Nouvelle méthode d'intégration énergétique pour la rétro-installation des procédés industriels et la transformation des usines papetières

L'augmentation rapide de la création de richesses ces dernières décennies a suscité le besoin d'améliorer la gestion globale des ressources naturelles et d'accroître l'efficacité de la production industrielle. Afin de répondre à ce besoin, les méthodes d'intégration énergétique pour les systèmes industriels ont été développées. Elles ont un succès évident dans le domaine de la conception de nouvelles usines : les principes d'intégration sont enseignés et appliqués, et l'intensité énergétique des nouveaux procédés a beaucoup diminué. En comparaison, les méthodes d'intégration par rétro-installation requièrent encore des développements conceptuels bien que des progrès significatifs aient été réalisés. Le principe des approches actuelles consiste souvent à identifier des modifications qui permettent au système existant de se rapprocher d'une situation de référence. Leur utilisation est difficile, et les difficultés méthodologiques augmentent si le réseau inclut différents types de transfert de chaleur, par exemple des échangeurs à contact indirect et des mélanges non-isothermes, comme dans les usines papetières où les réseaux d'eau et d'énergie sont étroitement liés. L'industrie papetière essaie d'augmenter sa rentabilité par la réduction des coûts de production et l'amélioration de la chaîne logistique. À la suite de récents développements de procédé, le bioraffinage forestier offre à l'industrie papetière des opportunités de se diversifier, d'élargir son portefeuille de bioproduits et de moderniser son système énergétique. Cependant l'identification de stratégies énergétiques pour un site industriel, incluant les possibilités de transformation d'une usine papetière, nécessite l'utilisation de méthodes d'intégration adéquates en situation de rétro-installation. L'objectif de cette thèse est développer une méthode d'intégration énergétique pour la rétro-installation des procédés industriels en général et la transformation des usines papetières, et de l'appliquer à des études de cas. L'énergie est conservée et dégradée dans un procédé. La chaleur est soit convertie en électricité, soit stockée sous forme chimique, soit rejetée à l'environnement où sa dégradation est maximale. L'analyse des dégradations successives de l'énergie entre les utilités chaudes et l'environnement au travers des opérations de procédé et des échangeurs de chaleur existants est de grande importance pour réduire la consommation de chaleur. 2 La méthode pontale d'intégration énergétique par rétro-installation a été développée dans le cadre de cette thèse. Cette méthode est la seule à considérer cette analyse des dégradations. Le processus fondamental de réduction de consommation d'énergie est pour la première fois rendu explicite; il est à la base de la méthode développée. La méthode pontale inclut la définition du « pont », qui est un ensemble de modifications conduisant à une réduction de la consommation d'énergie dans un réseau d'échangeurs de chaleur. Il est prouvé que, pour un ensemble donné de courants, seulement un pont peut réduire la consommation d'énergie. La méthode pontale inclut une procédure pour énumérer les ponts de façon systématique, une « table de réseau » pour l'évaluation facile de ceux-ci, une procédure générale pour la rétro-installation des réseaux d'échangeurs de chaleur, et un « diagramme de transfert d'énergie » permettant de visualiser les deux premiers principes de la thermodynamique dans un procédé industriel et identifier l'ensemble des opportunités énergétiques. La méthode peut être utilisée pour l'analyse des réseaux incluant plusieurs types de transfert de chaleur, et pour l'intégration à l'échelle du site industriel. La méthode pontale a ensuite été appliquée pour la rétro-installation des réseaux d'échangeurs de chaleur à contact indirect, incluant celui d'un procédé de pâte kraft, et des réseaux d'échangeurs de chaleur à contact direct, incluant le système de production d'eau chaude d'une usine papetière. Elle a finalement été utilisée pour l'intégration d'un procédé de bioraffinage, seul ou bien associé à un procédé de pâte kraft. Les résultats montrent que la méthode pontale permet de réduire efficacement l'espace de recherche et identifier les solutions pertinentes. La nécessité du pont pour réduire les entrées et sorties d'un procédé est une conséquence des deux premiers principes de la thermodynamique de conservation de l'énergie et augmentation de l'entropie. Le principe du pont peut être utilisé tant dans les approches numériques d'optimisation pour l'intégration énergie, que librement comme outil d'analyse de procédé.

Abstract

The increase in production of goods over the last decades has led to the need for improving the management of natural resources management and the efficiency of processes. As a consequence, heat integration methods for industry have been developed. These have been successful for the design of new plants: the integration principles are largely employed, and energy intensity has dramatically decreased in many processes. Although progress has alsobeen achieved in integration methods for retrofit, these methods still need further conceptual development. Furthermore, methodological difficulties increase when trying to retrofit heat exchange networks that are closely interrelated to water networks, such as the case of pulp and paper mills. The pulp and paper industry seeks to increase its profitability by reducing production costs and optimizing supply chains. Recent process developments in forestry biorefining give this industry the opportunity for diversification into bio-products, increasing potential profit margins, and at the same time modernizing its energy systems. Identification of energy strategies for a mill in a changing environment, including the possibility of adding a biorefinery process on the industrial site, requires better integration methods for retrofit situations. The objective of this thesis is to develop an energy integration method for the retrofit of industrial systems and the transformation of pulp and paper mills, ant to demonstrate the method in case studies. Energy is conserved and degraded in a process. Heat can be converted into electricity, stored as chemical energy, or rejected to the environment. A systematic analysis of successive degradations of energy between the hot utilities until the environment, through process operations and existing heat exchangers, is essential in order to reduce the heat consumption. In this thesis, the “Bridge Method” for energy integration by heat exchanger network retrofit has been developed. This method is the first that considers the analysis of these degradations. The fundamental mechanism to reduce the heat consumption in an existing network has been made explicit; it is the basis of the developed method. The Bridge Method includes the definition of “a bridge”, which is a set of modifications leading to heat reduction in a heat exchanger network. It is proven that, for a given set of streams, only bridges can lead to heat savings. The Bridge Method also includes (1) a global procedure for heat exchanger network retrofit, (2) a procedure 4 to enumerate systematically the bridges, (3) “a network table” to easily evaluate them, and (4) an “energy transfer diagram” showing the effect of the two first principles of thermodynamics of energy conservation and degradation in industrial processes in order to identify energy savings opportunities. The Bridge Method can be used for the analysis of networks including several types of heat transfer, and site-wide analysis. The Bridge Method has been applied in case studies for retrofitting networks composed of indirect-contact heat exchangers, including the network of a kraft pulp mill, and also networks of direct-contact heat exchangers, including the hot water production system of a pulp mill. The method has finally been applied for the evaluation of a biorefinery process, alone or hosted in a kraft pulp mill. Results show that the use of the method significantly reduces the search space and leads to identification of the relevant solutions. The necessity of a bridge to reduce the inputs and outputs of a process is a consequence of the two first thermodynamics principles of energy conservation and increase in entropy. The concept of bridge alone can also be used as a tool for process analysis, and in numerical optimization-based approaches for energy integration.