Sommaire

 

Mesures de réduction primaires

Les mesures primaires sont des mesures permettant la réduction des émissions de particules à la source contrairement aux mesures secondaires qui permettent de traiter les polluants déjà émis et présents dans les effluents gazeux.

Les émissions de poussières dues à la combustion (en particulier de combustibles solides) sont en grande partie dues à une combustion incomplète. La principale mesure primaire de réduction est donc l'amélioration de la combustion. Cela permet de réduire à la source les émissions de particules mais également l'ensemble des émissions de composés imbrûlés (COV, HAP, CO, etc.). Différentes techniques de combustion permettent d'améliorer la combustion et donc de réduire les émissions de composés imbrûlés.

La technique principale d'amélioration de la combustion est la régulation de la combustion permettant de respecter la règle des 4T (température, teneur en oxygène, turbulence et temps de séjour) et ainsi d'optimiser la combustion.

La qualité de la combustion n'est pas seulement influencée par la technologie de l'appareil brûlant le combustible mais également par un grand nombre de facteurs tels que la qualité du combustible et le type de conduit de cheminée.

 

Mesures de réduction secondaires

Les mesures secondaires réduisent les émissions de particules en traitant, dans la cheminée, les polluants déjà émis et présents dans les effluents gazeux contrairement aux mesures primaires qui réduisent les émissions à la source.

Installations de combustion (collectives / industrielles) et procédés

Il existe quatre grandes familles de dépoussiéreurs :

  • Les dépoussiéreurs mécaniques (séparateurs, cyclones et multi-cyclones) ;
  • Les dépoussiéreurs humides (laveurs) ;
  • Les dépoussiéreurs électrostatiques (électrofiltres) ;
  • Les dépoussiéreurs à couches filtrantes (filtres à manches).

Dans les installations de combustion, les principales techniques utilisées sont :

  • Les cyclones et multi-cyclones : pour des faibles puissances (inférieures à 5 MW)
  • Les électrofiltres et les filtres à manches : pour des puissances plus élevées (supérieures à 5 MW)

Plusieurs traitements peuvent être mis en cascade sur les installations de grande puissance avec par exemple l'association d'un multi-cyclone et d'un électrofiltre ou d'un multi-cyclone et d'un filtre à manches : le multi-cyclone en amont permettant de limiter la vitesse d'encrassement de l'électrofiltre ou du filtre à manches et de séparer les plus grosses particules.

Cyclones

Dans ce type de dispositif, les gaz poussiéreux à traiter sont mis en rotation à une vitesse aussi rapide que le permettent les limites admissibles de perte de charge et d'abrasion. Les particules sont ainsi projetées sur les parois par la force centrifuge. Ces particules s'agglomèrent et tombent sous l'effet de la pesanteur. L'air épuré remonte au centre du tourbillon par la cheminée centrale du cyclone.

La force de séparation des poussières est proportionnelle à la vitesse et inversement proportionnelle au rayon du cyclone. Il y a donc intérêt à ce que le rayon de séparation soit le plus petit possible.. Plus le rayon du cyclone est petit, plus l'accélération centrifuge est grande et donc meilleure est la séparation. L'association de plusieurs cyclones de faible diamètre (quelques dizaines de centimètres) est donc généralement privilégiée. Ce type d'installation est appelé multi-cyclone.

Ces dispositifs collectent efficacement les grosses particules mais leur efficacité chute pour les faibles granulométries ainsi que pour de faibles taux d'empoussièrement. Les multi-cyclones sont moins efficaces que les autres techniques de dépoussiérage, notamment pour les PM2.5.

Ce type de dispositif peut être équipé d'une électrode qui permet de charger électriquement les particules. Celles-ci sont alors attirées par la paroi. Ce type de cyclone, appelé cyclone électrostatique, peut avoir une efficacité de plus de 90 % sur les TSP.

Séparateurs mécaniques

Il s'agit d'un dispositif mécanique de collecte des poussières. Il fonctionne comme un cyclone mais le procédé de séparation et de collecte des particules s'effectue séparément au moyen d'un séparateur et d'un cyclone collecteur. Le séparateur dispose d'une entrée d'air et de deux sorties, l'une pour l'air dépoussiéré, l'autre pour l'air chargé. L'air chargé est redirigé vers le cyclone, les particules ne quittent donc pas le système dans lequel elles circulent.

L'efficacité de ce procédé est élevée et comparable à celle d'un électrofiltre pour les particules de tailles supérieures à 2,5 µm. Elle chute néanmoins pour les particules de taille inférieure à 1 µm (<50%). Ce dispositif a comme principal intérêt son faible coût d'investissement et d'exploitation.

Cette technique peut être améliorée en induisant un champ électrique au niveau du séparateur. Ce champ permet de séparer plus efficacement les particules fines qui seront attirées sur les surfaces du cyclone en s'agglomérant aux particules de plus grandes dimensions. Selon certains constructeurs, ce type de technologie peut avoir une efficacité de dépoussiérage supérieure à 94 %.

Laveurs et venturi

Un laveur est un séparateur dans lequel le gaz contenant les particules solides est mis en contact avec un liquide de lavage. Les particules sont alors adsorbées par la masse du liquide. Pour améliorer l'efficacité de captation d'un laveur, il est nécessaire d'augmenter la surface de contact entre le liquide et les particules solides en optimisant le mélange ou en obtenant les gouttelettes les plus fines possibles. En effet, pour pouvoir collecter une particule, la gouttelette de liquide doit avoir une taille voisine de celle-ci.

Les systèmes Venturi et autres laveurs sont plus efficaces que les multi-cyclones en particulier pour les granulométries inférieures à 1 µm. En effet, les laveurs et Venturi sont considérés efficaces sur des particules de tailles supérieures à 0,5 µm. Des efficacités plus élevées peuvent être atteintes en associant un multi cyclone et un laveur, mais les coûts d'investissement restreignent le champ d'application de ce dispositif d'épuration à des puissances élevées d'installation.

L'inconvénient majeur des laveurs est le fait qu'ils entraînent un transfert de pollution d'une phase gazeuse à une phase liquide qui doit ensuite être traitée. Ce traitement peut engendrer des coûts opératoires non négligeables, qui avec les importantes consommations d'eau et d'énergie associées à la mise en œuvre du laveur peuvent être des points faibles de ces systèmes.

Pour le dépoussiérage, les laveurs s'avèrent parfois indispensables lorsque les gaz à traiter sont proches de leur saturation en eau, ou lorsque des problèmes de sécurité rendent très difficile leur épuration par voie sèche. Ces dispositifs permettent notamment de traiter les gaz acides et les métaux sous forme gazeuse. Ils sont particulièrement adaptés aux poussières explosibles et aux gaz inflammables.

Electrofiltres

Un électrofiltre est un dispositif constitué de plaques (électrodes réceptrices) disposées verticalement entre lesquelles se trouvent des fils tendus verticalement (électrodes émissives) alimentés électriquement. Une tension négative appliquée aux électrodes émissives, engendre la formation d'électrons au voisinage de celles-ci, qui ionisent les molécules de gaz. Ces ions sont attirés par les plaques collectrices et chargent les poussières (effet couronne) sur leurs parcours. Ces poussières sont alors attirées par les plaques collectrices et y adhérent. Des marteaux frappant régulièrement ces plaques permettent de décrocher les particules par intervalle régulier. Les poussières sont ainsi collectées pour être évacuées.

Les électrofiltres disposent d'un ou plusieurs champs de captation pour mieux maîtriser le champ électrique tout au long de l'électrofiltre et au fur et à mesure de l'avancement du dépoussiérage (généralement au minimum deux et jusqu'à cinq ou six pour obtenir des niveaux de concentrations inférieurs à 10 mg/Nm3). Chaque champ est constitué de plusieurs électrodes émettrices et de plaques réceptrices positionnées verticalement et de manière alternative. Dans la configuration la plus courante, les gaz poussiéreux circulent horizontalement, et à basse vitesse (environ 1 m.s-1) entre des plaques verticales distantes de 200 à 500 mm.

Les principaux paramètres influençant sur le fonctionnement de l'électrofiltre sont en outre la résistivité des poussières (dans la pratique comprise entre 106 et 1014 Ω cm) et la vitesse de passage des gaz.

Pour éviter le frappage permettant de décolmater les poussières qui peut induire une remise en suspension de ces poussières, certains électrofiltres (appelés « électrofiltres humides ») dispose d'un écoulement de liquide le long des plaques collectrices. Cette technique nécessite le traitement du liquide en aval.

La pulvérisation d'une solution spécifique permet en plus de capter certains composés tels que : HCl, HF, SO2, SO3, H2S, NH3, etc. La présence de liquide limite néanmoins la température de fonctionnement des électrofiltres humides à 100°C maximum au lieu de 350°C pour des électrofiltres secs.

Il existe un grand nombre de configurations qui permettent d'atteindre des efficacités de plus de 99 % pour les particules de taille inférieure à 1 µm (avec notamment la mise en œuvre de 3 à 5 champs). Une bonne configuration peut permettre d'atteindre des performances proches de ce qui peut être obtenu à la sortie de filtres à manches.

L'efficacité de l'électrofiltre dépend en partie de la résistivité des particules. C'est pourquoi, il peut être nécessaire d'injecter au préalable du SO3 permettant de diminuer cette résistivité et ainsi d'améliorer le captage de particules.

Filtres à manches

Le filtre à manches est constitué d'un caisson fermé à sa base par une trémie, dans lequel sont suspendues des manches filtrantes ouvertes à une extrémité. Les gaz chargés de poussières pénètrent dans la partie basse du caisson et rencontrent dans un premier temps un déflecteur qui permet de séparer les grosses particules de poussières des gaz à traiter. Ceux-ci passent ensuite à travers les manches de l'extérieur vers l'intérieur pour être évacués sur la partie haute du filtre. Les poussières qui sont retenues sur l'extérieur du filtre forment une couche appelée gâteau de filtration. Ce gâteau de filtration permet de former un filtre supplémentaire qui augmente la quantité de poussières captées mais augmente également la perte de charge. Il est donc nécessaire de décolmater les manches régulièrement. Les dispositions des appareils sont très nombreuses, ainsi que les techniques de décolmatage. La disposition la plus fréquente est le filtre à manches, supportées intérieurement par un panier grillagé, et nettoyées individuellement par un jet périodique d'air comprimé. Les vitesses de filtration sont comprises entre 0,6 et 6 cm s-1, selon le problème à traiter et le type de filtre..

Les filtres sont de différents types et natures : tissus, feutres aiguilletés, composites, membranaires. Les fibres peuvent être en polyeser, acrylique, téflon, inox, etc. Le choix de la nature du filtre dépend des caractéristiques du gaz à traiter.

L'injection de réactif en amont du filtre peut permettre également de capter d'autres polluants gazeux comme le mercure, les dioxine-furanes, les gaz acides, etc. En effet, les réactifs injectés en amont du filtre vont se retrouver piéger avec les poussières dans le gâteau de filtration. Le contact entre les gaz à traiter traversant le gâteau de filtration et les réactifs présents dans le gâteau s'en retrouve alors facilité.

Ce dispositif a des performances très élevées et permet d'obtenir un seuil de rejet constant. Il peut atteindre une efficacité de plus de 99 % même sur les particules de faibles diamètres (1 µm ou moins). Cette technique est considérée comme la plus efficace.

Néanmoins, dans certaines applications, il peut exister un risque d'incendie lié à la présence dans les fumées de particules incandescentes qui peuvent enflammer les manches. Il est donc nécessaire de disposer d'un équipement de détection et d'extinction.

Ce dispositif très efficace est très coûteux par sa mise en place et son entretien. En effet, les manches doivent être remplacées régulièrement et les fortes pertes de charges engendrent des consommations d'électricité pouvant être importantes.

Installations de combustion domestiques fonctionnant aux combustibles solides

Les systèmes de dépoussiérage pour les installations domestiques de combustion sont très peu développés. La mise en place de ce type d'appareil induit un coût important et il n'existe aucune réglementation nationale qui impose des valeurs limites d'émissions pour l'utilisation des installations domestiques en France.

Hormis les chaudières à condensation très bien implantées sur le marché, le système de traitement le plus développé et qui commence à être commercialisé est l'électrofiltre même si d'autres techniques sont en cours de développement.

Echangeurs-condenseurs (chaudière à condensation)

Le principe des condenseurs est de réduire la température des fumées à un niveau inférieur au point de rosée, ce qui amène une condensation partielle de l'eau contenue dans les fumées. Cette baisse de température des fumées comporte deux avantages :

  • D'une part, la chaleur cédée est transférée au chauffage central du bâtiment, ce qui est généralement le principal objectif de ces produits et justifie l'investissement.
  • D'autre part, l'eau condensée assure un lavage des fumées qui permet d'abaisser les concentrations de particules.

Laveurs

Les laveurs fonctionnent sur le même principe que ceux installés sur les chaudières industrielles. Ils utilisent de fines gouttelettes d'eau pour abaisser la concentration en particules dans les fumées. Les particules s'accumulent ensuite dans l'eau et il est donc nécessaire de les capter par décantation ou par un procédé de recyclage.

Filtres à manches

Ces filtres utilisent un média filtrant pour capter les particules présentes dans les fumées. Ce média peut être constitué de matériaux synthétiques, de fibres de verre ou de fibres de métal.

Malgré sa haute efficacité potentielle, ce type de filtre reste actuellement inadapté aux appareils domestiques de faible puissance et crée des pertes de charge importantes lors de l'accumulation des poussières dans le filtre.

Electrofiltres

Le développement de petits électrofiltres pour les appareils de combustion domestiques au bois est étudié. En laboratoire, des tests ont été menés à la fois pour des combustibles solides de type charbon et de type bois. Les appareils en cours de développement ont une efficacité théorique comprise entre 50 et 95 % (sur les particules de diamètre supérieur à 0.1µm) suivant le type d'appareils.

En dehors du coût de l'électrofiltre, le principal inconvénient est l'entretien de l'appareil qui s'encrasse assez rapidement. En effet, des nettoyages réguliers sont nécessaires : au bout de quelques heures d'utilisation pour certains appareils.