents débits - décharge DC couronne. . . . . . . . 101. xvii.

(18) 3.33 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102. 3.34 Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps (avec particules). Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 10 kV ; fréquence = 1000 Hz, débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 102. 3.35 Courbes d’efficacité relevées à différents débits - décharge AC couronne. . . . . . . . . 103 3.36 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 103. 3.37 Vues schématiques des électrofiltres utilisés. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.38 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.39 Vue schématique de l’électrofiltre DBD Fil-Plan-Plan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.40 Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps. Conditions expérimentales : résistance 100 Ω ; tension = 16 kV ; fréquence = 1000 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . .. 105. 3.41 Courbes d’efficacité relevées à trois débits distincts. Conditions expérimentales : fréquence = 1 kHz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 3.42 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 107. 3.43 Courbes d’efficacité de collecte en fonction de la puissance consommée. Conditions expérimentales : débit = 16 L.mn−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 4.1. Schéma du dispositif expérimental pour les mesures P IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113. 4.2. Schéma de la "mini soufflerie de table". . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 114. 4.3. Images brutes issues de l’enregistrement vidéo dans la configuration Fil-Plan-Plan. . . 115. 4.4. Images brutes issues de l’enregistrement vidéo dans la configuration Plan-Plan. . . . . 115. 4.5. Schéma de principe d’une acquisition [Dav05]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 4.6. Vue schématique des deux électrofiltres en configuration Fil-Plan-Plan. . . . . . . . . . 118. 4.7. Vue schématique de l’électrofiltre de type DBD en configuration Plan-Plan.. 4.8. Formes d’onde de la tension et du courant de décharge en fonction du temps pour les. 116. . . . . . . . . . 118. électrofiltres de type DBD. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; Vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 4.9. Evolution de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée en configuration Fil-Plan-Plan. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; Vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119. xviii.

(19) 4.10 Evolution de la puissance moyenne consommée en fonction de la tension appliquée en configuration Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; Vitesse = 1 m.s−1 .. 120. 4.11 Courbes d’efficacité en fonction de la puissance consommée dans la configuration FilPlan-Plan. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; Vitesse = 1 m.s−1 . . . . 121 4.12 Zones de développement de la décharge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.13 Courbes d’efficacité en fonction de la puissance consommée dans la configuration Plan-Plan. Conditions expérimentales : vitesse = 1 m.s−1 .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121. 4.14 Champs moyens de vitesse à l’écoulement principal. Conditions expérimentales : tension = 0 kV ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 4.15 Composante y de la vitesse. Conditions expérimentales : tension = 0 kV ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.16 Profils de vitesse relevés sans tension. Conditions expérimentales : tension = 0 kV ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 4.17 Champs moyens de vitesse et lignes de courant associées dus à l’écoulement secondaire. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . 124 4.18 Composante rms de la vitesse sur y. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.19 Profils de vitesse relevés (module). Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m.s−1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 4.20 Champs moyens de vitesse en configuration Fil-Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : tension = 18 kV ; vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 4.21 Champs moyens de vitesse en configuration Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : tension = 24 kV ; vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.22 Champs moyens de vitesse en configuration Fil-Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.23 Champs moyens de vitesse en configuration Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.24 Champs instantanés de vitesse en configuration Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : tension = 24 kV ; fréquence = 100 Hz ; vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . 132 4.25 Champs moyens de vitesse en configuration Fil-Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : tension = 18 kV ; fréquence = 100 Hz.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133. 4.26 Champs moyens de vitesse en configuration Plan-Plan DBD. Conditions expérimentales : tension = 24 kV ; fréquence = 100 Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.27 Champs moyens de vitesse en configuration Fil-Plan-Plan DC négative. Conditions expérimentales : vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 xix.

(20) 4.28 Champs moyens de vitesse en configuration Fil-Plan-Plan DC positive. Conditions expérimentales : vitesse = 1 m/s. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 A.1 Trajectoire d’une particule. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 A.2 Variations de la vitesse de migration théorique wth en fonction de la taille des particules (λg = 0, 065 µm et ηg = 1, 85 · 10−5 kg/m · s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xx. 143.

(21) Liste des tableaux. 1.1. Ordres de grandeur des caractéristiques d’un canal de décharge filamentaire [Kog92, Kul94]. .. 1.2. Expression du nombre EHD et du nombre de Reynolds selon la localisation dans le précipitateur. 36. [Com03]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 43. 1.3. Evaluation des phénomènes EHD au sein d’un électrofiltre [CW94]. . . . . . . . . . . . . . .. 43. 3.1. Principales caractéristiques du granulomètre.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 3.2. Caractéristiques du dispositif de dilution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 76. 3.3. Caractéristiques du système de génération de fumée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 77. 4.1. Récapitulatif des caractéristiques de l’électrofiltre aux fréquences choisies. . . . . . . . . . . .. 126. xxi.

(22)

(23) Introduction. Contexte Enjeux et motivations Deux acteurs principaux sont responsables de la pollution atmosphérique : les gaz et les particules solides. Ils représentent respectivement 90 et 10 % des masses globales de polluants rejetés dans l’atmosphère. Les origines de la pollution atmosphérique sont toutefois multiples. Parmi les facteurs dont les actions concourent au développement et à la croissance de la pollution, on retrouve entre autres le développement des industries, la multiplication des moyens de transports et des flux qui en résultent, l’activité des ménages et l’exploitation intensive des énergies fossiles. Chaque individu respire environ 11500 litres d’air par jour. En milieu urbain, la pollution atmosphérique prend une dimension particulière du fait de la concentration des activités humaines et du nombre important de personnes exposées. Les particules ont un effet néfaste aussi bien sur la nature que sur l’homme. Leur taille est par ailleurs un paramètre important. Plus fines elles sont, plus longtemps elles restent en suspension dans l’air. Il en est de même de leur temps de séjour dans les poumons. En effet, lorsqu’elles ont un diamètre supérieur à 10 µm, elles peuvent être expulsées des voies respiratoires ; de 3 à 10 µm, elles se déposent au niveau de la trachée et des bronches ; à moins de 3 µm, elles atteignent les alvéoles pulmonaires et peuvent pénétrer dans le sang. Elles sont par ailleurs suspectées d’être à l’origine de toutes sortes de problèmes de santé : asthme, bronchites persistantes et cancer du poumon.. Objectifs et approche générale La qualité de l’air est devenue préoccupante dans de nombreux pays industrialisés. Les normes de pollution deviennent de plus en plus rigoureuses et les pays concernés plus nombreux. En ce qui concerne la lutte contre la pollution induite par l’industrie automobile par exemple, les normes imposées ont contraint les industriels à élaborer des systèmes de plus en plus sophistiqués. Cependant certains systèmes existants ont révélé des carences. Depuis quelques années, la recherche s’est orientée vers une technique de filtration des gaz d’échappement qui pourrait être l’avenir en matière de lutte contre la pollution automobile. Il s’agit de la précipitation électrostatique. La précipitation électrostatique a la particularité d’agir sur les particules ultra-fines (contrairement aux procédés de type filtres mécaniques). Elle fait partie des techniques de dépollution des fumées actuellement étudiées au Laboratoire d’Etudes Aérodynamiques de l’Université de Poitiers. 1.

(24) 2. Introduction. Etude de la précipitation électrostatique Le principe de la précipitation électrostatique consiste à charger les particules présentes dans les fumées à l’aide d’une électrode active, afin de les attirer vers une contre-électrode de collecte, grâce à la force de Coulomb. Entre les deux électrodes, l’interaction entre le champ électrique, la dynamique du fluide et la dynamique des particules est à l’origine de phénomènes physiques très complexes. Ces systèmes sont généralement appelés électrofiltres. Cette thèse initiée dans le cadre de l’Appel à Projets Recherche pour l’Excellence Environnementale de l’Education, lancé par le Conseil Régional de Poitou-Charentes et dont le thème de l’année 2006 était "Excellence Environnementale et Développement des Eco-Industries", a pour objectif d’étudier la précipitaion électrostatique en tant qu’outil de dépollution de l’air. Compte tenu des publications qui existaient sur le sujet, au début de ce travail, nous avions fait des choix spécifiques concernant les principaux points de l’étude : type de décharge, configuration des électrofiltres, type de fumée par exemple. Au cours des trois dernières années, il y a eu des avancées dans le domaine. Nos travaux conservent toutefois leur primeur sur de nombreux aspects étudiés. C’est le cas par exemple de l’idée d’utiliser une Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) pour initier le plasma dans l’électrofiltre et de l’étude comparative menée sur deux DBD très différentes comparées entre elles, puis situées par rapport au cas d’une décharge DC, la référence en la matière. Enfin, l’étude simultanée des phénomènes électroaérodynamiques (EHD en anglais) et de l’efficacité de collecte des particules au sein de la DBD est tout à fait inédite. Dans le cadre de ces travaux, nous avons donc utilisé la décharge à barrière diélectrique dans deux électrofiltres de géométries différentes. L’un des électrofiltres est en configuration Fil-Cylindre et l’autre en configuration Plan-Plan. L’un des objectifs de ce travail est d’évaluer la capacité de la DBD à faire de la précipitation de particules submicroniques, alors qu’elle a jusque là été utilisée pour faire de la pré-charge dans les électrofiltres à deux étages. Cet objectif comporte plusieurs défis. Pour commencer, la DBD n’est pas habituellement utilisée pour simultanément, charger et collecter les particules. A cela vient s’ajouter le défi de la taille des particules à traiter. En effet, des études ont montré que l’efficacité de collecte des précipitateurs est faible dans la gamme de tailles de particules comprises entre 0,1 et 1 µm. Or, la taille des particules d’encens que nous utilisons dans le cadre de cette étude est comprise dans cette gamme. Les perspectives qui s’offrent à nous en cas de succès justifient ce choix. En effet, parvenir à relever l’efficacité de collecte dans cette gamme de taille serait une avancée en matière de précipitation électrostatique des particules submicroniques. La décharge obtenue dans l’électrofiltre Fil-Cylindre est de type "corona glow" tandis que celle obtenue dans l’électrofiltre Plan-Plan est de type filamentaire. Nous avons choisi ces deux configurations car, nous pensions au départ que la décharge dans l’électrofiltre Plan-Plan donnerait de mauvais résultats, qui du coup, contrasteraient d’avantage avec ceux de l’électrofiltre Fil-Cylindre. La deuxième phase de l’analyse de la précipitation électrostatique a consisté à déterminer l’efficacité de collecte des électrofiltres. Au cours de nos expérimentations, les données granulométriques telles.

(25) Introduction. 3. que le type de particule et la densité sont les mêmes pour les deux électrofiltres. L’efficacité de collecte a été relevée en fonction de paramètres électriques (tension, fréquence, forme d’onde du signal), dynamique (débit de l’écoulement principal) et géométriques (épaisseur du fil, épaisseur du diélectrique, longueur de la contre électrode). Les résultats obtenus ont permis d’évaluer le coût énergétique des électrofiltres, ce qui a permis de le comparer à celui d’un électrofiltre de type DC. Le dernier volet de notre étude a été consacré à la caractérisation des phénomènes EHD à l’intérieur des électrofiltres DBD à l’aide de moyens métrologiques optiques. Ici, l’objectif est d’observer l’influence du vent électrique sur la précipitation. Les mesures ont été réalisées en fonction de la tension, de la fréquence et de la vitesse de l’écoulement principal. Une étude comparative avec les phénomènes aérodynamiques dans un électrofiltre de type DC a permis de conclure, à propos de l’impact du vent électrique sur la précipitation.. Organisation du document D’un point de vue organisationnel, ce travail s’articule autour de quatre chapitres. Dans le premier chapitre, nous présenterons la précipitation électrostatique comme un outil de dépollution de l’air, en prenant soin de rappeler les vecteurs de pollution et les techniques de dépollution de l’air, avant d’aborder dans le détail ce qu’englobe la précipitation électrostatique en passant en revue les processus intervenant en amont, pendant et en aval du phénomène. Le deuxième chapitre sera consacré à la caractérisation électrique des électrofiltres. Il sera question d’étudier le comportement électrique des électrofiltres afin de mettre en relief des spécificités qui nous seront utiles au cours de l’étude de leurs performances en matière de filtration. Le troisième chapitre abordera l’analyse des performances des électrofiltres. Il s’agira de calculer l’efficacité de collecte des électrofiltres par des mesures de la granulométrie des particules. Ensuite nous évaluerons leur coût énergétique respectif, pour finalement les comparer à d’autres électrofiltres. Enfin, le quatrième chapitre traitera de l’aspect EHD des phénomènes opérant à l’intérieur des électrofiltres, afin de mettre en évidence l’influence du vent électrique sur la précipitation..

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(27) 1. La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. Sommaire 1.1. Particules en suspension dans l’air et techniques de traitement . . . . . . . . . .. 7. 1.2. Les électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 8. 1.3. 1.4. 1.2.1. Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1.2.2. Forces à l’origine de la migration des particules chargées. 1.2.3. Mécanismes de charge des particules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11. 1.2.4. Vitesse de migration des particules chargées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14. 1.2.5. Efficacité de collecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18. 1.2.6. Types d’électrofiltres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19. 1.2.7. Modèles du fonctionnement d’un électrofiltre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20. 1.2.8. Phénomènes détériorant l’efficacité de collecte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10. Les décharges électriques dans les gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27. 1.3.1. Phénomènes dans les décharges hors équilibre à haute pression . . . . . . . . . . . . . . . 27. 1.3.2. Systèmes de décharges électriques à la pression atmosphérique . . . . . . . . . . . . . . . 31. Vent électrique et conséquences aérodynamiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 38. 1.4.1. Notion de vent électrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38. 1.4.2. Vent électrique et phénomènes EHD dans les précipitateurs électrostatiques . . . . . . . . 42. Conclusion. L. 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 46. a lutte contre la pollution atmosphérique a permis au fil des années le développement de diverses méthodes et techniques de traitement intervenant dans des domaines variés : préservation de. la qualité de l’air, protection du sol et du sous-sol, réduction de l’effet de serre. Notre engagement s’inscrit dans le cadre de la préservation de la qualité de l’air d’un point de vue particulaire. En effet, nos travaux ne portent que sur la dépollution de l’air des particules qu’il contient, l’aspect chimique (N Ox et COV ) n’étant pas abordé. 5.

(28) 6. Chapitre 1. La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. Cette thématique est toute nouvelle au sein du laboratoire. Nous avons donc souhaité que ce premier chapitre serve de support aux futurs chercheurs désireux de continuer ces travaux. Ceci justifie le fait qu’il soit relativement long..

(29) 1.1. Particules en suspension dans l’air et techniques de traitement. 1.1. 7. Particules en suspension dans l’air et techniques de traitement Les particules en suspension dans l’air, ou aérosols, sont constituées de substances solides et/ou. liquides, présentant une vitesse de chute le plus souvent négligeable. La présence de particules en suspension dans l’air est principalement due à la pollution atmosphérique. La pollution atmosphérique, selon l’article 2 de la loi n° 96-1236 du 30 décembre 1996 sur l’air et l’utilisation rationnelle de l’énergie [ÉCH01], est due au fait que l’homme introduit, directement ou indirectement, dans l’atmosphère et les espaces clos, des substances ayant des conséquences préjudiciables de nature à mettre en danger la santé humaine, à nuire aux ressources biologiques et aux écosystèmes, à influer sur les changements climatiques, à détériorer les biens matériels et à provoquer des nuisances olfactives excessives. La pollution résulte de la présence dans l’atmosphère de polluants très variés qu’on peut rassembler selon deux typologies. La plus simple, physique, consiste à distinguer les polluants gazeux des polluants solides, poussières et particules. La seconde s’appuie sur l’origine des polluants et oppose les polluants primaires et les polluants secondaires. Les polluants secondaires sont des substances dont la présence dans l’atmosphère résulte de transformations chimiques liées à la présence de composés dits précurseurs. C’est le cas par exemple de l’acide sulfurique, de l’acide nitrique et surtout de l’ozone atmosphérique. Les aérosols font partie des polluants primaires, qu’on définit comme étant des substances présentes dans l’atmosphère telles qu’elles ont été émises. La taille des particules est le paramètre le plus important pour caractériser le comportement des aérosols. Il existe presque toutes les formes et tailles de particules suivant leur nature et selon qu’elles proviennent d’agrégats de matière solide ou liquide en suspension dans l’air (figure 1.1). On distingue ainsi classiquement deux types de particules : les P M10 (Particulate Matter) qui sont celles dont le diamètre moyen n’excède pas 10 µm et qui proviennent principalement des véhicules (en particulier de ceux équipés d’un moteur diesel) et les P M25 dont le diamètre moyen est inférieur à 25 µm et qui sont majoritairement émises par des sources fixes. Les particules les plus petites, de diamètre inférieur à 10 µm, sont «respirables». Elles sont aussi les plus légères et peuvent rester en suspension plus longtemps. Elles proviennent de transformations gaz-solide dans l’atmosphère et notamment de phénomènes de condensation et de coagulation et sont susceptibles de pénétrer le plus profondément dans l’appareil broncho-pulmonaire. Les particules les plus grosses, de diamètre inférieur à 25 µm, sont «non respirables». Elles sont principalement produites par des phénomènes de frottement. On trouve également parmi elles des particules biologiques telles que les pollens. D’un point de vue sanitaire, les particules méritent une attention particulière. En effet, elles sont susceptibles de servir de vecteurs à d’autres substances, tels que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) cancérigènes, ce qui est particulièrement préoccupant compte tenu de la capacité des particules les plus fines à se déposer dans les alvéoles pulmonaires, voire à pénétrer dans le sang. Les particules ou poussières ne constituent pas un polluant ordinaire. Alors que pour toutes les autres substances, il suffit de mesurer le poids des émissions pour avoir une idée exacte sur la façon.

(30) 8. Chapitre 1. La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. Figure 1.1 – Classification des aérosols par domaine et par taille [Hin99].. dont évolue la qualité de l’air, pour les particules le problème est plus complexe. En effet, leur toxicité n’est pas directement liée à leur poids. Au contraire, les particules les plus fines sont généralement considérées comme les plus dangereuses en raison de la difficulté à les piéger par des filtres, de leur capacité à pénétrer plus profondément dans l’appareil respiratoire et de leur plus long temps de suspension dans l’air. De nombreuses techniques de filtration de l’air destinées à répondre au problème croissant de la pollution atmosphérique ont été mises au point, notamment pour le secteur industriel. On regroupe les dispositifs qui les utilisent en quatre catégories : • Les séparateurs mécaniques • Les séparateurs hydrauliques • Les séparateurs à couche filtrante • Les séparateurs électriques ou électrofiltres.. 1.2. Les électrofiltres. 1.2.1. Principe de fonctionnement. Le principe de fonctionnement d’un électrofiltre peut être décomposé en trois phases qui sont : l’ionisation de l’air par effet couronne et la charge des particules par interaction avec les ions créés,.

(31) 1.2. Les électrofiltres. 9. la précipitation des espèces chargées par action d’un champ électrique et le nettoyage des surfaces de collecte. Le filtre électrostatique est un dispositif dans lequel les forces électrostatiques piègent les particules contenues dans un gaz. Il est constitué d’un ensemble d’électrodes actives et d’électrodes de collecte et peut être de géométrie plane ou cylindrique. La décharge générée au sein de ce dispositif, souvent maintenue à un fort potentiel négatif, produit des ions, par attachement des électrons libres aux molécules du gaz. Lors de collisions de ces ions avec des particules, ces dernières se chargent. Afin d’expliquer le principe de fonctionnement d’un électrofiltre, prenons l’exemple d’un précipitateur électrostatique industriel de géométrie cylindrique. Il est constitué d’un cylindre métallique disposé verticalement (l’électrode de collecte) et d’un fil suspendu le long de l’axe central du cylindre (l’électrode active, figure 1.2). L’électrode active est reliée à la haute tension continue tandis que (-) HT. Sortie air propre. (+). Captation des particules chargées. Migration des particules chargées. Ionisation de l’air. Entrée Suspension air-particules Particules collectées après frappage. Figure 1.2 – Principales étapes intervenant dans le fonctionnement d’un filtre électrostatique.. l’électrode de collecte est reliée à la masse. Lorsqu’on applique une tension au-delà d’un seuil (tension d’allumage de la décharge), une décharge couronne apparaît autour du fil. Elle apparaît soit sous la forme de points lumineux (tension négative) répartis le long du fil et appelés «spots», ou sous la forme d’une «gaine lumineuse» (tension positive). Les phénomènes lumineux représentent localement les régions ionisées du gaz à partir desquelles des ions de même polarité que l’électrode active sont émis vers l’électrode de collecte. Ces ions traversent l’espace inter-électrodes sous l’action d’un champ électrique continu, en direction de l’électrode de collecte. Lorsqu’on introduit des gaz pollués par la partie basse de l’électrofiltre, ils traversent l’espace inter-électrodes en montant. Les particules qu’ils contiennent captent au passage des ions et se chargent fortement ; elles sont alors soumises à la force de Coulomb qui les dirigent vers la surface interne de l’électrofiltre où elles se déposent..

(32) 10. Chapitre 1. La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. Les gaz sortent donc dépollués par la partie haute de l’électrofiltre tandis que les particules piégées s’accumulent sur sa surface interne en formant une couche de poussières. Par un procédé mécanique qui consiste à frapper les parois de l’électrofiltre à l’aide d’un marteau, on fait tomber les poussières dans le fond de l’électrofiltre où un dispositif prévu à cet effet permet de les évacuer.. 1.2.2. Forces à l’origine de la migration des particules chargées. Dans la nature, les particules peuvent être soumises à diverses forces : les forces de volume (force de flottabilité, force électrique, force magnétique, par exemple) et les forces de surface (force diélectrophorétique, force de traînée, par exemple). Dans cette rubrique, nous n’évoquerons que les deux forces électriques mises en jeu, à savoir, la force de Coulomb et la force diélectrophorétique. A - Force de Coulomb Une particule chargée est soumise à une force électrostatique dès qu’elle est proche de surfaces ~ les particules ayant chargées ou d’autres particules chargées. En présence d’un champ électrique E, acquis une charge électrique qp subissent la force de Coulomb F~e proportionnelle à la charge, dont l’expression est : ~ F~e = qp · E. (1.1). L’expression 1.1 est l’équation de base de la force électrostatique agissant sur les particules en suspension dans les précipitateurs électrostatiques. B - Force diélectrophorétique De nombreux travaux ont été effectués sur la force diélectrophorétique (DEP) agissant sur des particules allant des poussières aux cellules biologiques. Cette force s’exerce sur une particule non chargée dans un gradient de champ électrique. Elle est proportionnelle au volume de la particule ~ )2 [Jon95] . Pour une sphère (∝ d3p ) et au gradient du champ électrique qui lui est appliqué (∇E diélectrique de diamètre dp , l’expression est :. La constante K est définie par :. π ~ )2 F~DEP = m d3p K (∇E 4. (1.2). s − m s + 2m. (1.3). où s et m sont les permittivités respectives de la sphère et du milieu. La force diélectrophorétique est négligeable dans certaines conditions [Dum01]. C’est le cas dans cette étude..

(33) 1.2. Les électrofiltres. 1.2.3. 11. Mécanismes de charge des particules. Divers mécanismes peuvent être à l’origine de la charge des particules en suspension dans l’air. Une particule peut recueillir des charges électriques par charge «naturelle» par attachement des ions existant dans l’atmosphère, par «triboélectrisation» regroupant les phénomènes de charge par contact et par frottement ou par charge par «charge d’espace ionique», regroupant la charge par champ et la charge par diffusion. Les autres mécanismes de charge étant faibles (en particulier la charge par triboélectrisation s’opérant dans les tubulures de notre système d’approvisionnement en particules), nous ne nous focaliserons que sur le mécanisme de charge par charge d’espace ionique d’origine électrique. En effet, la force de Coulomb régie par la loi de Coulomb, base de toute l’électrostatique, est la principale cause de mise en mouvement des particules dans les filtres électrostatiques. Une augmentation de la charge des particules est donc nécessaire afin d’initier leur migration vers les électrodes de collecte d’un précipitateur. Cela peut être provoqué par une forte densité d’ions due à une décharge couronne dans l’espace inter-électrodes. Le processus de charge dépend alors de plusieurs facteurs parmi lesquels les plus importants sont la densité de charge ionique, l’intensité du champ électrique local, ainsi que la taille des particules. Dans ce processus de charge des particules, deux mécanismes différents permettent le transport des porteurs de charge (ions et électrons) à la surface de la particule : la migration par champ et la diffusion thermique [CKC95]. Ces deux mécanismes peuvent agir séparément ou de façon combinée, on parle alors de charge mixte. Au total, on distingue : • La charge par champ • La charge par diffusion • La charge mixte Quel que soit le mécanisme de charge, la charge électrique acquise par une particule est le résultat des interactions entre celle-ci et les ions résultant de la décharge couronne. Les deux mécanismes de charge interviennent ensemble pour fournir aux particules, une charge globale dont l’importance relative est principalement déterminée par leurs dimensions et l’intensité du champ électrique. A- La charge par champ Comme l’indique son nom, dans ce mécanisme de charge les ions sont apportés à la surface de la particule grâce à la force électrostatique causée par un champ électrique extérieur. Cette force est équilibrée par la force de répulsion créée par la charge répartie à la surface de la particule. En effet, une particule présente dans un gaz provoque une distorsion locale du champ électrique, les lignes de champ aboutissent à la surface de celle-ci. Cette distorsion du champ dépend de la nature de la particule : lorsque la particule est conductrice, la distorsion du champ est maximale. Pour une particule isolante (non conductrice), la distorsion du champ dépend de sa permittivité. Ainsi, l’intensité du champ électrique augmente à la surface de la particule. Dans ce cas, les ions présents dans le gaz et se déplaçant le long des lignes de champ, peuvent atteindre la surface de la particule. Chaque ion qui atteint la surface de la particule modifie la distribution locale.

(34) 12. Chapitre 1. La précipitation électrostatique, un procédé de dépollution de l’air. du champ électrique. Cependant, tant que le champ électrique créé par la charge de la particule est inférieur au champ maximum qui existe à la surface de la particule lorsqu’elle n’est pas chargée, les ions continuent à atteindre la surface de celle-ci. Lorsque la charge acquise est suffisante, les lignes de champ contournent la particule ; on dit que la particule a acquis la «charge de saturation par champ» notée qps (figure 1.3).. A. -. +. (a) Particule non chargée (a). B. -. +. (b) Particule partiellement chargée. C. -. +. (c). (c) Particule avec charge de saturation. Figure 1.3 – Lignes de champ en direction de la surface d’une particule isolante soumise à un champ électrique uniforme [Hin99].. Rohmann a développé une première théorie concernant la charge par champ en 1923 [Roh23], complétée par Pauthenier [PMH32, PG32] en 1932. Ces auteurs montrent que les ions arrivent à la surface d’une particule tant que la charge de celle-ci n’est pas suffisante pour les repousser. Pauthenier a montré qu’en raison du phénomène de répulsion électrostatique, seule une partie réduite de la surface des particules est atteinte par les ions. Continuant dans le même sens, d’autres auteurs ont apporté leurs contributions [Bro70, BW73, LP77]. Pour les grosses particules (dp ≥ 2 µm), c’est le mécanisme de charge par champ qui est dominant. Pour les petites particules (dp ≤ 0,2 µm), la diffusion thermique devient dominante et la charge par diffusion devient importante [PMH32, Miz81, Mac78, Law96]..

(35) 1.2. Les électrofiltres. 13. La charge d’une particule sphérique est donnée par l’équation de la charge par champ de Pauthenier [PMH32] : t/τ 1 + t/τ. (1.4). 3r 2 d E r + 2 p. (1.5). qp ( t ) = qp s avec, qps = π0 et, τ =4. 0 0 E 0 =4 =4 ρi µi eni µi J. (1.6). où qps est la charge de saturation (C), t le temps de charge (s), τ la constante de temps de charge par champ (s), 0 la permittivité du vide (≈ 8.85 × 10−12 F /m), r la permittivité relative de la matière constituant la particule, dp le diamètre de la particule (m), E le champ électrique (V /m), J la densité de courant (A/m2 ), ρi la densité de charges (C/m3 ), µi la mobilité ionique (m2 /V .s), e la charge électronique (≈ 1,6 × 10−19 C) et ni la concentration des ions dans l’espace (m−3 ). Pour une particule conductrice, l’équation 1.5 devient : qps = 3π0 d2p E (r → ∞). B - La charge par diffusion La charge par diffusion est due à l’énergie cinétique des ions qui bombardent la particule indépendamment du champ électrique. Ce processus de charge par diffusion a été imaginé pour expliquer la charge des particules lorsque le champ électrique appliqué est faible (ou même nul) et lorsque la taille des particules est suffisamment petite (quelques libres parcours moyens). Il est alors nécessaire de prendre en compte le phénomène de diffusion des ions dans le processus de charge [Par97, Whi63]. Ce mécanisme met en jeu la probabilité de collision entre les particules et les ions animés d’un mouvement aléatoire d’agitation thermique. Dans une zone où le champ électrique appliqué est nul, les ions ont une répartition uniforme autour des particules. Dans ces conditions, tous les éléments de surface d’une particule ont la même probabilité de choc avec les ions et la particule peut accumuler une certaine charge électrique. L’expression de la charge par diffusion qp (t) d’une particule donnée par [Whi51] est : qp (t) = q ∗ ln(1 + t/τ ∗ ) avec, q∗ =. 2π0 dp kT e. (1.7). (1.8). et, τ∗ =. 80 kT mi kT 1/2 µi E = 80 ( ) ( ) 2 dp Ci ni e 3 dp Je. (1.9). Où q ∗ est la constante de charge (C), τ ∗ la constante de temps de charge par diffusion (s), k la constante de Boltzmann (≈ 1, 38 × 10−23 J /K) , T la température (K), e la charge électronique.

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Références

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