Concepts avancés de traitement de l'eau de refroidissement (Partie 6)

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

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Dans les parties précédentes de cette série, nous avons examiné de nombreux problèmes liés au traitement primaire de l'eau de refroidissement dans les centrales électriques et industrielles. Cependant, la plupart des grandes usines ont un certain nombre de systèmes d'eau fermés qui fournissent un refroidissement auxiliaire à des équipements tels que les roulements de pompe, les refroidisseurs d'huile de lubrification, les refroidisseurs d'hydrogène de générateur, etc.

Ces sous-systèmes sont essentiels au fonctionnement de la centrale, et de mauvaises performances ou la défaillance d'un système fermé peuvent potentiellement arrêter la centrale. Dans cet article, nous examinerons plusieurs des aspects les plus importants du traitement de l'eau de refroidissement en circuit fermé.

Le terme eau de refroidissement "fermée" est légèrement trompeur, car de nombreux systèmes subissent des fuites ou de petites pertes qui nécessitent un appoint. (Si une corrosion sérieuse s'est produite, ces pertes peuvent être importantes.) De plus, les systèmes ont souvent un réservoir de tête pour l'introduction de l'appoint et pour gérer les changements de demande, qui est une autre source d'infiltration d'oxygène. Il convient de noter que certains systèmes fermés sont refroidis par air, ce qui se rapproche plus complètement du statut «fermé».

Bien qu'il soit possible d'utiliser de l'eau de différentes qualités dans les systèmes CCW, un choix fréquent, et l'objet de cet article, est le condensat ou l'eau déminéralisée qui est traitée dans le système.

Le matériau de tuyauterie typique pour les réseaux CCW est l'acier au carbone. Les alliages de cuivre, l'acier inoxydable ou peut-être à l'occasion le titane sont les choix habituels pour les tubes d'échangeur de chaleur ou les plaques dans un échangeur à plaques et cadres.

Lors de la planification d'un programme de traitement, il est important de connaître la métallurgie complète du système.

Dans les systèmes avec de l'eau très pure, la formation de tartre n'est généralement pas un problème, mais plutôt la corrosion est le principal problème. (L'encrassement microbiologique peut également être problématique, ce que nous explorerons plus loin dans cet article.) Les mécanismes de corrosion les plus courants, dont beaucoup ont été décrits pour les systèmes de recirculation ouverts dans les premiers épisodes de cette série, incluent :

Comme pour les systèmes de recirculation ouverts au milieu du siècle dernier, le chromate était très populaire pour le contrôle de la corrosion dans les systèmes fermés. Après le début du traitement, le chromate finira par former ce que l'on a appelé une couche de "pseudo acier inoxydable" sur l'acier au carbone qui est assez protectrice. Cependant, des problèmes de toxicité avec le chrome hexavalent (Cr6+) ont conduit à son élimination de presque toutes les applications d'eau de refroidissement.

Le nitrite de sodium (NaNO2) remplace couramment le chromate. Le composé est peu coûteux et sûr à manipuler, et comprend généralement un agent de conditionnement du pH ou un tampon tel que l'hydroxyde de sodium ou le tétraborate de sodium pour maintenir le pH dans une plage de 8,5 à 10,5. (2)

Le nitrite favorise la formation d'une couche passive d'oxyde de fer sur la surface métallique.

9Fe(OH)2 + NO2 → 3Fe3O4 + NH4 + 2OH + 6H2O Éq. 1

9Fe(OH)2 + NO2 → 3(Fe2O3) + NH4 + 2OH + 3H2O Éq. 2

Le nitrite réagit d'abord aux anodes, et pour cette raison est communément appelé un inhibiteur "dangereux", car si les résidus tombent en dessous des limites de seuil, un petit nombre d'anodes peut se développer dans un grand environnement cathodique. Une piqûre rapide peut alors se produire. Une plage résiduelle de nitrite généralement sûre est de 500 à 1 000 ppm pour inhiber la corrosion générale et les piqûres, mais chaque application doit être soigneusement surveillée et contrôlée. Si des fuites du système empêchent la capacité de maintenir des résidus adéquats, le traitement devrait probablement être interrompu jusqu'à ce que les fuites soient réparées.

Selon l'expérience de cet auteur en matière de traitement au nitrite pour les systèmes fermés, l'introduction de produits chimiques frais était simple - une charge une fois par semaine de nitrite de sodium granulaire mélangé à un tampon pH dans des pots d'alimentation.

L'alimentation par lots est effectuée en déverrouillant le couvercle supérieur, en versant la quantité mesurée de produit chimique solide, en reverrouillant le couvercle, puis en ouvrant le chargeur pendant plusieurs minutes pour s'assurer que les solides se dissolvent et sont transportés dans le sillage de l'eau de refroidissement.

Un dispositif auxiliaire pouvant être inclus dans le sillage est un filtre à particules. Même avec un traitement chimique approprié, une certaine corrosion du métal est toujours probable, en particulier à partir du réseau de tuyauterie en acier au carbone généralement important. En général, 90 % ou plus des produits de corrosion de l'acier existent sous forme de particules et non de fer dissous. Ces particules peuvent se déposer dans les zones à faible débit et les emplacements à fort transfert de chaleur, c'est-à-dire les échangeurs de chaleur. La filtration latérale éliminera de nombreuses particules et réduira les dépôts dans le système de refroidissement.

Une préoccupation avec le nitrite est qu'il s'agit d'un excellent nutriment pour certaines bactéries telles que Nitrobactera agilis, qui peuvent se développer rapidement en convertissant le nitrite en nitrate, puis encrasser les systèmes de refroidissement. Par exemple, l'auteur a déjà fait partie d'une équipe d'inspection qui a visité une usine d'assemblage d'automobiles, où des bactéries nitrifiantes avaient partiellement bouché les petits tubes d'eau de refroidissement en serpentin des soudeuses automatiques. Les remèdes possibles comprennent un changement vers un inhibiteur de corrosion différent ou une alimentation supplémentaire d'un biocide non oxydant.

Le molybdate de sodium (Na2MoO4) est une alternative au nitrite. Les preuves suggèrent que le molybdate agit de la même manière que le chromate et s'adsorbe sur la surface de l'acier au carbone au niveau des anodes, puis continue à former une couche protectrice.

Fe2+ ​​+ MoO42- → FeMoO4↓ Éq. 3

La recherche indique également que le molybdate agit également comme un inhibiteur de piqûres par sa capacité à s'accumuler dans la zone acide d'une fosse et à bloquer le processus de corrosion. Une plage de contrôle courante pour le molybdate est d'environ 1/3 de celle du nitrite. Bien que le molybdate soit un oxyanion, certaines recherches, qui ont été débattues, suggèrent que le composé nécessite de l'oxygène dissous résiduel pour être pleinement efficace. Une quantité suffisante d'oxygène peut entrer par l'eau d'appoint de refroidissement pour fournir la quantité nécessaire. Comme pour le nitrite, les formulations de molybdate comprennent généralement un tampon de pH pour établir des conditions modérément alcalines dans l'eau de refroidissement.

Le molybdate est un produit chimique coûteux et les coûts peuvent être prohibitifs dans certaines applications. Des programmes ont été développés qui utilisent à la fois le nitrite et le molybdate, qui agissent en synergie et abaissent la concentration de l'un ou l'autre des produits chimiques lorsqu'ils sont utilisés seuls.

Contrôle de la corrosion des alliages de cuivre

Les alliages de cuivre sont un choix de choix pour les tubes d'échangeurs de chaleur depuis de nombreuses années, car le cuivre possède d'excellentes propriétés de transfert de chaleur. Bien que le cuivre soit un métal plus noble que le fer, une corrosion importante est possible dans certains environnements. La combinaison d'oxygène dissous et d'ammoniac peut être particulièrement corrosive. Les azoles sont couramment utilisés pour protéger les alliages de cuivre, via une chimie filmogène. La figure 4 illustre l'effet général.

Les atomes d'azote des molécules d'azole se lient aux atomes de cuivre à la surface du métal. Les anneaux organiques en forme de plaque forment alors une barrière pour protéger le métal du fluide en vrac. Certains azoles courants sont énumérés ci-dessous.

Benzotriazole

Le 1,2,3-benzotriazole (BZT - C6H5N3) est le composé illustré à la figure 4. C'est l'azole le plus fondamental.

Tolyltriazole

Le tolyltriazole (TTA - C7H7N₃) est similaire au BZT mais avec un groupe méthyle ajouté au cycle organique.

Le groupe méthyle aide à orienter la molécule pour établir un film barrière plus uniforme. D'autres variantes d'azoles sont disponibles, y compris des composés résistants aux halogènes conçus pour être utilisés dans des systèmes à recirculation ouverte où des biocides oxydants sont utilisés pour le contrôle microbiologique.

Un autre des premiers azoles est le 2-mercaptobenzothiazole (MBT), qui possède deux groupes soufrés dans le cycle azoté. L'un des atomes de soufre se lie également au cuivre pour former un film passif épais.

Une concentration d'azole aussi faible que 1 à 2 ppm peut être suffisante pour contrôler la corrosion, mais des niveaux plus élevés peuvent être nécessaires en fonction de la disposition et des conditions du système.

Les systèmes de refroidissement soumis à des conditions de basse température comprennent souvent de l'éthylène glycol ou du propylène glycol pour empêcher le gel. "Les phosphates et les nitrites sont [acceptables] comme inhibiteurs de corrosion des alliages ferreux, [et] les azoles sont [efficaces] pour l'inhibition de la corrosion des alliages de cuivre." (2) Un problème avec le glycol, comme c'est le cas dans d'autres équipements, y compris les automobiles, est qu'au fil du temps, le produit chimique se décompose en acides organiques qui abaissent le pH et augmentent le potentiel de corrosion. Par conséquent, une mesure régulière du pH est importante pour les systèmes de refroidissement traités au glycol (et les systèmes sans glycol d'ailleurs).

Comme indiqué précédemment, certains produits chimiques de contrôle de la corrosion, et plus particulièrement le nitrite, peuvent servir de nutriments pour les micro-organismes. Une solution potentielle, dans la mesure du possible, consiste à passer du nitrite au molybdate, car ce dernier n'est pas un nutriment microbiologique. Cependant, le molybdate n'a pas de propriétés biocides. Les dépenses et d'autres facteurs peuvent ne pas permettre un tel changement. Les biocides oxydants ne sont normalement pas utilisés pour contrôler les microbes dans les systèmes fermés, car ils peuvent provoquer de la corrosion et également désactiver les produits chimiques de traitement, en particulier les nitrites. Bon nombre des non-oxydants que nous avons examinés dans la partie 5 de cette série peuvent être efficaces pour attaquer les micro-organismes. Un inconvénient potentiel est que la plupart sont désactivés par un pH alcalin, mais certains peuvent attaquer rapidement les organismes avant une décomposition significative. Il est important de consulter un fournisseur de produits chimiques fiable pour choisir le produit chimique et le dosage. Les analyses pour déterminer les organismes présents dans le système sont importantes pour tout effort de ce type.

Des kits de terrain sont disponibles pour surveiller les concentrations résiduelles des inhibiteurs de corrosion standard. L'instrumentation de paillasse telle que la spectrophotométrie UV-VIS offre des lectures précises.

Étant donné que la croissance microbienne se produit fréquemment dans les systèmes fermés, une surveillance régulière peut détecter le début de l'encrassement. Les tests sur lame d'immersion sont simples et ne nécessitent pas d'équipement de laboratoire exotique. Des tests spécialisés peuvent fournir des informations précieuses sur de nombreux micro-organismes, notamment les bactéries sulfato-réductrices (SRB), les bactéries nitrifiantes et les bactéries dénitrifiantes. (2)

L'installation d'un rack de dérivation des coupons de corrosion est courante pour la surveillance de la corrosion, les coupons ayant la même métallurgie que dans le réseau de refroidissement.

Une caractéristique primordiale d'une conception correcte est l'orientation du coupon. Comme le montre la figure 7, l'orientation se fait avec l'écoulement de l'eau le long et non contre le coupon. Cette configuration permet de minimiser les courants de Foucault. La tuyauterie peut être configurée pour contenir plusieurs coupons qui peuvent être extraits à différents intervalles pour évaluer plus précisément l'effet du temps sur les taux de corrosion.

Une technique indirecte mais efficace de surveillance de la corrosion est la surveillance du fer, qui peut également être effectuée par spectrophotométrie UV-VIS. Cependant, étant donné que 90 % ou plus des produits de corrosion de l'acier existent généralement sous forme de particules d'oxyde de fer, la procédure de test nécessite un processus de digestion de 30 minutes pour convertir le fer particulaire en forme dissoute. La concentration totale en fer fournit des données précieuses sur l'efficacité du traitement anticorrosion. (3).

Les systèmes d'eau de refroidissement fermés font partie intégrante de nombreuses installations industrielles. La négligence de la chimie du système peut entraîner de graves problèmes pouvant entraîner un arrêt partiel ou complet de l'usine. À l'inverse, les matériaux du système peuvent parfois être surspécifiés. L'auteur a déjà participé à un projet de dépannage où la ligne principale d'un système refroidi par air était un tuyau en fonte ductile avec un revêtement interne en ciment recouvert d'un revêtement en bitume. Au démarrage du système, lorsque les conditions ont atteint la pleine charge thermique, le bitume s'est détaché et a bouché l'échangeur de chaleur et les filtres d'entrée des pompes de circulation. Mieux aurait été une tuyauterie en fonte ductile simple avec un traitement par l'un des inhibiteurs de corrosion mentionnés ci-dessus.

Cette discussion représente les bonnes pratiques d'ingénierie développées au fil du temps. Cependant, il est de la responsabilité des propriétaires d'usines, des exploitants et du personnel technique de mettre en œuvre des programmes fiables basés sur la consultation d'experts de l'industrie. De nombreux détails supplémentaires entrent dans la conception et l'utilisation ultérieure de ces technologies qui peuvent être décrites dans un seul article.

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 production 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 Kansas City Power & Light Company (maintenant Evergy) La Cygne, Kansas station. 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].