Les Eaux Industrielles

27
3. LES EAUX INDUSTRIELLES Figure 15. Tours de refroidissement d'une centrale nucléaire. 3.1. UTILISATIONS DE L'EAU ET QUALITÉS RECHERCHÉES Les qualités nécessaires dans l'industrie sont variées et correspondent à des emplois de valeur ajoutée inégale. Si les petites et moyennes entreprises peuvent souvent se satisfaire d'eau potable ou d'un forage, la taille et la situation des grandes usines les conduisent à utiliser des sources moins coûteuses pouvant aller jusqu'à l'eau de mer. De plus, l'importance croissante des besoins justifie le recyclage de ces eaux et la variété des fonctions de l'eau conduit souvent à des recommandations de qualité. 3.1.1. Utilisations élémentaires de l'eau

Transcript of Les Eaux Industrielles

Page 1: Les Eaux Industrielles

3. LES EAUX INDUSTRIELLES

Figure 15. Tours de refroidissement d'une centrale nucléaire.

3.1. UTILISATIONS DE L'EAU ET QUALITÉS RECHERCHÉESLes qualités nécessaires dans l'industrie sont variées et correspondent à des emplois de valeur ajoutée inégale. Si les petites et moyennes entreprises peuvent souvent se satisfaire d'eau potable ou d'un forage, la taille et la situation des grandes usines les conduisent à utiliser des sources moins coûteuses pouvant aller jusqu'à l'eau de mer.De plus, l'importance croissante des besoins justifie le recyclage de ces eaux et la variété des fonctions de l'eau conduit souvent à des recommandations de qualité.

3.1.1. Utilisations élémentaires de l'eau

Page 2: Les Eaux Industrielles

L'eau peut être destinée (figure 16) :à une seule utilisation :- en circuit ouvert ou en appoint direct,- en recyclage, avec ou sans altération;à deux utilisations différentessuccessives :- réutilisation.

Page 3: Les Eaux Industrielles

3.1.2. Recyclage sans altération de l'eau

Ce recyclage consiste à employer indéfiniment une mémé eau dans une mémé utilisation non polluante. L'appoint compense des pertes diverses sous forme liquide (fuites, entraînements, primage) ou sous forme vapeur lorsque, cas fréquent, il y a évaporation.Normalement, il ne se produit pas d'altération sensible de l'eau par apport d'ions étrangers, solubilisation de gaz ou dispersion de matières organiques ou minérales lors de l'utilisation. Seuls les sels initiaux se trouvent concentrés par évaporation et accumulés.Les deux exemples usuels de ce recyclage propre sont le refroidissement avec réfrigérant atmosphérique, appelé "circuit semi-ouvert" et l'utilisation en chaudière avec retour de condensats (voir page 49 et page 59).

Le taux de recyclage peut être élevé et l'accroissement de concentration des différents sels dissous par l'évaporation nécessitera l'épuration préalable des sels les moins solubles de l'eau d'appoint et une purge de déconcentration de l'eau du circuitL'estimation du taux de concentration C dans de tels recyclages est fondamentale et repose sur le rapport de la quantité d'eau apportée ou appoint A à la quantité d'eau éliminée sous forme liquide ou déconcentration D.

Si E représente l'évaporation, en première approximation, le taux de concentration peut s'exprimer par le rapport des salinités de l'eau du circuit S et de l'eau d'appoint s

On utilise aussi le taux de recyclage R ou rapport  du débit de circulation sur le débit d'eau d'appoint.Dans un circuit de refroidissement semiouvert, C peut varier de 1 à 6 voire 10. Ce taux est mesurable pratiquement à partir du rapport de la concentration en chlorure dans un tel circuit à celle de l'appoint, car il n'y a pas d'apport extérieur de chlorures. Dans une chaudière, C est beaucoup plus élevé (100, par exemple dans une PWR).

3.1.3. Recyclage avec altération de l'eauIl s'agit toujours du réemploi d'une eau dans une utilisation polluante qui entraîne l'introduction de comp osés étrangers à l'eau d'appoint Cette utilisation peut êtreconjointe à un refroidissement:

- lavage de gaz avec présence d'HCl (incinération d'ordures ménagères),- lavage de gaz avec présence de S02 (fumées de chaudières),- lavage de gaz avec présence de HF, HCN (gaz de hauts fourneaux, etc.),- décalaminage d'acier et arrosage de laminoirs avec entraînement d'huiles et de battitures,- granulation (ou prilling) d'engrais azotés, avec solubilisation d'azote ammoniacal,- transport de laitier et extinction de coke, avec solubilisation de composés du soufre.

sans fonction de refroidissement- rinçages en galvanoplastie avec introduction plus massive de sels solubles,- lavage de gaz dans l'industrie des phosphates,- transport de matières premières avec introduction de matières en suspension et aussi de sels (lavoirs divers, hydrométallurgie).Le taux de concentration en sels n'est plus dû à la seule évaporation et devient en pratique souvent difficile à mesurer si des chlorures sont introduits de l'extérieur. De plus, par condensation d'humidité, il peut y avoir un apport difficile à apprécier d'eau d'appoint (lavage de gaz humides).Le taux de recyclage R permet alors seul d'estimer le degré d'utilisation de l'eau d'appoint Suivant l'importance de la pollution apportée au système, celle-ci doit être déconcentrée par un poste d'épuration placé sur le circuit ou en dérivation (cf. figure 16).Si la pollution est considérable (cas des eaux de lavage de gaz), la salinité et les impuretés de l'eau d'appoint deviennent un paramètre secondaire et cette dernière ne requiert plus d'épuration primaire. Le problème à résoudre s'apparente beaucoup plus à celui des effluents industriels recyclés (cf. sous-chapitre 5).Si la pollution est faible (cas extrême des boucles d'eau ultra-pure), les impuretés de l'eau d'appoint justifient un traitement très important de celle-ci, le traitement en ligne du circuit devient quantitativement mais non qualitativement mineur.

3.1.4. Réutilisation d'eauLe recyclage peut ne pas être un moyen d'économie d'eau suffisant face à des disponibilités trop rares. La réutilisation d'eau est un autre moyen qui consiste à employer l'eau successivement à deux fonctions différentes, avec éventuellement une phase intermédiaire de reprise ou de traitement.La seconde utilisation est souvent moins "noble" que la première et alors un traitement intermédiaire peut devenir inutile. Par exemple, la purge d'un circuit semi-ouvert de gaz d'aciérie à oxygène peut alimenter directement le circuit de lavage de gaz de hauts fourneaux

Page 4: Les Eaux Industrielles

Tableau 3. Principales utilisations industrielles de l'eau et sources d'eau possibles.

3.1.5. Choix des sources d'eauIndépendamment de l'aspect économique, les critères de ce choix quand il est possible, sont les suivants :- compatibilité de l'eau avec ses utilisations: équilibre calcocarbonique, dureté, température et, en cas de concentration, teneurs en S02, SiO2, Ca2+, Cl-,- compatibilité de l'eau avec certains types de traitements envisagés (membranes, échangeurs d'ions).

Le tableau 3 propose un choix des sources d'eau disponibles en fonction de leur utilisation. Il faut faire attention aux paramètres qu'il sera difficile de corriger par une épuration intermédiaire simple (Couleur, M.O., HPA, S04, etc.).L'eau de mer peut être utilisée sans réduction de salinité dans les deux applications suivantes- refroidissement de condenseurs,- récupération secondaire "offshore". Elle nécessite un traitement de dessalement dans les autres cas.

3.2. LES EAUX DE CHAUDIÈRES3.2.1. Cycle de l'eau dans une chaufferieQuel que soit le type de chaudière considéré, on peut schématiser très simplement le cycle de l'eau de la manière suivante (figure 17)L'appareil reçoit de l'eau d'alimentation qui est constituée par une proportion variable d'eau condensée récupérée, dite "eau de retour" et d'eau neuve, plus ou moins épurée, dite "eau d'appoint".La vapeur, qui s'échappe de la zone de vaporisation, contient fréquemment des vésicules liquides (primage), des gaz (en particulier le gaz carbonique). Aux pressions élevées, elle véhicule dés sels volatilisés par un véritable "entraînement à la vapeur", tels que de la silice et, aux très hautes températures, des chlorures.L'eau restée sous forme liquide à la partie inférieure de la chaudière se charge de toutes les substances que contenait l'eau qui a été vaporisée (à l'exception de celles qui ont été entraînées dans la vapeur).La déconcentration nécessaire est appelée "purge" ou "extraction" par envoi à l'egoût d'une fraction de l'eau de la chaudière.

Page 5: Les Eaux Industrielles

Si une chaudière est en régime continu, et si, pour simplifier, on admet que la salinité entraînée dans la vapeur est négligeable, l'équilibre stable des concentrations est atteint lorsque la masse de sels évacuée par les extractions à l'égout est égale à la masse de sels amenée par l'eau d'appoint (puisque l'eau condensée est supposée pure). On a donc à l'équilibre

A X s = D X S

A : débit d'eau d'appoint de concentration s ;D : débit des extractions ou purge;S : concentration en chaudière.

Si la vapeur est entièrement perdue, et si la capacité du poste de traitement est exprimée, non en production d'eau d'appoint mais en production de tonnes T de vapeur, on ne doit pas oublier que A = T + D et le facteur de concentration s'exprime alors par

En pratique, le pourcentage admissible de purges dans une installation est limité par des considérations économiques d'exploitation et d'investissement. On tend à réduire ce taux à des valeurs de plus en plus faibles.

3.2.2. Cas des générateurs nucléaires et des chaudières à circulation forcéeCertains générateurs utilisés dans les centrales nucléaires ne comportent pas de ballon, ni de possibilités d'extraction, de telle sorte que toutes les impuretés dissoutes dans l'eau d'alimentation se retrouvent sur les surfaces de vaporisation ou dans la vapeur. Le mode de calcul ci-dessus est donc inapplicable, et on doit limiter impérativement d'une façon générale les substances étrangères à l'eau aux limites que l'on peut tolérer dans la vapeur.Il en est de même de toutes les chaudières classiques de la catégorie à circulation forcée ou de chaudières de l'industrie chimique dites "chaudières de récupération" qui sont caractérisées par l'absence de ballon et par une déconcentration en purge continue.

3.2.3. Inconvénients provoqués par les impuretés de l'eauLes accidents que l'eau peut provoquer dans une chaudière ou dans une turbine sont:

. Les incrustations dues au dépôt sur les parois de la chaudière de précipités cristallins, qui, gênant la transmission de la chaleur, provoquent des surchauffes locales et sont à l'origine des "coups de feu". Elles sont d'autant plus dangereuses qu'elles sont moins conductrices. Les grandeurs relatives de leur conductibilité thermique sont les suivantes- acier 15 kcal/m2.h par degré C- CaSO4 1 à 2 kcal/ m2.h par degré C- CaCO3 0,5 à 1 kcal/ m2.h par degré C- SiO2 0,2 à 0,5 kcal/ m2.h par degré CCes incrustations sont dues principalement à la présence dans l'eau de sels de calcium (carbonates ou sulfates) moins solubles à chaud qu'à froid, ou à une trop forte concentration en silice par rapport à l'alcalinité de l'eau dans la chaudière. Dans les chaudières à très forte vaporisation, il peut y avoir sursaturation de sels dans le filin superficiel surchauffé ou séquestration (hide out) avec une salinité moindre de la purge.

.le primage, entraînement plus ou moins important de vésicules liquides dans la vapeur (mousse et brouillard), qui provoque à la fois une baisse de rendement énergétique de la vapeur et le dépôt de cristaux salins sur les surchauffeurs et sur les turbines. Il est en relation avec la viscosité et la tendance au moussage de l'eau. Celles-ci sont fonction de l'alcalinité, de la présence de certaines substances organiques et de la salinité totale.L'importance du primage dépend aussi des caractéristiques de la chaudière et de son régime de vaporisation.

.L'entraînement dans la vapeur de corps minéraux volatils à la température d'ébullition, dont le plus nocif est celui de la silice qui se produit au-dessus de 250°C.Ces sels se déposent sur les ailettes des turbines entraînant de graves désordres dans leur fonctionnement. Les entraînements sont d'autant plus imp ortants que la pression, et donc la température, sont plus élevées. Ils sont en relation avec la concentration des éléments concernés dans l'eau du ballon.

. Les corrosions d'origine et de nature très variées dues, soit à l'action de l'oxygène dissous, soit à des courants de corrosion provenant d'hétérogénéités sur les surfaces métalliques, soit encore à l'attaque directe du fer par l'eau. Avant d'aborder l'étude des moyens de correction, il faut examiner la concentration des divers éléments dangereux à respecter dans la phase liquide en fonction des caractéristiques de la chaudière et éventuellement de celles de la turbine. A partir de ces valeurs, et compte tenu des possibilités d'extraction des purges, les valeurs correspondantes à respecter dans l'eau d'appoint se trouvent définies.

3.2.4. Caractéristiques à maintenir dans l'eau d'un générateur de vapeur conventionnelÉtant donné la tendance à accroître le taux de transmission calorifique à travers les surfaces chauffées des chaudières modernes, on ne peut donner que des fourchettes assez larges pour les valeurs d'alcalinité, salinité, silice, phosphates, etc., à respecter en fonction des pressions de service. Les valeurs limites réelles doivent être demandées au constructeur de la chaudière, en fonction des caractéristiques de celle-ci.

Page 6: Les Eaux Industrielles

Un point particulièrement controversé est la teneur limite en NaOH, qui est d'autant plus basse que le taux de vaporisation par m2 de tube est important. Par contre, dans les chaudières à basse et moyenne pression, elle peut être relevée si l'on utilise un conditionnement antiprimage.On trouvera, ci-après, les extraits des recommandations des APAVE (tableaux 4a, 4b, 4c) jusqu'à des pressions de service de 100 bars, pour des taux de vaporisation modérés et des volumes de ballon permettant de régler correctement les taux d'extraction.

Tableau 4a. Caractéristiques des eaux pour les chaudières à tubes de fumée (jusqu'à 25 bars).

Tableau 4b. Caractéristiques des eaux pour les chaudières à tubes d'eau. Circulationnaturelle. - Eau d'appoint adoucie ou décarbonatée adoucie.

Page 7: Les Eaux Industrielles

Tableau 4c. Caractéristiques des eaux pour les chaudières à tubes d'eau.Circulation naturelle. - Eau d'appoint déminéralisée.

Autres recommandations de qualité de l'eau alimentairePar expérience, il est conseillé de limiter aussi d'autres polluants susceptibles de rentrer en chaudière

Contrôle de l'eau des chaudières BP et MPAvec le développement du contrôle automatique des chaufferies, on peut limiter le contrôle manuel aux éléments suivants (1 fois par jour en BP et une fois par semaine en MP).

Page 8: Les Eaux Industrielles

3.2.5. Chaudières à haute pression ou flux thermique élevéPour ces chaudières très poussées, on doit réduire autant que possible les sels dissous et donc supprimer le conditionnement au phosphate.On ne peut alors définir de valeurs limites pour la salinité et le TAC à respecter en chaudière, puisque le désiliciage poussé des eaux d'appoint réduit simultanément la salinité totale à l'état de traces. Salinité et TAC en chaudière dépendent donc essentiellement du mode de conditionnement.Des conditions très restrictives concernant les eaux alimentaires ou de chaudières peuvent être énoncées par les constructeurs de chaudières eux-mêmes, auxquels on doit se référer.Les condensats de retour peuvent entraîner des impuretés dans l'eau alimentaire telles que :

- sels dissous (fuites au condenseur ou primage en chaudière),- produits de corrosion provoqués par une entrée d'oxygène.

Le traitement des condensats est alors parfois justifié.

3.2.6. Centrales avec réacteur à eau sous pression (REP ou PWR)3.2.6.1. OrganisationCes centrales à eau pressurisée comportent deux circuits distincts (cf figure 18) :- le circuit primaire qui assure l'extraction des calories du coeur du réacteur ; ce circuit est dit actif,- le circuit secondaire où se produit la vaporisation et qui comporte la turbine, le condenseur, éventuellement le traitement des condensats, les réchauffeurs et la pompe alimentaire ; sauf en cas de fuite au niveau du générateur, ce circuit n'est pas actif.Au niveau du cricuit primaire, l'eau est maintenue à l'état liquide sous une pression d'environ 150 bars, pour une température sortie réacteur de l'ordre de 320°C (température retour 280 °C).Le circuit primaire est conditionné avec deux réactifs– l'hydroxyde de lithium pour maintenir un pH basique et éviter les corrosions,– l'acide borique qui joue le rôle de modérateur du flux de neutrons et permet de contrôler la puissance fournie par le réacteur.

Terminologie E.D.F. des circuitsA.P.G.: Circuit des purges des générateurs de vapeur (G.V) (Steam generator blowdown system).G.V : Générateur de vapeur.P.T.R. : Circuit de traitement et derefroidissement de l'eau des piscines(Reactor cavity and spent fuel pit cooling and treatment system).R.C.V. : Circuit de contrôle chimique et volumétrique (Chemical and volume control system).

T.E.P.*: Traitement des effluents primaires (Boron recycle system).T.E.U.*: Traitement des effluents liquides usés (Liquid waste treatment system).

3.2.6.2 Contrôle des circuitsLa maîtrise totale des corrosions est requise dans les deux circuits dont les eaux doivent satisfaire des spécifications sévères.

Circuit primaireTableau 5a - Eau d'appoint du circuit primaire.

Page 9: Les Eaux Industrielles

Le cycle de circulation est de l'ordre de 1 minute. Diverses impuretés radioactives provenant de microfuites au niveau des gaines de combustible ou de l'activation des produits de corrosion peuvent s'accumuler dans l'eau pressurisée. C'est pourquoi plusieurs circuits d'épuration sont implantés en parallèle sur la boucle de ce circuit primaire. Les paramètres principaux des spécifications chimiques EDF sont présentés ci-après (tableaux 5a, 5b).

Tableau 5b. Circuit primaire principal (Fonctionnement normal en puissance).

Circuit secondaireLes tableaux 6a, 6b, 6c représentent également les paramètres principaux des spécifications chimiques établies par EDF.

Tableau 6a. Eau d'appoint au circuit secondaire. (Eau déminéralisée conditionnée).

Page 10: Les Eaux Industrielles

Tableau 6b. Eau d'alimentation des générateurs de vapeur (Fonctionnement normal en puissance P > 25 % PN).

Tableau 6c. APG - Purges des générateurs de vapeur (Fonctionnement à P > 25% PN).

3.3. CIRCUITS DE REFROIDISSEMENT

3.3.1. Constitution des circuitsLa nature des appareils à refroidir est extrêmement variée– condenseurs et échangeurs thermiques,– réfrigérants d'huile, d'air, de gaz, de liquides, - moteurs, compresseurs,– hauts-fourneaux, fours, laminoirs, coulées continues, convertisseurs, etc.,– réacteurs chimiques.Le comportement de ces appareils dépend:- de leur type de construction (tubulaire, à plaques,...),- du mode de circulation de l'eau (interne, externe, vitesse,...),- des métaux en contact avec l'eau (acier, inox, cuivre et alliages, aluminium,...).Les matériaux utilisés en contact avec l'eau (béton, bois) dans l'équipement auxiliaire du circuit doivent aussi être connus.

Trois cas peuvent se présenter (figure 19)- l'eau chaude est rejetée en rivière ou à l'égout: c'est le circuit ouvert, elle est refroidie par contact avec un fluide secondaire (air ou eau) et retourne sans contact avec l'air aux appareils à refroidir: c'est le circuit fermé, - elle est refroidie par une évaporation partielle dans un réfrigérant atmosphérique, puis retourne aux appareils: c'est le circuit semi-ouvert

Page 11: Les Eaux Industrielles

Dans d'autres circuits semi-ouverts mixtes, l'eau peut avoir aussi un contact direct avec des éléments polluants provenant des procédés (par exemple, lavage de gaz), le conditionnement de l'eau est alors plus difficile.Dans les circuits fermés, c'est-à-dire clos et sans évaporation, l'appoint d'eau est très faible et doit éventuellement satisfaire les normes de conductivité liées au procédé. On peut réaliser une protection totale et quasi définitive avec des inhibiteurs de corrosion.Les circuits semi-ouverts sont cependant les plus utilisés.

3.3.2. Circuits semi-ouvertsLes principaux paramètres qui caractérisent l'exploitation du circuit sont V(m3) : volume d'eau total du circuit constitué par :- le bassin des eaux chaudes,- le bassin des eaux froides,- les échangeurs de température,- les canalisations de liaison, etc.

Page 12: Les Eaux Industrielles

Q(m3.h-1) : débit de circulation d'eau chaude retournée au réfrigérant?T(°C) : différence entre les températures de l'eau entrant et sortant du réfrigérantT max.(°C) : température du filin d'eau (température de "peau") au contact de la paroi la plus chaude du circuit.W(kcal.h-1) : puissance du réfrigérant atmosphérique; elle s'exprime par le produit des deux valeurs précédentesW =1000 Q. ?TE(m3.h-1) : débit d'évaporation, c'est-à-dire la quantité d'eau évaporée pour produire le refroidissement du débit Q.

Ce débit d'évaporation est constitué par de l'eau pure qui n'entraîne aucun sel dissous.En admettant une chaleur latente de Vaporisation de 560 thermies par m3, on a la relation :

Ev(m3.h-1) : débit d'entraînement vésiculaire. C'est l'eau entraînée dans le courant d'air sous forme liquide. Il est donc constitué par une eau dont l'analyse est la même que celle de l'eau en circulation.

Les constructeurs s'attachent à réduire de plus en plus cet entraînement vésiculaire. Il se situe aujourd'hui autour de 0,05% Q avec des perspectives à 0,01%, mais en pratique, on considère souvent la relation suivante

Ev = 0,1 % Q

D(m3.h-1) : débit de déconcentration totale, calculé pour maintenir une concentration maximale admissible en sels dissous. Pour éviter les précipitations on doit donc purger une partie P de l'eau en circulation, en plusde la perte d'eau E, telle queP + Ev = DA(m3.h-1) : débit d'appoint.Il doit compenser l'ensemble des pertes d'eau dans le circuit: évaporation et déconcentration totale.

A = E + Dt(h) : temps de résidence t au bout duquel la concentration d'un réactif injecté diminue de moitié, sous l’effet de la purge

C : taux de concentration. C'est le rapport des concentrations en sels dissous de l'eau du circuit et de l'eau d'appoint (voir page 46).

Quelques autres relations entre les précédentes valeurs peuvent être utiles. Si l'on désigne par s la salinité de l'eau d'appoint, par exemple, cette même salinité dans le circuit deviendra s x C. En établissant le bilan de l'égalité des quantités de sels entrant et sortant du circuit, on est conduit à la relation

3.3.3. Difficultés inhérentes aux circuits de refroidissementElles peuvent provenir- des salissures,- de l'entartrage,- de la corrosion,- des développements biologiques.

3.3.3.1. SalissuresElles sont constituées par toutes les matières susceptibles de se déposer ou se former dans un circuit, à l'exclusion des tartres.

Page 13: Les Eaux Industrielles

Ces salissures peuvent avoir plusieurs sources:- l'eau d'appoint,- l'air atmosphérique,- les fabrications,

. L'eau d'appointElle peut apporter :- des matières grenues qu'il est possible de retenir par traitement approprié pour éviterleur dépôt aux points du circuit où la circulation est plus lente,- des matières colloïdales instables: une faible élévation de température ou l'effet de concentration peuvent les précipiter à l'état de gel adhérent et adsorbant dont la couleur varie en fonction des matières fixées.Éliminer la plupart de ces matières, n'est en général envisageable que pour les circuits semi-ouverts concentrés.

.L'air atmosphériqueUn réfrigérant atmosphérique est un excellent laveur d'air; tous les éléments véhiculés par l'air sont retenus par l'eau de circulation- vents de sable (zones désertiques, aires de stockage de minerais),- embruns riches en NaCl des zones littorales,- poussières d'oxydes et de chaux en sidérurgie et cimenterie,- HCl etSO2 à proximité des fours d'incinération et de combustion,- NH4, et NH4NO3 dans les usines d'engrais.

Les gaz ou sels solubles modifient en permanence l'analyse chimique de l'eau en circulation, souvent de façon différente suivant la direction du vent Il faut donc connaître ces sources de pollution et leur proximité lors de l'étude du conditionnement d'un circuit, ne serait-ce que pour prévoir les équipements nécessaires à l'obtention d'une régulation plus rigoureuse (pH par exemple).

. Les fabricationsDeux cas doivent être distingués- circuit semi-ouvert simple: la pollution est surtout accidentelle et provient de fuites d'huile, de fluides (solvants) et gaz refroidis(NH3) dont il faudra éviter l'accumulation nocive dans le circuit (prévention, consignes, etc.),- circuit semi-ouvert mixte : la pollution permanente provient de la seconde fonction de l'eau (lavage ou transport).

3.3.3.2. EntartrageL'entartrage est la précipitation sur les surfaces métalliques de sels peu solubles de calcium, éventuellement de silice. Les principaux paramètres contrôlant la précipitation de ces tartres sont- la température, dont l'élévation diminue en général la solubilité des sels concernés, - la concentration en ions,- l'agitation.

Cas des sels de calciumLes principaux sels peu solubles rencontrés sont- le carbonate, cause la plus fréquente de formation de tartres (voir page 273) que l'on peut redissoudre en service par voie chimique,- le sulfate, dont la solubilité est maximale à 40 °C et qui peut précipiter à froid sous forme de gypse CaSO4, 2H2O ou à chaud, sous forme anhydre ou hémihydrate (voir page 497). En circuit semi-ouvert il faut limiter le taux de concentration des eaux minéralisées et de l'eau de mer et, en particulier, lors de forts transferts thermiques.Une fois formé, le sulfate de calcium ne se redissout que très lentement dans l'eau en circulation.- l'orthophosphate Ca3(PO4)2 dont le tartre, poudreux et peu adhérent à l'état pur, peut syncristalliser avec du carbonate de calcium en constituant un tartre dur.

Page 14: Les Eaux Industrielles

Cas de la siliceOn doit ne pas oublier que la silice se trouve dans les eaux sous plusieurs formes- SiO2 ionisée,- SiO2 colloïdale,- silico-aluminates de calcium ou de magnésium (argile).

La solubilité de la silice dépend du pH et de la température (voir page 497). Les tartres silicatés sont durs, fortement adhérents et isolants.

Inconvénients dus au tartre

3.3.3.3. CorrosionLa corrosion est l'altération des différents métaux véhiculant l'eau. Les processus en sont décrits au chapitre 7. L'amincissement par corrosion uniforme dite acide est rarement rencontré. Le phénomène le plus fréquent est la formation de dépôts ou d'infractuosités (corrosion hétérogène ou par aération différentielle) qui peuvent entraîner des perforations.

Ces dépôts, par suite des différentes réactions anodiques et cathodiques en jeu, peuvent contenir une proportion importante de CaCO3.Les dépôts dus aux développements bactériens présentent une morphologie dite tuberculiforme, cause à la fois d'obstruction rapide et de perforations.

Inconvénients dus à la corrosion

Page 15: Les Eaux Industrielles

3.3.3.4. Les développements biologiquesUn circuit de refroidissement constitue un milieu privilégié pour le développement des organismes vivants. On y trouve air, chaleur et lumière, et il faut, soit éviter tout apport de nutriments rapidement assimilables ou de composés organiques à forte biodégradabilité, soit prévoir un traitement bactériostatique.En sus des problèmes d'obstruction, la formation progressive d'un film isolant par encrassement biologique (Fouling) diminue les coefficients d'échange et accroît les pertes de charge. Elle entraîne à plus long terme le développement de corrosions sous dépôt pouvant entraîner des fuites.

3.3.4. Quantités d'eau mises en oeuvre3.3.4.1. Refroidissement de condenseurs de centrales électriques

a) Débits de circulation- Centrale thermique conventionnelle à pleine charge (600 MW):à grande vitesse de circulation (?T= 8,7°C) : 20-21 m3.s-1

à petite vitesse de circulation (?T = 12°C) : 14-15 m3.s-1

- Centrale nucléaire à pleine charge (1200 MW): (?T = 12°6) : 47-48 m3s -1

b) Appoints en circuits semi-ouvertsAvec un taux de concentration de 3 à 4 et suivant l'hygrométrie de l'air- centrale thermique 1,2 à 2 m3.h-1 par MW.- centrale nucléaire 2,2 à 3 m3.h-1 par MW.

3.3.4.2. Refroidissements divers dans l'industrieDes ordres de grandeur de volumes en circulation peuvent être donnés pour quelques procédés (hors lavage de gaz)

Page 16: Les Eaux Industrielles

Lorsqu'il n'y a pas de température froide très basse imposée, le refroidissement par échangeur aérotherme peut se substituer à la réfrigération atmosphérique et diminuer les appoints.

3.4. EAUX DE FABRICATIONLes besoins en eau de chaudière et en eau de refroidissement sont communs à la majeure partie des industries et on a vu qu'ils pouvaient être définis par des recommandations interprofessionnelles très précises. En eau de fabrication, ces besoins ne font l'objet de recommandations que pour quelques industries.

3.4.1. Eaux de brasseries et boissons gazeuses

3.4.1.1. BrasseriesUtilisations- préparation de la bière,- lavage des cuves, appareils et sols,- refroidissement,- éventuellement nettoyage des bouteilles.Qualité des eaux d'appointElles font l'objet de recommandations professionnelles très dépendantes des qualités de bières élaborées. Ainsi les bicarbonates qui précipiteraient lors de l'introduction du malt riche en phosphate de calcium sont à éviter en brassage.

On peut en première approche retenir les règles suivantes- élimination systématique des bicarbonates,-concentration en Mg aussi faible que possible (< 10 mg.l-1),- rapport SO4/Cl supérieur à 1 (moelleux des bières),- concentration en Na < 100 mg.l-1 pour minimiser l'âcreté,- NO3 < 50 mg.l-1 et NO2 < 1 Mg.l-1 (limites de toxicité en fermentation et de potabilité).Des exemples particuliers de compositions minérales de bières peuvent être cités

Page 17: Les Eaux Industrielles

. Quantités mises en oeuvre5 à 6 hl par hl bière, réductibles à 4 à 5 par recyclage :- préparation de la bière: 1,5- lavages: 3 à 4- refroidissement: 1 à 2

3.4.1.2. Boissons gazeuses

Systématiquement les eaux de préparation des boissons doivent satisfaire les normes d'eau potable.Bien que les fabricants définissent souvent eux-mêmes la chaîne de traitement, notamment les temps de séjour, on peut noter une tendance récente à demander des qualités spécifiques de l'eau. Parmi celles-ci, on peut rechercher le maintien d'un TAC inférieur à 5 °F et une salinité totale inférieure à 500 mg.l-1. Pour les utilisations de l'eau en nettoyage, on peut par contre demander un excès de chlore résiduel de plusieurs mg.l-1.La consommation est de 31 d'eau pour 1 l de boisson.

3.4.2. Industries laitièresL'eau est utilisée pour :- désinfection des appareils et cuves,- nettoyage des sols,- lavage des produits,- reconstitution de lait,- refroidissement.Les utilisations diverses d'eau représentent 4,5 à 8 1 par litre de lait..

3.4.3. Sucreries et raffineries de sucre3.4.3.1. Sucreries de betteravesLes techniques de traitement d'eaux industrielles interviennent dans l'épuration de l'eau d'appoint et du jus lui-même.lavage des betteraves: recyclage des eaux polluées sur des décanteurs raclés, de façon à récupérer l'eau,.diffusion des cossettes (préparation du jus brut) : traitement des eaux condensées ammoniacales recyclables en tête de diffusion,traitement des jus légers- décalcification des jus de deuxième carbonatation (protection contre le tartre des appareils d'évaporation),- déminéralisation des jus (réduction du taux de mélasse),- décoloration des sirops sur charbon actif ou résines adsorbantes.concentration des jus, cristallisation du sucre- conditionnement des jus dans les évaporateurs.traitement des bas produits (égouts ou mélasses) en vue de réduire le taux de sucre-mélasse- traitement des égouts sur résine cationique régénérée au chlorure de magnésium (procédé Quentin). Le remplacement des ions Na et K par Mg réduit le sucre retenu dans la mélasse,- déminéralisation des égouts ou mélasses par échange d'ions, avec traitement complémentaire éventuel pour l'obtention de sucre liquide.eaux d'appoint- appoint aux chaudières à l'ouverture de la campagne ou en cas d'insuffisance accidentelle des retours de condensats,- appoint permanent au circuit de refroidissement des turbo-alternateurs et à la réception des betteraves (5 à 10 l par tonne de betteraves).La sucrerie a en effet un cycle excédentaire: l'eau est apportée par la betterave et purgée avec les eaux ou les boues de lavage (figure 20).

Page 18: Les Eaux Industrielles

3.4.3.2. Sucreries de canneLa purification des jus bruts requiert représenter 80 % des besoins totaux et se des méthodes de clarification analogues répartissent comme suità celles de l'eau :- décantation accélérée des jus déféqués à la chaux,- flottation des jus épurés en vue de séparer les "folles bagasses",- désinfection des circuits (essentielle).

3.4.3.3. Raffineries de sucre (betteraves ou canneLes sirops de refonte et les sucres liquides doivent subir des traitements de décoloration plus ou moins complets.

3.4.4. Conserveries de légumes et de fruitsUn adoucissement partiel des eaux de fabrication est souvent nécessaire (duretés de 10°F à 20°F pour les fruits). En outre, une réduction de la salinité totale peut s'avérer utile.

3.4.5. Industries textilesL'eau est utilisée pour les chaudières (appoints souvent importants), pour les fabrications (teintures, rinçages) et pour le conditionnement de l'air (humidification et dépoussiérage). Ces industries demandent de grandes quantités d'eaux qui sont l'objet des traitements suivants- eaux adoucies ou déminéralisées destinées à la préparation du fil, spécialement lorsqu'il s'agit de textiles artificiels,- eaux adoucies souvent décarbonatées destinées au blanchiment et à la teinture des fibres,- eaux déminéralisées pour conditionnement de l'air des salles de filature ou de tissage (osmose inverse, échange d'ions).Les quantités d'eau mises en couvre peuvent, pour les seules fabrications, représenter 80% des besoins totaux et se répartissent comme suit

3.4.6. Pâtes à papier et papeteriesCes industries (voir page 98) ont de grosses consommations d'eau pour les besoins suivants- production de vapeur,- préparation des pâtes,- élaboration du papier et transport des fibres.

3.4.6.1. Qualité des eauxLes papeteries cherchent essentiellement à éliminer la turbidité et la couleur des eaux brutes ainsi que leur dureté temporaire.Des recommandations américaines (National Council of the Paper Industry) préconisent aussi certaines caractéristiques suivant les pâtes (cf tableau 7).

Page 19: Les Eaux Industrielles

3.4.6.2. Consommations d'eau d'appointElles se situaient vers 1975 entre 100 et 300 m3 par tonne de pâte. Depuis, grâce à une politique sévère de contrôle des rejets et donc de recyclage intense, elles ont été considérablement réduites, les circulations spécifiques par atelier restant elles-mêmes élevées :

Tableau 7 - Recommandations NCPI pour les eaux de papeteries

Page 20: Les Eaux Industrielles

3.4.7. Récupération secondaire de pétroleLes exigences suivantes doivent être satisfaites- non-colmatage de la roche - réservoir,- non-corrosion du forage (Tubing),- absence de développements bactériens,- compatibilité chimique avec l'eau du réservoir.

Selon la perméabilité du réservoir, la température et la charge de l'eau en MES, les critères de traitement suivants sont fréquemment souhaités:

3.4.8. SidérurgieGrosse consommatrice d'eau, cette industrie a depuis longtemps réalis é des circuits semiouverts adaptés aux conditions de travail spécifiques rencontrées (voir page 63).Il faut distinguer deux grandes utilisations de l'eau dans cette industrie :- le refroidissement indirect par des échangeurs très divers et souvent soumis à des températures de l'eau élevées, nécessitant quelquefois des circuits fermés. Les eaux d'appoint selon les cas seront décarbonatées ou déminéralisées,- le refroidissement direct, soit en lavage de gaz, soit en granulation de produits ou en décalaminage, dans lesquels l'eau se salit et doit être constamment traitée dans le circuit.La qualité de l'eau d'appoint importe alors beaucoup moins.

Cokerie- Condensation primaire indirecte des gaz ou finale directe.- Dépoussiérage humide des gaz à l'enfournement du charbon préchauffé.- Dépoussiérage humide des fumées au défournement du coke.

Hauts fourneaux- Refroidissement des organes de hauts fourneaux tels que tuyères, tympes et boites à vent.- Extinction du laitier, en rigole, en pot, en tambours ou sur lits filtrants avec des circulations d'eau de 10 à 4 m3 par tonne.- Lavage des gaz de hauts fourneaux.

Réduction directeCe procédé récent est très gros consommateur d'eau :- Lavage et refroidissement des gaz de réduction ou des éponges de fer. Les volumes d'eau mis en oeuvre (12 à 30 m3 par tonne d'éponge) sont plus élevés qu'en hauts fourneaux et, en raison de la température élevée des gaz, ces eaux sortent très chaudes des laveurs (50 à 70 °C).- Refroidissement de la machinerie (compresseurs et réfrigérants à huile) et refroidissement des gaz. Une consommation notable d'eau déminéralisée est requise pour la production de vapeur de reformage du gaz de procédé.

ConvertisseursL'utilisation prépondérante des procédés L.D., LWS, LDAC ou BOS nécessite des circuits importants- refroidissement de la hotte et de la lance (quelquefois assuré par vaporisation),- Lavage du gaz: récupération de calories par combustion partielle du gaz et vaporisation en chaudière B.P. Des appoints d'eau déminéralisée sont alors nécessaires.

Fours électriques et métallurgie en pocheLa production d'aciers fins, est réalisée dans des fours électriques à arc (techniques UHP et autres) ou en poches (STEP), réchauffées par induction ou par arc; elle peut être complétée par un dégazage sous vide de l'acier. L'eau intervient de trois façons :- refroidissement normal des fours et des poches,- production de vapeur pour les éjecteurs de mise sous vide,- refroidissement des lingotières et des électrodes à partir d'eau déminéralisée.

Coulées continues de brames et billettesTrois circuits sont usuels- refroidissement de la lingotière en circuit fermé avec appoint d'eau déminéralisée,- refroidissement de la machine, en circuit semi-ouvert, avec conditionnement inhibiteur soigné,- aspersion de la machine et de la brame ou des billettes, avec production de battitures de décalaminage et de laitier d'oxycoupage.

Page 21: Les Eaux Industrielles

Trains de laminage à chaudIl faut alimenter deux types de circuits-refroidissement indirect de fours, compresseurs, moteurs, etc.,-refroidissement direct pouvant assurer trois fonctions: refroidissement du métal, refroidissement des cages de laminage, décalaminage de l'acier.Les circuits de décalaminage sont destinés à l'enlèvement préalable d'oxydes divers (wurtzite, hématite) par érosion hydraulique. L'eau se charge alors de paillettes fines ou battitures, plus ou moins nombreuses et plus ou moins unes suivant le type du train et la dureté de l'acier.

Les trains de laminage sont très variés :

a) Trains à bandeLes plus importants traitent 200 à 500 t.h-1 d'acier sous forme de brames.Débits de circulation mis en jeu- refroidissement direct : 10 à 20 000 m3.h-1

- refroidissement indirect : 20 à 30 000 m3.h-1

Des circuits de refroidissement séparés équipent les moteurs, les cuves à huile et les fours de réchauffage.Ils sont souvent complétés par :- l'écriquage automatique, générateur de grandes quantités de laitier granulé,- le refroidissement de brames, en piscine, en tunnel ou sous aspersion, qui met en oeuvre de grands débits, sans créer de fortes pollutions.

b) Autres trains à chaud- Trains à tôles plates ou trains quartos.- Blooming-slabbing.- Trains à profilés, à poutrelles, à fers marchands.- Trains à ronds ou à fil.- Laminoirs de tubes.

Laminoirs à froidL'élaboration de produits laminés de faible épaisseur et d'acier galvanisé nécessite des prétraitements du métal tels que le dégraissage et surtout le décapage. Ce dernier est réalisé à l'acide sulfurique et de plus en plus fréquemment à l'acide chlorhydrique régénéré in situ.Des installations de déminéralisation en circuit ouvert ou en circuit fermé sont nécessaires pour l'alimentation des rinçages finaux des ateliers de zingage ou d'étamage.Une eau très pure et adoucie est également requise pour la préparation des bains d'huiles solubles.

3.4.9. Métallurgie du cuivreL'élaboration du métal peut se faire par voie sèche ou par voie humide suivant la nature des minerais. Les procédés hydrométallurgiques qui utilisent le plus souvent une lixiviation à l'acide sulfurique et une électrolyse, sont de plus en plus fréquents, car ils permettent de traiter les minerais pauvres ou les résidus de flottation.Le laminage du cuivre, à partir des wirebars, assure la production de profilés, de câbles ou de fils.

Les opérations de dégrossissage mettent en oeuvre un décalaminage hydraulique de la surface du métal et provoquent la mise en suspension dans l'eau d'oxydes de cuivre, produits valorisables souvent intéressants à récupérer. Les conditions d'exploitation des circuits de décalaminage et de refroidissement sont analogues à celles de la sidérurgie.

3.4.10. Les industries automobile et aéronautiqueL'industrie automobile comprend des usines de construction de moteurs et de boites de vitesse, des usines de carrosserie et de montage, et de nombreux ateliers de sous-traitance souvent indépendants. Les besoins en eau d'appoint sont donc très différents suivant les situations.Néanmoins, trois familles peuvent être distinguées- refroidissement, principalement de compresseurs et de conditionneurs d'air,- préparation de bains divers d'électroplastie et de peintures nécessitant en général de l'eau déminéralisée,- alimentation des centrales d'usinage et rectification en eau peu minéralisée ou adoucie.La définition des différents ateliers concernés est donnée page 110.L'industrie aéronautique présente beaucoup de besoins similaires.

3.4.11. Fabrications avec emploi d'eau ultra pureElles concernent la production de semiconducteurs et comportent la préparation de l'eau d'appoint ultra-pure et son affinage dans les boucles de distribution.

Qualité de l'eau d'appointL'accroissement récent de capacité des mémoires de quelques K-Bits à 256 K – Bits sinon 1 M -bits impose des exigences de plus en plus sévères pour la qualité de l'eau ultra-pure utilisée au rinçage des composants, en particulier pour les paramètres physiques et biologiques.On peut citer les recommandations ASPEC 86/17 (Association pour la Prévention et l'Etude de la Contamination du tableau 8.Une boucle en matériaux plastiques et généralement équipée d'un réservoir de stockage assure l'alimentation des postes d'utilisation en maintenant une vitesse de circulation relativement constante.

Page 22: Les Eaux Industrielles

3.4.12. Fabrication du chloreElle repose sur l'électrolyse de saumures saturées en Na Cl et dont la qualité dépend des procédés (cellules à diaphragmes et à mercure). L'épuration de ces saumures est réalisée soit sur l'appoint, soit en circuit fermé. Les éléments à éliminer sont prioritairement Ca2+ Mg2+ ; Fe2+, éventuellement S04 2- et, en recyclage, Hg2+.Pour les cellules à diaphragme, on cherche à maintenir Ca2+ + Mg2+ < 5 mg.l-1.Le développement de cellules à membranes et l'accroissement des densités de courant à 7 000 A.m-2 exigent une élimination plus complète du calcium et des matières organiques. Un affinage complémentaire après l'épuration chimique peut devoir satisfaire les spécifications suivantes: - Ca2+ < 50 μg.l-1 - MES< 1 μg.l-1 et éventuellement: - Sr2+ < 50 μg.l-1

Le dégazage de l'excès de chlore et la réduction des iodates éventuels peuvent

Tableau 8. Eaux ultra-pures pour l'industrie électronique (Circuits intégrés et surfaces sensibles).

aussi être nécessaires sur le circuit après électrolyseurs.

3.4.13. HydrométallurgieCette industrie concerne en particulier l'extraction de l'uranium, de l'or, de l'aluminium et utilise les procédés élémentaires suivants :- extraction du métal par attaque acide ou alcaline (lixiviation),- - séparation solide/liquide : filtration ou décantation,- -concentration des métaux: extraction par solvants ou par échangeurs d'ions,- -précipitations diverses.Ces procédés ont pour avantage d'être effectués à froid et de maîtriser les problèmes de corrosion. Les techniques employées sont souvent proches de celles du traitement des eaux et peuvent ainsi bénéficier de l'expérience acquise dans ce domaine. Les paramètres les plus significatifs, en particulier pour la clarification des liqueurs, sont

Page 23: Les Eaux Industrielles

MES: après décantation, les liqueurs contiennent encore fréquemment 100 à 200 mg.l-1 de MES, parfois plusieurs g.l-1. Ces matières résiduelles sont gênantes aussi bien dans le cas d'une extraction directe du métal que dans celui d'une purification par solvant organique ou par résines. Beaucoup d'utilisateurs souhaitent en réduire la teneur à moins de 10 à 2 0 mg.l-1.Silice colloïdale: la silice est présente dans les eaux sous forme ionisée (acide silicique ou acide fluosilicique) à des concentrations maximales possibles de 200 à 500 mg.l-1 ou sous forme de gel d'acide polysilicique peu ionisé. Cette dispersion colloïdale est électropositive, donc non coagulable mais relativement adsorbable.Cette silice peut précipiter sur les résines ou en présence de solvants.

Sulfate de calcium: les minerais calcaires et dolomitiques traités par l'acide sulfurique donnent naissance à des liqueurs sursaturées en CaSO4 cause d'entartrage et de précipitation. On doit briser les sursaturations lors des neutralisations à la chaux ou les prévenir.

Matières organiques: elles sont nuisibles dans deux cas- en extraction liquide-liquide, le solvant résiduel nuit à la précipitation du métal, surtout en électrolyse,- en fixation sur charbon; certaines matières organiques adsorbées peuvent ne pas être éluées à la régénération chimique. D'autres forment avec le métal un complexe non adsorbable.