Concepts avancés de traitement de l'eau de refroidissement (Partie 1)

Les problèmes décrits ici conduisent à un abandon substantiel des programmes traditionnels de traitement du tartre/corrosion de l'eau de refroidissement.

Note de l'éditeur : Ceci est le premier d'une série en plusieurs parties par Brad Buecker, président de Buecker & Associates, LLC.

Les installations électriques et de cogénération disposent de plusieurs systèmes de refroidissement pour divers processus de l'usine tels que la condensation de la vapeur, le contrôle de la température des réacteurs chimiques, le refroidissement des roulements des équipements rotatifs, le refroidissement de l'huile de lubrification et bien d'autres.

Les systèmes de refroidissement doivent être protégés contre la corrosion, le tartre et l'encrassement microbiologique pour optimiser les performances et éviter les perturbations susceptibles d'arrêter partiellement ou complètement les opérations de l'usine. Une représentation de ces questions et de leur interdépendance est présentée ci-dessous.

Un quatrième facteur, de plus en plus important, est l'impact potentiel sur l'environnement de la chimie du traitement de l'eau, en particulier en ce qui concerne les produits chimiques qui pourraient apparaître dans les rejets de l'usine. Les programmes de traitement qui étaient autrefois courants peuvent ne plus être autorisés ou peuvent être sévèrement restreints en raison des réglementations sur les congés.

Dans cette série, nous examinerons les concepts de traitement pour minimiser ces problèmes dans les réseaux de refroidissement, y compris les systèmes à passage unique, les systèmes à recirculation ouverte avec tours de refroidissement et les systèmes fermés. Les programmes de traitement ont considérablement évolué au cours des dernières décennies, avec des recherches supplémentaires en cours.

Les problèmes de traitement de l'eau les plus complexes surviennent généralement dans les systèmes à recirculation ouverte, où une tour de refroidissement ou une version hybride de celle-ci constitue le cœur du système. La figure 2 décrit le circuit d'écoulement de base d'un système basé sur une tour de refroidissement.

Plusieurs aspects de ces systèmes améliorent, ou le meilleur mot est peut-être exacerbe, le potentiel d'entartrage, d'encrassement et de corrosion. Le plus important est que la majeure partie du transfert de chaleur dans une tour se produit à partir de l'évaporation d'une petite quantité, peut-être 2 à 3 %, de l'eau de retour chaude.

(Pour ceux qui souhaitent en savoir plus sur la conception des tours de refroidissement et le transfert de chaleur fondamental, les références 1 à 3 fournissent des informations supplémentaires. Un examen de ces références sera utile pour comprendre cette série. En outre, une merveilleuse ressource pour des informations détaillées sur l'eau de refroidissement et le système de refroidissement. est le Cooling Technology Institute sur www.cti.org.)

Au fur et à mesure que l'eau s'évapore, les solides dissous et en suspension se concentrent, ce qui augmente le potentiel d'entartrage/corrosion de l'eau de refroidissement. Les systèmes à recirculation ouverte sont généralement équipés de commandes de purge pour évacuer l'eau concentrée et la remplacer par un appoint frais, mais la purge n'offre généralement qu'une solution partielle au contrôle du tartre/de la corrosion.

Les tours de refroidissement sont également des épurateurs d'air très efficaces. Ainsi, ils éliminent la poussière, les particules et les microbes en suspension dans l'air, ces derniers entrant également avec l'eau d'appoint. Sans traitement approprié, l'environnement chaud et humide des systèmes de refroidissement permet une croissance microbiologique rapide qui encrasse les composants du système de refroidissement, y compris les échangeurs de chaleur et le remplissage de la tour de refroidissement.

Dans une large mesure, les méthodes de traitement du tartre et du contrôle de la corrosion ont évolué ensemble ; et dans les deux premières parties de cette série, nous examinerons des aspects importants de cette histoire et l'émergence de technologies plus efficaces. Les versions ultérieures de cette série examineront l'encrassement et le contrôle microbiologiques, qui sont souvent les principales préoccupations du traitement de l'eau de refroidissement.

Au milieu du siècle dernier, une méthode de traitement tartre/corrosion très fiable a émergé que nous allons maintenant explorer rapidement. Premièrement, considérez que de nombreux systèmes à cette époque avaient une source d'eau douce comme un lac, un réservoir ou éventuellement de l'eau municipale traitée. Même ces sources vierges contiennent encore des ions dissous qui, s'ils sont concentrés dans un système de tour de refroidissement, peuvent former du tartre. Deux des ions les plus courants sont le calcium (Ca2+) et l'alcalinité bicarbonate (HCO3–), dont le potentiel de formation de tartre augmente avec l'augmentation de la concentration et de la température.

Ca2+ + 2HCO3– + chaleur –> CaCO3 + CO2 + H2O Éq. 1

Dans les eaux non traitées, le CaCO3 est généralement le composé de tartre prédominant. Il s'agit du même dépôt qui se forme dans les conduites d'eau chaude et les pommes de douche domestiques, et est quelque peu incorrectement appelé "calcaire".

Une solution très efficace pour réduire le potentiel d'entartrage du CaCO3 est l'ajout d'acide sulfurique pour convertir l'alcalinité du bicarbonate en dioxyde de carbone qui s'échappe de la solution.

HCO3–(aq) + H2SO4 -> HSO42-(aq) + H2CO3 (aq) Éq. 2

H2CO3 (aq) ⇌ CO2 + H2O éq. 3

L'alimentation en acide de l'eau d'appoint ou de refroidissement pour réduire l'alcalinité du bicarbonate s'est avérée simple pour le contrôle du tartre, bien que des cas soient bien connus où un dysfonctionnement du système a considérablement abaissé le pH de l'eau de refroidissement et causé des problèmes.

Du point de vue de la corrosion, le matériau principal de nombreux systèmes d'eau de refroidissement est l'acier au carbone doux, avec peut-être de l'acier inoxydable ou des alliages de cuivre comme matériau pour les tubes d'échangeur de chaleur. En conséquence, au milieu du siècle dernier, un programme de traitement extrêmement populaire pour les systèmes à recirculation ouverte consistait en une alimentation en acide sulfurique pour le contrôle du tartre (pour établir une plage de pH de 6,5 à 7,0) et en l'utilisation de chromate disodique (Na2Cr2O7) pour le contrôle de la corrosion. . Ce dernier composé fournit des ions chromate (CrO42-) qui réagissent avec l'acier au carbone pour former une pseudo couche d'acier inoxydable qui passive la surface métallique. La protection des surfaces métalliques est l'aspect clé du contrôle de la corrosion, et nous y reviendrons plus tard.

Dans les années 1970 et 1980, une reconnaissance croissante de la toxicité du chrome hexavalent (Cr6+) a conduit à l'interdiction des rejets de chrome dans l'environnement. Cela a essentiellement éliminé le traitement au chromate pour les systèmes d'eau de refroidissement ouverts. Le programme de remplacement général était assez différent, avec un facteur clé étant le fonctionnement à un pH légèrement basique (généralement autour de 8,0 ou peut-être un peu plus élevé) pour aider au contrôle de la corrosion. La figure 3 illustre le concept fondamental d'une telle chimie.

Les phosphates de sodium, par exemple l'orthophosphate trisodique (Na3PO4) et l'hexamétaphosphate de sodium (NaPO3)6), qui se transforme partiellement en orthophosphate dans l'eau) ont été les premiers choix pour le contrôle du pH. Cependant, les problèmes de dépôt de phosphate de calcium (Ca3(PO4)2) sont devenus presque aussi graves que ceux du carbonate de calcium auparavant. Ainsi, les programmes ont évolué pour inclure l'utilisation de phosphates organiques, plus communément appelés phosphonates. Les structures de plusieurs des plus courantes sont présentées ci-dessous.

Ces composés ont aidé à réduire la formation de tartre par plusieurs méthodes, notamment la séquestration des ions et la modification des cristaux. L'ATMP a été introduit au début des années 1970 pour le contrôle du tartre de carbonate de calcium et a remplacé les polyphosphates. Le composé présentait des propriétés d'inhibiteur de corrosion passables à bonnes dans les plages de pH alcalin des (alors nouveaux) programmes de phosphate-phosphonate, cependant, il a une faible tolérance aux oxydants comme le chlore, et il peut également produire des précipités de calcium-phosphonate.

Les autres phosphonates représentés sur la figure 4 ont été développés, en partie, pour résister à la décomposition biocide oxydante. Cependant, notez les groupes acide carboxylique (COOH) sur PBTC et HPA. Le carboxylate (COO–) est un groupe fonctionnel clé pour de nombreux dispersants de contrôle des dépôts, comme cela sera décrit plus en détail dans la partie 2.

Les chercheurs ont découvert que la chimie des phosphates/phosphonates pouvait également contribuer au contrôle de la corrosion. Selon le produit de la réaction, les précipités de phosphate et de polyphosphate se déposeront sur les sites anodiques et cathodiques des cellules de corrosion et réduiront le courant de corrosion.

L'ajout d'une petite quantité de zinc est devenu courant, car il forme un dépôt d'hydroxyde de zinc (Zn (OH) 2) aux cathodes qui inhibe davantage le transfert d'électrons. Des raffinements supplémentaires comprenaient le développement de polymères pour contrôler la précipitation du phosphate de calcium et d'autres dépôts. Nous examinerons certains de ces polymères dans le prochain épisode.

Bien que les programmes de phosphate/phosphonate aient été couronnés de succès dans de nombreuses applications, la méthodologie peut présenter des défauts importants. Comme mentionné précédemment, l'objectif principal de la chimie de contrôle de la corrosion est de protéger les surfaces métalliques. Les précipités inhibiteurs de corrosion formés par la chimie ne sont pas étroitement adhérents et peuvent être emportés en raison de déséquilibres de débit ou d'autres problèmes. (4) Cela peut exposer certaines surfaces à une corrosion localisée. A l'inverse, une alimentation chimique en excès peut générer des dépôts importants de phosphate de calcium voire même de phosphonate de calcium. Un contrôle approprié peut être une proposition de "marcher sur le fil du rasoir".

Une influence croissante sur la chimie du traitement est que certaines installations doivent s'approvisionner à partir d'autres sources que l'approvisionnement en eau douce. Une source d'appoint de plus en plus courante et, dans certains endroits arides, obligatoire, est le rejet d'une station d'épuration municipale, alias, Publicly Owned Treatment Works (POTW). Souvent, les effluents POTW contiennent une concentration importante et variable de phosphate, ce qui peut avoir un effet important sur la chimie de l'eau de refroidissement et de service dans les usines industrielles prenant cet appoint.

Enfin, les rejets de phosphore dans les plans d'eau naturels et les effets de ces rejets sur la prolifération des algues toxiques sont de plus en plus préoccupants.

Beaucoup de gens pensent que ces proliférations d'algues sont confinées à des endroits chauds comme la Floride ou le golfe du Mexique, mais comme l'indique la figure 4, presque tous les plans d'eau peuvent être sensibles. À de nombreux endroits, les rejets de phosphore sont désormais limités, voire totalement interdits. Les rejets de métaux, y compris le zinc et le cuivre, sont également limités. De telles restrictions peuvent complètement éliminer l'option de la chimie de traitement au phosphate/phosphonate.

Les problèmes décrits ci-dessus conduisent à un abandon substantiel des programmes traditionnels de traitement du tartre/corrosion de l'eau de refroidissement. La partie 2 fournira un aperçu des technologies combinées de formation de film et de polymères qui offrent un meilleur contrôle de la corrosion et des dépôts, tout en réduisant considérablement l'impact environnemental potentiel de la chimie des décharges.

Cette discussion représente des concepts généraux à prendre en compte et n'offre pas d'opinions directes d'une entreprise chimique de traitement de l'eau. Chaque projet doit être évalué individuellement, avec une sélection de programmes de traitement basée sur une évaluation minutieuse de la conception du système et de la chimie de l'eau d'appoint.

Les références

À propos de l'auteur : Brad Buecker est président de Buecker & Associates, LLC, conseil et rédaction technique/marketing. Plus récemment, il a occupé le poste de publiciste technique principal chez ChemTreat, Inc. Il a plus de quatre décennies d'expérience dans les secteurs de l'énergie et du traitement de l'eau industrielle, dont une grande partie dans la chimie de la génération de vapeur, le traitement de l'eau, le contrôle de la qualité de l'air et les postes d'ingénierie des résultats avec City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) et la station La Cygne, Kansas de la Kansas City Power & Light Company (maintenant Evergy). Buecker est titulaire d'un BS en chimie de l'Iowa State University avec des cours supplémentaires en mécanique des fluides, en bilans d'énergie et de matériaux et en chimie inorganique avancée. Il est auteur ou co-auteur de plus de 250 articles pour diverses revues spécialisées techniques et a écrit trois livres sur la chimie des centrales électriques et le contrôle de la pollution de l'air. Il peut être contacté à [email protected].