Development of a Strategy for Energy Efficiency Improvement in a Kraft Process Based on Systems Interactions Analysis

L'objectif de ce projet de recherche est de développer, valider et appliquer une méthodologie unifiée qui considère les interactions des systèmes qui affectent la performance énergétique du procédé Kraft et permet d'en améliorer l'efficacité. Le développement d'une stratégie d'implantation des mesures d'économie d'énergie est le résultat final. L'usine qui fait l'objet de cette étude et située dans l'est du Canada et produit environ 700 adt/d de pâte kraft blanchie. L'industrie des pâtes et papiers est une des principales industries canadiennes ainsi qu'un des plus gros consommateurs d'eau et de d'énergie du secteur industriel. La hausse des coûts énergétiques et les réglementations environnementales ont amené l'industrie à réorienter ses efforts pour développer des programmes de conservation d'eau et d'énergie. Ces deux éléments sont généralement analysés séparément, cependant ils sont fortement interdépendants. Par conséquent, une méthodologie qui considère l'eau, l'énergie ainsi que la production et l'utilisation d'utilitaires est nécessaire. La méthodologie développée comprend quatre étapes successives. La première est la définition et la caractérisation du procédé, car la mise à disposition d'un modèle de simulation fiable et représentatif est essentielle à l'optimisation énergétique. Une procédure qui inclut quatre volets est proposée: la collecte de données, la construction du diagramme de procédé, l'analyse des systèmes utilitaires, et le développement de la simulation. Les systèmes d'eau et d'énergie sont les axes principaux de la simulation. La deuxième étape de la méthodologie est l'évaluation de l'efficacité énergétique actuelle. Le but est d'identifier les inefficacités du procédé et d'établir des directives pour le développent des mesures d'amélioration. L'efficacité du procédé est évaluée par comparaison avec la pratique industrielle et l'application de nouveaux indicateurs énergétiques et éxergétiques. Les besoins minimums d'énergie et d'eau du procédé sont aussi déterminés lors de cette étape. La troisième étape, qui comprend la définition des mesures d'économie d'énergie techniquement faisables, est le noyau de la méthodologie. Plusieurs techniques sont appliquées dans une procédure itérative pour mettre en évidence les synergies existantes. L'objectif est d'améliorer le procédé en maximisant les économies d'énergie et en minimisant l'investissement requis. La quatrième étape est l'implantation de la stratégie.

Abstract

The objective of this thesis is to develop, validate, and apply a unified methodology for the energy efficiency improvement of a Kraft process that addresses globally the interactions of the various process systems that affect its energy performance. An implementation strategy is the final result. An operating Kraft pulping mill situated in Eastern Canada with a production of 700 adt/d of high-grade bleached pulp was the case study. The Pulp and Paper industry is Canada's premier industry. It is characterized by large thermal energy and water consumption. Rising energy costs and more stringent environmental regulations have led the industry to refocus its efforts toward identifying ways to improve energy and water conservation. Energy and water aspects are usually analyzed independently, but in reality they are strongly interconnected. Therefore, there is a need for an integrated methodology, which considers energy and water aspects, as well as the optimal utilization and production of the utilities. The methodology consists of four successive stages. The first stage is the base case definition. The development of a focused, reliable and representative model of an operating process is a prerequisite to the optimization and fine tuning of its energy performance. A four-pronged procedure has been developed: data gathering, master diagram, utilities systems analysis, and simulation. The computer simulation has been focused on the energy and water systems. The second stage corresponds to the benchmarking analysis. The benchmarking of the base case has the objectives of identifying the process inefficiencies and to establish guidelines for the development of effective enhancement measures. The studied process is evaluated by a comparison of its efficiency to the current practice of the industry and by the application of new energy and exergy content indicators. The minimum energy and water requirements of the process are also determined in this step. The third stage is the core of the methodology; it represents the formulation of technically feasible energy enhancing options. Several techniques are applied in an iterative procedure to cast light on their synergies and counter-actions. The objective is to develop a path for improving the process so as to maximize steam savings while minimizing the investment required. The fourth stage is the implementation strategy.