Technologie d'osmose inverse (OI) dans le traitement de l'eau des centrales électriques
Procédé de traitement chimique de l'eau de la centrale électrique
Système de traitement chimique de l'eau d'une centrale électrique I. La nécessité d'un traitement chimique de l'eau est démontrée par les normes de qualité de l'eau d'alimentation. Voici les normes de qualité de l'eau d'alimentation de la chaudière : dureté totale (µmol/L), oxygène dissous (µg/L), conductivité électrique (µS/cm), silice (µg/L), pH (à 25 °C), dioxyde de carbone (µg/L) : ≤ 30
Une eau de mauvaise qualité, notamment en présence de concentrations excessives d'ions calcium, magnésium, sodium et silicate, présente les risques suivants pour les équipements thermiques : 1. Entartrage des équipements thermiques : si la qualité de l'eau alimentant la chaudière ou un autre échangeur de chaleur est médiocre, des dépôts solides se forment après une période de fonctionnement sur la surface de chauffe en contact avec l'eau. Ce phénomène est appelé entartrage, et ces dépôts solides sont appelés tartre. La conductivité thermique du tartre étant des centaines de fois inférieure à celle du métal, il se forme facilement dans les tubes de la chaudière soumis à une forte charge thermique. Le tartre est donc très nocif pour la chaudière (ou l'échangeur de chaleur) ; il peut entraîner une surchauffe de la paroi métallique du tube au niveau du tartre, ce qui diminue sa résistance. Sous l'effet de la pression interne, il peut en résulter une déformation locale du tube, un gonflement, voire des accidents graves tels qu'une explosion. L'entartrage compromet non seulement la sécurité d'exploitation, mais réduit également considérablement la rentabilité des centrales électriques. Par exemple, la présence d'une couche de tartre de 1 mm d'épaisseur dans l'économiseur de la chaudière d'une centrale thermique entraîne une surconsommation de combustible de 1,5 % à 2 %. Par conséquent, la prévention ou la réduction efficace de l'entartrage génère d'importantes économies. De plus, la mauvaise qualité de l'eau de circulation et l'entartrage du condenseur de la turbine à vapeur provoquent une diminution du vide, réduisant ainsi le rendement thermique et la puissance de la turbine. L'entartrage du surchauffeur empêche la vapeur d'atteindre la température nominale, ce qui nuit à la rentabilité de l'ensemble du système thermique. Après l'entartrage des équipements thermiques, un nettoyage rapide est indispensable, ce qui immobilise les équipements et réduit leur durée de fonctionnement annuelle. De plus, la charge de travail et les coûts de maintenance augmentent.
2. Corrosion des équipements thermiques et de leurs systèmes : les métaux des équipements thermiques des centrales électriques sont fréquemment en contact avec l'eau. Une eau de mauvaise qualité provoque la corrosion des métaux, notamment au niveau des canalisations d'alimentation en eau, des récupérateurs de charbon, des évaporateurs, des réchauffeurs, des surchauffeurs et des tubes d'échange thermique des condenseurs de turbines à vapeur. Cette corrosion réduit non seulement la durée de vie des équipements, mais engendre également des pertes économiques. De plus, les produits de corrosion se retrouvent dans l'eau, augmentant ainsi sa teneur en impuretés et aggravant l'entartrage des surfaces de chauffe soumises à une forte charge thermique. Cet entartrage accélère la corrosion des tubes du four. Ce cercle vicieux peut rapidement conduire à la rupture des tubes et à d'autres accidents.
3. Accumulation de sel dans le circuit de circulation du surchauffeur et de la turbine à vapeur : une eau de mauvaise qualité entraîne une augmentation de la dissolution et du transport d'impuretés par la vapeur (principalement des ions Na+ et HSiO3-). Ces impuretés se déposent dans le circuit de circulation de la vapeur, notamment dans le surchauffeur et la turbine à vapeur ; ce phénomène est appelé accumulation de sel. L'accumulation de sel dans les tubes du surchauffeur peut provoquer une surchauffe, voire une rupture, de la paroi métallique des tubes. Le serrage des vannes peut être altéré par l'accumulation de sel, et l'accumulation de sel dans la turbine à vapeur réduit considérablement sa puissance et son rendement. Même une faible accumulation de sel augmente significativement la résistance à la circulation de la vapeur, ce qui diminue la puissance de la turbine. En cas d'accumulation importante, la charge sur le palier de butée augmente et le séparateur peut se déformer, entraînant un arrêt accidentel.
En résumé, une eau très dure, indiquant une forte concentration en ions calcium et magnésium, favorise l'entartrage et la corrosion des surfaces de chauffe, du ballon et des parois des tuyaux de la chaudière. Cette dureté affecte légèrement la conduction thermique et peut provoquer l'éclatement des tubes de la chaudière. Les impuretés de l'eau, transportées par la vapeur vers le surchauffeur et la turbine à vapeur, entraînent une accumulation de sels dans le circuit de vapeur, causant ainsi des dommages supplémentaires. Le pH est un indicateur de la qualité de l'eau, défini comme suit : pH = 10⁻¹ × (concentration en ions hydrogène en solution, mol/L). La concentration en ions H⁺ et OH⁻ dans l'eau pure est de 1 × 10⁻⁷ mol/L, soit un pH de 7. Si un acide, comme l'acide chlorhydrique (HCl), est dissous dans l'eau, la concentration en ions H⁺ augmente. Plus la concentration en ions H⁺ est élevée, plus le pH est faible. Un pH inférieur à 7 indique une eau acide. Si un alcali est dissous dans l'eau, comme l'hydroxyde de sodium (NaOH), la concentration en ions H+ diminue et la concentration en ions sodium augmente. Plus la concentration en ions H+ est faible, plus la concentration en ions métalliques est élevée, et plus le pH est élevé. Un pH supérieur à 7 indique une eau alcaline. L'eau traitée chimiquement (échange d'ions) est faiblement alcaline (pH compris entre 8,8 et 9,2). Une eau faiblement acide est corrosive pour les métaux. L'utilisation d'eau faiblement alcaline présente l'avantage de passiver les surfaces d'acier et de cuivre, les protégeant ainsi de la corrosion et empêchant la formation de dépôts de fer et de cuivre sur les chaudières et les échangeurs de chaleur.
Le processus de traitement de l'eau
Le processus de traitement de l'eau se divise en deux étapes principales : l'adoucissement physique et le dessalement chimique. Adoucissement physique : l'eau brute provenant du réseau d'alimentation de l'usine est filtrée successivement sur sable de quartz et sur charbon actif afin d'éliminer les particules solides et les impuretés en suspension. On obtient ainsi de l'eau clarifiée. Cette eau est ensuite traitée par osmose inverse pour éliminer la majeure partie des ions calcium et magnésium et devenir de l'eau adoucie. Dessalement chimique : l'eau adoucie traverse un dispositif de décarbonatation pour éliminer le dioxyde de carbone (HCl₃⁻), puis un lit fluidisé à lit mixte pour éliminer les ions calcium, magnésium, sodium, silicate et autres ions nocifs résiduels. L'eau ainsi désalinisée est stockée dans un réservoir d'eau dessalée, puis pompée vers un dégazeur avant d'être acheminée vers le ballon de la chaudière par une pompe d'alimentation.
Technologie d'osmose inverse dans le traitement de l'eau des centrales électriques
L'osmose inverse désigne principalement l'utilisation de la technologie de séparation membranaire pour le traitement de l'eau. Elle se caractérise par un taux de dessalement élevé, une grande applicabilité et un caractère écologique, et est largement utilisée dans de nombreux secteurs industriels. Le cœur de cette technologie réside dans la membrane d'osmose inverse, composée d'un polymère et d'un film semi-perméable sélectif. Sous l'effet d'une pression externe, l'eau en solution subit une perméation sélective avec certains composants, permettant ainsi la purification, la séparation et la concentration. L'application de l'osmose inverse au traitement de l'eau des centrales électriques offre de meilleurs résultats et contribue à la préservation des ressources en eau et à la protection de l'environnement. Cet article présente d'abord le principe et les caractéristiques de la technologie des membranes d'osmose inverse, puis analyse son application pratique au traitement de l'eau dans les centrales électriques, et enfin aborde les points importants concernant son application.
Principe de l'osmose inverse
L'osmose inverse consiste à appliquer une pression suffisante pour faire passer le solvant d'une solution à travers une membrane, puis à le séparer. Ce procédé, qui fonctionne dans le sens inverse de l'osmose, est utilisé pour séparer, purifier et concentrer les solutions sous une pression plus élevée que l'osmose inverse classique. Grâce à la très petite taille des pores de sa membrane, l'osmose inverse est particulièrement efficace pour éliminer les sels dissous, les colloïdes, les bactéries, les virus et certaines matières organiques présents dans l'eau. L'élément de séparation principal de l'osmose inverse est l'ion en solution. L'élimination efficace du sel dans l'eau est possible sans l'ajout de substances chimiques, avec un taux de dessalage pouvant dépasser 98 %.
Caractéristiques de la technologie d'osmose inverse
La technologie d'osmose inverse applique le principe de l'osmose inverse pour purifier et concentrer une solution. Elle présente des caractéristiques de séparation très avantageuses : (1) Son degré d'automatisation est élevé et sa consommation énergétique inférieure à celle de diverses autres méthodes. Ceci s'explique principalement par le fait que la force motrice du traitement de l'eau est la pression de l'eau. À température ambiante et sans changement de phase, la séparation du solvant et du soluté est optimale, avec une perte minimale de composants actifs. Cette technologie est particulièrement adaptée à la séparation et à la concentration de substances thermosensibles. Comparée aux méthodes de séparation par changement de phase, sa consommation énergétique est également réduite. (2) Le traitement étant une réaction physique, il ne nécessite aucune régénération et le produit reste propre. (3) La membrane d'osmose inverse, grâce à ses propriétés et sa stabilité, ne subit aucun changement de phase et fonctionne à température ambiante. Le taux d'élimination des impuretés y est très élevé. (4) L'équipement d'osmose inverse permet le traitement de diverses eaux brutes. Sa structure globale est relativement simple, son utilisation est aisée et très adaptable, et sa capacité de traitement est flexible, permettant un fonctionnement continu ou intermittent. ⑤ Il offre une rentabilité accrue. Le coût d'exploitation d'un système d'osmose inverse est très faible et l'investissement est rapidement amorti.
Application pratique de la technologie d'osmose inverse dans le traitement de l'eau des centrales électriques
1. Recyclage et valorisation des eaux de refroidissement en circuit fermé. Les eaux de refroidissement en circuit fermé utilisées dans les centrales thermiques représentent environ 70 % de la consommation totale d'eau de ces centrales. Leur recyclage et leur valorisation revêtent donc une importance pratique considérable, permettant de préserver les ressources en eau limitées. Ces dernières années, les exigences nationales en matière de protection de l'environnement se sont progressivement renforcées, et les indicateurs relatifs aux rejets d'eaux usées sont devenus de plus en plus stricts, entraînant une augmentation significative des coûts de traitement des eaux usées pour les centrales. L'application de la technologie d'osmose inverse permet la réutilisation de ces eaux. Combinée au fonctionnement des différents équipements de la centrale, l'eau obtenue par osmose inverse peut être utilisée comme eau d'appoint pour le circuit de refroidissement, avec des caractéristiques de sécurité et de fiabilité. Après la mise en œuvre de cette technologie, la qualité de l'eau de refroidissement en circuit fermé s'est considérablement améliorée, sa turbidité a été fortement réduite, et la quantité d'eau d'appoint nécessaire a également été significativement diminuée. Cependant, à l'heure actuelle, la technologie d'osmose inverse engendre des coûts importants pour le traitement de l'eau, et l'investissement initial est nettement supérieur à celui des méthodes de purification de l'eau à partir de sources naturelles. Néanmoins, comme elle permet de traiter simultanément les eaux usées, les coûts environnementaux peuvent être réduits, et les ressources en eau sont préservées. Le coût global est donc plus avantageux, et l'on observe une forte synergie entre les bénéfices économiques, sociaux et environnementaux.
2. Traitement des effluents liquides de décapage des chaudières. À partir d'une étude expérimentale de simulation du traitement des effluents liquides de décapage dans une centrale électrique, l'auteur compare et analyse l'efficacité de trois membranes d'osmose inverse : une membrane composite basse pression, une membrane en acétate de cellulose et une membrane à eau de mer. L'étude conclut que, parmi ces trois membranes, la membrane à eau de mer présente les meilleures performances. Par conséquent, la membrane à eau de mer est la plus adaptée au traitement des effluents liquides de décapage des chaudières par osmose inverse, et le traitement s'effectue en circuit fermé. L'application de la technologie d'osmose inverse au traitement de ces effluents permet d'obtenir d'excellents résultats et d'atteindre l'objectif visé. Concernant les effluents liquides contenant de l'acide citrique, la méthode optimale consiste à les concentrer par osmose inverse avant de les rejeter ou de les recycler. Après élimination du fer, ils sont séchés par atomisation, puis le citrate de sodium est récupéré. L'application de cette technologie de traitement permet de résoudre efficacement la pollution environnementale causée par les effluents liquides de lavage acide dans la chaudière, et présente de très bons avantages socio-économiques.3. Traitement intégré des eaux usées. Le traitement intégré des eaux usées dans les centrales électriques est un projet systémique qui comprend principalement deux volets : la récupération et le traitement des eaux usées. La technologie d'osmose inverse est utilisée pour le traitement des eaux usées récupérées, notamment les eaux usées domestiques, les eaux de condensation, les eaux usées acides et alcalines et les eaux de rinçage du site. Ces eaux, généralement acides, sont traitées par osmose inverse après un traitement à l'acide dilué. L'eau ainsi traitée peut ensuite être utilisée directement. Cette méthode permet non seulement de réduire la consommation d'eau du secteur électrique, mais aussi de valoriser les ressources en eau de la centrale, contribuant ainsi à son développement durable.
Précautions d'emploi de la technologie d'osmose inverse
Choix de l'appareil : Lors du choix de la membrane d'osmose inverse, il convient de tenir compte des caractéristiques de l'eau d'entrée. Pour le traitement des eaux usées, une membrane antipollution doit être utilisée, ou d'autres mesures de dépollution doivent être mises en œuvre. La température de l'eau de consigne influe fortement sur le débit. Le débit de la membrane doit être dimensionné pour garantir le débit nominal à la température minimale de consigne. Pour un système d'osmose inverse conventionnel, la pression d'entrée maximale au démarrage doit être inférieure à 1,5 MPa. Pour le dessalement d'eau de mer, cette pression maximale est inférieure à 6,9 MPa. La vitesse de filtration de l'élément filtrant ne doit pas être excessive. En fonctionnement normal et prolongé, le cycle de remplacement du filtre ne doit pas excéder trois mois.
Paramètres de performance du dispositif d'osmose inverse en cours de fonctionnement
D'après l'analyse du problème de l'osmose inverse conventionnelle, les paramètres de fonctionnement (taux de dessalement et taux de récupération, etc.) de l'unité d'osmose inverse en service doivent être conformes aux exigences contractuelles. Généralement, le taux de dessalement doit être supérieur à 98 % et le taux de récupération supérieur à 75 % la première année. La production d'eau doit respecter les normes nationales pour certaines températures, et le système de commutation des vannes doit être plus flexible. En définitive, le secteur de l'énergie électrique est un secteur fondamental qui fournit une énergie électrique de haute qualité indispensable à la vie quotidienne, et joue un rôle essentiel dans l'amélioration du niveau de vie et la croissance économique. L'application de la technologie d'osmose inverse au traitement de l'eau des centrales électriques a démontré son efficacité, en réduisant la pollution environnementale et en préservant les ressources en eau. La technologie des dispositifs d'osmose inverse est combinée à la situation réelle du traitement de l'eau des centrales électriques, ce qui permet de réduire le coût des matériaux utilisés, de généraliser l'application de cette technologie dans les centrales électriques et de réaliser un double bénéfice économique et social pour ces dernières.