LA CHAUDIERE
La vapeur est générée en chauffant un important volume d’eau, au moyen de fumées produites par combustion de gaz ou fioul et circulant dans des tubes immergés. C’est la technique la plus classique pour la production de vapeur saturée, d’eau ou de vapeur surchauffée.
Qualité de la vapeur et de l'eau.
La vapeur peut être considérée comme polluée pour diverses raisons :
- titre en liquide trop élevé,
- présence de matières minérales incompatibles avec les process,
- présence de gaz (incondensables),
- présence de substances toxiques, colorantes, ou qui modifient les paramètres organoleptiques.
Le dégazage auquel est soumise l'eau alimentaire élimine le CO2 provenant de la dissociation des bicarbonates.
D'autre part les nécessités de protection des équipements de production, de distribution de vapeur et de collecte des condensas obligent l'utilisation de substances qui peuvent être toxiques, colorantes, ou qui modifient les paramètres organoleptiques.
Leur présence peut être incompatible avec son utilisation.
La qualité de l'eau brute est généralement insuffisante pour permettre son utilisation sans préparation. Le traitement devra permettre de respecter le cahier des charges de l'utilisateur et du producteur.
Caractéristiques de l'eau et pathologies.
L'eau brute contient :
- des minéraux dissous : cations, anions ;
- des gaz : O2, N2, CO2;
- des matières en suspension (MES), qui pour le cas de l'eau de réseau eau de ville, sont en quantité normalement négligeable. On veillera tout de même à réaliser une filtration afin d'éviter de voir leur teneur en chaudière augmenter dans une trop forte proportion.
Les minéraux dissous auront pour conséquence :
- d'augmenter la viscosité de l'eau donc de diminuer les possibilités d'échange thermique et de déplacement des bulles de vapeur amenant le phénomène de primage,
- la création de dépôts au contact des parois chaudes.
Les gaz interviendront quant à eux :
- pour l'ensemble des gaz : de part leur pression partielle (action sur la température), de part le volume qu'ils peuvent occuper (diminution des coefficients d'échange thermique, blocage des process).
- pour l'oxygène de part son pouvoir oxydant.
Le cas du dioxyde de carbone est particulier car il se trouve en présence importante en chaudière du fait de la dissociation des carbonates : il a pour conséquence une acidification des condensas.
L'eau de chaudière peut de plus, contenir des polluants provenant des retours de condensats. Dans ce cas un retraitement doit être envisagé pour permettre de les dépolluer.
Trois pathologies sont donc à craindre : primage, incrustations et corrosion
Primage.
La vaporisation de l'eau s'accompagne de l'entraînement de gouttes d'eau qui contiennent des sels minéraux dissous ou des matières en suspension.
Les vésicules d'eau polluent la vapeur et la rendent érodante vis à vis des parois qu'elles peut rencontrer.
Les minéraux et les MES quant à eux, sont susceptibles de se déposer en aval lors d'une surchauffe de la vapeur ou d'être entraînés dans le flux de vapeur la rendant impropre à certaines utilisations (dans le cas du turbinage ces sels sont extrêmement dangereux car ils induisent un balourd du rotor pouvant aller jusqu'à sa rupture).
Le primage peut avoir pour origine :
- une mauvaise conception de la chaudière,
- un puisage trop important qui fait chuter la pression et amène une forte ébullition,
- une viscosité de l'eau trop élevée,
- la présence de MES,
- la présence de produits tensioactifs qui en abaissant la tension superficielle augmente le "moussage".
Incrustations.
Les dépôts peuvent provenir :
- de la précipitation de sels minéraux qui se trouveront en grande concentration, et à une température élevée qui entraîne une baisse de la solubilité des carbonates alcalino-terreux. (v
- des produits de la corrosion.
Les dépôts les plus dangereux pour la bonne marche de la chaudière seront les tartres adhérents aux surfaces d'échange :
- Ils diminuent les sections de passage pour les chaudières à lames ou tubes d'eau et amène une diminution de l'irrigation des surfaces d'échange.
- Ils augmentent la résistance thermique des surfaces d'échange et provoquent des surchauffes qui diminuent la résistance mécanique des aciers
- Ils sont générateurs de corrosion en devenant zones anodiques d'une corrosion par l'oxygène dissous.
Corrosions.
Les surfaces d'échange des chaudières côté fumées et côté eau subissent des corrosions.
Pour le côté eau les corrosions ont pour origine :
- la présence d'oxygène dissous. La corrosion par l'oxygène est accélérée par la présence de dépôts qui créent des zones anodiques,
- un pH trop faible qui autorise une corrosion acide,
- un pH trop élevé qui dissout la magnétite, oxyde naturellement protecteur de l'acier qui se forme à partir de 100ºC,
- des piles bimétalliques du fait des hétérogénéités de température ou de nature de métal,
- une minéralisation trop élevée,
- La présence de dioxyde de carbone dans la vapeur peut amener une corrosion prématurée des réseaux par sa dissolution dans les condensats. En effet le pH des condensats chute rapidement avec des concentrations en dioxyde de carbone croissantes :
Objectifs du traitement de l'eau d'appoint.
Le traitement a pour objectifs de limiter les concentrations en minéraux, d'en éliminer les plus nocifs et en particulier les alcalino-terreux et de bloquer ou limiter l'action des gaz.
Les traitements fondamentaux sont :
- une élimination des MES véhiculées par l'eau,
- une déminéralisation plus ou moins poussée en fonction du taux de concentration admissible.
Les filières utilisées dépendent de la ressource en eau :
- prélèvement sur le réseau eau de ville,
- prélèvement dans le milieu naturel qui se justifie par la nécessité de limiter le coût de la matière première lorsque la consommation devient élevée.
Les filières d'épuration feront appel à :
- une élimination des matières en suspension par floculation ou/et filtration,
- une élimination des minéraux par précipitation et/ou par échange d'ions.
D'autre part un traitement thermique de l'eau d'appoint est nécessaire pour :
- amener l'eau à une température acceptable en entrée de générateur,
- éliminer naturellement les gaz dissous.
Un conditionnement est par ailleurs nécessaire afin de protéger le générateur et le réseau contre d'inévitables corrosions.
Dégazage de l'eau alimentaire.
La dissolution des gaz dans l'eau dépend :
- de la température de l'eau,
- de la pression partielle du gaz à l'interface de l'eau et de l'atmosphère.
La loi de Henry permet la détermination des concentrations limites des différents gaz, en régime statique. Elles permettent de préfigurer les traitements envisageables :
- réchauffage,
- mise en dépression.
Le traitement thermique permet de laisser la bâche de dégazage sous une pression qui contrecarre les infiltrations d'air.
On peut envisager des concentrations inférieures à 0,01 mg.l-1 pour une eau dégazée dans une bâche maintenue à 103/105ºC.
Elimination et/ou séquestration des gaz.
Les gaz proviennent :
- de l'eau alimentaire : oxygène, azote, dioxyde de carbone,
- de la décomposition des carbonates pour la plus grande part du dioxyde de carbone,
- de produits de réaction de la réduction de l'oxygène par l'hydrazine pour la plus grande part de l'azote.
L'eau alimentaire peut être dégazée par élévation de température dans la bâche alimentaire.
L'oxygène peut être réduit par réaction avec :
- le sulfite de sodium qui a pour inconvénient d'augmenter la salinité,
- l'hydrazine dont les produits de réaction avec l'oxygène sont l'eau et l'azote,
- les tannâtes ou les ligno-sulfates dont les produits de réaction sont l'eau, des traces de dioxyde de carbone et pour les derniers des traces de sulfates.
Le dioxyde de carbone est séquestré par l'action de composés ammoniaqués/aminés pour les vapeurs industrielles.
L'utilisation de l'ammoniac et de certains composés aminés devra être évitée en cas de présence de cuivre dans le réseau.
Le choix et le dosage des réactifs dépendent essentiellement :
- de la pollution admise de la vapeur,
- des formulations employées.
