Les laveurs de gaz sont des équipements destinés à éliminer les
polluants d'un flux gazeux, en le mettant en contact avec un liquide de
lavage. Le flux gazeux peut être un flux d'air provenant d'une
atmosphère de travail, de fumées de combustion, d'évent de respiration de bacs de stockage, ou encore d'un gaz de
procédé.
Bien
que partageant certains équipements, les absorbeurs de gaz qui traitent
des gaz quasi purs (synthèse d'acide, systèmes frigorifiques à
absorption, ...) sont confrontés à des contraintes différentes et ne
seront pas traités dans cette page.
Les polluants à
éliminer peuvent être des particules solides ou liquides en suspension,
des composés gazeux ou les deux simultanément.
Le gaz à épurer est
mis en contact avec un liquide qui entraînera les particules solides ou
absorbera les gaz par un mécanisme physico-chimique. Si le gaz et le
liquide sont à des températures différentes un échange thermique se
produira, ce qui peut parfois être l'objet principal de l'opération, ou
bien limiter l'efficacité de l'absorption.
Le liquide est souvent de
l'eau ou une solution aqueuse de réactif. Une huile lourde peut aussi
être utilisée pour absorber des vapeurs d'hydrocarbures.
L'épuration des gaz par lavage permet de:
- traiter des poussières inflammables avec un minimum de
risque
- simultanément absorber ou neutraliser un gaz corrosif et
éliminer des poussières
- simultanément refroidir et épurer un gaz
Le
principal inconvénient du lavage des gaz est qu'il génère un effluent
liquide qui doit être traité à son tour. Cependant une concentration
élevée en polluant dans l'effluent facilitera son traitement.
Les
polluants concernés par la technique de traitement par absorption sont
les composés odorants et les Composés Organiques Volatils (COV) non
odorants.
Principe
de l'absorption
L’absorption
d'un gaz par un liquide est un processus de transfert de masse d’un
composé de la phase gazeuse
vers la phase liquide. Les étapes successives sont:
- diffusion du composé au sein de la phase gazeuse vers la
surface du liquide
- condensation/dissolution du composé dans la phase liquide
- diffusion du composé au sein de la phase liquide
La vitesse d'adsorption est favorisée par:
- la turbulence du gaz qui permet de renouveler rapidement le
gaz en contact avec le liquide
-
la dispersion du liquide au sein du gaz, ou bien la dispersion du gaz
au sein du liquide qui augmente la surface de contact
- la turbulence du liquide qui permet de renouveler le
liquide en contact avec le gaz
L'absorption est limitée par:
- la solubilité du composé dans le liquide de lavage
- la température du liquide de lavage (la solubilité des gaz
diminue quand la température du liquide augmente)
Lorsque le composé transféré n’est pas modifié,
le processus est une simple absorption physique.
L'absorption d'un gaz dans un liquide s'accompagne le plus souvent d'une élévation de sa température (chaleur de dissolution).
Pour conserver au liquide sa capacité d'absorption maximale, il
convient d'éliminer cette chaleur de dissolution afin de le maintenir à une température la plus basse possible.
L’ajout dans la solution de
lavage de réactifs chimiques, permettant l’élimination des polluants et
modifiant par conséquent le profil de concentrations à proximité de
l’interface, favorise le transfert de la phase gazeuse vers la phase
liquide.
Solubilité
des gaz
Pour les gaz très dilués dans un inerte, leur solubilité dans un liquide est proportionnelle à sa pression
partielle dans le gaz. Elle est généralement exprimée par la loi de
Henry:
C = H.p
- H est le coefficient
de Henry. De nombreuses publications proposent des valeurs du
coefficient de Henry pour de nombreuses substances tant minérales
qu'organiques.
- p est la pression partielle du composant dans le gaz.
Même si sa fraction molaire dans le gaz reste inchangée, la pression
partielle d'un composant, et donc sa solubilité, augmente avec la
pression totale du gaz.
Contrairement aux liquides ou solides, la
solubilité des gaz diminue quand la température augmente; le
coefficient de Henry est donc lui-même fonction de la température.
Lorsque
le gaz réagit chimiquement avec le solvant, ce qui est le cas général
des gaz acides ou basiques avec l'eau ou les solutions aqueuses, le
coefficient de Henry ne donne la solubilité que de l'espèce qui n'a
pas réagit. La solubilité totale du gaz doit tenir compte en
plus
de la fraction ayant réagit avec le solvant.
Liquide de
lavage
Le choix d’un liquide de lavage adapté doit tenir compte des
contraintes suivantes:
- présenter une forte capacité d’absorption vis à vis des
composés à éliminer,
-
posséder une viscosité faible afin de faciliter sa mise en œuvre,
limiter les consommations énergétiques, et favoriser la turbulence
- avoir une pression de vapeur suffisamment basse afin
d’éviter qu’il ne devienne lui-même un polluant,
- ne pas présenter de risque pour la santé et la sécurité,
surtout dans le traitement de l'air avant rejet à l'atmosphère
- être inerte vis à vis des matériaux utilisés,
- être peu cher ou régénérable à faible coût.
L’eau
est largement utilisée en tant que solution de lavage lorsque les
composés à éliminer sont solubles ou dissociables dans l’eau, comme par
exemple pour éliminer l’ammoniac, les amines, les alcools, les acides
…. Cependant,
l’absorption à l’eau seule peut nécessiter une très grande quantité de
liquide ; l'ajout d'un réactif chimique permet d’éliminer en continu
les composés absorbés et par conséquent d’améliorer le
transfert de matière, et diminuer la quantité d'eau mise en oeuvre.
Sans réaction chimique, le polluant absorbé est préservé et peut
souvent être concentré, recyclé, .... Si une réaction chimique a été
mise en oeuvre, l'absorption génère le plus souvent un effluent qui
doit être traité à son tour.
D’autres liquides de lavage, ne permettant
pas la destruction des composés odorants mais pouvant améliorer le
transfert de matière, peuvent également être mis en œuvre.
Solutions
avec réactif chimique
Les réactions chimiques permettant l’élimination des composés peuvent
être de deux types suivant la nature des polluants :
Réactions
acide/base
L'absorption
d'un composé acide est favorisée par un liquide présentant un caractère
basique. C'est le cas des acides minéraux (HCl, HBr, HF), des acides
organiques (formique, acétique, ...), des anhydrides (CO2, SO2, SO3,
NO2, ...), mais aussi de la plupart des composés soufrés (H2S,
mercaptans, ...). Le liquide de lavage peut être une solution aqueuse
de soude ou de chaux, ou bien une amine lourde qui ne présente
d'intérêt économique que si sa régénération est possible.
Les composés azotés, tels que l’ammoniac
ont un caractère basique : un lavage à l’acide est alors préconisé.
Réactions
d’oxydation
L’utilisation
d’une solution oxydante va également permettre la régénération en
continu de la solution de lavage par oxydation des polluants. Les
oxydants les plus fréquemment rencontrés en désodorisation de gaz sont
l’hypochlorite de sodium (eau de javel), l’eau ozonée, le permanganate
de potassium et l’eau oxygénée. Il faut noter que l'hypochlorite de
sodium dans la solution de lavage présente l'inconvénient de former,
avec certains COV, des composés organo-chlorés.
Autres
liquides de lavage
Des
composés organiques hydrophobes (hydrocarbures aromatiques et
aliphatiques par exemple), peuvent être éliminés en utilisant des
solvants lourds, tels que des huiles minérales, des huiles de
silicone ou du polyéthylène glycol.
La vapeur d'eau peut être absorbée par des alcools lourds (souvent des
glycols).
Après
saturation, ces liquides peuvent être régénérés par distillation,
distillation sous vide ou stripping à la vapeur. Les composés récupérés
lors de la régénération sont concentrés et peuvent alors être récupérés
ou éliminés.
Configurations
des laveurs de gaz
Les
technologies les plus utilisées sont les colonnes à garnissage, les
tours à pulvérisation et atomisation. Notons qu’un pré-traitement des
gaz est souvent nécessaire avant de les introduire dans ces
contacteurs. C’est le cas par exemple de gaz poussiéreux pour lesquels
un dépoussiérage préalable est nécessaire afin d’éviter le colmatage du
garnissage ou d’effluents gazeux chauds qui doivent être refroidis afin
d’être ramenés à des températures ambiantes favorisant la solubilité.
De plus, il convient de prendre en compte le problème de corrosion lié
à l’emploi de solutions acides ou oxydantes. Des matériaux plastiques,
céramiques ou en acier inoxydable sont le plus souvent préconisés.
Les
colonnes à pulvérisation
Le
gaz est introduit dans une chambre dépourvue d'interne dans laquelle le
liquide de lavage
est pulvérisé par des buses. Gaz et liquide peuvent être à co-courant,
à contre-courant ou à courants croisés. La surface de contact entre gaz
et liquide est obtenue par la grande quantité de gouttelettes formées.
La dimension des gouttelettes
est choisie pour optimiser le contact avec le gaz, mais aussi pour
permettre sa séparation du gaz. Le liquide de lavage est de préférence
recyclé pour augmenter l'efficacité de l'opération. Si des particules
sont captées, elles ne doivent pas pouvoir boucher les buses de
pulvérisation.
La perte de charge sur le flux gazeux est faible mais
ce système est peu efficace pour l'élimination des particules solides.
Des chicanes peuvent être disposées pour améliorer la captation des
particules, mais elles favorisent la coalescence des gouttelettes de
liquide.
Les
colonnes à pulvérisation sont souvent utilisées comme prétraitement
avant une autre technologie. Les gaz chauds peuvent être refroidis par
évaporation du liquide pulvérisé. La majeure partie des composants
solides peuvent être abattus. On les trouve comme première étape de
traitement des effluents d'incinérateurs ou de traitements thermiques.
Les
cyclones à pulvérisation
Ils
combinent la technique des cyclones pour capturer les particules
et des colonnes à pulvérisation.
Le
flux gazeux entre dans la chambre tangentiellement et à haute vitesse.
La vitesse du gaz plaque les particules et les gouttelettes de
liquide sur la paroi du cyclone. Ceci autorise une
pulvérisation
du liquide en plus fines gouttelettes pour accroître l'efficacité de
l'opération.
La perte de charge sur le flux gazeux est plus
importante que pour les colonnes à pulvérisation, mais le besoin en
liquide de lavage est moindre.
Laveur Venturi
Le
gaz est
introduit dans une chambre présentant une zone convergente et suivie
d'une zone divergente. Le liquide est introduit à co-courant dans la
zone la plus étroite. L'expansion du gaz dans le divergent favorise la
dispersion des gouttelettes de liquide.
La perte de charge sur le
flux gazeux est parmi les plus élevées des systèmes de lavage de gaz,
mais c'est un système peu encombrant, facile à mettre en place et l'un
des plus efficace pour la captation de particules.
Le
venturi permet l'aspiration du gaz à traiter. Le liquide de lavage sert
alors de fluide moteur, permettant de s'affranchir d'un autre
équipement tel qu'un ventilateur ou un compresseur.
La
séparation du gaz et du liquide de lavage, en aval du venturi peut être
obtenue dans une capacité de plus forte section où la vitesse du gaz
est plus faible. Un cyclone disposé en aval peut aussi être utilisé.
Laveurs
à garnissage
Ils
contiennent un ou plusieurs lits de garnissage tel que des anneaux
Raschig, des selles de Berl, .... Le
fonctionnement est le plus souvent à contre-courant, le gaz circulant
de bas en haut
et le liquide de lavage s’écoulant par gravité de haut en bas sur le
garnissage. Le liquide de lavage doit être parfaitement distribué sur
toute la section de passage de la colonne. Un dévésiculeur peut être
disposé en partie haute de la colonne pour éliminer le liquide de
lavage qui pourrait être entraîné avec le gaz épuré.
Les
laveurs à garnissage comme les laveurs à plateaux sont particulièrement
recommandés pour les épurations poussées. La grande surface de contact
entre le gaz et liquide permet d'approcher les conditions d'équilibre.
Si le taux de recirculation du liquide du bas vers le haut de
la
colonne est faible ou nul, plusieurs étages théoriques d'absorption
peuvent être obtenus.
Le
choix du garnissage, élément essentiel de ce type de contacteur, est
dicté par la surface de contact offerte entre le gaz et le liquide
utilisé, le calcul des pertes de charge et son prix. Les garnissages
peuvent être de formes variées (anneaux, selles…), de matériaux
différents (céramique, verre, métal…) et être rangés ou disposés en
vrac.
Les
colonnes à garnissage sont principalement utilisées pour l'absorption
de polluants gazeux. La captation de particules solides est possible
mais risque de conduire à un colmatage du garnissage. Si
le gaz à épurer contient des particules solides, une disposition
horizontale est préférable, avec un fonctionnement à courants croisés.
Un
laveur à garnissage et courant croisé peut aussi être utile pour des
lavages complexes mettant en oeuvre plusieurs réactifs successifs (acide,
hypochlorite, soude par exemple). Plusieurs lits seront ainsi disposés
en série sur le parcours du gaz, chacun mettant en oeuvre un des
réactifs, sans qu'ils ne se mélangent.
Laveurs à
plateaux
Comme
les laveurs à garnissage, ils offrent une excellente efficacité de
captation des polluants solubles. Les technologies de plateaux peuvent être
identiques à celles utilisées en distillation.
Les plateaux perforés
ou à clapets peuvent être utilisés sur les services faiblement
encrassants. Les plateaux à cloches autorisent les rapports liquide /
gaz les plus faibles, mais sont très sensibles à l'encrassement par les
particules solides.
Pour les services encrassants et l'élimination de poussières, des
plateaux spécifiques sont souvent développés par les fournisseurs.
Etagement
des laveurs
Exemple
d'absorption d'acide chlorhydrique en trois étages:
Le
gaz à épurer contient des vapeurs d'acide chlorhydrique, qui doit être
absorbé dans l'eau. L'acide absorbé doit être valorisé sous la forme
d'une solution concentrée (30 à 35%). Le gaz est épuré en trois étapes
successives:
- lavage par une solution riche en acide dans un venturi
alimenté par la solution extraite de l'étage intermédiaire
-
lavage par une solution de concentration intermédiaire (10%) dans un
venturi . Cet étage est alimenté en solution pauvre en acide provenant
de l'étage final
- lavage final dans une colonne à garnissage alimenté en eau
fraîche, qui permet d'atteindre une épuration poussée
L'absorption étant exothermique, les solutions doivent être refroidies
Pour
maximiser l'efficacité d'un laveur de gaz, il est généralement
nécessaire d'adopter un débit de liquide le plus important possible.
Pour limiter le débit de purge de liquide et maximiser sa concentration
en polluant, le liquide de lavage est donc largement recyclé sur le
laveur. La contrepartie est qu'il devient alors difficile d'atteindre
un niveau poussé d'épuration en raison de l'équilibre existant entre la
composition du liquide et celle du gaz. Pour atteindre néanmoins une
épuration poussée, il faut procéder en plusieurs étages d'épuration;
par exemple:
- un premier étage traitera le gaz entrant par le liquide le
plus concentré en polluant d'où on prélèvera la purge
-
un étage intermédiaire traitera le gaz partiellement épuré sortant du
premier étage, par le liquide provenant du dernier étage
- un
dernier étage achever l'épuration du gaz avant sa sortie, au moyen d'un
liquide faiblement pollué et continuellement alimenté en liquide frais.
Application
des laveurs de gaz
Dépoussiérage
L’efficacité
d’un traitement de gaz par un procédé d’absorption dépend de la nature
des composés, de la solution de lavage utilisée, du type de contacteur
retenu et des conditions de fonctionnement.
Les performances d’épuration par lavage dépassent très souvent 95 %,
atteignant même plus de 98 % dans de nombreux cas.
Le domaine d’application des procédés
d’absorption est très large : les débits de gaz à traiter peuvent être
compris entre 1000 et 100 000 m
3/h et les
concentrations en polluants
peuvent varier de 200 mg/m
3 à 30 g/m
3
suivant le secteur d’activité.
Performance pour la captation de particules
Type de laveur |
Efficacité |
Perte de charge
Pa
(kW/1000m3/h) |
Débit liquide
m3/1000m3 |
Colonne à pulvérisation |
70%
(>10µm) |
800 - 4000
(0,2 - 1) |
0,1 - 3 |
Cyclone à pulvérisation |
90%
(>5µm) |
1500 - 5000
(0,5 - 1,5) |
0,3 - 1 |
Venturi |
98%
(>0,5µm) |
5000 - 15000
(1,5 - 5) |
0,4 - 2 |
Elimination
de vapeurs acides
Des
vapeurs acides sont générées par de nombreux procédés de l'industrie
chimique mais aussi dans la production de semi-conducteurs et de
batteries, de métaux, de verreries ou des installations de combustion.
Le lavage par une solution aqueuse de soude permet de convertir l'acide
en un sel soluble dans l'eau et non volatil.
Acide
chlorhydrique (HCl)
L'acide
chlorhydrique est par exemple courant dans les fumées de combustibles
contenant des chlorures ou des composés chlorés. La réaction de
neutralisation est la suivante:
HCl + NaOH ---> NaCl + H
2O
Acide
cyanhydrique (HCN)
L'acide
cyanhydrique peut être neutralisé par une solution de soude et converti
en cyanate moins toxique que le cyanure par une solution d'hypochlorite
(eau de Javel). Les réactions mises en jeu sont les suivantes:
HCN + NaOH ---> NaCN + H
2O
NaCN + NaOCl ---> NaCNO + NaCl
Le pH doit être maintenu entre 9 et 11 pour éviter la formation
chlorure cyanogène (CNCl) ou de trichlorure d'azote (NCl
3)
Hydrogène
sulfuré (H2S)
L'hydrogène
sulfuré est un polluant courant dans les activités de traitement des
eaux usées ou agricoles, qui doit être éliminé pour son odeur et son
caractère corrosif. L'hydrogène sulfuré peut être retiré par lavage par
une solution de soude. Il peut en plus être oxydé en sulfate par une
solution d'hypochlorite ou de peroxyde d'hydrogène (eau oxygénée).
Les réactions mises en jeu sont:
neutralisation
H2S + 2NaOH ---> Na2S
+ 2H2O
oxydation
H2S + 2NaOH + 4NaOCl ---> Na2SO4
4NaCl + 2H2O
H2S + 2NaOH + 2H2O2
---> Na2SO4 + 4H2O
Dioxyde
de soufre (SO2)
Le
dioxyde de soufre est courant dans les fumées de combustion. En
présence d'eau il forme un acide. L'eau oxygénée permet la production
d'acide sulfurique qui peut trouver un débouché commercial.
Il
peut être neutralisé par une solution de soude. Un excès de soude
produit une solution de sulfite, tandis qu'un défaut de soude produit
une solution de métabisulfite.
en présence
d'eau
SO2 + H2O
---> H2SO3
en présence
d'eau oxygénée
SO2 + H2O2
---> H2SO4
avec un excès de soude
H
2SO
3 + 2NaOH
---> Na
2SO
3 + 2H
2O
avec un défaut
de soude
2H2SO3 + 2NaOH
---> Na2S2O5
+ 3H2O
Elimination
des vapeurs d'halogène
Certaines
industries peuvent générer des émissions de chlore (Cl
2), de fluor (F
2)
ou de brome (Br
2). Ces composants sont très corrosifs et fortement
oxydants. Leur solubilité est importante dans les solutions aqueuses de
soude ou de potasse avec lesquelles ils réagissent. Ces solutions
constituent d'excellent liquides de lavage pour ces cas. Les réactions
mises en jeu entre le chlore et la soude par exemple sont:
à température ambiante
Cl2 + 2NaOH ---> NaCl + NaOCl + H2O
à partir de 75°C
3Cl
2 + 6NaOH ---> 5NaCl + NaClO
3
+ 3H
2O
Elimination
des vapeurs d'ammoniac
L'ammoniac
est un composé employé dans de nombreux procédé chimiques mais aussi
dans de nombreuse installations frigorifiques, ou encore est produit
dans les procédés de traitement des eaux résiduaires. Il est assez
soluble dans l'eau, de laquelle il peut être facilement extrait par une
simple distillation. Ceci permet de le récupérer d'un gaz procédé et le
recycler vers ce même procédé. Cependant, l'ammoniac présente une odeur
très forte et désagréable, telle que la teneur résiduelle dans les
effluents atmosphérique doit être extrêmement faible. Un lavage
avec un liquide acide permet alors sa transformation et sont
élimination sous la forme d'un sel totalement non volatil. L'acide
sulfurique qui est lui-même non volatil est recommandé. Les réactions
mises en jeu sont:
2NH
3 + H
2SO
4
---> (NH
4)
2SO
4
Elimination
des composants organiques volatils (COV)
Le flux gazeux à traiter peut provenir de la respiration de bacs de
stockage ou de postes de chargement d'expédition. Ces opérations sont
typiquement discontinues et peuvent être espacées dans le temps. Dans
ces situations le système de lavage devra répondre aux exigences suivantes:
- Adaptable à de fortes concentrations en polluants et à de brusques
variations de charge.
- Flexibilité et régularité de traitement
- Mise en route du procédé et redémarrage immédiats.
Le liquide de lavage sera le plus souvent une huile peu volatile
destinée à concentrer les polluants retenus, et régénérée par
distillation ou par stripage.
La distillation ou le stripage à la vapeur peut produire un distillat de composés organiques recyclages.
Le
stripage à l'air peut produire un flux d'air chargé de composants
organiques, régulier en débit et qualité, qui pourra plus efficacement
être traité par un incinérateur ou un lit biologique.
Inconvénients du traitement par absorption
Génère un effluent
L'absorption dans un liquide génère un effluent liquide qu'il faut ensuite traiter.
Le
dépoussiérage génère une suspension liquide dont la fraction solide
devra être extraite par décantation ou filtration, laissant un gâteau
solide parfois difficile à manipuler.
Dans certaines applications
cependant, l'absorption de poussières combustibles dans un liquide
combustible également peut générer une suspension directement
utilisable comme combustible.
L'absorption d'un gaz soluble dans le
liquide peut produire une solution très diluée, qu'il faudra
souvent concentrer pour pouvoir la recycler, ou qu'il faudra détruire.