Matériel métrologique mis en œuvre

Cette période a été complexe, car elle a montré certaines « incompatibilités » avec l’organisation des équipes, et il a fallu adapter la conduite du système, mettre en place des procédures, etc.

Cette période a pris plus de temps que prévu (environ 2 semaines de retard), et s’est étirée jusqu’à la fin du projet. Depuis, les équipes de La Méridionale travaillent encore à l’adéquation de la conduite du FAP et de l’organisation des équipes (cf chapitre BILAN).

2.7. Tâche 7 : Mesures émissions et validation système

C’est durant la dernière semaine de la période de mise en exploitation, soit début septembre 2019, que la société CERTAM devait effectuer les relevés d’émissions permettant de statuer sur les performances du système FAP en termes de réduction des émissions (SOx, NOx, particules, COV, métaux lourds).

Contractuellement avec Andritz et Solvay, le rapport compilant toutes les mesures réalisées durant la période de mise en d’exploitation devait être remis à La Méridionale par CERTAM dans les 2 semaines suivant la fin de la période de mesure, soit fin septembre.

Les mesures ont été principalement réalisées dans des conditions normales d’exploitation, c’est-à-dire à des niveaux de charge du moteur représentatives de situations de « route moyenne ». Des mesures à plus faibles charges, plus représentatives de la manœuvre, ainsi que des mesures à charge maximale ont également été faites.

Cette campagne de mesure a fait suite aux premiers essais réalisés entre le 17 et le 20 juin 2019 sur la liaison régulière Marseille – Bastia. Elle devait permettre de conforter les premiers résultats mais également d’apporter des informations supplémentaires, notamment au regard de la mesure des poussières totales en sortie du système de dépollution à l’aide d’une métrologie par prélèvement selon la norme ISO-23210.

2.7.1.

Matériel métrologique mis en œuvre

Quatre analyseurs, un système de dilution, une sonde de débitmètre et un dispositif de traitement d’air ont été nécessaires pour cette campagne.

- Un granulomètre Dekati ELPI+ pour la mesure en temps réel de la distribution et de la concentration particulaire ;

- Une microbalance TEOM, pour la mesure de la concentration massique particulaire PM1 en temps réel ;

- Deux compteurs à noyaux de condensation TSI Ptrak pour les mesures rapides en air ambiant (dans les zones de travail) ainsi que pour le contrôle des granulomètres et de la qualité de l’air comprimé, traité par nos soins (nécessaire à la dilution de l’échantillon) ;

- Une baie d’analyse FTIR GASMET CX4000, pour l’analyse des gaz ;

- Un préleveur diluteur Dekati FPS pour l’échantillonnage en continu et la dilution des aérosols (particules) ;

- Une sonde de débit de type « Pitot S », équipée d’une sonde de température pour la mesure du débit ;

- Un système de traitement d’air par adsorption, pour l’obtention d’un air de dilution très sec et exempt de particules.

L’ensemble de ce matériel a été installé au niveau du pont n°12, entre le casing tribord et le

« penthouse » contenant les filtres à manches. Il représente un volume total d’environ 3 à 4 m³ pour une masse de 500kg. Le chargement à bord a nécessité une manutention assez lourde. L’ensemble des éléments a pu être amené au pont supérieur au moyen d’un palan motorisé installé sur une potence.

Ces opérations de manutention/installation ont nécessité une journée entière de travail. Le démontage a lui été réalisé sur une demi-journée en fin de campagne.

2.7.1.1. Granulomètre ELPI (Electrical Low Pressure Impactor)

Le granulomètre ELPI permet de mesurer la concentration particulaire d’un aérosol par classe de taille.

Le résultat obtenu est la distribution granulométrique de l’aérosol étudié. Le spectre couvert s’étend de 10 nm à 10 µm. La taille des particules est obtenue par classification inertielle au moyen d’une rampe d’impacteurs montés en cascade et fonctionnant à basse pression. La concentration particulaire est calculée à partir de la mesure de la charge électrique portée par les particules.

2.7.1.1.1. Sélection des particules (taille)

Ce système utilise les propriétés inertielles et aérodynamiques des particules (diamètre de Stokes ou diamètre aérodynamique), contrairement aux analyseurs de mobilité électrique (de type SMPS et DMS) qui s’appuient sur leurs propriétés électriques et aérodynamiques (diamètre de mobilité électrique). Pour trier les particules en fonction de leurs propriétés inertielles, l’ELPI utilise une rampe d’impacteurs montés en cascade. Ils sont au nombre de 13, ce qui permet d’obtenir 13 classes de taille.

Les 13 impacteurs sont tous différents. Le premier est le plus large, il ne recueille que les plus grosses particules alors que le dernier, beaucoup plus étroit, récupère les particules de quelques dizaines de nanomètres. La figure 23 donne une illustration de ce principe. Le pied de la rampe est maintenu à très basse pression (40 mbar), ce qui permet d’augmenter la vitesse des particules afin d’impacter les plus fines. Un impacteur classique fonctionnant à pression atmosphérique ne permet généralement pas d’étudier les particules dont la taille est inférieure à quelques centaines de nanomètres. La rampe de 13 impacteurs est complétée par un étage de filtration permettant d’atteindre la taille de 10 nm (0,01 µm), soit 14 classes au total.

Figure 23 : Impacteur ELPI (d’après DEKATI)

2.7.1.1.2. Comptage des particules (concentration)

Le comptage est électrique dans le cas de l’ELPI. Chaque particule venant impacter sur un des plateaux de l’impacteur lui communique sa ou ses charges électriques. Le flux de charge entre le plateau et le système de mesure (électromètre) provoque un courant électrique. Pour compter les particules de cette manière, il faut imposer à l’aérosol étudié une loi de charge connue afin que les courants mesurés soient interprétables. C’est le rôle d’un chargeur à effet couronne placé à l’entrée du granulomètre et représenté sur la Figure 244. Ce type de détection, bien qu’élémentaire en principe, fait appel à des techniques de métrologie très sophistiquées car la sensibilité des électromètres destinés à mesurer les courants électriques est très élevée (femto-ampère).

Impacteur en

Figure 24 : ELPI chargeur corona (d’après DEKATI)

Figure 25 : Exemple de distribution (moteur diesel) diamètre de Stokes (µm)

0.01 0.1 1 10

dN/d(log(Dp)) /cm3

0 10⁷ 2.0x10⁷

Figure 26 : Electrical Low Pressure Impactor ELPI (Dekati)

2.7.1.2. Compteur complémentaire: PTRAK

Le compteur PTRAK est un compteur de type CNC (compteur à noyau de condensation). Il permet de mesurer toutes les particules dans la gamme (0,03 – 1 µm). Il est également facilement transportable, ce qui le rend très utile pour :

- Vérifier les granulomètres in-situ ;

- Vérifier la qualité de l’air de dilution utilisé ;

- Mesurer les concentrations particulaires ambiantes.

Figure 27 : PTRAK (d’après TSI)

Le comptage des particules est effectué par voie optique. Chaque particule passant dans la cellule de mesure du système diffuse une certaine quantité de lumière permettant de la détecter. Ce principe, très utilisé, notamment par les compteurs de type « salle blanche », présente toutefois une limitation physique majeure qui rend indétectables les particules les plus fines (<0,3 µm). Le compteur utilisé est un CNC. Il permet de régler ce problème et de descendre en taille jusqu’à 20 nm (0,02 µm). Le principe retenu consiste à augmenter artificiellement la taille des particules les plus fines par un procédé de nucléation afin de les rendre détectables.

Figure 28 : Principe de fonctionnement du CNC « compteur à noyau de condensation»

2.7.1.3. Concentration massique particulaire: TEOM

Le système de mesure TEOM « tapered element oscillating microbalance » permet de mesurer la concentration massique particulaire d’un aérosol. Il est basé sur l’utilisation d’une microbalance oscillante, associée à un filtre de collection, dont on cherche à mesurer la fréquence propre de résonance. Au cours du temps, le filtre collecte la matière particulaire transportée par l’aérosol jusqu’à l’appareil. Cette matière particulaire alourdit progressivement l’ensemble (filtre + microbalance), ce qui se traduit par une diminution de sa fréquence propre d’oscillation. Cette variation est directement liée à la variation de masse. La concentration massique est calculée par intégration temporelle.

Etant données les contraintes de prélèvement (longueurs de lignes, dilution) la mesure est limitée à la fraction PM1.

Figure 29 : Principe du TEOM (d’après R&P)

2.7.1.4. Analyse de Gaz FTIR GASMET

Le terme FTIR signifie infrarouge à transformée de Fourier, la méthode privilégiée de la spectroscopie infrarouge. Lorsque les rayons infrarouges (IR) traversent l’échantillon, certains sont absorbés par l’échantillon, tandis que d’autres le traversent (sont transmis). Le signal qui en résulte au niveau du détecteur est un spectre qui représente une “empreinte moléculaire” de l’échantillon. L’utilité de la spectroscopie infrarouge naît du fait que différentes structures chimiques (molécules) produisent différentes empreintes spectrales.

La FTIR utilise l’interférométrie pour enregistrer des informations sur une substance placée dans le faisceau infrarouge. La transformation de Fourier fournit des spectres que les analystes peuvent utiliser pour identifier ou quantifier une substance.

Le spectromètre FTIR GASMET CX4000 est un appareil transportable qui permet d’effectuer des mesures sur site directement à l’émission. L’ensemble du système est chauffé et régulé en température afin d’être utilisable directement sur des installations de combustion, sans dilution.

Figure 30 : Principe du FTIR

2.7.1.5. Echantillonnage et dilution

L’aérosol analysé est prélevé de manière continue au moyen d’une sonde iso-cinétique introduite dans la cheminée, il est ensuite conduit au système de dilution principal à chaud (FPS @ 150°C) via une ligne chauffée puis éventuellement re-dilué une seconde fois à froid avant d’être distribué aux différents analyseurs.

La platine NFX44 qui a été utilisée contient des sondes de différents diamètres permettant d’ajuster la vitesse de prélèvement à la vitesse débitante dans la cheminée. Ceci permet d’approcher au mieux les conditions d’iso-cinétisme.

- (1) première sonde (particules) - (2) deuxième sonde (analyse de gaz) - (3) troisième sonde (réserve)

- (4) quatrième sonde (réserve)

-

(5) orifice pour la mesure vitesse / température / débit

Figure 31 : Sondes de prélèvement

La dilution permet d’abaisser la concentration particulaire mais également le point de rosée afin de rendre possible la mesure.

Figure 32 : Dekati (à gauche) et diluteur FPS (à droite)

Le diluteur FPS est basé sur un éjecteur alimenté en air comprimé. Il contient une restriction (col) qui a pour effet de provoquer une dépression lorsqu’il est traversé par un écoulement. Les effluents sont ainsi aspirés dans la cheminée par effet venturi. Ce principe est moins perturbant pour la phase particulaire qu’une pompe mécanique. L’ensemble du système est régulé en température, étalonné et son débit de prélèvement est contrôlé sur site avant chaque utilisation.

Figure 33 : Principe de fonctionnement du FPS

2.7.1.6. Taux de dilution appliqué et température de prélèvement

Aucune dilution n’a été nécessaire pour l’analyse de gaz, en revanche pour les particules un taux moyen voisin de 100 a dû être appliqué afin de rendre compatibles les concentrations rencontrées avec la gamme de sensibilité des appareils. Ce taux de dilution permet également d’éviter tout risque de condensation d’eau dans les appareils de mesure. Le taux exact a été pris en compte dans les calculs.

Les températures de régulation étaient les suivantes : - Sonde : à la température de l’écoulement ;

- Lignes chauffées (entre sonde et appareils de mesure) : 180°C ;

- Analyseur FTIR : 180°C ; - Diluteur FPS : 150°C ;

- Dilution complémentaire (deuxième dilution) température ambiante ; - Microbalance TEOM : 50°C ;

- Granulomètre ELPI : température ambiante.

Dans le document TRAITEMENT DES PARTICULES FINES D UN NAVIRE DE COMMERCE (Page 26-33)