Systematic Equipment Performance Analysis of a Kraft Process Through New and Adapted Key Performance Indicators

L'industrie des pâtes et papiers occupe une place importante dans l'économie du Canada et est un acteur clé quant à la croissance de son produit intérieur brut [1]. De plus, l'industrie papetière crée plus de 320 000 emplois directs et indirects pour les Canadiens [1]. Toutefois, cette industrie est l'une des plus grandes consommatrices d'énergie, consommant environ 30 % de l'énergie totale utilisée par les industries manufacturières canadiennes [2]. Cependant, au cours des deux dernières décennies, l'industrie des pâtes et papiers a été confrontée à une crise sans précédent en raison de la concurrence des économies émergentes comme l'Inde et la Chine, des règlementations environnementales strictes et contraignantes et des prix élevés des énergies. Parce que l'énergie est une composante importante des coûts de production (environ 25% des couts de production), pour rester compétitives, les papetières se voient donc obligées de réexaminer leur procédé afin de réduire leurs factures énergétiques et leurs consommations d'eau et de produits chimiques et ainsi ne pas perdre leur position concurrentielle. En outre, le secteur a réduit sa consommation d'énergie en moyenne de 1 % par an depuis 1990 [3]. De ce fait, plusieurs techniques d'intégration de procédés existent. Elles se basent sur des approches conceptuelles et graphiques ou encore mathématiques. Ces méthodes d'optimisation et d'intégration de procédé appliquées sur des usines canadiennes ont donné des résultats intéressants. Toutefois, dans la plupart des méthodes actuelles d'optimisation de procédé, il est assumé que les équipements dans l'usine opèrent efficacement. En réalité, ceci n'est pas toujours le cas ; ce qui peut fausser les résultats d'une analyse de performance. Par conséquent, l'analyse de performance des opérations unitaires du procédé est une étape préliminaire importante avant toute mesure d'intégration. En fait, les équipements ayant une mauvaise performance peuvent augmenter la demande globale du procédé en énergie et en matière et discréditer les résultats des procédures d'intégration. L'objectif principal de cette thèse est de développer, d'appliquer et ensuite de valider une méthodologie systématique d'analyse de performance des équipements du procédé Kraft, en termes d'énergie, d'eau et d'utilisation de produits chimiques à l'aide de nouveaux indicateurs de performance. La méthodologie s'articule autour de quatre étapes successives à travers desquelles les opérations unitaires sont examinées pour évaluer comment leurs besoins énergétiques, d'eau et des produits chimiques peuvent être réduits en augmentant leurs propres performances. La méthodologie comprend: (i) le développement et le calcul des indicateurs de performance clés pour chaque unité opératoire, (ii) l'identification des écarts importants par rapport au rendement cible et donc la localisation d'un mauvais fonctionnement et, (iii) le diagnostique des causes d'inefficacité et des recommandations de mesures correctives. Les techniques existantes pour évaluer la performance des équipements considèrent l'utilisation efficace d'énergie et d'eau. La présente étude considère l'utilisation de l'eau, l'énergie et les produits chimiques au sein du procédé. En outre, il prend en compte les interactions entre les opérations unitaires et plus d'un indicateur clé est utilisé pour évaluer la performance des équipements. Une étude de ce type n'a jamais été effectuée sur une usine Kraft Canadienne. Ce qui rend cette étude originale tant d'un point de vue méthodologie que résultats obtenus. Dans un premier temps, la réconciliation de données et la détection des erreurs grossières sont effectués pour produire un modèle fiable du procédé étudié pour ainsi obtenir des résultats cohérents et sûrs lors d'une analyse de performance. La réconciliation des données et la détection des erreurs grossières ont également été utilisées pour localiser et identifier les opérations unitaires présentant des inefficacités. La réconciliation et la détection des erreurs grossières sont considérés dans cette étude comme premiers indicateurs de performance. Une analyse de l'efficacité exégétique a été effectuée afin d'identifier les opérations unitaires thermodynamiquement inefficaces. L'efficacité exégétique est l'indicateur clé pour l'utilisation de l'énergie. Une fois ces deux analyses effectuées, les opérations unitaires soupçonnées d'avoir de mauvaises performances sont identifiées. Ces opérations unitaires sont ensuite analysées avec un ou plusieurs indicateurs de performance qui leur sont spécifiques, développés suite à une analyse adimensionnelle autour des unités opératoires clés, et enfin des projets d'amélioration sont proposés suite aux diagnostics établis. Enfin, l'intérêt de cette méthodologie est démontré dans le cas d'une usine de pâte kraft située dans l'Est du Canada. L'usine produit une moyenne de 280 adt / j de pâte à partir de laquelle du papier journal est fabriqué. La méthodologie a été démontrée pour être en mesure d'améliorer l'efficacité globale du procédé en termes d'utilisation d'énergie, d'eau et des produits chimiques.

Abstract

The Canadian pulp and paper sector is an important key player in the country's economic growth and gross domestic product [1], providing over 320, 000 direct and indirect employment opportunities for Canadians [4]. Pulp and paper industry in Canada is one of the largest energy-consumer amongst all industries in Canada, consuming approximately 30% of the industrial energy [2]. However, during the last two decades, the pulp and paper sector has been facing an unprecedented crisis due to competition from emerging economies like India and China, stringent environmental regulations and high energy prices. Because energy is a significant production-cost component (about 25% of the total production cost), in order to remain competitive, the sector has made efforts towards identifying ways to improve the energy efficiency through implementing energy recovery systems. The sector has also reduced its energy use by an average of 1% annually since 1990 [3]. Despite these improvements, the pulp and paper industry still seeks ways to identify inefficiencies and improve its overall energy and water utilization. Many process integration (PI) techniques have been developed and gave encouraging results. These techniques use both conceptual and mathematical approaches. However, these techniques consider that the unit operations in place function efficiently, which is often not the case in real operating pulp mills. Therefore, analysing the performance of unit operations is an important step prior to any process integration technique. In fact, equipment with poor performance could increase the energy and water demand of the overall process and discredit the results of energy and utility enhancement procedures. The objective of this thesis is to develop, apply and validate a methodology for Kraft process equipment performance analysis in terms of energy, water and chemical utilization by means of new and adapted key performance indicators. The core of the methodology consists in four successive stages through which the unit operations are examined to evaluate how their energy, water and chemical requirements can be reduced by increasing their own performance. The steps comprise: (i) the computation of key performance indicators for each piece of equipment, (ii) the identification of significant deviations from the target performance, and therefore the location of poor performance unit operation and, (iii) diagnosis of the causes of inefficiencies and the proposal of remedial actions. The existing techniques for the evaluation of equipment performance include either energy or water utilization efficiency. The current study considers water, energy and chemical utilization in the process. It also takes into account the interactions between unit operations and uses more than one KPI to evaluate the performance of the process operations. At first, data reconciliation and gross error detection are performed to produce a reliable model of the process studied and obtain reliable results when performing performance evaluation. Initially, data reconciliation and gross error detection are used to locate and identify process leaks and biases. A strong measurement adjustment is considered in this study as a first key performance indicator (KPI). An exergy efficiency analysis is performed to identify poor energy efficiency unit operations. Exergy efficiency is the KPI for energy utilization. Once these two analyses have been performed, a list of unit operations suspected to have poor performance is constructed. These unit operations are further evaluated by means of KPIs developed based on a dimensional analysis and enhancement measures and improvement projects are proposed according to the diagnoses established. The interest of this methodology is demonstrated in the case of an operating Kraft pulp located in Eastern Canada. The mill produces an average of 280 adt/d of pulp from which newsprint is made. The methodology has been demonstrated to be able to improve the overall efficiency of the process in terms of energy, water and chemical utilization through an adequate evaluation of its equipment. This thesis provides mill engineers with a systematic and strategic way to evaluate the performance of their unit operations by means of new KPIs.