Développement d'une bioraffinerie forestière intégrée et verte

L'économie du Canada dépend fortement de la vitalité de son secteur industriel qui est énergivore et émetteur de gaz à effet de serre. Dans un contexte de changement climatique, le Canada se doit de réagir. Cela passe entre autre par le développement des énergies renouvelables. Grâce à son industrie forestière, le Canada a tous les atouts nécessaires pour développer une bioéconomie dynamique. Le secteur de la foresterie inclut l'industrie des pâtes et papiers, une industrie qui fait face à une crise économique et doit donc se réinventer pour rester compétitive. Dans un tel contexte, le bioraffinage forestier qui consiste à valoriser les principaux constituants du bois pour la production aussi bien de produit de pâtes et papiers conventionnels que de produits chimiques de spécialité apparaît de plus en plus comme une solution offerte à l'industrie papetière pour faire face à la crise. Grace à ce concept, les papetières canadiennes seront en mesure de diversifier leur production et de regagner en compétitivité. Toutefois, transformer une usine de pâtes et papiers en une bioraffinerie intégrée est un exercice complexe associé à divers risques et incertitudes (ex., économique, technique, financier, etc). Il est de ce fait important de développer des outils qui permettent d'évaluer ces aspects afin que le concept de bioraffinage forestier devienne une réalité pour les papetières canadiennes. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité technique et économique d'un nouveau concept de bioraffinerie forestière intégrée pour les usines de pâtes et papiers canadiennes qui n'utiliseraient aucune source d'énergie fossile sur site. Les défis à relever sont : (i) le développement d'une approche systématique qui permettrait de sélectionner les procédés de bioraffinage à intégrér, (ii) la proposition d'une méthodologie permettant d'atteindre un dégré d'intégration matérielle et énergétique suffisant entre les différents unités du complexe afin de substituer totalement le combustible. viii Pour ce faire, un nouveau concept de bioraffinerie forestière, le concept de bioraffinerie intégrée et verte a été développée. Ce concept repose sur le développement d'un complexe; centré autour d'une usine de pâtes et papiers; parfaitement intégré et bouclé dont l'empreinte écologique est réduite au maximum par l'implantation stratégique de procédés de conversion de la biomasse pour la production de bioproduits variés. Une bioraffinerie intégrée et verte comprend quatre unités : (i) une usine de pâtes et papiers, (ii) une bioraffinerie pour la production d'un bioproduit, (iii) une unité de gazéification de la biomasse pour la production de gaz de synthèse utilisé en remplacement du gaz naturel employé dans le four à chaux de l'usine de pâtes et papiers et (iv) une unité de polygénération pour la production de chaleur, de refroidissement et d'électricité. Une bioraffinerie intégrée et verte a une balance environnementale positive. Dans un tel complexe, la consommation d'eau fraiche et la production d'effluents sont réduites au maximum. Les émissions de gaz à effet de serre sont également contrôlées et plus important, une bioraffinerie intégrée et verte ne consomme aucune énergie fossile. Une stratégie d'implantation pour développer durablement une bioraffinerie intégrée et verte a été proposée et consiste en 5 étapes : (i) sélection de l'usine de P&P réceptrice, (ii) sélection de la bioraffinerie, (iii) intégration matérielle et énergétique des différents procédés suivie de (iv) l'implantation d'une unité de gazéification de la biomasse et (v) d'une unité de polygénération. Une nouvelle méthodologie, basée sur la programmation mathématique, pour l'optimisation matérielle et énegétique de la bioraffinerie intégrée a été proposée. La méthodologie est innovante de part la formulation du problème d'allocation des réseaux d'eau adoptée puisqu'elle prend en compte les spécificités d'une usine de pâtes à papiers telle l'existance de points de transfert thermique direct qui affectent l'éfficacité énergétique de l'usine de P&P. La prise en compte de ces particularités du procédé de mise en pâte lors de la définition ix du problème d'allocation des réseaux d'eau résulte en la réduction simultanée des consommations d'eau et de vapeur du procédé. La formulation du problème sous forme de problème mixte à variable entières intégrées est particulièrement intéressante puisqu'il conduit à une multitude de solutions lors de sa résolution. Les solutions obtenues, présentées sous formes de front de Pareto, sont toutes équvalentes d'un point de vue mathématique. C'est l'utilisateur qui intervient et prend la décision finale quant à la solution optimale à considérer pour futures modifications des réseaux d'échangeurs d'eau et de chaleur de la bioraffinerie intégrée. Le choix de la solution se base, aussi bien sur les connaissances du procédé en termes de contraintes, que sur des régles de bases d'ingéniérie. Cette étape de sélection de la solution optimale peut également s'effectuer grâce à un outil de prise de décision. Le concept et la méthodologie d'implantation proposés ont été testés sur des études de cas impliquant la conversion d'une usine de pâte dissoute en bioraffinerie intégrée et verte pour la production de furfural ou d'éthanol. Les résultats obtenus démontrent que le concept de bioraffinerie intégrée et verte est un nouveau concept qui est techniquement faisable si le dégré d'intégration entre l'usine de pâtes et papiers et les autres procédés constituants le complexe est optimal et économiquement rentable si les technologies de conversion de la biomasse vise la synthèse d'un produit chimique de spécialité soit à très haute valeur ajoutée. La méthodologie d'intégration matérielle et énergétique dévelopée, en plus d'être innovante, est robutste, pratique et efficace. En comparaison avec les méthodologies proposées dans la littérature pour l'optimisation simulatanée de l'eau et de l'énegie, la nouvelle méthodologie est interactive, car elle se base sur la formulation multi-objectifs du problème conduisant à plusieurs solutions lors de la résolution.

Abstract

Canada's economy depends strongly on the vitality of its industrial sector which is energy intensive and emitter of greenhouse gases. In the context of climate change, Canada must react by developing its renewable energy sector. With its strong forest industry, Canada can play an important role in the development of a world bioeconomy. The forestry sector includes the pulp and paper industry, an industry facing an important economic crisis during the last years. As a response, the pulp and paper industry needs to reinvent itself in order to remain competitive. In such a context, the forest biorefinery concept which consists in valorizing the main components of wood, for the production of both conventional pulp and paper products and specialty chemicals appears to be one solution for the pulp and paper industry to cope with the crisis. Thanks to this concept, the Canadian pul mills will be able to diversify their production and regain competitiveness. The main objective of this thesis is then to propose and demonstrate the technical and economic feasibility of a new integrated forest biorefinery concept for Canadian pulp and paper mills targeted toward the development of a fossil fuel free facility. The challenges to be addressed are: (i) the development of systematic approaches to select the biorefinery processes to be implemented; (ii) the development of a mass and energy integration methodology that will allow the establishement of a site with no fossil fuel consumption. A new forest biorefinery concept, the green integrated forest biorefinery has been developed. This concept is based on the development of a complex, centered around a pulp and paper mill, fully integrated whose ecological footprint is reduced to the minimum through the strategic implementation of biomass conversion processes for the production of various bioproducts. A green integrated forest biorefinery includes 4 units: (i ) a pulp and paper mill which is the core of the complex, (ii) a biorefinery for the production of bio-products , (iii) a biomass gasification unit xi for production of syngas used to substitute natural gas usage on-site and ( iv ) a polygeneration unit generating green power and supplying cooling and heating to the integrated facility. The green integrated forest biorefinery is environmentally friendly. In such a facility, fresh water consumption, effluent production and greenhouse gases emissions are reduced to their minimum. But most importantly, a green integrated forest biorefinery is a fossil fuel free facility. An implementation strategy to develop a sustainable green integrated forest biorefinery has been proposed and consists of five steps: (i) selection of the receptor pulp mill and (ii) biorefinery plant, (iii) intense material and energy integration of the various processes followed by (iv) the implantation of biomass gasification and (v) a polygeneration units. A new mathematical-based optimization methodology for simultaneous reduction of water and energy consumption has been developed. The methodology takes into account the interconnection between water and steam consumption in a pulp and paper mill by taking into account the presence of stream mixing point that affects the energy efficiencies and the steam consumption of the overall process. The formulation as a MILP problem is particularly interesting and differs from what has been reported in the literature for combined mass and energy optimization problem as it gives multiple solutions during the resolution phase in the form of a Pareto front. The user takes the final decision regarding the solution to be further implemented within the process based on its knowledge of the process and pratical engineering rules. The decision making process can be facilitated using specific tools. The concept and implementation methodology proposed have been applied to case studies involving the conversion of a dissolved pulp mill into a green integrated forest biorefinery for the production of furfural and ethanol. xii The results show that the concept of green integrated forest biorafinery is an innovative concept that is technically feasible, providing an optimal energy and mass integration between the different constituents of the facility and economically viable if the integrated forest biorefinery is targeted for the production of specialty chemicals. The proposed mass and energy integration methodology is innovative, robust and efficient. In addition, it is interactive since the user plays a key role in the decision making process to select the optimum solution