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AVERTISSEMENT Ce document est le fruit d'un long travail approuvé par le jury de soutenance et mis à disposition de l'ensemble de la communauté universitaire élargie. Il est soumis à la propriété intellectuelle de l'auteur. Ceci implique une obligation de citation et de référencement lors de l’utilisation de ce document. D'autre part, toute contrefaçon, plagiat, reproduction illicite encourt une poursuite pénale. Contact : ddoc-theses-contact@univ-lorraine.fr LIENS Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 122. 4 Code de la Propriété Intellectuelle. articles L 335.2- L 335.10 http://www.cfcopies.com/V2/leg/leg_droi.php http://www.culture.gouv.fr/culture/infos-pratiques/droits/protection.htm THESE Présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur de l’INPL Spécialité Génie des Procédés et des Produits Etude du décolmatage pneumatique des dépoussiéreurs à manches par Xavier SIMON Soutenue publiquement le 28 novembre 2005 devant le jury composé de : Président Noël MIDOUX Professeur à l’ENSIC, INPL Rapporteurs Alain BERNIS Professeur à l’ESIGEC, Université de Savoie Jean-Francis BLOCH Maître de Conférences à l’EFPG, INPG Examinateurs Denis BEMER Responsable d’études à l’INRS Dominique THOMAS Professeur à l’Université Henri Poincaré, Nancy 1 Laboratoire des Sciences du Génie Chimique CNRS 1 rue Grand ville BP 451 54001 Nancy Cédex Institut National de Recherche et de Sécurité Département Ingénierie des Procédés Avenue de Bourgogne BP 27 54501 Vandoeuvre-lès-Nancy Cédex Ecole Doctorale Ressource Procédés Produits Environnement (RP2E) Institut National Polytechnique de Lorraine Avant-propos Les travaux présentés dans ce rapport ont été effectués au sein du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique (UPR – CNRS 6811) et au sein du Département Ingénierie des Procédés de l’Institut National de Recherche et de Sécurité. J’adresse tout d’abord mes remerciements à mon directeur de thèse, M. Dominique THOMAS, pour m’avoir accueilli au sein de son équipe de recherche au LSGC et pour la confiance et le soutien qu’il m’a accordé. Ma reconnaissance va également à mes deux co-directeurs de thèse, Mme Sandrine CHAZELET et M. Denis BEMER, qui par leur disponibilité, leurs conseils et leur enthousiasme ont largement contribué à la réalisation de cette étude. Je tiens à remercier également MM. Michel POURQUET et Jean-Michel DESSAGNE pour les nombreux moyens mis à ma disposition à l’INRS. Je suis très reconnaissant à MM. Alain BERNIS et Jean-Francis BLOCH pour avoir acceptés d’être rapporteurs de cette thèse ainsi qu’à M. Noël MIDOUX qui m’a fait l’honneur d’être Président du Jury. Mes remerciements vont également à Roland REGNIER pour son importante contribution à la réalisation et à l’instrumentation du dépoussiéreur pilote ainsi qu’à tous les agents de l’INRS qui m’ont aidé dans cette tâche. Il faut associer à cette étude trois stagiaires de DUT pour leur contribution : Hugues BILDE, Vincent LANGENFELD et Loïc CLESSE. Je ne saurais oublier tous mes collègues du Laboratoire PROCEP pour leur accueil chaleureux et pour l’ambiance conviviale qu’ils ont su créer tout au long de ces trois années. Merci à la région Lorraine qui a participé au financement de ma bourse de thèse. Mes pensées vont enfin à tous les membres de ma famille ; famille qui s’est d’ailleurs agrandie, pour mon plus grand bonheur, au cours de cette thèse. A Anne. A France et Jean-François. Table des matières INTRODUCTION BIBLIOGRAPHIE I.1. INTRODUCTION 1 I.1.1. Les poussières et leurs effets sur la santé 1 I.1.2. La réglementation française 1 I.1.3. Cas spécifique du bois 2 I.2. LES DEPOUSSIEREURS A MEDIA FILTRANTS 3 I.2.1. Présentation et fonctionnement des dépoussiéreurs à media filtrants 3 I.2.2. Perte de charge 4 I.2.2.1. Perte de charge d’un medium filtrant neuf 5 I.2.2.2. Evolution de la perte de charge avec le colmatage 5 I.2.2.3. Perte de charge lors du colmatage du medium en surface et considérations sur le gâteau de filtration 6 I.2.3. Efficacité de filtration 7 I.2.3.1. Définition 7 I.2.3.2. Evolution de l’efficacité avec le colmatage 8 I.3. LE DECOLMATAGE PNEUMATIQUE 9 I.3.1. Introduction sur le décolmatage des media filtrants 9 I.3.2. Mécanismes liés au détachement du gâteau lors d’un décolmatage pneumatique 10 I.3.2.1. Accélération-décélération du medium 10 I.3.2.2. Flux d’air à contre-courant 13 I.3.2.3. Zones d’action des mécanismes de décolmatage le long d’une manche filtrante 13 I.3.2.4. Profils de masse surfacique du gâteau résiduel le long d’une manche 14 I.3.2.5. Conclusions 15 I.3.3. Indicateurs de performance d’un décolmatage pneumatique 17 I.3.3.1. Perte de charge résiduelle 17 I.3.3.2. Fraction décolmatée 17 I.3.4. Paramètres conditionnant les performances du décolmatage pneumatique 18 I.3.4.1. Influence des conditions opératoires de filtration 18 I.3.4.2. Influence des paramètres de décolmatage 18 I.3.4.3. Influence des propriétés de la manche filtrante 20 I.3.4.4. Forces d’adhésion et de cohésion des particules du gâteau de filtration 21 I.3.4.5. Conclusions 22 I.4. PROBLEMES CLASSIQUES RENCONTRES SUR LES DEPOUSSIEREURS A DECOLMATAGE PNEUMATIQUE 23 I.4.1. Décolmatage par plaques 23 I.4.2. Compression du gâteau de particules 25 I.4.3. Augmentation progressive de la perte de charge résiduelle 26 I.4.4. Inhomogénéité dans la répartition des débits sur l’ensemble des éléments filtrants 28 I.4.5. Usure des éléments filtrants 29 I.4.6. Emission particulaire à l’aval des éléments filtrants 30 I.4.7. Redéposition des poussières décolmatées 33 I.5. CONCLUSIONS 35 MATERIEL ET METHODES II.1. PRESENTATION GENERALE DU DEPOUSSIEREUR PILOTE A MANCHES 37 II.2. MATERIEL ADDITIONNEL POUR L’ETUDE D’UNE MANCHE EN PHASE DE DECOLMATAGE (Chapitre IV) 42 II.3. MATERIEL ADDITIONNEL POUR L’ETUDE DE LA REPARTITION DES DEBITS (Chapitre V) 44 II.4. METHODES DE PRELEVEMENTS ET PRESENTATION DES AEROSOLS TESTS 45 II.4.1. Prélèvements en conduit 45 II.4.2. Caractérisation des aérosols tests 46 II.5. DESCRIPTION DU MEDIUM FILTRANT A L’ETAT NEUF 47 II.5.1. Propriétés physiques 47 II.5.2. Propriétés aérauliques 48 II.5.3. Efficacité initiale de filtration 50 II.6. INFORMATIONS LIEES AUX UTILISATIONS PONCTUELLES D’AUTRES BANCS D’ESSAIS 51 DESCRIPTION DES CYCLES DE FILTRATION III.1. INTRODUCTION 54 III.2. EVOLUTION DE LA PERTE DE CHARGE AU COURS DES CYCLES 55 III.2.1. Description pour les premiers cycles 55 III.2.2. Evolution de la perte de charge résiduelle et des durées de cycle 56 III.2.3. Conclusions 58 III.3. EVOLUTION DE LA CONCENTRATION NUMERIQUE EN PARTICULES A L’AVAL AU COURS DES CYCLES 59 III.3.1. Description pour les premiers cycles 59 III.3.2. Evolutions des pics de concentration numérique en particules au cours des cycles 60 III.4. CONCLUSIONS 62 ETUDE DES EFFETS D’UN DECOLMATAGE PNEUMATIQUE SUR LES MANCHES D’UN DEPOUSSIEREUR IV.1. INTRODUCTION 64 IV.2. DESCRIPTION DES EXPERIENCES 64 IV.3. RESULTATS POUR DES MANCHES NEUVES 66 IV.3.1. Description des phénomènes observés lors du décolmatage 66 IV.3.1.1. Comportement aéraulique d’une manche neuve 66 IV.3.1.2. Comportement mécanique d’une manche neuve 67 IV.3.2. Influence des paramètres sur une manche en phase de décolmatage 68 IV.3.2.1. Géométrie de la buse d’injection 68 IV.3.2.2. Paramètres de décolmatage 70 IV.3.2.3. Conditions opératoires de filtration 77 IV.4. RESULTATS POUR DES MANCHES COLMATEES AVEC PRESENCE DU GATEAU EN SURFACE 77 IV.4.1. Description des phénomènes observés lors du décolmatage 78 IV.4.1.1. Comportement aéraulique d’une manche colmatée avec présence du gâteau en surface 78 IV.4.1.2. Comportement mécanique d’une manche colmatée 79 IV.4.2. Influence des paramètres sur une manche en phase de décolmatage 81 IV.4.2.1. Géométrie de la buse d’injection 81 IV.4.2.2. Paramètres de décolmatage 81 IV.4.2.3. Conditions opératoires de filtration 85 IV.5. PROFILS DE MASSE SURFACIQUE RESIDUELLE SUR LE MEDIUM 86 IV.6. INFLUENCE DES PROPRIETES DES PARTICULES FILTREES 88 IV.7. CONCLUSIONS 90 REPARTITION DU DEBIT D’AIR FILTRE DANS UN DEPOUSSIEREUR A MANCHES V.1. INTRODUCTION 93 V.2. DESCRIPTION DES EXPERIENCES 93 V.3. REPARTITION DU DEBIT TOTAL SUR DES MANCHES NEUVES 95 V.4. REPARTITION DES DEBITS PAR MANCHE LORS DES CYCLES DE FILTRATION97 V.4.1. Dépendance de la répartition des débits avec la séquence de décolmatage imposée 97 V.4.2. Origines probables de l’inhomogénéité de la répartition des débits constatée après un décolmatage 99 V.4.2.1. Evolution dynamique des débits au cours d’un décolmatage pneumatique 99 V.4.2.2. Mise en évidence des influences de la redéposition d’une partie des poussières décolmatées et des forts débits transitoires lors du décolmatage 100 V.4.2.3. Inhomogénéité des débits filtrés par les manches d’un même rail 103 V.4.3. Etude des influences des conditions opératoires sur la répartition des débits 105 V.4.3.1. Influence de la pression initiale du réservoir d’air comprimé 105 V.4.3.2. Influence du temps de décolmatage 106 V.4.3.3. Influence de la perte de charge maximale avant décolmatage 108 V.4.3.4. Influence de la nature des particules 109 V.5. EVOLUTION DE LA REPARTITION DES DEBITS PAR MANCHE AU COURS DU COLMATAGE 111 V.6. CONCLUSIONS 116 V.7. MODELISATION DE LA PERTE DE CHARGE ET DE LA REPARTITION DES DEBITS AU COURS DES CYCLES 118 V.7.1. Hypothèses préliminaires 118 V.7.2. Mise en équation et procédure de calcul 120 V.7.2.1. Phase de décolmatage séquentiel rail par rail 121 V.7.2.2. Phase de colmatage 127 V.7.3. Résultats de la modélisation 128 V.7.3.1. Aérosol d’alumine2 128 V.7.3.2. Aérosol de bois2 132 V.7.4. Conclusions 135 ETUDE DES BOUFFEES DE CONCENTRATION EN PARTICULES EMISES A L’AVAL D’UN DEPOUSSIEREUR CONSECUTIVEMENT A DES DECOLMATAGES PNEUMATIQUES VI.1. INTRODUCTION 137 VI.2. ETUDE DES ORIGINES DE LA CREATION DES BOUFFEES DE CONCENTRATION EN PARTICULES 137 VI.2.1. Présentation des mécanismes et des sources de particules responsables des bouffées de concentration 139 VI.2.2. Méthode pour quantifier les contributions des sources à l’origine de la formation d’une bouffée de particules 141 VI.2.3. Etude de l’influence de certaines conditions opératoires 145 VI.2.3.1. Influence des propriétés de l’aérosol filtré 145 VI.2.3.2. Influence de la perte de charge uploads/Geographie/ 2005-simon-x.pdf