Traitement des eaux de chaudière vapeur.

Les générateurs de vapeur

Qualité de la vapeur et de l'eau
Caractéristiques de l'eau et pathologies.
Primage
Incrustations
Corrosions
Objectifs du traitement de l'eau d'appoint
Élimination et/ou séquestration des gaz
Dégazage de l'eau alimentaire

 

Une chaudière à tubes de fumées
d'une centaine de kW.
Une des plates-formes du lycée Maximilien Perret.

Chaudière bi-combustible : gaz (canalisation en jaune à gauche) ; fuel (canalisations aller et retour en violet à droite).

Cycle de l'eau dans un réseau vapeur.

La vapeur est un fluide de process couramment utilisé de par ses caractéristiques physiques (pression, température), chimiques (absence d'impuretés minérales ou organiques si certaines précautions sont prises), et bactériologiques.

Son cycle peut être représenté par le schéma ci-contre.

La production de vapeur se fait à partir d'une chaudière ou d'un vaporiseur dont le timbre définit la limite maximale de la pression de production.

Les générateurs de vapeur utilisés peuvent être :

Une classification arbitraire permet de distinguer :

La vapeur est ensuite convoyée vers les utilisations par un réseau de canalisations en acier et parfois, pour les branches terminales, en cuivre.

L'utilisation peut être en vapeur perdue (c'est à dire absorbée par le process : humidification, réchauffage par barbotage,...) ou avec récupération des condensats et leur renvoi ou non à l'unité de production (ce choix peut être économique, ou lié à des impératifs techniques).

En cas de récupération des condensats, ceux-ci peuvent avoir été pollués par le process.

Ils sont ensuite renvoyés vers la chaudière et peuvent être retraités avant réutilisation.

Les pertes de vapeur inhérentes aux process et aux nécessités techniques doivent être compensées par un apport d'eau neuve qui est traitée afin de l'amener aux caractéristiques recommandées par le constructeur.

Si l'on appelle : Qu : débit massique de vapeur utilisée ; Qr : débit massique de condensats retournés en chaufferie ; le débit d'eau neuve doit au moins être égal à Qu-Qr. Voir la valeur réelle du débit d'eau d'appoint sur la page : "Déconcentration".

La réglementation prévoit pour la sécurité des appareils à vapeur une limite séparative des domaines de la basse pression et de la haute pression fixée à 0,5 bar. La distinction doit être faite entre les conditions de fonctionnement (pression, température qui influent sur les caractéristiques physiques et chimiques), et donc le traitement réalisé, et les conditions réglementaires.

à tubes d'eau : l'eau circule dans les tubes ; l'enveloppe de la chaudière est soumise à une pression proche de la pression atmosphérique.

à tubes de fumées : l'enveloppe de la chaudière est soumise à une pression égale à celle de la vapeur ; son épaisseur doit donc être conséquente.

Qualité de la vapeur et de l'eau.

La vapeur peut être considérée comme polluée pour diverses raisons :

Les deux premiers points dépendent pour beaucoup de la soupe que l'on fait bouillir... de part sa viscosité.

Le troisième, dépend du dégazage auquel est soumise l'eau alimentaire. Remarque : le CO2 provient aussi de la dissociation des bicarbonates.

D'autre part les nécessités de protection des équipements de production, de distribution de vapeur et de collecte des condensats obligent l'utilisation de substances qui peuvent être toxiques, colorantes, ou qui modifient les paramètres organo-leptiques.

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.

Voir la page "Qualité des eaux pour les générateurs de vapeur"

Caractéristiques de l'eau et pathologies.

L'eau brute contient :

Les minéraux dissous auront pour conséquence :

Les gaz interviendront quant à eux :

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 condensats.

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 : Voir graphe.

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".
Essayons de réchauffer la purée - ou la soupe de légumes - de la veille dans une casserole.
Si le "feu" est trop poussé de grosses bulles de vapeur explosent en surface et entraînent de la matière...

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. (voir équilibre calco-carbonique)
  • 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 et peuvent provoquer des coups de feu.
  • Ils sont générateurs de corrosion en devenant zones anodiques d'une corrosion par l'oxygène dissous.

Les boues non adhérentes se déposent en fond de chaudière pour les plus denses ou restent en suspension et peuvent être entraînées avec la vapeur et ainsi la polluer.

Une photo de chaudière "embarquée" sur le site de l'ENMMM.

Petit test :

 

Une photo de turbine sur le site de l'ENMMM.

Voir "Dégradations des matériaux".

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,
  • ... voir figure : pathologies des installations vapeur.
  • La présence de dioxyde de carbone dans la vapeur peut amener une corrosion prématurée des réseaux par sa redissolution dans les condensats. En effet le pH des condensats chute rapidement avec des concentrations en dioxyde de carbone croissantes : voir diagramme.

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 :

L'eau alimentaire peut être dégazée par élévation de température dans la bâche alimentaire.

L'oxygène peut être réduit par réaction avec :

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 :

Cette chaudière est :

    à tubes de fumées ?

    à tubes d'eau ?

Bâche de stockage pour une production de vapeur : elle sert aussi de bâche de réchauffage et de dégazage.