Brevet FR2976499A1 — publié le 20121221

Description PROCEDE DE TRAITEMENT DES EAUX DE CALES DE NAVIRES PAR DISTILLATION SOUS VIDE « REGENERATEUR D'EAUX DE CALES » A : Généralités système L'installation décrite a pour but d'éliminer les eaux de cales par distillation sous vide (Elimination régie par la convention MARPOL annexe 1). La distillation sous vide est un procédé depuis longtemps connu sur les navires de la marine marchande et les plateformes de forage, mais n'est à ce jour appliqué qu'à la production d'eau douce à partir de l'eau de mer. Ces groupes de distillation nommés « bouilleurs »,initialement prévus pour vaporiser de l'eau de mer, sont, après modifications techniques et adaptations de règles de conduite, transformables en groupes de distillation d'eaux de cales que nous appellerons : « Régénérateur d'eaux de cales ou R.E.C». B : Définitions -Eaux de cales : Mélanges d'eaux et d'hydrocarbures issus de fuites diverses dans une salle des machines de navire ou d' ilôt artificiel. - Caisse de décantation : Citerne de décantation(ou de séparation) contenant l'eau mazouteuse à distiller. Un réchauffage de cette caisse permet l'accélération de la séparation eau/hydrocarbure ; la phase de densité inférieure (hydrocarbure) est déconcentrée par extraction de surface. C : Descriptif du processus 1. Le groupe de distillation comprend : 1) Deux échangeurs : a) Un réchauffeur ( 3) : A plaques ou à tubes, il est alimenté par un fluide caloporteur (12) qui peut être, soit de la vapeur basse pression, soit l'eau de réfrigération d'un diesel. Sa fonction est de vaporiser l'eau mazouteuse à traiter . b) Un condenseur (4) : A plaques , il est réfrigéré par circulation d'eau de mer issue des circuits de réfrigération principaux. II condense les vapeurs émises à l'étage inférieur . 2) D'une pompe à eau traitée (5) : Elle assure le transfert de l'eau condensée vers une citerne à eau traitée (NOTA 1).A partir de cette citerne, cette eau pourra être, soit rejetée à la mer (via un séparateur eaux mazouteuses agréé en l'état actuel de la législation internationale), soit réutilisée à des fins de nettoyage. NOTA 1 : Sur le refoulement de cette pompe, on a ajouté une détection d'hydrocarbures (9) qui alimente une électrovanne (11) en cas de dépassement du seuil autorisé .Si la mesure détecte une qualité insuffisante, l'ouverture de l'électrovanne réorientera l'eau refoulée par la pompe ,vers l'eau mazouteuse à traiter, pour redistillation. 3) D'une pompe eaux mazouteuses (1) : Cette pompe centrifuge est identique à celles des pompes eau de mer fournies par les fabricants de bouilleurs, mais présente la particularité de fonctionner en circuit fermé sur une caisse de décantation(14). Sur l'aspiration de cette pompe est montée une détection d'hydrocarbures(13) qui renseigne sur l'évolution des concentrations au cours du traitement. La fonction de cette pompe est : D'assurer le transfert du fluide à traiter vers le groupe de distillation. D'assurer la fonction « fluide moteur » à l'éjecteur (2), lequel maintient le vide dans l'enceinte et déconcentre l'eau mazouteuse non vaporisée . 2. La caisse de décantation (14) est le volume tampon vers lequel sont pompées les eaux de cales avant traitement. Une séparation partielle permettant l'extraction des phases légères (hydrocarbures) y est effectuée afin de déconcentrer le fluide à traiter ( fluide dont la concentration augmentera au cours de la distillation du fait de la vaporisation). Cette caisse est par conséquent un élément essentiel du processus et doit être pourvue d'une capacité de réchauffage (30) suffisante pour assurer une séparation rapide des phases de densités différentes. Les hydrocarbures issus des extractions de surface (15) s'écoulent vers une « Caisse à résidus» , dont le contenu est destiné à l'incinération. D :Annexe description ou version simplifiée du projet de traitement des eaux de cales par distillation sous vide Cette annexe qui débute en page 3 , est portée au chapitre « Description » pour complément d'informations sur l'installation et sa conduite. PROJET DE TRAITEMENT DES EAUX DE CALES PAR DISTILLATION SOUS VIDE « OILY WATER EVAPORATOR » 4 Généralités Les normes de plus en plus contraignantes quant à la qualité des rejets d'eaux usées issues des navires, invitent à une réflexion sur les possibilités de s'adapter de façon économique et fiable à cette évolution. De plus, une part importante de ce volume d'eau rejeté ,que constitue les eaux de cales machine et eaux grises, peut etre vue comme recyclable après traitement L'utilisation d'une eau usée recyclée ,est bien évidemment exclue des circuits sanitaires, mais peut s'avérer adaptée à certaines opérations de nettoyage (lavages de cales ,de ponts ,château ,ballasts etc...),très dépensières en eau. L'étude effectuée dans cette ouvrage porte sur la distillation sous vide, d'eaux issues de la cale machine .I1 est sans aucun doute egalement possible de distiller des eaux grises , mais le traitement à effectuer préalablement en amont (filtration ,séparation savon , potasse ,soude etc...) constitue un complément d'étude qui n'est pas evoqué ici. Le système de traitement nommé O.W.E (Oily water evaporator), fonctionne de façon similaire aux bouilleurs utilisés pour la production d'eau douce à bord des navires , cas dans lequel l'eau à traiter est vaporisée puis condensée sous vide partiel . Il reunit donc les qualités suivantes : 1) Pureté de l'eau traitée : Très superieure aux exigences Marpol Al imposées aux rejets des navires (Concentrations en H.0 a)Ce point présente un intérêt certain puisqu'il autorise, comme évoqué précédemment, la possibilité d'une réutilisation de l'eau traitée pour des taches de nettoyage (Refoulement de la pompe à eau traitée vers une caisse dédiée au nettoyeur HP par exemple) . b) Dans le cas ou' cette eau ne serait pas réutilisée, son élimination au travers du séparateur eaux mazouteuses est sans effet pour celui-ci, les filtres coalesceurs n'étant soumis à aucune pollution par des hydrocarbures .Le budget « Maintenance » du séparateur eaux mazouteuses s'en trouve ainsi réduit d'autant. 2) Facilité de traitement et fiabilité : L'analyse des autres procédés de traitement d'eaux de cales utilisés aujourd'hui montre les faits suivants : a) L'utilisation d'un séparateur eaux mazouteuses n'est réaliste qu'à condition d'y refouler un effluent peu pollué, ce qui nécessite de longues périodes de décantation préalables. Malgré ces séparations en amont, un filtre coalesceur dont le cout est toujours conséquent, se colmate très rapidement (une dizaine d'heures environ). La fréquence des remplacements est donc importante et le budget « Maintenance » élevé. L'utilisation éventuelle d'osmoseur en sortie de phase «Coalesceur» fiabilise l'installation mais y rajoute un cout élevé en pièces de rechange (membranes). b) Les séparateurs centrifuges de type « Pure bilge 15 ppm » (Alfa Laval) impose une installation relativement complexe et chère pour une telle utilisation. c) La combinaison de décantations successives avec floculation et traitement chimique des résidus impose des installations volumineuses, chères et de conduite complexe inadaptées aux navires. Face à ces procédés, le système de traitement par distillation sous vide partiel présente des qualités évidentes que sont : - Un cout d'entretien faible, l'essentiel de la maintenance à fournir se résumant au nettoyage régulier des échangeurs - Une grande fiabilité de la qualité du produit après traitement du fait de la vaporisation de l'effluent au cours de sa transformation. -Une conduite simple et fiable, le système n'étant composé, hormis les pompes, que d'éléments statiques. - Un cout énergétique faible, les fluides caloporteurs utilisés pour la séparation, puis la vaporisation de l'effluent pouvant être *L'eau de refrigeration d'un diesel en sortie culasses. *La vapeur produite par une chaudière de récupération. 2 Descriptif de fonctionnement L« La vapeur transite du corps de chauffe via un dispositif anti-primage (Demister) vers le condenseur .Après changements d'état, puis vérification de l'absence de traces d'hydrocarbures, 1 `eau traitée est acheminée vers une caisse nommée « Clean water tank ». A partir de cette caisse cette eau sera, soit rejetée à la mer via un séparateur eaux mazouteuses, soit réutilisée pour des travaux de nettoyage. La chaleur necessaire à la vaporisation dans l'O.W.E ou à la chauffe des« Settling tanks » peut etre fournie soit par le circuit de refrigeration d'un diesel , soit par de la vapeur basse pression. La réfrigération du condenseur est assurée par une circulation eau de mer, prélevée sur les circuits principaux. La circulation de 1« Bien que la composition d'une eau de cale diffère largement de celle de l'eau de mer, on reprendra pour faciliter l'adaptation, les équations de débits dédiées aux bouilleurs. On sait que dans le cadre d'une conduite de bouilleur, il est impératif de maintenir la concentration Cs à 2° de pèse-sel , soit 70 grammes/litres. Qva x Ca = Qvs x Cs ou Cs/Ca = Qvs/Qva (indice « a » pour eau alimentaire) Le débit entrant au corps de chauffe est donc le double du débit de saumure ou du débit d'eau produite. Dans le cas d'une eau de cale, la concentration en sels dissouts est bien moindre, mais la faible miscibilité des hydrocarbures dans l'eau impose toutefois un débit élevé de déconcentration. NOTA : Les informations prélevées sur internet mentionnent pour une machine convenablement entretenue, des concentrations dans les eaux de cale brutes voisines des chiffres suivants : - Huile : 150 à 200 ppm - Na Cl : Jusqu'à 1% (10g/litre) - Détergents : 5 à 10 ppm Par conséquent, dans un O.W.E d'une capacité de distillation de 20 m3/jour : *Le débit d'eau entrant est de 40 m3/24 h ou 1.66 m3/h. *Le débit d'eau traitée est de 0.83m3/h *Le débit d'eau déconcentrée est de 0.83 m3/h Après 10 heures de fonctionnement, 8.3 m3 auront été distillés, mais sur cette même période la concentration en produits polluants se sera densifiée dans la « Settling tank » Exemple : Soit un volume à traiter de 15 m3 ; la teneur en hydrocarbures de l'effluent étant de 400 ppm (cas défavorable) : *Après 10 heures de fonctionnement de l'O.W.E ,8.3 m3 auront été traités. Il ne restera alors dans la « Settling tank » que 15-8.3=6.7 m3 *Ces 6.7 m3 auront alors une teneur de 400+( 8.3/6.7 (400x2))=1391 ppm qu'il faut (afin de maintenir un corps de chauffe propre et limiter le primage) déconcentrer avant de poursuivre le traitement. 2) Conduite de la séparation : Pour assurer une séparation efficace et rapide qui permette l'extraction de la phase huileuse de l'effluent à traiter, il est impératif de ré chauffer la « Settling tank ».Une extraction de surface sera alors pratiquée à l'aide du robinet correspondant à la hauteur du fluide dans la citerne , et s'écoulera vers la « Waste oil tank » (caisse à résidus pompée vers l'incinérateur).Une fois cette opération effectuée, l'eau déconcentrée de ses hydrocarbures peut alors être éliminée au travers de l'O.W.E. Selon le fluide caloporteur utilisé on peut envisager deux types de conduite : a)Utilisation de vapeur basse pression : Dans ce cas la chaleur latente de condensation de la vapeur permet la chauffe rapide d'une unique « Settling tank ». Séparation et extraction de surface peuvent avoir lieu durant le fonctionnement de l'O.W.E. On devra toutefois limiter mécaniquement (chicanes) les turbulences dans la caisse liées à la circulation de l'effluent. b) Utilisation du circuit de refrigeration Diesel : Dans ce cas, la chaleur sensible du circuit d'eau chaude assure une montée en température plus lente de la citerne, ce qui impose : - Une chauffe alternée de la citerne à déconcentrer, avec le fonctionnement de l'O.W.E (on permutera la chauffe de l'O.W.E à l'arrêt de ce dernier, vers la citerne à déconcentrer). - Des règles de construction de citernes visant à faciliter la séparation : On privilégiera une citerne parallépipédique de faible hauteur et de grande surface horizontale. Le volume total doit toutefois etre limité (15 m3 environ) et adapté à la puissance du serpentin de réchauffage. Les températures d'eau de chauffe à prendre en compte pour le calcul de puissance du serpentin doivent etre indexées sur la charge d'un DA au port, le fonctionnement de l'O.W.E s'effectuant en mer, au détriment de la production d'eau douce (Bouilleur stoppé si O.W.E en service). NOTA : Il peut être intéressant, afin de traiter sans interruption un important volume d'eaux de cale, de disposer de deux « Settling tanks » de faibles volumes. La conduite adoptée est alors la suivante : *Traitement de la « Settling tank N°1 » ou pour reprendre l'exemple précédent: Distillation sur 10 heures de 8.3 m3 (la concentration dans la citerne atteint alors 1391 ppm) puis arrêt. *Traitement de la « Settling tank N°2 » dans les mêmes conditions, puis arrêt.16.6 m3 ont alors été distillés et la concentration de l'effluent des deux citernes est de 1391 ppm. *Chauffe & séparation sur les deux citernes puis extraction de surface vers la « Waste oil tank » (caisse incinérateur). *Traitement à l'O.W.E de la « Settling tankN°1 » et assèchement de celle-ci, puis traitement de la « Settling tank N°2 » et assèchement de celle-ci. *Transfert de 1«Oily bilge tank» vers les « Settling tanks ».Chauffe & extractions de surface, puis traitement des deux tanks jusqu'au seuil max admissible de concentration en HC. *Déconcentration puis reprise du traitement. NOTA : L'alternance séparation /traitement est due à la nécessité de permuter la chauffe d'un appareil vers l'autre. Cet état de fait n'est vrai que si la chaleur contenue dans l'eau de réfrigération du diésel, est insuffisante pour réchauffer l'ensemble du système. Si le chaleur du fluide caloporteur est suffisante pour assurer vaporisation sous vide, et simultanément le réchauffage de la « Settling tank », la séparation ou déconcentration en HC peut être opérée en continu, sans interruption du traitement à condition de limiter les turbulences dans le tank (liées à la circulation d'eau de cale). 4 Puissances des échangeurs Les valeurs indiquées s'inspirent du modèle retenu pour l'étude, lequel est le bouilleur Alfa-Laval JWP-26-C80 (capacité de production: 20 m3/24 h). *Corps de chauffe : - Température d'entrée eau de chauffe: 88°C - Température sortie eau de chauffe : 71.6°C - Débit max. eau de réfrigération diésel au travers du réchauffeur: Qv=31.1m3/h - Pertes de charge au réchauffeur pour ce débit max: 0.2bar - Puissance échangeur: P (Kw)=Qm.W=((31.1x1000)/3600)x4.185x(88-71.6)=593Kw Nota : En cas d'utilisation de vapeur saturée le débit volumique sera fonction du volume massique et donc de la pression de service du circuit mono hydrique. Pour exemple : .Pour P vapeur = 6bar, volume massique =0.3155 m3/kg : Qm=P/H=593 (Kw)/2755(Kj/kg)= 0.21 kg/s ou Qv=(0.21x3600x0.3155)=238m3/h .Pour P vapeur =24 bar, volume massique=0.08328 m3/kg Qm=P/H=593 (Kw)/2804 (Kj/kg)=0.211kg/s ou Qv= (0.21x3600x0.08328)=62.95m3/h. *Condenseur - Température entrée eau de mer: 32°C - Température sortie d'eau de mer: 44.8°C - Débit nécessaire à la réfrigération: 36 m3 - Perte de charge pour 36 m3/h: 0.2 bar - Puissance échangeur : P=Qm.W=((36x1025)/3600)x4.185x (44.8-32)=549 Kw. Ces valeurs sont indiquées pour un traitement à puissance nominale mais, l'O.W.E assure une transformation des eaux de cale pour un débit minimum de : - 22 m3/h pour la réfrigération condenseur (0 C° Debits des fluides et caracteristiques des pompes : *Oily water pump : Cette pompe doit d'une part, assurer un débit suffisant du fluide moteur au travers de l'éjecteur, afin de maintenir le vide dans l'installation, d'autre part alimenter l'O.W.E en eaux de cales à traiter (1.7 m3/h). Le bon fonctionnement de l'éjecteur étant garanti pour une pression d'entrée comprise entre 3.8b & 3.0 bar, et un débit de fluide moteur de 40 m3 /h, on choisira une pompe centrifuge avec aubages « en arrière » dont les caractéristiques permettent de fixer ce point de fonctionnement (40m3h pour 3.8b). Un variateur de vitesse type « Altivar » pourra être installé afin d'adapter le volume à traiter à la chaleur disponible (Voir limites paragraphe 6). La hauteur d'aspiration sera impérativement positive et adaptée au NPSHR de la pompe, en portant une attention particulière aux températures du fluide à pomper (Température *Condensate pump : Pompe centrifuge à aubages « en arrière » de débit 1,05m3/h pour Hr =24 m. Une détection d'hydrocarbure contrôle la production via l'électrovanne V-13.10 Modèle Alfa-Laval : - Diamètre rouet: 116 mm - Hm: 24 m pour 1.05m3/h - n: 3360 rpm - P: 0.75Kw 6 Adaptation du volume à traiter à la chaleur disponible : Cet aspect de la conduite de l'installation est à envisager dans le cas ou la charge sur un diésel, dont l'eau de réfrigération est utilisée comme fluide caloporteur, se trouve maintenue à une valeur faible pour une durée relativement longue. Cette situation peut se produire sur certains navires, notamment à quai lorsque les auxiliaires sont stoppés. La quantité de chaleur disponible dans le fluide caloporteur étant réduite, il importe d'adapter le débit d'eaux de cales entrant à l'O.W.E à la baisse de puissance du corps de chauffe. Pour ce, l'unique possibilité réside dans une réduction de la vitesse de « l'Oily water pump ». Toutefois, si le montage d'un variateur de vitesse de type « Altivar » ou équivalent peut s'avérer utile, la marge de réduction de vitesse de la pompe reste faible pour les raisons suivantes : a) Effet sur la hauteur de refoulement de la pompe : La hauteur totale de refoulement de la pompe étant fonction du carré de la vitesse de la pompe (Ht=( r.omega)2/g),une forte diminution de la vitesse altérera le fonctionnement de l'ejectair par diminution du différentiel de pressions du fluide moteur et, par conséquent, sa capacité à aspirer les incondensables. b) Effet sur le débit d'extraction : La géométrie théorique d'un ejectair variant avec le débit du fluide moteur, on assistera à une baisse de rendement de celui-ci, laquelle affectera également le débit de déconcentration (modification de l'équation des débits), entrainant ainsi une augmentation du niveau dans l'OWE. NOMENCLATURE FIGURE 1/2 « REGENERATEUR D'EAUX DE CALE » : 5 1 Pompe eau mazouteuse 2 Ejecteur 3 Réchauffeur 10 4 Condenseur Pompe à eau traitée 6 Dispositif anti-primage 7 Diaphragme 8 Réfrigération condenseur 15 9 Détection hydrocarbures de l'eau traitée Eau traitée vers citerne à eau traitée 11 Electrovanne de redistillation 12 Fluide caloporteur rechauffeur 13 Mesure de concentration en hydrocarbures de l'eau à traiter 20 14 Caisse de décantation Extraction de surface vers caisse à résidus 16 Fluide caloporteur vers caisse(s) de décantation 17 Retour eau mazouteuse caisse(s) de décantation 25 18 Filtre aspiration pompe eau mazouteuse 19 Manomètre 20 Thermomètre 21 Vaccuomètre 22 Compteur volumétrique 23 Clapet de non-retour 24 Voyant 25 Soupape à rappel par ressort taré 26 Vanne casse-vide 27 Circuit entrée eau à traiter 28 Soupape de sureté 29 Traitement anti dépots incrustants & mousses FIGURE 2/2 « CAISSES DE DECANTATION » 1 Pompe eau mazouteuse 121 Circuit eau de chauffe réchauffage caisse(s) de décantation 14 Caisse de décantation 15 Extractions de surface vers caisse à résidus 17 Retour eau mazouteuse caisse(s) de décantation 18 Filtre aspiration pompe eau mazouteuse 27 Circuit entée eau à traiter 30 Réchauffeur caisse de décantation 31 Extraction de fond 32 Collecteur vapeur de chauffe 33 Détection présence traces hydrocarbures condensats réchauffage caisse(s) décantation 34 Détection présence traces hydrocarbures sortie eau de chauffe caisse(s) décantation 35 Alarmes et signalisation défauts (fuites serpentins de réchauffage de caisses de décantation) 36 Caisse eau alimentaire chaudière (Bache) 37 Sortie eau de chauffe réchauffage caisse de décantation 38 Entrée eau de chauffe réchauffage caisse de décantation 39 Entrée vapeur de chauffe caisse de décantation 40 Sortie condensats réchauffeur caisse de décantation 41 Purgeur 42 Caisse à résidus 43 Pompe à résidus 44 Circuit d'alimentation bruleur boues de l'incinérateur