Précipitateur Électrostatique (ESP) Expliqué

Qu'est-ce qu'un précipitateur électrostatique (ESP) ?

Un précipitateur électrostatique (ESP) est un dispositif utilisé pour capturer les particules de poussière générées ou libérées par divers processus industriels. L'objectif d'un ESP est de prévenir l'émission de ces particules dans l'atmosphère, où elles peuvent causer de la pollution. Les ESP sont installés dans de nombreux types d'usines industrielles, mais sont le plus souvent associés aux centrales thermiques, où ils font partie intégrante du système de traitement des gaz de combustion.  

Précipitateur Électrostatique

Le schéma ci-dessous illustre la position d'un ESP dans un système de traitement des gaz de combustion d'une centrale au charbon. Un autre composant essentiel utilisé pour le traitement des gaz de combustion est le désulfuriseur de gaz de combustion (FDG), également connu sous le nom de ‘tour de lavage’; la tour de lavage est représentée à gauche de l'ESP sur le schéma ci-dessous.

Système de Gaz de Combustion avec ESP en Évidence

Vous appréciez cet article ? N'hésitez pas à explorer nos cours vidéo d'ingénierie ! Chaque cours inclut un quiz, un manuel, et vous recevrez un certificat à la fin du cours. Profitez-en !

ESP dans les Centrales au Charbon

Dans les centrales électriques au charbon (et autres types de centrales thermiques), le charbon est brûlé dans la chambre de combustion (chaudière ou four) sous forme solide ou pulvérisée. Le charbon (carburant) est généralement introduit dans la chambre de combustion à l'aide d'un ventilateur à tirage forcé qui fournit l'air de combustion nécessaire. Les produits de combustion consistent généralement en gaz de combustion composés de fumée, de cendres volantes et de cendres lourdes. Les cendres lourdes tombent au fond du four et sont retirées périodiquement dans des trémies à cendres. La combinaison de cendres volantes et de fumée est éliminée par un ventilateur à tirage induit (ou des ventilateurs) et évacuée via la cheminée. Si un ESP est intégré au système de traitement des gaz de combustion, il est situé entre le ventilateur à tirage induit et la chambre de combustion.

Diagramme de Flux de Processus d'une Centrale au Charbon

Dans certaines industries, la poussière capturée par un ESP peut être vendue plutôt que jetée, mais cela dépend de nombreux facteurs, tels que l'emplacement, les propriétés de la poussière, la demande, etc.

Histoire

Dans le passé, aucune attention n'était accordée aux émissions de poussière des usines industrielles. Plus tard, les gouvernements ont réagi aux rapports des agences de protection de l'environnement et de l'industrie médicale concernant les effets nocifs des particules libérées dans l'atmosphère par les usines industrielles. Un exemple de ce type de particule est la cendre volante.

La cendre volante se compose d'oxydes de silicium, de fer, de calcium et d'aluminium; des substances nocives telles que le soufre sont également contenues dans la cendre volante. Des études sur les effets de la cendre volante chez l'homme ont révélé qu'elle peut causer des maladies respiratoires, ainsi que des cancers, des insuffisances cardiaques et certaines réactions immunologiques. D'autres poussières émises par les processus industriels, comme la poussière de charbon, sont également connues pour causer des maladies pulmonaires telles que la pneumoconiose. Mais les problèmes liés à la cendre volante ne concernent pas seulement les humains. Le déversement de cendre volante sur le sol augmente le pH du sol et nuit aux plantes et aux animaux de l'écosystème immédiat. Le déversement en grande quantité de cendre volante a été connu pour causer une lixiviation chimique dans le sol, avec des effets nocifs sur la vie marine aquatique.

Compte tenu des effets négatifs de la pollution incontrôlée, des législations ont été adoptées dans la plupart des pays pour réduire les particules nocives entrant dans l'atmosphère. Les lois sur la pollution de l'air adoptées il y a des années ont conduit au développement du précipitateur électrostatique et à son adoption généralisée. Comme de nombreuses cultures priorisent désormais la protection de l'environnement, il est probable que la législation devienne encore plus stricte, ce qui entraînera à son tour de nouvelles avancées dans la séparation des particules et des ESP toujours plus efficaces.

Aujourd'hui, les efficacités typiques pour l'élimination de la poussière d'un système de traitement des gaz de combustion varient entre 98% et 99,9%. Dans certaines industries, la poussière créée par l'usine a une valeur monétaire et les ESP peuvent capturer cette précieuse marchandise plutôt que de la laisser être expulsée dans l'atmosphère.

Comment Fonctionnent les Précipitateurs Électrostatiques - Basique

Le précipitateur électrostatique fonctionne en chargeant les particules dans un flux de gaz au fur et à mesure que le gaz traverse l'ESP. Ces particules chargées négativement sont attirées par de grandes plaques plates chargées positivement à l'intérieur de l'ESP, où elles s'accumulent progressivement sur les surfaces des plaques. Une fois qu'un nombre significatif de particules s'est accumulé sur les plaques, un mécanisme mécanique (système de frappe) frappe les plaques, la vibration résultante secouant les particules des plaques ; les particules tombent ensuite par gravité et sont collectées dans des trémies à la base de l'ESP.

Animation d'Assemblage ESP

Comment Fonctionnent les Précipitateurs Électrostatiques - Avancé

Les précipitateurs électrostatiques ont généralement une forme rectangulaire avec des trémies de collecte de poussière installées à leur base. Les principaux composants d'un ESP comprennent des électrodes/plaques collectrices, des électrodes de décharge, des écrans perforés d'entrée et de sortie, des isolateurs pour les électrodes de décharge, des frappeurs, et un ou plusieurs transformateurs électriques.

Composants Typiques d'un Précipitateur Électrostatique de Centrale Thermique

Écrans Perforés d'Entrée et de Sortie

Les ESP ont une entrée de gaz et une sortie de gaz. Le flux de gaz entrant dans l'ESP passe à travers des écrans perforés et est distribué uniformément à l'intérieur de l'ESP ; les particules entraînées dans le flux de gaz sont donc également distribuées uniformément à l'intérieur de l'ESP.

Électrodes de Décharge

Les électrodes de décharge se composent d'une série de fils disposés horizontalement à travers l'ESP et installés en plusieurs rangées. Chaque électrode de décharge est connectée à une alimentation haute tension, qui est fournie par un système électrique situé au sommet du boîtier de l'ESP. Les transformateurs électriques augmentent la tension primaire fournie (généralement ≈380V) à plusieurs milliers de volts (généralement entre 20 kV et 70 kV).

Pièces Typiques d'un Précipitateur Électrostatique de Centrale Thermique (gros plan)

Unité de Redressement

Le système électrique intègre une unité de redressement pour transformer la tension AC en tension DC. Cette transformation de la tension AC en tension DC est nécessaire pour obtenir le champ électrique requis qui ionisera les particules lorsqu'elles traversent l'ESP. La tension DC est alimentée aux électrodes de décharge, ce qui entraîne la génération d'un champ électrique négatif autour d'elles. Le champ électrique négatif autour des électrodes de décharge provoque une charge négative sur les particules, ce qui les amène à être attirées par les plaques collectrices chargées positivement.

Comment Fonctionnent les Précipitateurs Électrostatiques

Électrodes Collectrices

Les électrodes collectrices ont une forme rectangulaire longue et mince et sont également appelées plaques collectrices. La matière particulaire est attirée vers les plaques par la force électrostatique. Une fois que les particules se sont accumulées sur les plaques, il existe un mécanisme pour secouer les plaques, ce qui fait tomber les particules par gravité dans les trémies de collecte à la base de l'ESP.

Force Électrostatique

Système de Frappe

Le mécanisme utilisé pour secouer (frapper/heurter) les plaques est appelé système de frappe tandis que le processus est connu sous le nom de frappe. D'autres systèmes de frappe sont disponibles, les ESP humides utilisent de l'eau pour rincer les plaques, tandis que les ESP secs n'utilisent pas d'eau (le mécanisme mentionné précédemment est le type d'ESP sec).

Système de Frappe des Plaques Collectrices

Les frappeurs/marteaux sont connectés à un moteur électrique via une boîte de vitesses de réduction avec un arbre commun. Lorsque le système est démarré, les marteaux tournent et entrent en collision avec les plaques collectrices. Lorsque les marteaux frappent les plaques collectrices, les particules accumulées sur les surfaces des plaques collectrices sont libérées par les vibrations résultantes et tombent dans les trémies de collecte à la base de l'ESP.

Système de Transport

La poussière/particules est retirée des trémies via un système de transport; elle peut ensuite être déchargée directement dans un camion de fret, un wagon de train, une barge ou un navire. Une autre option est de décharger les particules recueillies dans des trémies d'usine de boues, où elles sont mélangées avec de l'eau pour former une bouillie. Si les particules ont une valeur monétaire, elles peuvent être transportées et stockées à sec dans un grand silo; c'est généralement le cas avec les cendres volantes car elles peuvent être vendues aux fabricants de ciment.  

Résumé du Fonctionnement des ESP

Le processus qui se déroule dans un ESP peut être résumé par le schéma ci-dessous.

 Flux de Processus du Précipitateur Électrostatique

Maintenance du Précipitateur Électrostatique

La maintenance d'un précipitateur électrostatique se concentre principalement sur les composants mécaniques et électriques. Les problèmes courants suivants peuvent entraîner une réduction de l'efficacité de l'ESP :

• Perte du champ électrique due à la rupture du fil de décharge - cela se produit généralement en raison de l'érosion des pièces par les particules de poussière, ou en raison du remplissage excessif des trémies de collecte qui entraîne un court-circuit de certains des fils de décharge ; un scénario de remplissage excessif est montré dans l'image ci-dessous.

Précipitateur Électrostatique Surchargé (côté électrodes collectrices)

• Incapacité du système de frappe à éliminer la poussière des plaques collectrices en raison de la perte d'entraînement sur le système de frappe - cela se produit généralement lorsque la goupille de cisaillement du moteur se cisaille en raison d'un roulement grippé sur l'arbre commun.

Les défauts ci-dessus ne peuvent être corrigés que lorsque l'ESP est hors charge (hors ligne). Les travaux de maintenance impliquent d'entrer à l'intérieur de l'ESP et d'inspecter visuellement les composants et les pièces.  Pour entrer dans l'ESP, les trémies peuvent devoir être vidées d'abord. Pour cette raison, les travaux de maintenance sont généralement effectués sur plusieurs jours. Pendant une interruption à long terme, les tâches de maintenance suivantes sont généralement effectuées (selon la conception de l'ESP) :

• Lavages/rinçages du précipitateur.
• Tests à l'air immobile pour vérifier la force du champ électrique développé autour des électrodes de décharge.
• Redressement des électrodes de décharge et collectrices pliées.
• Remplacement des plaques collectrices usées.
• Remplacement des électrodes de décharge endommagées.
• Rénovation des ensembles de roulements de frappeurs.
• Remplacement des marteaux de frappe endommagés.

La maintenance des composants électriques de l'ESP implique généralement de vérifier les isolateurs des électrodes de décharge pour détecter les dommages et la fonctionnalité des moteurs et des transformateurs de tension. Les transformateurs de tension sont généralement de conception hermétique et doivent être entretenus conformément au plan de maintenance des machines électriques de l'usine.

Conseil – la maintenance des transformateurs électriques des ESP est souvent négligée en raison de leur emplacement (au sommet de l'ESP). Bien que les transformateurs électriques soient très fiables, il y a eu des cas où les transformateurs ESP ont échoué et ont pris feu ; cela est particulièrement problématique avec les transformateurs hermétiques car ils contiennent de l'huile minérale. En raison de l'emplacement du transformateur ESP au sommet de l'ESP, il est difficile d'éteindre l'incendie même lorsque les pompiers arrivent avec des équipements et des machines spécialisés. Pour cette raison, l'incendie peut être laissé à ‘brûler’ de manière contrôlée, avec un temps d'arrêt significatif (temps d'arrêt non programmé) en résultant.

Ressources Supplémentaires

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_precipitator

https://www.babcock.com/resources/learning-center/basic-esp-operation

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Electrostatic_precipitator

https://power.mhi.com/products/aqcs/lineup/dust-collector