Les chaudières sont des appareils très utiles dans lesquels l'eau (au moins dans la plupart des cas) est chauffée.
Le fluide, ses vapeurs ou sa chaleur peuvent alors être utilisés pour diverses applications : chauffage central, assainissement ou production d'électricité par chaudière, pour n'en citer que quelques-unes [1][2].
Pour les applications industrielles, une chaudière a tendance à être en permanence sous pression et possède un débit d’eau élevé.
Il doit donc être maintenu en bon état pour résister à ces contraintes.
1. Maintenance de la fonctionnalité de la chaudière
L’efficacité de la chaudière dépend de nombreux facteurs :
- à quel point il retient la chaleur?
- à quelle vitesse la chaleur est-elle transférée à l’eau?
- quelle quantité de chaleur transférée n’est pas perdue dans les réactions secondaires ?
et beaucoup plus…
Ces facteurs dépendent beaucoup du contenu de l’eau d’alimentation de la chaudière, ainsi que des matériaux dont sont faites les chaudières et les conduites.
S’assurer que ces composants sont dans un état optimal pour leurs utilisations est crucial non seulement pour maintenir l’efficacité, mais aussi pour éviter les accidents dus à des lignes détériorées ou à des points de chaleur.
2. Traitement de l'eau
Traiter l’eau ordinaire avant de la transférer dans le système de chaudière est la clé d’une longue durée de vie et de l’efficacité de la chaudière, car il existe une multitude d’ions et de molécules qui provoquent des réactions secondaires nocives pour le système.
Il existe plusieurs façons d’effectuer le traitement de l’eau :
⇛ Osmose inverse
⇛ Désaération
⇛ Épurateurs d’oxygène
La partie la plus importante du traitement de l’eau est l’osmose inverse.strong,
Ce procédé purifie l’eau en appliquant une pression supérieure à la pression osmotique. Cette pression pousse le liquide à travers une membrane partiellement perméable, qui retient de plus grandes particules, molécules et ions.
En conséquence, l’eau qui a été poussée à travers la membrane possède une grande pureté.
Cela se traduit par la prévention de plusieurs problèmes tels que :
- Mousse (impuretés)
- Formation de tartre (carbonates)
La formation de tartre est un type spécifique d’encrassement, qui est le dépôt de solides sur les surfaces.
Dans le cas de l’entartrage, ce sont surtout des minéraux et/ou des sels qui précipitent dans le tube de la chaudière ou sur les surfaces de transfert de chaleur.
Cela se traduit par un transfert de chaleur plus lent et, à son tour, crée des points locaux qui sont sujets à la surchauffe et peuvent finir par rompre le tube de la chaudière.
Il existe de nombreuses approches pour minimiser l’oxygène et le dioxyde de carbone, qui finissent par endommager le système de la chaudière, provoquant la corrosion et l’entartrage du fer.
Il est donc primordial que l’eau d’alimentation de la chaudière contienne une très faible concentration de ces molécules.
Ceci est généralement réalisé par désaération, qui peut être effectuée en utilisant l’une des nombreuses approches, par exemple des désaérateurs sous vide, des pompes mécaniques ou des réchauffeurs de désaération.
La réduction et la surveillance de la teneur en oxygène sont donc essentielles pour la longévité du système de chaudière.
3. Surveillance de l'eau
Bien que la mise en place de dispositifs et de méthodes chimiques pour réduire ou contourner les impacts négatifs soit nécessaire, sans contrôle, il est difficile de dire quel est l’impact de chacune des mesures prises.
De plus, la surveillance de certains paramètres peut donner de nombreux indices sur l’état du système et agir comme un système d’alerte.
Au fur et à mesure que de plus en plus de données sont recueillies, la surveillance aide à trouver la gamme optimale de paramètres.
Cela augmente finalement l’efficacité de la chaudière et réduit potentiellement la quantité de produits chimiques qui doivent être utilisés, réduisant ainsi les coûts à long terme.
HI510 • HI520
Régulateurs de processus universels à une ou deux voies
HI510 et HI520 sont des contrôleurs de processus avancés qui peuvent être configurés pour des applications nécessitant la surveillance et/ou le contrôle de quatre principaux paramètres d’analyse de l’eau :
- pH
- Conductivité
- Oxygène Dissous
- Rédox
Ces contrôleurs disposent d’une ou plusieurs entrées de sonde numérique qui détectent et mettent à jour automatiquement le contrôleur avec le paramètre qu’il mesure.
Surveillance du pH
L’un des paramètres les plus importants à surveiller est la valeur du pH.
Cela est dû à son influence sur de nombreux processus différents :
- vitesse de désoxygénation
- à un pH élevé, la formation de mousse et de tartre a tendance à se produire
- à un pH bas, la corrosion a tendance à se produire
- dépôt de silicate
- Fragilisation caustique
Pour la surveillance, une électrode de pH industrielle intégrée, telle que la série HI1006-38, est recommandée en raison de sa durabilité et de sa résistance à la chaleur.
Alors qu’une recommandation courante est de maintenir le pH à 8,5 (en utilisant du NaOH, par exemple), il est important de noter pH optimal dépend de l’alliage utilisé dans la chaudière traitement chimique de l’eau,strong, d’autres facteurs.
Surveillance redox
Le potentiel d’oxydo-réduction est une excellente indication de la teneur en chlore libre.
C’est donc le paramètre de choix dans la section assainissement/désinfection du système de chaudière et peut être surveillé avec la série HI2004-18
Surveillance de la conductivité
La surveillance constante de la conductivité de l’eau d’alimentation peut donner un aperçu de sa teneur en espèces chargées et agir comme un avertissement contre la formation de mousse, ainsi que la corrosion.
Cela peut être fait à l’aide d’électrodes de processus, telles que le HI7630-28
Surveillance de l'oxygène dissous
Comme mentionné précédemment, l’élimination de l’oxygène est importante pour assurer une longue durée de vie de la chaudière.
La surveillance de la teneur en oxygène par rapport aux piégeurs d’oxygène utilisés ne garantit pas seulement que la concentration en O₂ ne sera pas trop élevée, elle permettra également à l’utilisateur de trouver le point idéal pour la concentration en piégeurs, évitant ainsi des dépenses inutiles.
Un tel dispositif de surveillance serait la série HI7640-58.
4. Analyse de l'eau
Alors que la surveillance continue est importante, il est impossible de surveiller tous les paramètres dans chaque section du système de chaudière.
Ainsi, l’échantillonnage régulier et l’eau de ces sections sont essentiels pour vraiment comprendre l’état du système.
Analyse du pH
HI99141
pH-mètre pour chaudières et tours de refroidissement
L’électrode spécialisée HI729113 comprend un corps en titane, une pointe plate et une jonction en PTFE poreux, ce qui la rend parfaite pour la mesure du pH de la chaudière traitée, de l’eau d’alimentation et du condensat de vapeur.
Analyse de conductivité (EC)
HI98197
Eau ultra-pure
EC/résistivimètre
Le HI98197 est fourni avec tous les accessoires nécessaires pour effectuer des mesures d’eau de haute pureté emballés dans une mallette de transport durable.
Les accessoires comprennent une cuve à circulation en acier inoxydable et une sonde de conductivité à quatre anneaux filetée qui permet une résolution élevée de 0,001 μS/cm pour la conductivité et de 0,1 MΩ * cm pour les lectures de résistivité.
- Cellule à circulation en acier inoxydable
- Sonde de conductivité/résistivité à quatre anneaux
- Résolution de 0,001 μS/cm
Analyse de l'oxygène dissous
HI98198
Oxymètre Optique
Parfaite pour le terrain ou pour le laboratoire, la sonde Quick Connect ne nécessite aucune membrane, aucune solution de remplissage et aucun temps de préchauffage pour que vous puissiez mesurer sans hésitation.
Votre compteur est livré complet dans une mallette de transport robuste et personnalisée pour un transport facile.
- Technologie DO optique pour des lectures rapides et stables, même dans des environnements difficiles.
- La sonde numérique avec technologie Smart Cap élimine les membranes et les solutions coûteuses et fastidieuses.
- Un corps étanche et robuste classé IP67 rend ce compteur portable idéal pour une utilisation sur le terrain.
L'analyse complète de l'eau peut être effectuée à l'aide d'un photomètre multiparamètre (HI83300, HI83305) ou d'un spectrophotomètre (HI801).
Analyse des piégeurs d'oxygène
Bien que les désaérateurs mécaniques/physiques effectuent la majeure partie du travail, ils sont généralement associés à des désoxygénants chimiques.
Ces substances se lient à l’oxygène, ce qui fait chuter sa concentration à un niveau encore plus bas [6].
Dans les systèmes de chaudières, les désoxygénants les plus couramment utilisés sont le sulfite de sodium, le bisulfite de sodium, l’hydrazine et leurs versions catalysées. Il est également possible d’utiliser des composés organiques, comme l’hydroquinone et l’ascorbate.
En raison de ses propriétés toxiques, l’hydrazine devrait devenir plus limitée dans un avenir prévisible.
Analyse des carbonates
Les carbonates forment des écailles qui sont généralement granuleuses et poreuses.
Le dépôt le plus courant est le calcaire, constitué principalement de carbonate de calcium (CaCO3, réaction (2)) et assez difficile à nettoyer [4]. Cette substance se forme en présence de calcium/magnésium et de bicarbonate (HCO3-), alors que ce dernier peut provenir directement de carbonates dissous (CO32-, réaction (1)), ou de dioxyde de carbone (CO2, réaction 1) :
Si l’eau est chaude ou si la pression est suffisamment basse, la libération des gaz est thermodynamiquement préférée, et donc l’équilibre de la réaction (2) se déplace vers la droite.
Étant donné qu’éviter la chaleur n’est pas une option pour les systèmes de chaudières, il est de la plus haute importance que la teneur en carbonates et en dioxyde de carbone soit aussi faible que possible. Dans le cas du dioxyde de carbone, cela peut être réalisé par désaération et dégazage.
Les mesures peuvent être faites de plusieurs manières :
Dureté de l’eau / Ca – dureté / Mg-dureté
Analyse des sulfates
Contrairement aux carbonates, les sulfates sont généralement denses, durs et cassants.
Le sulfate de calcium est l’exemple le plus courant d’entartrage, a une faible solubilité et se forme selon la réaction (3)[5] :
Lorsque le sulfate de calcium se dissout dans l’eau (réaction inverse de (3)), il libère de l’énergie sous forme de chaleur.
Cooling the water increases the solubility of this salt, as the release of thermal energy to colder substances is favored. Inversement, des températures plus élevées diminuent la solubilité du sulfate de calcium et provoquent des précipitations. Par conséquent, le dépôt de carbonates et de sulfate de calcium est plus répandu sur les surfaces chaudes, bien que pour des raisons différentes.
Analyse d'alcalinité
L’alcalinité élevée provenant des carbonates est assez problématique pour les chaudières génératrices de vapeur.
Les carbonates réagiront au CO2, un composant gazeux, qui sera transféré avec la vapeur.
Une fois qu’il atteint une surface fraîche et humide, il forme de l’acide carbonique (H2CO3, voir réaction (5)), qui peut corroder les conduites de vapeur.
Outre l’utilisation d’eau pure, une méthode supplémentaire pour résoudre ces problèmes consisterait à utiliser des polyphosphates comme dispersants.
En leur présence, le calcium réagit et précipite sous forme de phosphate tricalcique, insoluble dans l’eau.
Par conséquent, il peut être éliminé par le bas de la chaudière ou par des purges.
Analyse du chlore libre
Comme l’eau ne peut pas être contaminée par des micro-organismes, tels que des bactéries, des virus et des algues, il est important de stériliser le système pour empêcher leur croissance.
Ces micro-organismes créeraient autrement des films sur les surfaces de la chaudière et de la conduite, ce qui pourrait provoquer un blocage ou de la corrosion.
L’ajout de chlore à l’eau produit ClO– et HClO–; ensemble, ils sont appelés « chlore libre ».
HClO, le composé actif des deux, est très efficace pour tuer les micro-organismes susmentionnés, évitant ainsi les problèmes que leur croissance causerait.
Il est recommandé de maintenir le niveau de chlore libre entre 0,05 et 0,1 mg/L, car des valeurs inférieures à cette région ne garantissent pas la destruction des contaminants.
Analyse de la silice
Les dépôts de silicate sont généralement très durs et denses, encore plus que les sulfates.
Semblables aux oxydes de fer, ils sont constitués de silicium et d’oxygène et constituent eux aussi une classe de substances avec des compositions différentes. Mais contrairement aux exemples précédents, le problème de précipitation des silicates ne se limite pas aux seules surfaces de la chaudière.
La silice peut passer dans la phase gazeuse, jusqu’à ce qu’un équilibre avec la phase liquide soit atteint. Cet équilibre est influencé par la pression, la température et la valeur du pH [7].
En général, plus la pression et la température sont élevées et plus le pH est bas, plus la teneur en silicate de la vapeur est élevée. Cela signifie que les silicates peuvent être transportés via la vapeur et précipiter sur des surfaces plus froides, telles que les turbines à vapeur.
Les silicates sont chimiquement inertes, ce qui signifie qu’ils réagissent à peine avec les produits chimiques. Cela les rend très difficiles à enlever. Ainsi, des mesures préventives et correctives sont indispensables et elles ont généralement tendance à être moins chères que de retirer les écailles ou de remplacer les pièces affectées.
Une de ces mesures correctives consisterait à augmenter la purge de la chaudière pour diminuer la teneur en silice.
Cela donne à l’opérateur le temps de trouver la raison de la contamination par la silice et de la réparer.
Fournir la bonne configuration pour le système de chaudière et maintenir une bonne pratique de surveillance constante et d’analyse régulière garantira que votre chaudière fonctionnera au mieux pendant longtemps.
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SOURCES:
[1] Steingress, Frederick M. (2001), Low Pressure Boilers (4e éd.), American Technical Publishers
[2] Steingress, Frederick M.; Frost, Harold J.; Walker, Darryl R. (2003), Chaudières à haute pression (3e éd.), American Technical Publishers
[3] Anthony A. Miele (1945); Performances du tube de chaudière (PDF) . Université d’État de l’Ohio
[4] Hermann Weingärtner (2006, décembre), « Eau » dans l’Encyclopédie de chimie industrielle d’Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim
[5] Franz Wirsching (2012), « Sulfate de calcium » dans l’Encyclopédie de chimie industrielle d’Ullmann, Wiley-VCH, Weinheim
[6] Sendelbach M. (1988), Traitement de l’eau de chaudière : pourquoi, quoi et comment. Ingénieur chimiste, 95(11), p. 129
[7] A. Bahadori, H.B. Vutharulu (2010), « Prédiction du transfert de silice et de la solubilité dans la vapeur des chaudières à l’aide d’une corrélation simple », Applied Thermal Engineering, Vol. 30, pp. 250-253
[8] Krishnamurthy et al. (1er août 2007), Ingénierie Chimie, PHI Learning Pvt. Ltd. p. 146
[9] Mellor JW (1941), Intermediate Inorganic Chemistry, Londres : Longman, Green & Co. p. 202
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