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.