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.