Le précipitateur électromagnétique

Frederick Cottrell (1877-1948 USA)

A la fin du XIXe siècle, les fumées d’usine étaient devenues partie intégrante du paysage urbain et suburbain. Frederick Cottrell (1877-1948 USA) déposa un brevet en 1908 pour un modèle de filtre électrostatique permettant de dépoussiérer les fumées et, simultanément, de récupérer les matériaux parfois réutilisables qu’elles dispersent dans l’atmosphère. Son modèle de précipitateur est aujourd’hui largement utilisé dans l’industrie et dans les incinérateurs. On l’appelle encore un Cottrell.

 Principe de fonctionnement

Fonctionnement du précipitateur électromagnétique

La fumée circule dans un conduit métallique (vitesse usuelle : quelques m/s) de type cylindrique. Le long de l’axe du cylindre, un fil métallique est porté à haute tension, typiquement plusieurs dizaines de milliers de volts.
Entre le fil central et le cylindre métallique, le champ électrique a une structure radiale. Il est donc plus intense au voisinage du centre, càd le fil. A partir de 3000 V/mm dans l’air très sec et 800 V/mm dans l’air très humide, il y a ionisation de l’air et un effet couronne (corona) s’établit autour du conducteur central : il y a ionisation partielle de l’air avec émission d’un flot d’électrons du centre vers la périphérie du tube (le fil central est porté à un potentiel négatif). Lorsque ces électrons rencontrent des poussières en chemin, ils s’y fixent et les entraînent vers le cylindre extérieur. Ces mêmes poussières se fixent alors sur les parois du tube. Il faut ensuite périodiquement secouer ou rincer le cylindre pour récupérer les agrégats de poussières qui s’y sont déposés. Les dispositifs industriels captent ainsi près de 99% des poussières émises par les fumées.

Les particules respirables ont un diamètre inférieur à 10 µm (millièmes de mm). Les particules de combustion contenues dans la fumée de tabac par exemple sont de très faible diamètre, souvent inférieur à 1 µm.

Schéma du champ du précipitateur électromagnétique

Les particules non respirables sont constituées d’allergènes comme les pollens ; leur diamètre peut aller jusqu’à 50 ou 100 µm. Les plus grosses particules ne séjournent pas longtemps dans l’air étant donnée leur tendance à sédimenter rapidement au sol et sur les surfaces voisines.

Les précipitateurs électrostatiques sont conçus pour filtrer les particules d’environ 5 µm de diamètre telles que celles présentes dans la poussière de ciment et les vapeurs acides.

En rouge: le fil central et la cheminée. En dégradé de couleurs: la valeur du champ électrique en fonction de l’écart au fil central. Bleu = faible champ électrique.

Notes sur les précipitateurs industriels

Bruxelles: l’incinérateur de Vilvorde, près de Bruxelles, est muni d’un tel dispositif.
Vapeurs acides : la précipitation électrostatique agit aussi sur les vapeurs acides ; dans ce cas, un liquide neutralisant (basique) coule directement le long des parois de la cheminée.

Les précipitateurs électrostatiques de fumées sont très utilisés à la sortie des usines brûlant du charbon et des cimenteries ainsi que dans les tunnels routiers.

Les modéles récents de précipitateurs utilisent un réseau de fils à effet de couronne suivi d’un groupe de plaques métalliques parallèles mises à la terre. Ces mêmes plaques sont fréquemment secouées afin de les débarrasser des poussières.

Il existe également des versions miniaturisées à usage domestique (purificateurs d’air).

Avantage sur le systèmes à filtre: le précipitateur électrostatique s’encrasse moins vite et permet de retenir des particules plus fines que les systèmes à filtres.

Pollution: les limites fixées par l’OMS en matière de pollution atmosphérique sont 360 µg/m³ pour les particules, 110 µg/m³ pour l’ozone et 150 µg/m³ pour les NOx.

Interception des virus, bactéries: apparemment celle-ci n’est que très partielle.

Défaut du procédé: la production non négligeable d’ozone qui est un polluant au niveau du sol.