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

Enrique Mateos-Espejel

Ph.D. thesis (2009)

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Abstract

The objective of this thesis is to develop, validate, and apply a unified methodology for theenergy efficiency improvement of a Kraft process that addresses globally the interactions of thevarious process systems that affect its energy performance. An implementation strategy is thefinal result. An operating Kraft pulping mill situated in Eastern Canada with a production of 700adt/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 thermalenergy and water consumption. Rising energy costs and more stringent environmental regulationshave led the industry to refocus its efforts toward identifying ways to improve energy and waterconservation. Energy and water aspects are usually analyzed independently, but in reality they arestrongly interconnected. Therefore, there is a need for an integrated methodology, whichconsiders energy and water aspects, as well as the optimal utilization and production of theutilities.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 aprerequisite to the optimization and fine tuning of its energy performance. A four-prongedprocedure has been developed: data gathering, master diagram, utilities systems analysis, andsimulation. The computer simulation has been focused on the energy and water systems. Thesecond stage corresponds to the benchmarking analysis. The benchmarking of the base case hasthe objectives of identifying the process inefficiencies and to establish guidelines for thedevelopment of effective enhancement measures. The studied process is evaluated by acomparison of its efficiency to the current practice of the industry and by the application of newenergy and exergy content indicators. The minimum energy and water requirements of theprocess are also determined in this step. The third stage is the core of the methodology; itrepresents the formulation of technically feasible energy enhancing options. Several techniquesare applied in an iterative procedure to cast light on their synergies and counter-actions. Theobjective is to develop a path for improving the process so as to maximize steam savings whileminimizing the investment required. The fourth stage is the implementation strategy.

Résumé

L'objectif de ce projet de recherche est de développer, valider et appliquer une méthodologieunifiée qui considère les interactions des systèmes qui affectent la performance énergétique duprocédé Kraft et permet d'en améliorer l'efficacité. Le développement d'une stratégied'implantation des mesures d'économie d'énergie est le résultat final. L'usine qui fait l'objet decette 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 desplus gros consommateurs d'eau et de d'énergie du secteur industriel. La hausse des coûtsénergétiques et les réglementations environnementales ont amené l'industrie à réorienter sesefforts pour développer des programmes de conservation d'eau et d'énergie. Ces deux élémentssont généralement analysés séparément, cependant ils sont fortement interdépendants. Parconséquent, une méthodologie qui considère l'eau, l'énergie ainsi que la production etl'utilisation d'utilitaires est nécessaire.La méthodologie développée comprend quatre étapes successives. La première est la définition etla caractérisation du procédé, car la mise à disposition d'un modèle de simulation fiable etreprésentatif est essentielle à l'optimisation énergétique. Une procédure qui inclut quatre voletsest proposée: la collecte de données, la construction du diagramme de procédé, l'analyse dessystèmes utilitaires, et le développement de la simulation. Les systèmes d'eau et d'énergie sontles axes principaux de la simulation. La deuxième étape de la méthodologie est l'évaluation del'efficacité énergétique actuelle. Le but est d'identifier les inefficacités du procédé et d'établir desdirectives pour le développent des mesures d'amélioration. L'efficacité du procédé est évaluéepar comparaison avec la pratique industrielle et l'application de nouveaux indicateursénergétiques et éxergétiques. Les besoins minimums d'énergie et d'eau du procédé sont aussidéterminés lors de cette étape. La troisième étape, qui comprend la définition des mesuresd'économie d'énergie techniquement faisables, est le noyau de la méthodologie. Plusieurstechniques sont appliquées dans une procédure itérative pour mettre en évidence les synergiesexistantes. L'objectif est d'améliorer le procédé en maximisant les économies d'énergie et enminimisant l'investissement requis. La quatrième étape est l'implantation de la stratégie.
Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Jean Paris, Luciana Elena Savulescu, François Maréchal
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/162/
Institution: École Polytechnique de Montréal
Date Deposited: 25 Jan 2010 11:18
Last Modified: 15 Nov 2022 07:07
Cite in APA 7: Mateos-Espejel, E. (2009). Development of a Strategy for Energy Efficiency Improvement in a Kraft Process Based on Systems Interactions Analysis [Ph.D. thesis, École Polytechnique de Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/162/

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