FR2763778A1 - Procede et dispositif de production d'un plasma hors d'equilibre - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif permettant de produire un plasma hors d'équilibre à une pression égale ou supérieure à la pression atmosphérique en vue de l'épuration d'effluents gazeux.Il consiste à allonger très rapidement l'arc 7 établi entre deux électrodes dont l'une au moins est mobile en écartant le pied d'arc 4' de l'extrémité 2 de l'électrode fixe 1 pour étirer l'arc jusqu'en 4 " de façon à balayer le gaz contenu dans le réacteur par un plasma hors d'équilibre thermique et y stimuler des réactions chimiques spécifiques.Lorsque la tension au secondaire 6 " du transformateur n'est plus suffisante la décharge s'éteint et se réamorce immédiatement entre électrodes voisines.

Description

On connaît depuis de nombreuses années les possibilités que présentent les plasmas relativement froids hors d'équilibre à la pression atmosphérique ou à une pression supérieure. De tels types de décharges électriques permettent d'engendrer un milieu très réactif en évitant de porter l'ensemble du gaz traité à très haute température, comme c'est le cas dans les décharges d'arc, et ce au prix d'une consommation d'énergie électrique extrêmement coûteuse. Les plasmas hors d'équilibre possèdent des propriétés permettant de sélectionner des réactions spécifiques recherchées notamment dans l'épuration d'effluents gazeux naturels et industriels. De nombreux chercheurs ont étudié l'élimination de N2O, H2S, SOx et
COV dans des plasmas froids fortement hors d'équilibre où la température des électrons est beaucoup plus élevée que la température des particules lourdes du gaz.

Divers procédés de production de plasmas hors d'équilibre ont été proposés tels l'effet couronne pulsé, le faisceau d'électrons et le Glidarc. Bien que des efforts considérables aient été consentis, les deux premiers procédés présentent encore l'inconvénient d'une consommation spécifique d'énergie relativement importante et surtout d'un investissement très élevé en particulier pour les alimentations électriques des générateurs de faisceaux d'électrons qui présentent de plus l'inconvénient de produire des électrons qui possèdent une énergie très supérieure à celle qui serait la mieux adaptée pour stimuler une réaction spécifique. Par contre, le procédé à décharge glissante. Glidarc met en oeuvre une alimentation électrique relativement simple et peu coûteuse. Il utilise au moins deux électrodes fixes divergentes disposées de manière à ce que le gaz circule le long des électrodes et déplace les pieds d'accrochage de la décharge qui glisse le long des électrodes. I1 a cependant été constaté qu'il est difficile de développer plus de 5 kW par jeu d'électrodes et que pour traiter un volume important de gaz il est nécessaire de mettre en batterie un nombre important de modules, ce qui rend l'installation complexe et volumineuse. De plus seule une petite partie du volume du gaz à traiter vient en contact avec les électrons produits et le rendement de l'opération s'en ressent. On constate en effet, dans le cas des décharges glissantes, que dès l'amorçage, le petit volume de plasma formé est soufflé par le jet de gaz avec une vitesse d'environ 10 m/s, la vitesse de déplacement de l'arc devient proche de celle du gaz et la colonne de plasma s'allonge, en même temps la tension aux bornes croît. Durant cette phase l'arc est en régime d'équilibre thermodynamique, c'est à dire qu'en chaque point du plasma la température des électrons Te est voisine de la température du gaz To. Ce régime résulte de la fréquence élevée de collisions entre les électrons et les molécules à la pression atmosphérique et la puissance électrique fournie par unité de longueur de l'arc est suffisante pour compenser les pertes radiales par conduction thermique. Cette phase d'équilibre se poursuit avec un arc qui continue de glisser et de s'allonger jusqu'au moment où le courant atteint sa valeur maximale. A partir de ce moment la puissance électrique dissipée diminue, alors que les pertes par conduction thermique continuent d'augmenter, l'arc entre donc alors dans sa phase de déséquilibre thermique et on constate une chute importante de la température T0 du gaz, par contre la température des électrons reste très élevée. Par suite de la diminution de la température du gaz T,, les pertes de chaleur diminuent, la longueur du plasma hors d'équilibre peut continuer de croître jusqu'au moment où les pertes de chaleur deviennent supérieures à la puissance disponible dans l'arc qui s'éteint. Une nouvelle décharge s'établit entre les points les plus proches des deux électrodes, et le cycle recommence. Seule la seconde phase de déséquilibre thermique de la décharge est intéressante pour stimuler une réaction chimique spécifique, il convient de balayer avec la décharge tout le flux gazeux et donc de rendre la vitesse de déplacement de l'arc glissant indépendante du débit et de la vitesse du gaz.

Le procédé selon l'invention remédie à ces inconvénients. I1 consiste à alimenter simultanément dans un réacteur de volume relativement réduit un certain nombre de décharges concomitantes et successives entre des électrodes qui se déplacent rapidement les unes par rapport aux autres de façon à allonger chaque décharge jusqu'au passage à la phase hors d'équilibre thermique suivie de l'extinction et du réamorçage entre électrodes voisines. L'allongement des arcs devient ainsi indépendant du débit et de la vitesse de déplacement du gaz, vitesse qui peut être faible lors du passage dans la zone ionisée par les décharges ce qui permet d'assurer que la totalité de l'effluent gazeux soit soumise aux électrons, aux radicaux et aux particules lourdes excitées par la décharge et permet par là même d'atteindre l'effet chimique recherché.

La description qui suit permettra de mieux comprendre le mode de fonctionnement et la portée de la présente invention. La figure 1 représente un mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Une décharge haute tension de faible intensité, quelques ampères, est établie entre l'extrémité 2 d'une électrode fixe 1 et un point 4' d'une seconde électrode dentée 3. La tension appliquée entre les électrodes 1 et 3 est celle du secondaire 6" du transformateur 6 dont le primaire 6' est relié en 8 au réseau. Le pied d'arc 4' est écarté à très grande vitesse de l'extrémité 2 de l'électrode 1 de façon à allonger rapidement l'arc et à déplacer le pied d'arc mobile en 4". Ce déplacement rapide s'obtient par exemple par rotation de l'électrode 3 autour de l'axe 5. L'arc 7 est ainsi étiré sur une grande longueur et balaie la zone comprise à la périphérie de l'électrode mobile. Lorsque le courant a atteint sa valeur maximale la puissance commence à décroître et l'arc entre dans sa phase de déséquilibre thermique durant laquelle la température des électrons Te est considérablement supérieure à la température des particules lourdes du gaz To.

Lorsque la longueur de l'arc continue de croître et que la tension sinusoïdale au secondaire 6" du transformateur 6 décroît, l'arc s'éteint puis se réamorce entre l'électrode fixe 1 et la partie 4' la plus proche de l'électrode 3 et le cycle recommence. A titre d'exemple on a constaté sur une électrode 3 circulaire de 150 mm de diamètre tournant à une vitesse comprise entre 1000 et 10000 tours par minute que la zone affectée par la décharge diffuse peut s'étendre sur plus de 1200 à partir de l'extrémité 2 de l'électrode 1. On a également constaté qu'il n'est pas nécessaire que l'électrode mobile soit dentée comme représenté à la figure 1, il suffit en effet de petites irrégularités de surface pour que le pied d'arc soit "accroché " et se déplace avec le disque à grande vitesse. Par contre lorsque l'électrode mobile est un disque lisse l'arc est étiré sur une moins grande longueur.

Le gaz à traiter ne doit plus, comme dans le cas du Glidarc, servir à entraîner l'arc, on peut donc soit remplir de gaz l'espace annulaire du réacteur compris entre le disque tournant et la paroi du réacteur et traiter un certain volume de gaz pendant un temps déterminé, soit introduire un débit désiré de gaz en continu dans le réacteur.

La figure 2 représente un réacteur à 8 étages identiques. Chaque étage comporte un disque repère d et 6 électrodes fixes décalées de 60 repérées e,f,g,h,ij, chaque électrode étant reliée à une des phases d'un transformateur polyphasé, le disque étant connecté au point neutre du transformateur. Le gaz est introduit tangentiellement en k à la partie inférieure du réacteur et extrait en 1. En règle générale la partie tournante est connectée à la masse ce qui élimine les problèmes d'isolation électrique et de contact tournant toujours délicats et source d'ennuis en fonctionnement prolongé. Le mouvement de rotation de l'électrode mobile peut être assuré par un moteur électrique ou un moteur à gaz comprimé ou encore par le gaz à traiter lui même. L'électrode tournante peut être constituée par un empilement de disques identiques d, à d8, être une brosse conductrice, voir figure 3, ou encore être de forme hélicoïdale. I1 va de soi que ces représentations sont données à titre d'exemple seulement et que d'autres modes de réalisation peuvent être proposés, en particulier des alimentations hexaphasées ou dodécaphasées. La paroi intérieure du corps du réacteur lui-même peut être simplement cylindrique ou être munie de déflecteurs de façon à guider l'écoulement gazeux par exemple de façon tourbillonnaire. De la même façon chaque électrode tournante peut être munie de pales assurant un brassage très énergique du gaz à traiter. Dans le cas du traitement d'un gaz chargé de particules solides ou liquides ou d'un gaz particulièrement agressif chimiquement, on peut constater une certaine usure des électrodes fixes qui, à l'inverse des électrodes tournantes, sont exposées en permanence à l'action de l'arc. I1 peut donc être intéressant de munir chaque électrode fixe d'une tuyère par laquelle on fait passer un gaz de protection. Bien qu'il soit possible de faire appel à un système de refroidissement des électrodes fixes cela n'est en règle général pas nécessaire car les intensités mises en oeuvre sont limitées et en règle générale inférieures à 10 A. A titre d'exemple la puissance développée dans un système hexaphasé peut atteindre 6 x 5 A x 2 kV = 60 kW par étage, ce qui permet avec un empilement de 8 étages comme représenté à la figure 2 de développer 480 kW sur un réacteur d'environ 300 mm de diamètre et 500 mm de haut soit un volume annulaire de la chambre intérieure d'environ 0,02 m3 pour un diamètre d'électrode tournante de 200 mm. En traitement de dépollution d'air il faut environ 0,1 kWh/m3 d'air, ce réacteur permet donc de traiter 5000 m3/h.

I1 a été constaté qu'on peut influencer le déséquilibre thermique de la décharge en produisant des ultrasons dans le volume de gaz traité, dans ce cas on fait usage de moyens connus par exemple de sifflets par lesquels on fait passer tout ou partie du gaz à traiter, on peut également utiliser l'électrode tournante, de manière connue en soit pour produire des ultrasons comme c'est le cas dans les sirènes à ultrasons.

On peut également, comme représenté à la figure 4 faire usage, en plus de l'électrode tournante 3 d'une ou de plusieurs électrodes fixes 9 de forme quelconque au même potentiel que l'électrode tournante, c'est à dire à la masse, disposées de façon telle que l'arc étiré par le mouvement de l'électrode mobile 3 vienne s'attacher à cette électrode fixe lorsqu'il est suffisamment étiré et qu'il entre dans sa phase de déséquilibre thermique, on évite de la sorte que l'arc s'éteigne prématurément et l'on prolonge sa phase active durant laquelle la température des électrons Te est largement supérieure à la température du gaz To. On peut également faire utilement usage d'une self L de stabilisation par phase entre le transformateur principal et chaque électrode fixe. Le courant 1a et la tension Ua d'arc sont ainsi déphasées par rapport à la tension aux bornes Ut du transformateur comme indiqué à la figure 5a et 5b. On dispose ainsi de la possibilité d'alimenter la décharge après que la tension aux bornes du transformateur soit passée par son maximum et même se soit annulée par l'énergie accumulée dans la self et lorsque l'arc s'éteint on dispose aux bornes des électrodes de la pleine tension à vide du même transformateur. Il va de soi que ce genre de décharges s'accompagnant d'un taux d'harmoniques élevé on pourra mettre en oeuvre tous les moyens connus en vue de réduire les nuisances en particulier en blindant l'installation et en faisant usage de filtres ou encore en alimentant le transformateur principal par l'intermédiaire d'un groupe électrogène indépendant du réseau.

Claims (8)

Revendications

1) Procédé de production de décharges électriques hors d'équilibre caractérisé par la mise en oeuvre d'une ou de plusieurs décharges entre deux ou plusieurs électrodes dont une au moins est mobile et se déplace à grande vitesse de façon à étirer rapidement les décharges électriques, à les mettre hors d'équilibre thermique et à balayer par ces décharges un flux gazeux en vue d'y réaliser des réactions chimiques spécifiques sous l'action des électrons, des ions et des radicaux libres produits.

2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé par la mise en oeuvre d'un ou de plusieurs générateurs polyphasés dont chaque phase est reliée à une électrode fixe et le point neutre de chaque générateur polyphasé est constitué par une électrode tournante.

3) Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé par la mise en oeuvre de plusieurs étages comprenant chacun plusieurs électrodes fixes et une électrode tournante.

4) Procédé selon les revendications 1 à 3 caractérisé par l'injection tangentielle du gaz à traiter à une extrémité du réacteur et à son extraction à l'autre extrémité.

5) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par la production d'ondes ultrasonores dans le gaz lors de son introduction dans le réacteur.

6) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par la mise en oeuvre d'électrodes mobiles dentées.

7) Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé par la mise en oeuvre de brosses conductrices comme électrodes mobiles.

8) Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé tel que repris aux revendications 1 à 7.