Utilisation en traitement de condensats des centrales nucléaires
G. FENÉ et F. de DARDELDuolite International
GÉNÉRALITÉS - TRAITEMENT DES CONDENSATS EN CENTRALE
Les chaudières haute pression des centrales modernes nécessitent une alimentation en eau ultrapure. Par ailleurs, les condensats recyclés doivent être débarrassés, d'une part des produits de corrosion ou d’érosion des circuits qu’ils empruntent, et d’autre part des sels pouvant provenir d'une fuite au condenseur.
Deux fonctions sont donc nécessaires dans le traitement des condensats :
Filtration + Déminéralisation
Actuellement trois types de traitement des condensats en centrale thermique ou nucléaire sont proposés sur le marché :
- — lits mélangés à grande vitesse,
- — filtre à précouche avec résines en poudre,
- — combinaison des lits mélangés et des filtres à précouche.
Aux États-Unis, les trois systèmes ont leurs adeptes. En Europe et au Japon, jusqu’à une date récente, on utilisait soit les lits mélangés, soit les filtres à précouche, mais en Europe les garanties de plus en plus sévères demandées par les utilisateurs (surtout en centrale nucléaire) conduisent à des projets d’installations qui combinent les lits mélangés et les micro-résines (bien entendu le choix du type de traitement dépend de l’installateur et de l'utilisateur).
Dans cet article, on abordera uniquement le problème du traitement des condensats sur filtres à précouche avec résines en poudre, notre but étant de mieux faire connaître les micro-résines dont les avantages sont les suivants :
- — meilleure filtration des colloïdes,
- — plus grande fiabilité (les résines sont neuves à chaque cycle),
- — pas d’éluats de régénération,
- — encombrement restreint.
LES MICRO-RÉSINES
Les filtres à précouche sont spécialement étudiés pour recevoir des résines échangeuses d’anions et de cations finement broyées.
Ils sont constitués de bougies ou de plateaux poreux qui servent de supports sur lesquels on empâte hydrauliquement des gâteaux de quelques millimètres d’épaisseur de résines en poudre.
anionique) ne peuvent pas être utilisées telles quelles sous forme de précouches superposées, car la finesse des grains provoquerait des pertes de charge excessives et inacceptables. Afin d’éviter ces pertes de charge, on introduit sur les filtres le mélange des deux résines. Ce mélange a l'aspect d’un floc volumineux et poreux, résultant de l’attraction électrostatique des charges superficielles de signes opposés des deux résines. Ce floc, appliqué sur le filtre, constitue une précouche poreuse qui ne crée qu’une perte de charge réduite.
Les propriétés les plus importantes du floc sont : la taille des flocons au repos, leur cohésion, le volume du floc ainsi que sa résistance à l’écrasement et la turbidité de la solution surnageante (révélant l’absence ou la présence de particules individuelles non floculées, susceptibles de créer des pertes de charge).
La figure 3 visualise deux produits dont l’un ne créera pas de perte de charge avec son surnageant limpide et dont l’autre donnera des pertes de charge à cause de la turbidité du surnageant.
Des micro-résines rassemblant toutes ces propriétés ont été spécialement mises au point sous la dénomination « série MB ».
DÉFINITION DES RÉSINES PRÉMÉLANGÉES
Ce sont des micro-résines prêtes à l'emploi dans un rapport donné ; on évite ainsi, lors de la mise en œuvre industrielle, le mélange des deux constituants (cation et anion) et l’addition éventuelle de polyélectrolyte.
Par rapport aux micro-résines traditionnelles (produits séparés) les micro-résines prémélangées présentent les avantages suivants :
- mise en œuvre facile, sans adjonction de polyélectrolyte, sans mélange préalable, sans turbinage,
- stockage simplifié (un seul produit, éventuellement deux, utilisables individuellement),
- absence totale d’odeur désagréable,
- meilleure qualité de filtration,
- durée de service généralement plus longue (conduisant à une consommation plus faible de résine),
- diminution du volume des boues de résines usées à détruire ou à stocker.
En fonction de l’utilisation principale (filtration ou déminéralisation), le rapport entre la résine échangeuse de cations et la résine échangeuse d’anions et la forme ionique de ces échangeurs peuvent varier ; par exemple, dans le cas de déminéralisation importante (fuite aux condenseurs), on utilisera des micro-résines dont le rapport cationique/anionique sera proche de la stœchiométrie.
Dans le cas où la filtration des colloïdes ou des matières en suspension constitue le principal objectif, on utilisera un produit dont la proportion d’échangeur de cations sera plus élevée, d’une part en raison de la qualité du floc et d’autre part pour une question de prix, la résine cationique étant moins chère que la résine anionique.
Le pH des condensats (conditionnement ou non des circuits à l’ammoniaque par exemple) décidera de la forme ionique de la résine cationique (H⁺ ou NH₄⁺), la résine anionique, elle, étant dans tous les cas sous la forme OH.
EMPLACEMENT DES MICRO-RÉSINES DANS LES CIRCUITS
Le schéma des circuits (figure 4) d'une centrale nucléaire à eau bouillante (BWR) indique la situation des filtres à précouche (voir A) sur le retour des condensats.
EXPÉRIENCE INDUSTRIELLE
Prenons l’exemple d'une tranche nucléaire de 600 MW, composée d'une batterie de six filtres à précouche. Chaque filtre comporte quelques centaines de bougies bobinées (porosité 2 à 3 microns) représentant une surface filtrante totale de 70 m².
Cette batterie de filtres doit traiter en marche normale un volume de condensats de 3 600 m³/h, ce qui représente pour chaque filtre un débit de 600 m³/h (8,5 m/h en vitesse linéaire).
La nature des condensats à traiter est la suivante :
| Paramètre | Valeur |
|---|---|
| Fe | 10 à 30 ppb |
| Cu | 0,5 à 2 ppb |
| Zn | 0,1 à 0,5 ppb |
| Température | 60 °C |
| Conductivité | 0,07 micro-Siemens par cm |
Cette tranche nucléaire utilisait jusqu'au début de 1980 des micro-résines traditionnelles (séparées) dans un rapport d'utilisation de 75 % de cation et 25 % d'anion à raison de 860 g de micro-résines (en matières sèches) par mètre carré de surface filtrante (60 kg par empâtage).
Après cette date, elle a utilisé des micro-résines prémélangées MB 400 dans le même rapport cation/anion. Voici un résumé des performances obtenues dans cette tranche avant et après l'utilisation des micro-résines prémélangées.
Analyse des condensats après filtration
| Métaux (ppb) | Après micro-résines séparées | Après micro-résines prémélangées |
|---|---|---|
| Fer | 0,12-0,18 | 0,08-0,12 |
| Cuivre | 0,03-0,04 | 0,02-0,04 |
| Zinc | 0,030-0,040 | 0,030 |
| Conductivité μS/cm à 25 °C | 0,055 | 0,055 |
Longueur de service
Avec l'utilisation des micro-résines séparées, les temps de service étaient de l’ordre de 12 jours ; avec les micro-résines prémélangées, ils sont passés à 20 jours.
Afin d'être assurés que le gain obtenu était dû à l'emploi des micro-résines prémélangées, les utilisateurs ont effectué des empâtages avec des micro-résines traditionnelles au milieu d'une série d'empâtages réalisés avec les micro-résines prémélangées. Chaque essai avec les résines traditionnelles a conduit à une réduction importante du nombre de jours de service.
TEST DE FLOCULATION
En plus des contrôles de qualité chimique (pureté), les utilisateurs de micro-résines ont besoin d’apprécier physiquement les produits qu'ils sont appelés à utiliser industriellement, ceci pour éviter d'introduire sur les filtres des produits occasionnant des pertes de charge élevées. Un test de floculation rapide permet de prévoir si le produit peut être utilisé industriellement :
— dans un bécher d'un litre contenant 500 ml d'eau déminéralisée dans laquelle trempe un agitateur suspendu (figure 5), on introduit l'équivalent de 25 g de produit exprimé en matières sèches,
— le mélange est mis en agitation (500 tours/minute) pendant 2 minutes (figure 6). On laisse ensuite le mélange au repos (figure 7) et l'on analyse après 2 heures de décantation la turbidité du surnageant.
Tous les produits testés doivent répondre à une spécification de turbidité inférieure à une lecture de 0,010 à une longueur d'onde de 640 nm en cuve de 4 cm.
Cette turbidité pratiquement nulle démontrera que le produit engagé industriellement ne contiendra pas de fines particules individuelles (cationiques ou anioniques).
CONCLUSION
Les micro-résines prémélangées offrent une grande facilité d'emploi et produisent d’excellents résultats. L'expérience récente de nombreux utilisateurs en est la preuve. Toutefois en Europe ainsi qu'aux États-Unis les micro-résines traditionnelles sont ainsi en passe d'être supplantées par les prémélangées qui sont de plus en plus proposées aux utilisateurs.
