Eau pour la chaudière

Une installation de chaudière vapeur doit fonctionner en toute sécurité, avec un rendement maximal de combustion et de transfert de chaleur. Pour y parvenir et garantir une longue durée de vie avec peu de maintenance, l’eau de la chaudière peut être traitée chimiquement.

Eau pour la chaudière

Les objectifs opérationnels d’une installation de chaudière vapeur comprennent :

• Un fonctionnement sûr.
• Un rendement maximal de combustion et de transfert de chaleur.
• Un minimum de maintenance.
• Une longue durée de vie. La qualité de l’eau utilisée pour produire la vapeur dans la chaudière aura un impact profond sur la réalisation de ces objectifs. La chaudière doit fonctionner selon les critères suivants :
• Absence de dépôts calcaires - Si la dureté est présente dans l’eau d’alimentation et n’est pas contrôlée chimiquement, des dépôts se formeront sur les surfaces de transfert de chaleur, réduisant le transfert de chaleur et le rendement - rendant le nettoyage fréquent de la chaudière nécessaire. Dans les cas extrêmes, des points chauds localisés peuvent apparaître, entraînant des dommages mécaniques voire la rupture des tubes.
• Absence de corrosion et d’agression chimique - Si l’eau contient des gaz dissous, en particulier l’oxygène, une corrosion des surfaces de la chaudière, des tuyauteries et autres équipements est susceptible de se produire. Si la valeur du pH de l’eau est trop basse, la solution acide attaquera les surfaces métalliques. Si la valeur du pH est trop élevée et que l’eau est alcaline, d’autres problèmes tels que la mousse peuvent survenir. La fragilisation caustique ou la fissuration caustique doivent également être évitées afin de prévenir les défaillances métalliques. La fissuration et la fragilisation sont causées par une concentration trop élevée en hydroxyde de sodium. Les anciennes chaudières rivetées sont plus sensibles à ce type d’attaque ; cependant, des précautions restent nécessaires sur les chaudières modernes soudées au niveau des extrémités des tubes.

Vapeur de bonne qualité

Si les impuretés présentes dans l’eau d’alimentation de la chaudière ne sont pas traitées correctement, un entraînement d’eau de chaudière dans le système vapeur peut se produire. Cela peut entraîner des problèmes ailleurs dans le système vapeur, tels que :

• Contamination des surfaces des vannes de contrôle - Cela affectera leur fonctionnement et réduira leur capacité.
• Contamination des surfaces de transfert de chaleur des installations de procédé - Cela augmentera la résistance thermique et réduira l’efficacité du transfert de chaleur.
• Obstruction des orifices des purgeurs de vapeur - Cela réduira les capacités des purgeurs de vapeur et finira par entraîner la noyade de l’installation et une réduction de la production. L’entraînement peut être causé par deux facteurs :

1. L’amorçage - Il s’agit de l’éjection d’eau de chaudière dans la prise de vapeur et est généralement dû à l’un ou plusieurs des facteurs suivants : -Exploitation de la chaudière avec un niveau d’eau trop élevé. -Exploitation de la chaudière en dessous de sa pression nominale ; cela augmente le volume et la vitesse de la vapeur libérée de la surface de l’eau. -Demande de vapeur excessive.
2. La formation de mousse - Il s’agit de la formation de mousse dans l’espace entre la surface de l’eau et la prise de vapeur. Plus la quantité de mousse est importante, plus les problèmes seront importants. Les éléments suivants sont des indications et conséquences de la formation de mousse : -L’eau s’écoule goutte à goutte depuis la connexion vapeur du tube de niveau ; cela rend difficile la détermination précise du niveau d’eau. -Les sondes de niveau, les flotteurs et les cellules de pression différentielle ont des difficultés à déterminer avec précision le niveau d’eau. -Des alarmes peuvent être déclenchées et le ou les brûleurs peuvent même se « verrouiller ». Cela nécessitera une remise à zéro manuelle du panneau de commande de la chaudière avant de pouvoir rétablir l’alimentation. Ces problèmes peuvent être entièrement ou partiellement dus à la formation de mousse dans la chaudière. Cependant, comme la formation de mousse est inhérente à l’eau de chaudière, une meilleure compréhension de la mousse elle-même est nécessaire :

• Définition de la surface - La mousse sur un verre de bière repose au-dessus du liquide, et l’interface liquide/mousse est clairement définie. Dans un liquide en ébullition, la surface du liquide est indistincte, variant de quelques petites bulles de vapeur au fond du récipient à de nombreuses grandes bulles de vapeur en haut.
• L’agitation augmente la formation de mousse - La tendance est aux chaudières plus petites pour un débit de vapeur donné. Les chaudières plus petites ont moins de surface d’eau, donc la vitesse à laquelle la vapeur est libérée par mètre carré de surface d’eau est augmentée. Cela signifie que l’agitation en surface est plus importante. Il en résulte que les chaudières plus petites sont plus sujettes à la formation de mousse.
• Dureté - L’eau dure ne mousse pas. Cependant, l’eau de chaudière est délibérément adoucie pour prévenir la formation de dépôts calcaires, ce qui lui confère une propension à mousser.
• Substances colloïdales - La contamination de l’eau de chaudière par un colloïde en suspension, par exemple du lait, provoque une formation de mousse violente. Note : Les particules colloïdales ont un diamètre inférieur à 0,000 1 mm et peuvent traverser un filtre normal.
• Niveau de TDS - À mesure que le TDS de l’eau de chaudière augmente, les bulles de vapeur deviennent plus stables et ont plus de difficultés à éclater et à se séparer. Actions correctives contre l’entraînement Les alternatives suivantes sont ouvertes au responsable technique pour minimiser la formation de mousse dans la chaudière :
• Exploitation - Un fonctionnement régulier de la chaudière est important. Avec une chaudière fonctionnant sous charge constante et dans ses paramètres de conception, la quantité d’humidité entraînée avec la vapeur peut être inférieure à 2 %. Si les variations de charge sont rapides et de grande ampleur, la pression dans la chaudière peut chuter considérablement, provoquant des conditions extrêmement turbulentes lorsque le contenu de la chaudière se vaporise brutalement. Pour aggraver les choses, la réduction de pression signifie également que le volume spécifique de la vapeur augmente, et les bulles de mousse sont proportionnellement plus grandes. Si les conditions de l’installation sont telles que des changements importants de charge sont normaux, il peut être prudent d’envisager : -Des contrôles modulants du niveau d’eau de la chaudière si des contrôles tout ou rien sont actuellement installés. -Des « contrôles de limitation » qui limiteront le niveau de chute de pression autorisé dans la chaudière. -Un accumulateur de vapeur (voir Module 22 de ce Bloc). -Des contrôles « d’anticipation » qui amèneront la chaudière à sa pression maximale de fonctionnement avant l’application de la charge. -Des contrôles « d’ouverture lente » qui mettront l’installation en ligne sur une période prédéterminée.
• Contrôle chimique - Des agents antimousse peuvent être ajoutés à l’eau de la chaudière. Ils agissent en détruisant les bulles de mousse. Cependant, ces agents ne sont pas efficaces pour traiter les mousses causées par des solides en suspension.
• Contrôle du TDS - Un équilibre doit être trouvé entre : -Un niveau de TDS élevé avec son économie de fonctionnement associée. -Un niveau de TDS faible qui minimise la formation de mousse.
• Sécurité - Les dangers de la surchauffe dus au tartre et de la corrosion due aux gaz dissous sont faciles à comprendre. Dans les cas extrêmes, la formation de mousse, de tartre et de boues peut entraîner que les contrôles du niveau d’eau de la chaudière détectent des niveaux erronés, créant un danger tant pour le personnel que pour le procédé.

Traitement externe de l’eau

Il est généralement admis que, lorsque cela est possible sur les chaudières vapeur, le traitement principal de l’eau d’alimentation doit être externe à la chaudière.

Un résumé de la qualité de l’eau traitée pouvant être obtenue à partir des différents procédés, basé sur une alimentation en eau brute dure typique, est présenté dans le Tableau 3.9.2. Il s’agit de l’eau que l’installation de traitement externe doit traiter.

Les procédés de traitement externe de l’eau peuvent être listés comme suit :

• Osmose inverse - Un procédé où l’eau pure est forcée à travers une membrane semi-perméable laissant une solution concentrée d’impuretés, qui est rejetée comme déchet.
• Chaux ; adoucissement chaux/soude - Avec l’adoucissement à la chaux, la chaux hydratée (hydroxyde de calcium) réagit avec les bicarbonates de calcium et de magnésium pour former une boue éliminable. Cela réduit la dureté alcaline (temporaire). L’adoucissement chaux/soude (carbonate de sodium) réduit la dureté non alcaline (permanente) par réaction chimique.
• Échange d’ions - C’est de loin la méthode de traitement de l’eau la plus largement utilisée pour les chaudières à tubes de fumée produisant de la vapeur saturée. Ce module se concentrera sur les procédés suivants par lesquels l’eau est traitée : Échange basique, Désalcalinisation et Déméralisation.

Échange d’ions

Un échangeur d’ions est un matériau insoluble généralement fabriqué sous forme de billes de résine de 0,5 à 1,0 mm de diamètre. Les billes de résine sont généralement employées sous forme de lit tassé contenu dans un récipient sous pression en plastique renforcé de verre. Les billes de résine sont poreuses et hydrophiles - c’est-à-dire qu’elles absorbent l’eau. À l’intérieur de la structure des billes se trouvent des groupes ioniques fixes auxquels sont associés des ions échangeables mobiles de charge opposée. Ces ions mobiles peuvent être remplacés par des ions de même charge, provenant des sels dissous dans l’eau entourant les billes.

Adoucissement par échange basique

C’est la forme la plus simple d’échange d’ions et également la plus largement utilisée. Le lit de résine est initialement activé (chargé) en faisant passer une solution de saumure à 7-12 % (chlorure de sodium ou sel de table) à travers celui-ci, ce qui laisse la résine riche en ions sodium. Par la suite, l’eau à adoucir est pompée à travers le lit de résine et un échange d’ions se produit. Les ions calcium et magnésium déplacent les ions sodium de la résine, laissant l’eau circulante riche en sels de sodium. Les sels de sodium restent en solution à des concentrations et températures très élevées et ne forment pas de dépôts calcaires nocifs dans la chaudière. À partir de la Figure 3.10.1, on peut voir que les ions de dureté totale sont échangés contre du sodium. Avec l’adoucissement par échange basique sodium, il n’y a pas de réduction du niveau de solides dissous totaux (TDS en parties par million ou ppm) et pas de changement de pH. Tout ce qui s’est produit est un échange d’un groupe de sels formant potentiellement des dépôts nocifs contre un autre type de sels moins nocifs ne formant pas de dépôts. Comme il n’y a pas de changement du niveau de TDS, l’épuisement du lit de résine ne peut pas être détecté par une augmentation de la conductivité (TDS et conductivité sont liés). La régénération est donc déclenchée sur une base temporelle ou de débit total. Les adoucisseurs sont relativement peu coûteux à exploiter et peuvent produire de l’eau traitée de manière fiable pendant de nombreuses années. Ils peuvent être utilisés avec succès même dans les zones à forte dureté alcaline (temporaire) à condition qu’au moins 50 % du condensat soit retourné. Lorsqu’il y a peu ou pas de retour de condensat, un type plus sophistiqué d’échange d’ions est préférable. Parfois, un traitement d’adoucissement chaux/soude est employé comme prétraitement avant l’échange basique. Cela réduit la charge sur les résines.

Désalcalinisation

L’inconvénient de l’adoucissement par échange basique est qu’il n’y a pas de réduction du TDS et de l’alcalinité. Cela peut être surmonté par l’élimination préalable de l’alcalinité, ce qui est généralement obtenu par l’utilisation d’un désalcaliniseur. Il existe plusieurs types de désalcaliniseurs mais la variété la plus courante est présentée à la Figure 3.10.2. Il s’agit en réalité d’un ensemble de trois unités : un désalcaliniseur, suivi d’un dégazeur puis d’un adoucisseur par échange basique.

Désalcaliniseur

Le système présenté à la Figure 3.10.3 est parfois appelé adoucissement « à courants divisés ». Un désalcaliniseur serait rarement utilisé sans adoucisseur par échange basique, car la solution produite est acide et provoquerait une corrosion, et toute dureté permanente passerait directement dans la chaudière. Une installation de désalcalinisation éliminera la dureté temporaire comme le montre la Figure 3.10.3. Ce système serait généralement employé lorsqu’un très fort pourcentage d’eau d’appoint doit être utilisé.

Déméralisation

Ce procédé élimine pratiquement tous les sels. Il consiste à faire passer l’eau brute à travers des résines échangeuses de cations et d’anions (Figure 3.10.4). Parfois, les résines peuvent être contenues dans un seul récipient et on parle alors de déméralisation « à lit mélangé ». Le procédé élimine pratiquement tous les minéraux et produit de l’eau de très haute qualité contenant presque aucun solide dissous. Il est utilisé pour les chaudières à très haute pression telles que celles des centrales électriques. Si l’eau brute contient une grande quantité de solides en suspension, cela encrassera rapidement le matériau échangeur d’ions, augmentant considérablement les coûts d’exploitation. Dans ces cas, un prétraitement de l’eau brute tel que la clarification ou la filtration peut être nécessaire.

Choix de l’installation de traitement externe de l’eau

En examinant le Tableau 3.10.1, il est tentant de penser qu’une installation de déméralisation devrait toujours être utilisée. Cependant, chaque système a un coût d’investissement et un coût d’exploitation, comme l’illustre le Tableau 3.10.2, et les exigences de chaque installation doivent être évaluées.

Installation de chaudières à tubes de fumée

De manière générale, les chaudières à tubes de fumée sont capables de tolérer un niveau de TDS assez élevé, et les coûts d’investissement et d’exploitation relativement faibles des installations d’adoucissement par échange basique (voir Tableau 3.10.2) en font généralement le premier choix.

Si l’alimentation en eau brute a une valeur de TDS élevée, et/ou si le taux de retour de condensat est faible (<40 %), plusieurs options peuvent être envisagées :

• Un prétraitement à la chaux/soude qui provoquera la précipitation de la dureté alcaline hors de la solution sous forme de carbonate de calcium et d’hydroxyde de magnésium, puis son évacuation du réacteur.
• Une installation de désalcalinisation pour réduire le niveau de TDS de l’eau fournie à l’installation de chaudières.

Installation de chaudières à tubes d’eau

Les installations de chaudières à tubes d’eau sont beaucoup moins tolérantes aux niveaux de TDS élevés, et encore moins à mesure que la pression augmente. Cela est dû à plusieurs raisons, notamment :

• Les chaudières à tubes d’eau ont une surface d’eau limitée dans le rés de vapeur, par rapport au taux d’évaporation. Cela se traduit par des taux de libération de vapeur très élevés par unité de surface d’eau, et des turbulences.
• Les chaudières à tubes d’eau ont tendance à être de puissance plus élevée, peut-être plus de 1 000 tonnes/h de vapeur. Cela signifie qu’un même pourcentage de blowdown peut représenter une masse importante à évacuer.
• Les chaudières à tubes d’eau ont tendance à fonctionner à des pressions plus élevées, généralement jusqu’à 150 bar g. Plus la pression est élevée, plus l’énergie contenue dans l’eau de blowdown est importante. Des pressions plus élevées signifient également des températures plus élevées. Cela signifie que les matériaux de construction seront soumis à des contraintes thermiques plus élevées et fonctionneront plus proches de leurs limites métallurgiques. Même une petite contamination interne entravant le transfert de chaleur des tubes vers l’eau peut entraîner la surchauffe des tubes.
• Les chaudières à tubes d’eau incorporent souvent un surchauffeur. La vapeur saturée sèche provenant du réservoir de vapeur peut être dirigée vers des tubes de surchauffeur situés dans la zone de température la plus élevée du foyer. Tout entraînement d’eau contaminée avec la vapeur revêtirait l’intérieur des tubes du surchauffeur et inhiberait le transfert de chaleur avec des résultats potentiellement désastreux.

Les facteurs ci-dessus signifient que :

• Un traitement de l’eau de haute qualité est essentiel pour le fonctionnement sûr de ce type d’installation.
• Il peut être économiquement viable d’investir dans une installation de traitement de l’eau qui minimisera les taux de blowdown. Dans chacun de ces cas, le choix sera souvent une installation de déméralisation ou d’osmose inverse.

Résumé

La qualité de l’eau brute est évidemment un facteur important lors du choix d’une installation de traitement de l’eau. Bien que les niveaux de TDS affecteront les performances de la chaudière, d’autres problèmes, tels que l’alcalinité totale ou la teneur en silice, peuvent parfois être plus importants et alors dominer le processus de sélection de l’équipement de traitement de l’eau.