L'ozone : nouvelles techniques pour la production industrielle (1ere partie)

Toutefois, pendant plus d'un demi-siècle, son application au traitement des eaux resta limitée à quelques installations de petite et moyenne importance en Europe et surtout en France. Néanmoins, pendant cette longue période et surtout durant les dix dernières années qui furent marquées par un accroissement continuel de la pollution des rivières, des recherches montrèrent que l'ozone avait une action efficace sur un grand nombre de produits organiques tels que les hydrocarbures, détergents, phénols divers, certains pesticides, substances cancérigènes : l'ozone participe à l'élimination de ces polluants tout en faisant disparaître un grand nombre de goûts et d'odeurs auxquels les usagers sont extrêmement sensibles.

Cette efficacité spécifique de l'ozone sur les eaux de rivière très polluées explique le brusque développement de son utilisation dans l'industrie de l'eau depuis les années 60 ; d'autre part, elle explique les recherches qui furent entreprises, pour améliorer tant sur le plan technique qu'économique, les équipements d'une installation d'ozonation.

En particulier, la capacité de production des appareils générateurs d'ozone a été accrue considérablement, leur rendement de production a été maintenu à un niveau acceptable économiquement et leur fiabilité technologique dans toute la plage de production a été nettement améliorée : cette dernière notion est essentielle évidemment pour une installation de stérilisation de l'eau qui doit fonctionner sans aucune interruption.

Cette étude tente de faire le point sur les nouvelles techniques mises en œuvre actuellement pour les productions industrielles importantes et de juger de leur rentabilité comparée à celle des installations traditionnelles.

I. — L'OZONE ET SA FORMATION

L'ozone est une forme allotropique de l'oxygène à partir duquel il prend naissance sous l'influence de rayons ultra-violets dans les longueurs d'onde entre 1 680 angströms et 1 800 angströms, soit de décharges électriques sous forme d'effluves.

Alors que la molécule d'oxygène est formée de deux atomes (O₂), la molécule d'ozone est formée de trois atomes (O₃). La réaction qui est réversible s'écrit :

3 O₂ ⇌ 2 O₃ — 2 × 34 000 calories

Le troisième atome, facilement dissociable, tend à se fixer facilement sur tout corps en contact pour l'oxyder, tandis que la molécule redevient O₂ plus stable.

Ainsi la formation d'une molécule-gramme d'ozone pesant 48 g (puisque 3/2 O₂ = 48 g) absorbe 34 000 cal., soit 142 000 joules, ce qui correspond à une énergie spécifique de :

142 000 J  
-------- = 0,82 Wh/g d'ozone  
3 600 s × 48 g

on a un rendement de production théorique maximal de 1 220 g/kWh.

La réaction est réversible et l'ozone produit subit une lente décomposition vers sa forme initiale en oxygène ; cette décomposition croît en particulier avec la température ou en présence d'humidité, ce qui diminue le rendement énergétique de la formation d'ozone.

On peut donc fabriquer de l'ozone soit à partir d'oxygène pur, soit à partir de l'oxygène de l'air ce qui est plus commode.

Pour de petites quantités (quelques dizaines de mg/heure d'ozone) en particulier pour les générateurs destinés aux traitements d'atmosphères domestiques, on utilise simplement l'irradiation de l'air au voisinage d'une lampe émettrice de rayons ultraviolets de longueur d'onde comprise entre 1680 et 1800 angströms.

Pour des quantités plus importantes allant jusqu'à 100 kg/h et même davantage, les générateurs sont basés sur l'ionisation des molécules d'oxygène par les effluves électriques, phénomènes appelés effets de couronne : on crée un champ électrique dans un intervalle d'air et lorsque ce champ dépasse la rigidité diélectrique de l'air, il se produit une ionisation par choc des molécules d'oxygène qui se décomposent en molécule d'ozone.

Nous savons que 1 cm³ d'air sec et pur à la pression atmosphérique et à la température de 0 °C contient

\[ \frac{1}{22\,400} \]

molécule-gramme d'oxygène et d'azote qui se décomposent en :

\[ \frac{21}{100} \times \frac{1}{22\,400} \]

molécule-gramme d'oxygène

et

\[ \frac{79}{100} \times \frac{1}{22\,400} \]

molécule-gramme d'azote.

Ce volume de 1 cm³ d'air contient donc environ 5,6 × 10¹⁸ molécules élémentaires d'oxygène et 21 × 10¹⁸ molécules élémentaires d'azote puisque nous savons qu'une molécule gramme d'un gaz est composée de 6 × 10²³ molécules élémentaires.

D'autre part, nous savons que l'atome neutre d'oxygène comprend 8 électrons répartis sur 2 couches autour du noyau :

• — 2 électrons gravitent sur la couche inférieure qui est stable,
• — 6 électrons gravitent sur la couche périphérique.

Mais cette couche périphérique a tendance à absorber 2 électrons supplémentaires extérieurs pour se remplir (à 8) et devenir ainsi particulièrement solide.

C'est pour cette raison que les atomes neutres d'oxygène ont une très grande affinité pour les électrons. Pratiquement, dans l'air atmosphérique, tous les électrons libres produits par les phénomènes naturels tels que le rayonnement cosmique ou la radioactivité naturelle disparaissent, absorbés par les atomes neutres d'oxygène qui deviennent des ions lourds (—).

Par contre, l'affinité de l'azote pour l'électron est nulle.

Généralement, 1 cm³ d'air atmosphérique contient quelques milliers d'ions (—) et pratiquement pas d'électrons.

La proportion initiale d'ions négatifs lourds dans l'air est donc sensiblement de 1 ion pour 22 × 10¹⁸ atomes neutres d'oxygène.

Ce sont ces quelques ions lourds négatifs qui, accélérés par le champ électrique, déclencheront l'ionisation par choc des atomes neutres d'oxygène.

Le choc d'une particule sur un atome neutre d'oxygène peut engendrer :

• — 1 électron (—) provenant de la couche périphérique de l'atome neutre d'oxygène,
• — et 1 ion positif (+).

À son tour, l'électron libre peut, suivant l'énergie qu'il a acquise dans le champ électrique :

• — soit provoquer une nouvelle ionisation par choc d'un atome neutre d'oxygène,
• — soit être absorbé, par affinité, par l'atome neutre d'oxygène, durant son libre parcours moyen.

De même l'ion positif (+) peut :

• — soit se recombiner avec un électron libre pour former l'atome neutre et émettre une radiation par effet photo-électrique,
• — soit provoquer une ionisation par choc avec une probabilité qui doit être plus faible que la probabilité d'ionisation par électron,
• — soit participer à la formation d'une molécule neutre d'ozone en se combinant avec un autre ion (+) et un ion (—) sous l'effet des forces électrostatiques.

La molécule neutre d'ozone (O₃) est donc formée par la réunion d'un ion d'oxygène (—) et de deux.

ions d’oxygène (+) les liaisons entre électrons de la nouvelle molécule d'ozone peuvent être représentées par la figure 2 où la liaison de valence entre un ion et les 2 autres s'effectue par une paire d’électrons.

Dans une autre représentation de la molécule d'ozone, il est admis que le triangle formé par les trois ions est ouvert, ce qui expliquerait mieux l’instabilité de l'ozone sous l'effet de la température et sa transformation réversible en atome d’oxygène.

En réalité, les phénomènes physiques liés aux effluves électriques sont beaucoup plus complexes que le phénomène qui vient d'être décrit simplement.

Ce phénomène met cependant en évidence un certain nombre de faits caractéristiques.

D'abord, il montre l’effet multiplicateur de l’ionisation sous l’effet du champ électrique ; le cm³ d'air qui ne contenait initialement que quelques milliers d'ions négatifs peut contenir, à la sortie de l'effluveur, jusqu’à 20 × 10¹¹ molécules d'ozone à la concentration de 15 g d'ozone par m³ d'air.

La formation d'ozone est inéluctablement accompagnée d’émission de rayons lumineux lorsqu’un ion (+) ou un atome neutre avide d'électrons, les absorbe sur leur couche périphérique.

Pendant la décharge, la majorité du courant électrique qui traverse l’intervalle d'air est transportée par le nuage d'électrons et non par les ions qui, en raison de leur masse infiniment plus grande, sont beaucoup moins mobiles que les électrons.

Enfin, chaque choc engendre bien un ion + et un électron qui se combine à un atome neutre d'oxygène pour former un ion (—), mais tous les ions positifs et négatifs ainsi formés ne s'unissent pas sous l’effet des forces électrostatiques pour constituer une molécule d'ozone : un certain nombre d'ions capturent des électrons à faible énergie pour redonner des atomes neutres d’oxygène.

D’autre part, les molécules d'ozone, après avoir été formées, sont en partie détruites par la chaleur, par des chocs d'électrons accélérés sous l'effet du champ électrique ou encore par les radiations qui peuvent arracher des électrons à la molécule neutre d’ozone lorsque leur énergie dépasse l’énergie d’ionisation des molécules d’ozone.

Finalement, la formation d'un gramme d'ozone a nécessité une énergie de 0,82 Wh et toute l’énergie supplémentaire qui est fournie au générateur d’ozone est dissipée par frottement des ions — contre les molécules neutres d'air sous l’effet du champ électrique.

En réalité, les phénomènes sont beaucoup plus complexes ; chaque décharge électrique provoque pendant sa durée qui semble être de 10 µs à la pression atmosphérique, de très nombreuses réactions chimiques qui mettent en jeu une quantité importante d'espèces neutres ou chargées de gaz dérivant des constituants de l'air (vapeur d'eau, oxyde d’azote, gaz carbonique...) ainsi que des électrons.

Chacune de ces espèces joue un rôle direct ou indirect dans la formation et la destruction de l'ozone. Par exemple, le protoxyde d’azote NO et le bioxyde d’azote NO₂, formés à partir de l’oxyde d’azote N₂O₅, sont oxydés par l’ozone d'où une destruction d'ozone qui dépend de la concentration du constituant N₂O₅ dans l'air à l’entrée de l'ozoneur.

Il serait très intéressant de pouvoir étudier les formules d'influence complètes sur la concentration en ozone, des paramètres géométriques de l'ozoneur, des variations du champ électrique au cours d'un cycle de la tension alternative, de la forme d'onde de cette tension, et des caractéristiques de l'air à l'entrée.

II. — TYPES DE GENERATEURS D'OZONE

Rappelons que deux types de générateurs d’ozone industriels sont utilisés actuellement :

• — l'ozoneur à plaques, dans lequel la substance diélectrique est une lame de verre,
• — l’ozoneur tubulaire, constitué par un tube de verre.

Les générateurs peuvent également être différenciés par les procédés employés pour extraire les calories qu'ils dissipent.

L'ozoneur tubulaire est le plus employé dans l’industrie en raison d'un certain nombre d'avantages qu'il présente sur l’ozoneur à plaques, parmi lesquels la possibilité de fonctionner sous pression.

Le coût d'un générateur d'ozone et de ses équipements annexes (électriques et hydrauliques) étant important, il est très intéressant d'un point de vue économique d’accroître au maximum la capacité de production de cet ensemble.

III. — NOUVELLES TECHNIQUESPOUR LA PRODUCTION DE L'OZONE

Deux procédés permettent actuellement d'accroître la production des générateurs d’ozone pour les applications industrielles :

• — l'utilisation de l’oxygène pur ou de l'air enrichi en oxygène et l'alimentation électrique de 50 Hz.
• — l'utilisation de l'air et l’alimentation électrique en moyenne fréquence (limitée à 1000 Hz pour des puissances unitaires de quelques centaines de kW actuellement).

L'augmentation maximale de la capacité de production par rapport à celle obtenue avec l'emploi de l'air et avec une alimentation électrique en 50 Hz peut se chiffrer à environ :

• — 180 % - 200 % pour le procédé à oxygène pur,
• — 300 % pour le procédé moyenne fréquence.

On trouve dans la littérature de nombreuses informations concernant le procédé à oxygène.

Les indications présentées ci-après sur l'emploi de l'oxygène dans la synthèse de l'ozone sont empruntées à l'étude de MASSCHELEIN consacrée à l'usine de TAILFER réalisée par la Compagnie Intercommunale Bruxelloise des Eaux.

IV. — AUGMENTATION DE LA PRODUCTION D'OZONEPAR L'EMPLOI DE LA MOYENNE FRÉQUENCE

Parmi les paramètres caractéristiques, l'augmentation de la fréquence est le seul moyen permettant d'accroître la puissance électrique d'un ozoneur et par conséquent la production d'ozone, en diminuant la tension d'alimentation et le champ électrique résultant dans le diélectrique, et en maintenant le rendement énergétique de production de l'ozoneur sensiblement au niveau atteint à la fréquence 50 Hz.

Le rendement de production peut être maintenu à ce niveau par un choix approprié de la fréquence, des dimensions du tube, de la pression de l'air, de la concentration d’ozone et de la température de l'eau de refroidissement de l’ozoneur.

1. — Générateurs moyenne fréquence

L'augmentation de fréquence nécessite un convertisseur de fréquence dont les types connus sont :

• — tripleur ferromagnétique utilisant un circuit magnétique fortement saturé, de manière à engendrer une tension harmonique 3 : l'appareil permet donc de fournir une fréquence de 150 Hz à partir du réseau 50 Hz.
• — alternateur moyenne fréquence entraîné par un moteur asynchrone 50 Hz.
• — convertisseur de fréquence à semi-conducteurs fonctionnant en oscillations libres sur un circuit oscillant composé de la capacité (variable) de l'ozoneur et d'une self, qui peuvent être montées en série ou en parallèle.

Dans le tableau I comparatif figurent quelques caractéristiques approximatives pour des convertisseurs d'une puissance de 150 kW environ.

TABLEAU I

Le tripleur ferromagnétique n'est pas utilisé dans les installations industrielles en raison de la valeur coût plus élevée du rapport comparé aux deux autres types de générateurs.

Dans les installations anciennes qui utilisaient déjà la fréquence de 500 Hz, le convertisseur était constitué par un groupe tournant.

Les convertisseurs à thyristors sont à l'heure actuelle incontestablement les plus avantageux pour la production industrielle de l'ozone à moyenne fréquence, notamment du point de vue énergétique.

Comparé au rendement des alimentations directes en 50 Hz, qui est de l'ordre de 0,95, les convertisseurs de fréquence à thyristors ont un rendement très légèrement inférieur.

2. — Principe de fonctionnement des convertisseurs à thyristors pour l'alimentation des ozoneurs

Les convertisseurs à thyristors pour l'alimentation des ozoneurs sont constitués d'un redresseur à tension variable et d'un onduleur autonome.

Rappelons qu'un onduleur autonome produit à partir d'une tension continue une tension alternative indépendante de la fréquence 50 Hz par opposition aux redresseurs qui sont nécessairement couplés sur un réseau et qui peuvent être amenés à fonctionner en onduleur lorsque le moteur alimenté par le redresseur devient générateur de courant continu : dans ce cas, l'énergie récupérée est transférée du réseau continu au réseau industriel 50 Hz qui impose la fréquence de travail de l'onduleur.

Un onduleur autonome qui alimente une charge en courant alternatif peut comporter un oscillateur interne qui impose la fréquence de fonctionnement ; dans ce cas, il se comporte comme un alternateur dont la fréquence est fixée par son moteur d'entraînement. Ce type d'onduleur convient tout particulièrement aux charges alternatives selfiques qui ont un facteur de

puissance constante quelle que soit la puissance fournie : dans un tel cas d’application, il est aisé de compenser la self constante de la charge par une capacité auxiliaire constante de manière à réduire au minimum le courant et au maximum le rendement du convertisseur.

Nous avons vu que le coefficient de puissance d'un ozoneur variait d'une manière importante en fonction de la tension appliquée en raison de la variation de la capacité de l'ozoneur. En alimentant l'ozoneur à une fréquence fixe, la compensation d'énergie réactive n'est plus parfaite et c'est évidemment le cas lorsque l'ozoneur est alimenté en 50 Hz.

Il est plus avantageux de faire fonctionner l'onduleur en oscillation libre sur un circuit oscillant obtenu en ajoutant une inductance à la capacité de l'ozoneur. Un tel circuit possède une fréquence propre d’oscillation définie par sa capacité, sa self et sa résistance. L'allumage des thyristors de l'onduleur doit alors être obtenu par des tensions ou des courants prélevés sur le circuit ozoneur de manière à ajuster automatiquement la fréquence du courant dans l'ozoneur sur sa fréquence propre.

Ce mode d’oscillation naturel assure une compensation automatique de l'énergie réactive dans toute la gamme de la puissance, quelle que soit la valeur de la capacité équivalente de l'ozoneur.

Il en résulte, pour l’onduleur à fréquence libre notamment, un dimensionnement plus réduit et un rendement meilleur qu'un onduleur à fréquence fixe.

Le circuit oscillant peut être constitué par une inductance branchée en série avec la capacité de l'ozoneur, ou branchée en parallèle. Dans l'onduleur du type série, l'allumage des thyristors doit être piloté par le courant dans l’ozoneur, après son passage par zéro. Il en résulte que la fréquence du courant est un peu inférieure à la fréquence propre du circuit oscillant et que la charge résultante est légèrement capacitive.

Dans le convertisseur du type parallèle, l'allumage des thyristors est commandé par la tension alternative qui est appliquée aux bornes de la charge avant son passage par zéro ; la fréquence du courant est donc dans ce cas un peu supérieure à la fréquence de résonance et la charge résultante est aussi légèrement capacitive.

Quant au pont redresseur placé en tête des convertisseurs, il peut fonctionner à tension constante quelle que soit la puissance fournie à l'ozoneur, ou à tension variable suivant la puissance demandée.

Le redresseur non contrôlé est employé avec l'onduleur série et dans ce cas, le réglage de la puissance se fait en retardant plus ou moins l'allumage des thyristors de l'onduleur : après le passage à zéro du courant dans l'ozoneur, une réduction de ce retard accroît la puissance, et accroît la fréquence qui tend ainsi vers la fréquence de résonance.

Le pont à redresseurs contrôlés peut être employé avec l'onduleur du type parallèle et dans ce cas, le réglage de la puissance se fait en réglant le niveau de la tension continue : quant aux thyristors de l'onduleur, leur allumage se fait avec un déphasage à peu près constant du courant fourni par l'onduleur par rapport à la tension aux bornes de la charge ; la fréquence reste évidemment supérieure à la fréquence de résonance mais l'écart de fréquence reste constant.

Les deux types de convertisseurs peuvent être utilisés pour l'alimentation des ozoneurs en moyenne fréquence : les résultats sont pratiquement identiques.

3. Description d'une installation de production d’ozone appliquée au traitement de l'eau

L'installation qui sera décrite est la station d'ozonation de l'usine de Neuilly-sur-Marne appartenant au SYNDICAT DES COMMUNES DE LA BANLIEUE DE PARIS POUR LES EAUX dont la COMPAGNIE GÉNÉRALE DES EAUX est le régisseur ; cette installation moderne fut réalisée par la TRAIGAZ sous la conduite de la COMPAGNIE GÉNÉRALE DES EAUX.

Pour traiter le débit de 600 000 m³/jour, l'usine est équipée des ozoneurs les plus puissants du monde : quatre ozoneurs, d'une capacité unitaire de 27,5 kg d'ozone par heure, sont alimentés en 600 Hz par des convertisseurs à thyristors équipés de dispositifs très souples de réglage de la puissance permettant de faire varier la production progressivement de quelques kg/h à 110 kg/h.

Chaque unité d'ozonation est capable de traiter un débit de 150 000 m³/j d'eau à un taux de traitement maximal en ozone de 4,4 g/m³. Ce taux maximum est prévu pour lutter contre les pollutions accidentelles de la rivière. En régime normal, le taux moyen de traitement est de l’ordre de 1 à 2 g/m³.

Le principe de la production d'ozone consiste à utiliser l'air atmosphérique pour alimenter l'ozoneur en oxygène, après l’avoir débarrassé de la quasi-totalité de son eau, élément nuisible tant pour le rendement de production des ozoneurs que pour la résistance des matériaux de construction.

L'utilisation de l’ozone s'opère sous la pression correspondant à la hauteur d'eau dans les tours de contact, où a lieu la stérilisation ; cette pression à laquelle s'ajoutent les pertes de charge dans l'ensemble du système rend indispensable une surpression de l’air atmosphérique avant séchage.

La chaîne de traitement par l'ozone comprend donc :

• — une station de surpression d'air d'une capacité de production de 12 000 m³/h.
• — une installation de dessiccation d’air.
• — quatre ozoneurs.
• — quatre cuves à circulation d'eau en chicane équipées de diffuseurs en céramique poreuse qui répandent l'air ozoné en très fines bulles dans le courant d'eau.

L'air atmosphérique, qui est d'abord dépoussiéré dans un filtre, est surpressé jusqu'à 0,8 bar environ par des compresseurs sans graissage afin d'éviter l'introduction de toute trace d’huile dans l'air à ozoner, et entraînés à vitesse variable de manière à ajuster exactement le débit d'air à la demande fixée à moins de 2 %.

Le variateur de vitesse est réalisé par moteur à courant continu alimenté au moyen d'un convertisseur statique à thyristors qui assure la variation de la tension continue aux bornes du moteur. Ce convertisseur est commandé par un régulateur de vitesse qui asservit à mieux que 2 % la vitesse du surpresseur ainsi que le débit d'air, qui lui est rigoureusement proportionnel, à une consigne pilote provenant soit d'un organe de commande local, soit d'un organe de commande à distance. D'autre part, ce régulateur exerce d'autres fonctions nécessaires au bon comportement du moteur et du compresseur :

• — il limite le gradient de vitesse à un taux très faible de façon à éviter les conséquences de montée brutale en vitesse lors d'un démarrage ou d'une évolution brusque de la consigne de vitesse,
• — il limite le gradient de courant dans l’induit du moteur pour obtenir une bonne commutation et, par suite, pour maintenir le collecteur en bon état.

La dessiccation de l'air surpressé doit être très poussée de manière à obtenir une température du point de rosée voisine de —60 °C, ce qui correspond à une quantité d'eau de 8 mg par m³ d'air. En effet, dans les ozoneurs, il se forme également des composés oxygénés de l’azote tels que le protoxyde d’azote NO, le bioxyde d’azote, le péroxyde d’azote NO₃ ; ces oxydes, en présence de l’humidité de l’air, engendrent des produits nitreux ou nitriques qui sont toxiques et caustiques vis-à-vis des canalisations d'air.

ozoné de l'installation et des équipements. C'est pourquoi d'ailleurs dans les appareils médicaux on préfère produire l'ozone à partir de l'oxygène pur.

La dessiccation de l'air peut généralement être assurée :

• — soit par le froid seul à –40 °C,
• — soit par un absorbant seul tel que le gel de silice ou d'alumine,
• — soit par un procédé combiné : froid et absorbant.

Le schéma le plus fréquent, qui a été adopté d'ailleurs à l'usine de Neuilly-sur-Marne est le dernier parce qu'il limite les frais d'exploitation et que, étant alimenté par de l'air qui présente des caractéristiques hygrométriques constantes, le dessiccateur travaille avec le maximum d'efficacité.

Le premier traitement que subit l'air surpressé porté à une température comprise entre 100 et 130 °C consiste en un refroidissement dans un échangeur à circulation d'eau qui abaisse la température de l'air à 30 °C maximum.

Cet étage de refroidissement est particulièrement intéressant du point de vue exploitation puisqu'il ne nécessite pratiquement aucune énergie et que l'eau de refroidissement peut être récupérée avant la stérilisation par l'ozone.

L'air surpressé partiellement refroidi, s'échappant de l'échangeur à eau, traverse un échangeur à fluide frigorigène utilisant le fréon qui abaisse la température de l'air à 6 °C ; un dispositif de régulation maintient cette température d'air en sortie à –1 °C sans givrage de l'évaporateur.

En conséquence, près de 75 % de l'eau contenue dans l'air atmosphérique sont éliminés grâce au refroidissement préliminaire de l'air, ce qui permet, pour une dépense énergétique relativement faible et grâce à l'achat d'équipements peu coûteux en raison de leur forte normalisation, de soulager le traitement de séchage final sur produit absorbant.

Le conditionnement de l'air se complète par un sécheur à gel d'alumine qui délivre à l'ozoneur un air sec à une température du point de rosée inférieure à –60 °C quel que soit le débit d'air et quelles que soient les conditions hygrométriques de l'air atmosphérique.

Afin d'éviter toute discontinuité dans la production de l'air sec de ce sécheur, deux cellules à alumine fonctionnent successivement, l'une asséchant l'air pendant que l'autre est en régénération.

Les permutations indispensables s'opèrent de façon entièrement automatique toutes les 8 heures environ ainsi que tout le processus de régénération de l'alumine et l'ensemble est totalement contrôlé en vue d'assurer à l'appareil un fonctionnement autonome.

Finalement, la surveillance du bon fonctionnement du conditionnement de l'air avant ozonisation est réalisée par des hygromètres électroniques de grande précision qui mesurent la température du point de rosée de l'air à la sortie du sécheur, pour la transmettre au Poste Central de l'usine et délivrent également un contact d'alarme, permettant une intervention rapide et éventuellement la mise en œuvre anticipée du processus de régénération.

Les générateurs d'ozone installés à l'usine de Neuilly-sur-Marne ont des tubes diélectriques en verre et horizontaux, une cellule en acier inoxydable, et sont alimentés en courant alternatif à 600 Hz environ par l'intermédiaire d'un convertisseur de fréquence statique à thyristors du type parallèle suivi d'un transformateur élévateur de tension.

Le convertisseur statique qui règle la tension appliquée à l'ozoneur et par conséquent la puissance de l'ozoneur est commandé par un régulateur qui asservit à 2 % près la mesure de la puissance à une consigne pilote provenant soit d'un organe de commande local, soit d'un organe de commande à distance.

La puissance fournie par le convertisseur peut varier progressivement et avec un très bon rendement (de 92 % environ à pleine charge) du dixième de la puissance nominale à la puissance nominale par la seule action sur l'organe de réglage local ou à distance : la plage de puissance couverte par ce convertisseur s'étend de 70 à 620 kW environ.

D'autre part, ce régulateur exerce d'autres fonctions de commande pour protéger efficacement le convertisseur, le transformateur élévateur et l'ozoneur.

Ce régulateur assure notamment :

• — une variation très lente de la puissance lors d'enclenchement d'un ozoneur ou d'une évolution brutale de la consigne de puissance,
• — un blocage instantané du courant en cas de claquage d'un tube diélectrique dans l'ozoneur ce qui évite la perforation de la cuve de l'ozoneur.

Il faut ajouter aux ozoneurs les pompes de circulation d'eau nécessaires à leur refroidissement ainsi que les groupes frigorifiques utilisés à l'usine de Neuilly-sur-Marne pendant la saison estivale, pour maintenir la température de l'eau à l'entrée des ozoneurs à la valeur de 8 °C ± 1 °C.

La diffusion de l'ozone dans l'eau est l'avant-dernière étape suivie par l'air, la dernière étant la destruction du résidu d’ozone dans l'air avant son rejet dans l'atmosphère.

La diffusion de l’ozone dans l’eau, qui est le processus le plus important, doit assurer la dissolution de l’ozone dans l’eau pendant un temps de contact nécessaire aux actions chimiques et biologiques.

Dans le procédé utilisé à l'usine de Neuilly-sur-Marne, les surpresseurs disposés en tête du circuit d'air refoulent l'air ozoné dans des diffuseurs immergés en céramique poreuse fixés sur le radier des tours de contact.

Pour avoir le rendement de diffusion le plus élevé possible, il faut obtenir des bulles fines et bien réparties sur toute la section de la cuve ; par ailleurs, plus la concentration en ozone de l'air ozoné est élevée, plus est grande la vitesse d’échange avec l'eau, mais inversement, nous l’avons vu plus haut, la production par ozoneur diminue, ce qui conduit, en pratique, à une solution de compromis où la concentration en O₃ de l'air injecté est de 14 g/m³ air.

La quantité d'ozone diffusé dans l'eau est réglée pour maintenir à la sortie des tours de contact un résiduel d’ozone dans l’eau de 0,4 g/m³ d’eau.

Le rendement de diffusion étant d’environ 90 %, il est donc normal de retrouver un résiduel d’ozone dans l’air à la sortie des tours de contact et l’équipement de destruction a pour but de réduire la concentration d’ozone qui s’en dégage de manière à éviter un taux nocif dans l’atmosphère.

Le procédé économique employé à l’usine de Neuilly-sur-Marne ne détruit pas l’ozone résiduel mais le recycle : le résiduel est récupéré dans les derniers compartiments de diffusion puis réinjecté dans un compartiment spécialement aménagé en tête des ouvrages. Cette opération s’effectue à l’aide des turbines immergées alimentées sous pression par des soufflantes centrifuges. Le contact s’effectue à contre-courant de sorte que la concentration en ozone de l’air s’échappant de la chambre de préozonation est pratiquement nulle.

Le grossissement de la capacité unitaire des générateurs d’ozone, qui suit dans ce domaine l’évolution générale des équipements producteurs, a exigé dans l’étude de la construction de ces générateurs, comme d’ailleurs de tous les équipements de la station d’ozonation, un soin tout particulier, afin de rendre l’exploitation très sûre.

Les générateurs d’ozone et les équipements de la station de Neuilly-sur-Marne ont été dotés de nombreux dispositifs de régulation, de mesure et de contrôle, permettant une exploitation à distance précise et souple, et ultérieurement une automatisation de la station par calculateur.

Dans ce but, la station a été équipée de plus de :

• — 70 télémesures de paramètres chimiques, électriques, hydrauliques et de paramètres caractéristiques de l’air.
• — 500 télésignalisations de défauts et 150 télésignalisations d’état des organes.
• — 80 télécommandes d’organes.
• — 2 téléréglages permettant de régler la puissance électrique totale des ozoneurs et le débit d’air total des surpresseurs.

Des automatismes locaux répartissent ensuite la puissance totale entre les ozoneurs en service ainsi que le débit d’air total entre les surpresseurs en service.

Le réglage essentiel de la station consiste, d’une part, à agir sur la puissance électrique totale des ozoneurs de manière à maintenir dans l’eau un résiduel d’ozone de 0,4 g/m³, et à agir, d’autre part, sur le débit d’air total de manière à ozoner l’air à une concentration sensiblement constante et égale à la valeur qui optimise la consommation totale d’énergie spécifique : deux actions seulement permettent donc de régler la production d’air et la production d’ozone de la station, avec une précision de quelques pour cent.

(La deuxième partie de cet article, ainsi qu’une abondante bibliographie paraîtront dans un prochain numéro.)