Steam and Water Combined Analysis, Integration, and Efficiency Enhancement in Kraft Pulping Mills

Les principaux objectifs de cette thèse sont divisés en deux parties principales. Le premier objectif est de développer de nouvelles techniques d'intégration des procédés (IP) pour améliorer individuellement l'efficacité des systèmes d'eau et de vapeur, la performance des équipements, et le réseau d'échangeurs de chaleur (HEX) d'un procédé existant. Ces techniques sont validées en les appliquant au procédé Kraft. Le deuxième objectif est de développer une méthodologie d'amélioration de l'efficacité énergétique et de la consommation d'eau (SWAEI : Steam Water Analysis Enhancement Integration) d'un procédé en combinant les nouvelles techniques d'IP. Les études de cas sont établis pour trois usines Kraft opérant au Canada (usines A, B, et C) avec un large spectre de la répartition géographique, des produits et des matières premières. Des modèles de simulation de chacune des trois usines ont été développés sur la plate-forme CADSIM Plus et sont utilisés pour fournir des données pour l'analyse et intégrer les modifications proposées. Les usines de pâte et papier kraft constituent des importants utilisateurs d'eau et d'énergie thermique dans le secteur industriel canadien. Il y existe une forte interaction entre les systèmes de vapeur et d'eau. Pour diminuer les coûts de fabrication et accroître la rentabilité, il est nécessaire de réduire la consommation d'énergie et d'eau ainsi que les coûts de traitement des eaux usées. Avant de passer à l'étape de développement de nouvelles techniques d'IP et de la méthodologie SWAEI, une étape préalable est l'analyse comparative (benchmarking) pour donner un aperçu sur la consommation de vapeur et la performance du système d'eau. La mise au point d'une technique d'analyse comparative a permis de caractériser chaque étude de cas (i.e. les trois usines kraft) en termes de consommation d'eau et d'énergie. Dans cette technique, la consommation de vapeur et d'eau des usines sont étalonnées par rapport aux données de référence. Les trois cas sont comparés en termes d'eau et d'allocations de vapeur pour différents usages et aussi en termes des réseaux d'échangeur de chaleur de manière à souligner les similarités et les différences. Les potentiels d'économies d'eau et de vapeur sont résumés dans l'étape de synthèse. Les caractéristiques avantageuses d'une usine donnée sont utilisées pour v proposer des mesures de diminution de la consommation de vapeur et de l'eau pour une autre usine et vice versa. La première technique d'intégration développée est l'analyse simultanée des réseaux énergétiques et d'eau (SEWNA : Simultaneous Energy Water Network Analysis) qui se déroule en cinq étapes pour économiser la vapeur et l'eau en même temps. Une nouvelle approche pour identifier le volume de contrôle pour l'extraction des données est développée. Inévitablement, des effluents doivent être soutirés pour éviter l'accumulation de produits chimiques et de particules indésirables. Dans la ligne de traitement, le potentiel d'économie de vapeur est déterminé en tenant compte des contraintes existantes pour l'utilisation de l'eau et de filtrats. De nouvelles règles pour la réutilisation de filtrat sont présentées. La nouvelle d'analyse de l'utilisation de l'énergie et de l'eau peut être réalisée sous forme de tableau ou graphique pour identifier les mesures de réduction d'eau et de vapeur. La nouvelle représentation graphique des courbes de pincement de l'énergie et de l'eau est constituée des concentrations des contaminants et des courbes de température en fonction du débit pour tous les puits et les sources. L'eau économisée est systématiquement enlevée de la source d'origine du réseau de production d'eau chaude et tiède. Ceci élimine la consommation de vapeur pour la production d'eau chaude / eau tiède et fournit également l'eau plus chaude au réseau HEX existant. Enfin, une analyse économique est effectuée afin de calculer le coût de la tuyauterie pour les nouvelles connexions de réutilisation de l'eau. La méthode SEWNA a été appliquée sur les trois usines de pâte kraft et a permis d'estimer des économies importantes de vapeur et d'eau avec un retour sur investissement relativement court. Le total des économies d'eau et de vapeur de l'ordre de 24 à 54 % et 11 à 29 % respectivement, ont été obtenus par de simples modifications de tuyauterie. La seconde technique d'intégration des procédés développée est l'analyse de la performance des équipements (EPA : Equipment Performance Analysis). Elle permet la caractérisation, l'analyse et le diagnostic des équipements individuels ou des départements d'une usine du point de vue de la consommation de vapeur et d'eau. L'indicateur de performance clé (KPI : Key Performance Indicator) pour l'efficacité énergétique et / ou de la consommation d'eau de l'équipement ou d'un service est calculé et comparé à des données de référence. Les causes et les solutions probables sont établies pour les inefficacités. Cette technique a été appliquée à l'usine C. Sur la base des projets correctifs envisagés, la production de vapeur dans les chaudières peut être augmentée de vi 21% et également la consommation de vapeur et d'eau peuvent être réduites par 9% et 11 % respectivement. Les résultats obtenus de cette technique pourraient être une incitation pour évaluer en profondeur la performance des équipements sur site en entier. La troisième nouvelle technique d'intégration des procédés est la rétro-installation de la conception du réseau HEN (Retrofit - HEN) et se compose de quatre étapes successives. Les contraintes physiques et d'opération du procédé, notamment sur les températures des opérations unitaires les plus sensibles sont analysées. Une cible réaliste pour l'économie de vapeur est établie en fonction des contraintes et la classification des utilisateurs de vapeur. Les courants existants des échangeurs de chaleur sont évalués pour être utilisé plus efficacement dans le nouveau réseau. Pour utiliser plus efficacement la chaleur perdue, les courants sont classés comme hautement et faiblement corrosifs. Le HEN proposé est conçu en utilisant un nouvel algorithme en fonction de cinq heuristiques et règles pratiques. La technique a été appliquée sur le moulin C et une économie totale de vapeur de 38% a été obtenue. La méthodologie globale SWAEI (Steam Water Analysis Enhancement Integration) consiste en six étapes successives. Dans la première étape, le modèle de simulation du scénario de base est développé. Dans la deuxième étape, un pré-étalonnage (pre-benchmarking) est effectué en comparant la consommation de vapeur et d'eau avec des données de référence. Le coeur de la méthodologie est l'identification des projets d'amélioration de l'énergie et de l'eau en appliquant séquentiellement les techniques SEWNA, EPA et R- HEN. L'application séquentielle de ces techniques conduit à des résultats beaucoup plus grands d'économie de vapeur que si elles avaient été appliquées individuellement. Cette application séquentielle conduit à des projets complémentaires pour maximiser les économies de vapeur. L'excès de vapeur estimé peut être utilisé pour réduire ou éliminer la consommation de combustibles fossiles. Le reste de la vapeur en excès pourrait être vendue dans la communauté, produire de l'électricité en utilisant la cogénération ou une combinaison de cogénération et d'un système pompe à chaleur à absorption (tri-génération). Ces solutions de rechange pour l'utilisation de la vapeur en excès sont examinées du point de vue économique pour choisir la plus prometteuse pour la mise en oeuvre. Dans la cinquième étape, les projets identifiés sont priorisés et une stratégie de mise en oeuvre en deux phases est proposée. Dans la première phase, il est proposé de mettre en oeuvre les projets qui conduisent à la réduction des combustibles fossiles ou de leur élimination. Les autres projets vii proposés sont à mettre en oeuvre dans la deuxième phase afin d'économiser plus de vapeur pour la vente ou la production d'électricité. Enfin la sixième et dernière étape consiste en une postanalyse comparative menée afin de visualiser les zones d'amélioration. La méthodologie a été appliquée sur les trois usines et a donné 27, 33, et 66 % d'économies de vapeur et 38, 24, et 58 % pour les économies d'eau des usines A, B, et C respectivement.

Abstract

The principle objectives of this thesis are divided into two main parts. The first key objective is to develop new process integration (PI) techniques to individually improve the efficiency of water and steam systems, the performance of equipment, and the heat exchanger (HEX) network of the existing water-based process. These techniques are validated by applying them to the Kraft process. The second objective is to develop a steam and water analysis enhancement and integration (SWAEI) methodology to improve the energy and water efficiency of a water-based process by combining the new PI techniques. The case studies are three Canadian Kraft mills (mills A, B, and C) with a broad spectrum of geographic distribution, products, and raw materials. A simulation of the three mills has been developed in the Cadsim Plus platform and is used to provide data for analysis and incorporate proposed modifications. The Kraft pulp and paper (P&P) mill is one of the major water and thermal energy users in the Canadian industrial sectors. It is also one of the water-based processes where there is large interaction between water and steam systems. To decrease manufacturing costs and increase profitability, it is necessary to reduce energy, water, and wastewater treatment costs. Before going through the development of new PI techniques and SWAEI methodology, a prerequisite step is benchmarking to give actual insights about current steam and water performance. A benchmarking technique characterizes the case studies (three Kraft mills) in terms of water and energy consumption. In this technique, the steam and water consumption of the mills are benchmarked against reference data. The cases are compared in terms of water and steam allocations for different uses and also in terms of the heat exchanger and water networks so as to indicate the similarities and differences. The potential for steam and water savings are summarized in the synthesis step. The advantageous characteristics of one case are used to propose the steam and water saving measures for another case and vise versa. The first developed PI technique is simultaneous energy and water networks analysis (SEWNA) that involves five steps to save steam and water at the same time. A new approach to identify the control volume for data extraction is shown. Inevitable effluents from the source pool are subtracted to prevent accumulation of chemicals and unwanted particles. In the process line, the ix potential for steam saving is determined considering the existing process constraints for water utilization and filtrate reutilization. The new rules for filtrate reutilization are presented. The new water and energy analysis can be performed either in tabular or graphical form to identify the water measures with respect to steam reduction. The new graphical Water and Energy Pinch Curves consist of contaminant concentration and temperature curves versus flowrate for all sinks and sources. The saved water is reduced systematically from the origin source of the hot and warm water production network. This eliminates steam consumption for hot/warm water production and also provides hotter and warmer water using the existing HEX network. Finally, the economic analysis is conducted to calculate the piping cost for new water reutilization connections. SEWNA has been applied on the three Kraft mills and resulted in significant water and steam savings with a reasonably short payback period. The total water and steam savings in the range of 24-54% and 11-29%, respectively, have been achieved by simple piping. The second developed PI technique is equipment performance analysis (EPA). It characterizes, analyzes, and diagnoses individual equipment or departments from the standpoint of steam and water consumption. The key performance indicator (KPI) for energy and/or water efficiency of equipment or a department is calculated and benchmarked against reference data. Probable causes and solutions are determined for inefficiencies. This technique has been applied to mill C. Based on probable remedial projects for improvement, the steam generation at the boilers can be increased by 21% and also steam and water can be saved by 9% and 11%, respectively. The results of this technique could be an incentive for in-depth and on-site performance analysis. The third new PI technique is the retrofit HEX network design (R-HEN) for a water-based process that consists of four successive steps. The physical and process constraints including hard and soft temperature of sensitive unit operations are analyzed. A realistic targeting for steam saving is conducted based on the constraints and the classification of steam users. The existing process stream HEXs are assessed to be used effectively in the new network. To utilize efficiently the heat of waste streams, they are categorized as high and low corrosive. The retrofit HEN is designed using a new algorithm according to five heuristic and practical rules. The technique has been applied on mill C. The total steam saving of 38% has been accomplished. x The steam and water analysis enhancement and integration (SWAEI) methodology consists of six successive steps. In the first step, the simulation model of the base case is developed. In the second step, pre-benchmarking is carried out by comparing the steam and water consumption with reference data. The core of methodology is the identification of the energy and water improvement projects by sequentially applying SEWNA, EPA, and R-HEN. Sequential application of these techniques results in significantly more steam saving than if they would have been applied individually. This sequential application leads to complementary projects to maximize steam saving. The excess steam is used to reduce or eliminate fossil fuel consumption. The remainder of excess steam could be sold to the local district, generate electricity using cogeneration or a combination of cogeneration and an absorption heat pump (trigeneration) system. These alternatives for using the remainder of excess steam are examined from the economical perspective to choose the most promising one for implementation. In step five, the identified projects are prioritized and the implementation strategy is proposed in two phases. In phase one, it is proposed to implement the projects that lead to fossil fuel reduction or elimination. The other projects are proposed to be implemented in the second phase to save more steam for selling or generating electricity. Finally, the post-benchmarking is conducted to visualize areas of improvement. The methodology has been applied on three mills and yielded 27, 33, and 66% steam savings and 38, 24, and 58% water savings for mills A, B, and C, respectively.