Traitement, stockage et blowdown de l'eau pour les chaudières vapeur

Un aperçu de la chimie des approvisionnements en eau, y compris la dureté et les valeurs de pH.

Avant de pouvoir discuter et comprendre le blowdown de chaudière, il est nécessaire d’établir une définition de l’eau ainsi que de ses impuretés et des termes associés tels que la dureté, le pH, etc.

L’eau est la matière première la plus importante sur terre. Elle est essentielle à la vie, elle est utilisée pour le transport et elle stocke l’énergie. On l’appelle également le « solvant universel ». L’eau pure (H2O) est inodore, incolore et sans saveur à l’état pur ; cependant, l’eau pure est très rare. Toutes les eaux naturelles contiennent divers types et quantités d’impuretés. Une bonne eau potable ne constitue pas nécessairement une bonne eau d’alimentation de chaudière. Les minéraux présents dans l’eau potable sont facilement absorbés par le corps humain et essentiels à notre bien-être. Les chaudières, cependant, sont moins capables de les supporter, et ces mêmes minéraux causeront des dommages dans une chaudière vapeur s’ils sont laissés en place. De l’ensemble des réserves d’eau mondiales, 97 % se trouvent dans les océans, et une partie importante est piégée dans les glaciers polaires - seul 0,65 % est disponible pour un usage domestique et industriel. Cette petite proportion serait bientôt consommée si ce n’était pas du cycle de l’eau (voir Figure 3.9.1). Après évaporation, l’eau se transforme en nuages, qui se condensent partiellement au cours de leur parcours puis tombent sur terre sous forme de pluie. Cependant, il est faux de supposer que l’eau de pluie est pure ; pendant sa chute vers la terre, elle captera des impuretés telles que l’acide carbonique, l’azote et, dans les zones industrielles, le dioxyde de soufre. Chargée de ces éléments, l’eau percole à travers les couches supérieures du sol jusqu’à la nappe phréatique, ou s’écoule à la surface du sol en dissolvant et collectant des impuretés supplémentaires. Ces impuretés peuvent former des dépôts sur les surfaces de transfert de chaleur qui peuvent :

• Provoquer une corrosion du métal.
• Réduire les taux de transfert de chaleur, entraînant une surchauffe et une perte de résistance mécanique. Le Tableau 3.9.1 montre les noms techniques et couramment utilisés des impuretés, leurs symboles chimiques et leurs effets.

Qualité de l’eau brute et variations régionales

La qualité de l’eau peut varier considérablement d’une région à l’autre en fonction des sources d’eau et des minéraux locaux (voir Figure 3.9.2). Le Tableau 3.9.2 donne quelques chiffres typiques pour différentes zones d’un pays relativement petit comme le Royaume-Uni. Les impuretés courantes dans l’eau brute peuvent être classées comme suit :

• Solides dissous - Ce sont des substances qui se dissolvent dans l’eau. Les principaux sont les carbonates et sulfates de calcium et de magnésium, qui forment des dépôts calcaires lorsqu’ils sont chauffés. Il existe d’autres solides dissous qui ne forment pas de dépôts calcaires. En pratique, tout sel formant des dépôts dans la chaudière doit être modifié chimiquement afin de produire des solides en suspension, ou des boues plutôt que des dépôts calcaires.
• Solides en suspension - Ce sont des substances qui existent dans l’eau sous forme de particules en suspension. Elles sont généralement d’origine minérale ou organique. Ces substances ne posent généralement pas de problème car elles peuvent être filtrées.
• Gaz dissous - L’oxygène et le dioxyde de carbone peuvent facilement être dissous par l’eau. Ces gaz sont des agents agressifs de corrosion.
• Substances formant des écumes - Ce sont des impuretés minérales qui moussent ou forment des écumes. Un exemple est le soude sous forme de carbonate, de chlorure ou de sulfate. La quantité d’impuretés présentes est extrêmement faible et elles sont généralement exprimées dans toute analyse d’eau sous forme de parties par million (ppm), en poids ou alternativement en milligrammes par litre (mg/l). Les sections suivantes dans ce module décrivent les caractéristiques de l’eau.

Dureté

L’eau est qualifiée de « dure » ou « douce ». L’eau dure contient des impuretés formant des dépôts calcaires tandis que l’eau douce en contient peu ou pas. La différence peut facilement être reconnue par l’effet de l’eau sur le savon. Beaucoup plus de savon est nécessaire pour faire une mousse avec l’eau dure qu’avec l’eau douce. La dureté est causée par la présence de sels minéraux de calcium et de magnésium et ce sont ces mêmes minéraux qui favorisent la formation de dépôts calcaires. Il existe deux classifications courantes de la dureté :

• Dureté alcaline (également appelée dureté temporaire) - Les bicarbonates de calcium et de magnésium sont responsables de la dureté alcaline. Les sels se dissolvent dans l’eau pour former une solution alcaline. Lorsque la chaleur est appliquée, ils se décomposent pour libérer du dioxyde de carbone et des dépôts mous ou des boues. Le terme « dureté temporaire » est parfois utilisé, car la dureté est éliminée par ébullition. Cet effet peut souvent être observé sous forme de dépôts calcaires à l’intérieur d’une bouilloire électrique. Voir les Figures 3.9.3 et 3.9.4 - cette dernière représentant la situation à l’intérieur de la chaudière.
• Dureté non alcaline et carbonates (également appelée dureté permanente) - Cela est également dû à la présence de sels de calcium et de magnésium mais sous forme de sulfates et de chlorures. Ceux-ci précipitent hors de la solution, en raison de leur solubilité réduite à mesure que la température augmente, et forment des dépôts durs, difficiles à éliminer. De plus, la présence de silice dans l’eau de chaudière peut également conduire à des dépôts durs, qui peuvent réagir avec les sels de calcium et de magnésium pour former des silicates pouvant gravement inhiber le transfert de chaleur à travers les tubes de fumée et provoquer leur surchauffe.

Dureté totale

La dureté totale ne doit pas être classée comme un type de dureté, mais comme la somme des concentrations d’ions calcium et magnésium présents lorsque ceux-ci sont exprimés sous forme de CaCO3. Si l’eau est alcaline, une proportion de cette dureté, égale en grandeur à l’alcalinité totale et également exprimée en CaCO3, est considérée comme dureté alcaline, et le reste comme dureté non alcaline (Voir Figure 3.9.5).

Sels ne formant pas de dépôts calcaires

Les sels non calcaires, tels que les sels de sodium, sont également présents et sont bien plus solubles que les sels de calcium ou de magnésium et ne formeront généralement pas de dépôts calcaires sur les surfaces d’une chaudière, comme le montre la Figure 3.9.6. Unités comparatives Lorsque les sels se dissolvent dans l’eau, ils forment des particules chargées électriquement appelées ions. Les parties métalliques (calcium, sodium, magnésium) peuvent être identifiées comme des cations car elles sont attirées par la cathode et portent des charges électriques positives. Les anions sont non métalliques et portent des charges négatives - bicarbonates, carbonate, chlorure, sulfate, sont attirés par l’anode. Chaque impureté est généralement exprimée sous forme d’une quantité chimiquement équivalente de carbonate de calcium, qui a un poids moléculaire de 100. Valeur du pH Un autre terme à considérer est la valeur du pH ; il ne s’agit pas d’une impureté ni d’un constituant mais simplement d’une valeur numérique représentant le potentiel hydrogène de l’eau - qui est une mesure de la nature acide ou alcaline de l’eau. L’eau, H2O, possède deux types d’ions - les ions hydrogène (H+) et les ions hydroxyle (OH-). Si les ions hydrogène prédominent, la solution sera acide avec une valeur de pH entre 0 et 6. Si les ions hydroxyle prédominent, la solution sera alcaline, avec une valeur de pH entre 8 et 14. S’il y a un nombre égal d’ions hydroxyle et d’hydrogène, alors la solution sera neutre, avec une valeur de pH de 7. Les acides et les alcalis ont pour effet d’augmenter la conductivité de l’eau au-dessus de celle d’un échantillon neutre. Par exemple, un échantillon d’eau ayant une valeur de pH de 12 aura une conductivité plus élevée qu’un échantillon ayant une valeur de pH de 7. Le Tableau 3.9.3 montre l’échelle de pH et la Figure 3.9.7 illustre les valeurs de pH déjà mentionnées numériquement et en relation avec des substances courantes.