Traitement des tours de refroidissement par ozone : quels avantages économiques face aux traitements chimiques ?
Les tours de refroidissement, également appelées tours aéroréfrigérantes, sont indispensables dans de nombreux sites industriels. Elles permettent d’évacuer la chaleur produite par les procédés, les équipements frigorifiques ou les installations de climatisation.
Leur fonctionnement en circuit semi-ouvert entraîne toutefois une concentration progressive des sels minéraux, des matières organiques et des micro-organismes présents dans l’eau. Sans traitement adapté, plusieurs problèmes peuvent rapidement apparaître :
- entartrage des échangeurs et des canalisations ;
- corrosion des équipements ;
- formation de biofilm ;
- développement microbiologique ;
- encrassement des surfaces d’échange ;
- perte de rendement thermique ;
- augmentation des consommations d’eau ;
- multiplication des opérations de maintenance.
Le traitement conventionnel repose généralement sur l’utilisation combinée de biocides, d’inhibiteurs de corrosion, de produits antitartre et de régulateurs de pH.
L’ozone constitue une solution alternative ou complémentaire qui peut contribuer à réduire l’usage de certains produits chimiques. Son intérêt ne doit cependant pas être évalué uniquement sous l’angle du traitement microbiologique. L’analyse doit également prendre en compte les purges, la consommation d’eau, les coûts de maintenance, l’encrassement et la performance énergétique de l’installation.
Le coût réel du traitement d’une tour de refroidissement
Le prix d’achat des produits chimiques ne représente qu’une partie du coût d’exploitation d’une tour aéroréfrigérante.
Une évaluation technico-économique complète doit notamment intégrer :
- l’achat des biocides et des produits de conditionnement ;
- le stockage et la manipulation des produits chimiques ;
- les équipements de dosage ;
- les contrôles analytiques ;
- le coût de l’eau d’appoint ;
- le volume des purges ;
- le traitement ou le rejet des eaux de purge ;
- le nettoyage des bassins et des échangeurs ;
- les opérations de détartrage ;
- les arrêts de production ;
- la perte de rendement liée à l’encrassement ;
- le remplacement prématuré de certains équipements corrodés.
Une légère diminution du rendement thermique peut avoir des conséquences économiques importantes. Lorsqu’un échangeur est recouvert de tartre ou de biofilm, le transfert thermique devient moins performant. Les pompes, les groupes frigorifiques ou les équipements de refroidissement doivent alors fonctionner plus longtemps ou à une puissance supérieure.
Le coût du traitement doit donc être étudié à l’échelle de l’ensemble du circuit, et non uniquement à partir du budget consacré aux produits chimiques.
Pourquoi les tours de refroidissement nécessitent-elles des purges ?
L’eau circulant dans une tour de refroidissement s’évapore partiellement. Les sels minéraux, les chlorures, les carbonates et les autres substances dissoutes restent dans le circuit.
Leur concentration augmente progressivement. Pour éviter une accumulation excessive, une partie de l’eau doit être évacuée et remplacée par de l’eau neuve. Cette opération est appelée purge ou déconcentration.
Le rapport entre la concentration des sels dans l’eau du circuit et leur concentration dans l’eau d’appoint correspond aux cycles de concentration.
Plus les cycles de concentration sont élevés, moins le volume d’eau purgée est important. Cependant, leur augmentation peut accroître les risques :
- d’entartrage ;
- de corrosion ;
- de précipitation minérale ;
- d’encrassement ;
- de dérive de la conductivité.
L’objectif n’est donc pas simplement de réduire les purges, mais d’atteindre le meilleur compromis entre économie d’eau, stabilité du circuit et protection des équipements.
Quel peut être l’intérêt de l’ozone ?
L’ozone est un oxydant puissant produit directement sur site à partir d’oxygène ou d’air préparé. Après réaction, il se décompose principalement en oxygène et ne nécessite pas de stockage de produit actif.
Dans une tour de refroidissement, son utilisation peut présenter plusieurs intérêts potentiels.
Limiter le développement microbiologique
L’ozone agit sur les bactéries, certains champignons, les levures et d’autres micro-organismes présents dans l’eau.
En réduisant la charge microbiologique, il peut contribuer à limiter la formation de biofilm sur :
- les échangeurs ;
- les garnissages ;
- les canalisations ;
- les buses de pulvérisation ;
- les parois des bassins.
La maîtrise du biofilm est particulièrement importante. Celui-ci protège les micro-organismes, favorise l’encrassement et peut également créer des phénomènes de corrosion localisée.
L’ozonation ne dispense toutefois pas des obligations réglementaires, du plan de surveillance microbiologique ni des procédures spécifiques applicables aux installations concernées.
Réduire l’utilisation de certains produits chimiques
Selon la qualité de l’eau et les caractéristiques du circuit, l’ozone peut permettre de diminuer la consommation de certains biocides oxydants ou non oxydants.
Cette réduction peut entraîner :
- moins de produits à acheter et à stocker ;
- une diminution des manipulations ;
- moins de contenants à éliminer ;
- une simplification partielle de l’exploitation ;
- une réduction de certaines contraintes liées aux rejets.
L’ozone ne remplace cependant pas nécessairement l’ensemble du traitement chimique. Un inhibiteur de corrosion, un traitement antitartre ou une correction du pH peuvent rester indispensables.
Dans de nombreuses installations, la solution la plus pertinente est un traitement hybride combinant l’ozone avec une quantité optimisée de produits complémentaires.
Améliorer la propreté du circuit
La réduction de la biomasse et des matières organiques peut contribuer à maintenir les surfaces d’échange plus propres.
Un circuit moins encrassé peut présenter plusieurs avantages :
- amélioration du transfert thermique ;
- réduction de la fréquence des nettoyages ;
- diminution des pertes de charge ;
- meilleure stabilité de fonctionnement ;
- prolongation possible de la durée de vie de certains équipements.
Ces bénéfices dépendent fortement de l’état initial du réseau, de la filtration, de l’hydraulique et de la capacité de l’ozone à atteindre toutes les zones du circuit.
Réduire potentiellement la consommation d’eau
Certaines études comparatives suggèrent que l’intégration de l’ozone peut contribuer à augmenter les cycles de concentration et à diminuer le volume des purges.
Les cycles de concentration restent principalement limités par :
- la dureté de l’eau ;
- l’alcalinité ;
- la concentration en chlorures ;
- la silice ;
- la conductivité ;
- la température ;
- les matériaux du circuit ;
- le risque de précipitation ;
- la stratégie de contrôle du pH.
L’ozone ne supprime pas les sels minéraux présents dans l’eau. Il ne faut donc pas présenter l’ozonation comme une solution garantissant systématiquement une suppression ou une réduction importante des purges.
Ozone, produits chimiques ou traitement hybride ?
Trois grandes stratégies peuvent être envisagées.
Traitement chimique conventionnel
Cette approche est largement maîtrisée et peut être adaptée à de nombreuses configurations. Son efficacité dépend toutefois du suivi des dosages, de la qualité de la maintenance et de la régularité des analyses.
Elle peut entraîner une consommation importante de produits et une augmentation de la charge chimique des eaux de purge.
Traitement principalement basé sur l’ozone
Cette solution peut être intéressante lorsque la problématique principale est liée au développement microbiologique, au biofilm ou à la volonté de réduire certains biocides.
Elle nécessite néanmoins une conception rigoureuse :
- production d’ozone correctement dimensionnée ;
- transfert efficace dans l’eau ;
- temps de contact suffisant ;
- contrôle de l’ozone résiduel ou du potentiel Redox ;
- gestion des éventuels dégazages ;
- destruction de l’ozone excédentaire ;
- sécurisation de l’environnement de travail.
Traitement hybride
Le traitement hybride associe l’ozone à des traitements complémentaires ajustés aux caractéristiques du circuit.
Cette approche permet de ne pas demander à l’ozone de résoudre à lui seul l’ensemble des problématiques de corrosion, d’entartrage et de qualité de l’eau.
Elle peut constituer le meilleur compromis entre :
- réduction des produits chimiques ;
- maîtrise microbiologique ;
- protection contre la corrosion ;
- limitation de l’entartrage ;
- stabilité des cycles de concentration ;
- sécurité d’exploitation.
Que montrent les études technico-économiques ?
Une étude récente a comparé différentes stratégies de traitement sur une tour de refroidissement ouverte. L’analyse portait notamment sur :
- la qualité de l’eau ;
- le risque d’entartrage ;
- les cycles de concentration ;
- les économies d’eau ;
- les coûts d’exploitation ;
- la faisabilité économique.
Les résultats mettent en évidence l’intérêt potentiel de l’ozone pour réduire certaines consommations chimiques et améliorer l’économie globale du traitement.
Ils doivent néanmoins être interprétés avec prudence. L’expérimentation comparative a été réalisée sur une durée d’environ 15 jours et complétée par une modélisation économique.
Une période d’essai aussi courte ne permet pas nécessairement d’évaluer :
- les variations saisonnières ;
- le vieillissement des matériaux ;
- les effets à long terme sur la corrosion ;
- l’évolution progressive des dépôts ;
- les changements de qualité de l’eau d’appoint ;
- les performances lors des périodes de forte charge thermique ;
- les besoins de maintenance sur plusieurs années.
Les résultats d’une installation ne peuvent donc pas être transposés directement à toutes les tours de refroidissement.
L’ozone peut générer des économies dans certaines configurations, mais sa rentabilité dépend du contexte technique et économique propre à chaque site.
Les conditions de réussite d’un traitement par ozone
Réaliser une analyse complète de l’eau
Avant tout dimensionnement, il est nécessaire de connaître au minimum :
- le pH ;
- la conductivité ;
- la dureté ;
- l’alcalinité ;
- les chlorures ;
- la silice ;
- les matières en suspension ;
- la charge organique ;
- la qualité microbiologique ;
- la présence éventuelle de bromures ;
- la composition de l’eau d’appoint et de l’eau de circulation.
Ces données permettent d’identifier les risques d’entartrage, de corrosion et de formation de sous-produits d’oxydation.
Étudier le fonctionnement hydraulique
La capacité nominale du générateur d’ozone ne suffit pas à déterminer l’efficacité du traitement.
Il faut également examiner :
- le volume du bassin ;
- le débit de recirculation ;
- le temps de séjour ;
- la température de l’eau ;
- les points d’injection possibles ;
- les zones mortes ;
- la pression disponible ;
- le système de filtration ;
- les matériaux en contact avec l’ozone.
Une mauvaise injection peut provoquer un transfert insuffisant, une consommation excessive d’ozone et un dégazage dans l’environnement.
Optimiser le transfert de l’ozone
L’ozone doit être correctement dissous dans l’eau pour être efficace.
Une boucle d’injection peut notamment comprendre :
- une pompe de dérivation ;
- un injecteur Venturi ;
- un mélangeur statique ;
- une chambre de contact ;
- un séparateur gaz-liquide ;
- un destructeur d’ozone résiduel.
Le choix entre une injection par Venturi, un diffuseur ou une autre technologie dépend des débits, des pressions, de la profondeur du bassin et de la configuration du site.
Mettre en place une régulation automatique
La demande en ozone évolue avec :
- la température ;
- la charge organique ;
- l’activité microbiologique ;
- les conditions météorologiques ;
- la charge thermique ;
- les appoints d’eau ;
- la contamination extérieure.
Une régulation peut être réalisée à partir de plusieurs paramètres :
- potentiel d’oxydoréduction ou Redox ;
- ozone dissous ;
- conductivité ;
- température ;
- débit ;
- qualité microbiologique.
Le générateur doit idéalement être modulable afin d’adapter sa production aux besoins réels du circuit.
Intégrer la sécurité dès la conception
L’ozone est un gaz toxique lorsqu’il est inhalé. Toute installation doit intégrer des dispositifs de protection adaptés :
- détecteur d’ozone dans l’air ambiant ;
- ventilation ;
- alarmes visuelles et sonores ;
- arrêt automatique du générateur ;
- destructeur d’ozone ;
- contrôle des fuites ;
- procédures d’intervention ;
- formation du personnel.
La sécurité ne doit pas être ajoutée après la mise en service. Elle fait partie intégrante de la conception du système.
Pourquoi réaliser un essai pilote ?
Une étude théorique permet d’établir un premier dimensionnement, mais un essai pilote reste souvent la meilleure méthode pour valider les performances dans les conditions réelles du site.
L’essai peut notamment permettre de mesurer :
- l’évolution de la charge microbiologique ;
- la diminution du biofilm ;
- la consommation réelle d’ozone ;
- le niveau de Redox ;
- l’ozone dissous ;
- l’évolution de la conductivité ;
- les possibilités d’augmentation des cycles de concentration ;
- la réduction des consommations chimiques ;
- les effets sur la corrosion ;
- les émissions éventuelles d’ozone gazeux ;
- les coûts réels d’exploitation.
Pour être pertinent, le pilote doit disposer d’un état initial documenté et d’indicateurs de comparaison clairement définis.
Il est également préférable d’intégrer plusieurs conditions de fonctionnement afin de ne pas tirer de conclusion sur une période exceptionnellement favorable.
Comment calculer la rentabilité d’une installation d’ozonation ?
L’investissement doit être comparé aux économies potentiellement générées sur plusieurs années.
Coûts d’investissement
- générateur d’ozone ;
- préparation de l’air ou production d’oxygène ;
- refroidissement ;
- skid d’injection ;
- instrumentation ;
- détection de sécurité ;
- destructeur d’ozone ;
- automatisme ;
- installation et mise en service.
Coûts d’exploitation
- consommation électrique ;
- maintenance préventive ;
- remplacement des consommables ;
- contrôles analytiques ;
- entretien du système d’injection ;
- vérification des détecteurs et analyseurs.
Économies potentielles
- diminution des achats de produits chimiques ;
- réduction des volumes de purge ;
- réduction de la consommation d’eau d’appoint ;
- diminution des coûts de rejet ;
- limitation des nettoyages ;
- réduction des arrêts d’exploitation ;
- maintien des performances thermiques ;
- prolongation de la durée de vie des équipements.
Le temps de retour sur investissement ne peut pas être déterminé à partir du seul volume de la tour ou de la puissance du générateur. Il nécessite une comparaison entre la situation actuelle et plusieurs scénarios de traitement.
Une solution prometteuse
L’ozone peut représenter une alternative économiquement pertinente aux traitements chimiques conventionnels, notamment lorsque les coûts liés aux biocides, aux purges, au biofilm et à la maintenance sont élevés.
Ses principaux avantages potentiels sont :
- la production sur site ;
- la réduction de certains produits chimiques ;
- la maîtrise du développement microbiologique ;
- la limitation du biofilm ;
- l’automatisation du traitement ;
- la diminution possible des purges et de la consommation d’eau ;
- l’amélioration de la propreté des échangeurs.
Une installation efficace repose sur une analyse de l’eau, une étude hydraulique, un système de transfert adapté, une régulation précise et une stratégie de sécurité complète.
L’ozonation doit donc être considérée comme une solution d’ingénierie à dimensionner pour chaque site, et non comme un simple remplacement standardisé des produits chimiques.
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OXYTRADING accompagne les industriels dans l’évaluation, le dimensionnement et la mise en œuvre de solutions d’ozonation pour les circuits de refroidissement.
Notre pré-audit technico-économique peut notamment comprendre :
- l’analyse du traitement actuellement utilisé ;
- l’étude de la qualité de l’eau ;
- l’identification des coûts directs et indirects ;
- l’évaluation des consommations d’eau et des purges ;
- l’analyse des risques d’entartrage et de corrosion ;
- la définition d’une architecture d’injection ;
- l’estimation de la production d’ozone nécessaire ;
- la comparaison entre traitement chimique, ozone et solution hybride ;
- la préparation d’un protocole d’essai pilote ;
- l’estimation du retour sur investissement.
Chaque projet doit être étudié à partir des données réelles de l’installation : volume du circuit, débit de recirculation, puissance thermique, qualité de l’eau, cycles de concentration, coûts actuels et objectifs d’exploitation.
