Méthode systématique de conception pour comparer les procédés de bioraffinage intégrés dans une usine existante de pâtes et papiers

L'industrie canadienne de pâtes et papiers fait présentement face à de nombreux défis et à un ensemble de facteurs pouvant compromettre son développement et sa position compétitive sur le marché mondial. Parmi ces facteurs, on peut citer : la concurrence des usines papetières modernes situées dans des pays émergents où les économies d'échelle sont plus importantes et les coûts de production sont plus avantageux, l'augmentation continuelle de la facture énergétique et des coûts de fibres, la nature énergivore de cette industrie et son important impact sur l'environnement. Pour faire face à cette situation, une nouvelle tendance a vu le jour et commence à susciter de plus en plus l'intérêt des scientifiques et des industriels : la bioraffinerie forestière intégrée. Elle consiste à implanter dans les usines de pâtes et papiers existantes des procédés de traitement de biomasse pour produire de l'énergie et des produits chimiques verts. La bioraffinerie forestière représente une opportunité unique pour l'industrie forestière afin d'assurer sa durabilité en lui permettant de se transformer et de diversifier son portefeuille de produits. La bioraffinerie forestière utilise différents types de biomasse comme matière première pour produire de l'énergie, une variété de combustibles liquides, un grand nombre de produits de commodité et de spécialité, une large gamme de polymères et de biomatériaux. Les usines de pâtes et papiers désirant saisir cette opportunité et implanter la bioraffinerie forestière, doivent faire face à un nombre de choix très considérable d'options de procédés de bioraffinage possibles. En effet, il existe plusieurs types de biomasse qui peuvent être utilisés comme matière première, différentes technologies de prétraitement et de traitement et un grand nombre de bioproduits potentiels. Mais ce choix s'avère aussi critique et décisif pour les usines dans la mesure où seulement un nombre limité de ces options peut assurer la réussite de la transformation de ces usines en bioraffinerie, trouver les bons compromis avec des facteurs critiques de conception comme le coût, la qualité et la disponibilité de la biomasse, la fiabilité des technologies, le volume et l'emplacement géographique du marché des bioproduits. Les usines de pâtes et papiers doivent évaluer toutes les options de procédé possibles afin que les meilleures opportunités puissent être identifiées et ainsi réduire le risque de manquer une ou plusieurs options prometteuses. Ceci constitue un défi de conception de procédé majeur du fait vi qu'il n'est pas possible d'évaluer toutes les options de bioraffinage dans des phases de conception détaillée et il n'est pas faisable de déterminer leurs performances économiques et environnementales avec précision en utilisant des modèles de procédé et de coûts détaillés. Il est alors impératif d'éliminer les options de procédé les moins prometteuses au stade préliminaire du processus de conception et réduire ainsi le nombre d'options à évaluer dans les phases de conception détaillée. L'objectif global de ce projet de maîtrise est de définir une méthode systématique de conception pour comparer, identifier et éliminer les options de procédé de bioraffinage non prometteuses pour une usine existantes de pâte et papiers au stade préliminaire du processus de conception de procédé. Ceci va permettre alors de gérer la complexité de la bioraffinerie en réduisant le nombre d'options de procédé qui devront être évaluées dans les phases de conception détaillée. Les objectifs spécifiques sous-jacents à cet objectif global sont : (1) développer une approche de conception basée sur une évaluation techno-économique associée à une analyse systématique des risques de procédé pour comparer les options de bioraffinage intimement intégrées aux procédés d'usines de pâtes et papiers (2) démontrer une méthode de conception pour comparer et éliminer les options de bioraffinage quasi autonomes non prometteuses (3) comparer et trier les procédés de bioraffinage intimement intégrés et ceux qui sont quasi autonomes en considérant la stratégie et les objectifs à long terme des usines de pâtes et papiers. Le projet a été mené dans un contexte réel en considérant une usine intégrée de pâte et papiers située dans l'est canadien. Toutes les évaluations réalisées dans le projet sont basées sur une compréhension approfondie du principe d'opération du procédé existant et des technologies de bioraffinerie sélectionnées, les méthodes d'estimation de coûts et d'évaluation technoéconomique de procédé. L'approche méthodologique utilisée dans le projet est fondée sur 4 étapes principales. La première étape consiste en la modélisation et l'analyse du procédé de base, ainsi que la collecte des informations techniques et financières nécessaires pour l'évaluation techno-économique des technologies de bioraffinage à intégrer au procédé existant. Cette étape a été réalisée durant la vii période de stage à l'usine hôte du projet. La deuxième étape consiste en l'évaluation et la comparaison des options de bioraffinage intimement intégrées au procédé existant. La troisième étape consiste dans l'évaluation techno-économique et comparaison des procédés de bioraffinage à implanter en parallèle au procédé de mise en pâte existant. La dernière partie consiste à comparer les deux types de procédés de bioraffinage considérant la stratégie à long terme de l'usine de pâte et papiers. L'analyse de larges blocs a été utilisée comme approche de modélisation de procédé et de coûts. Cette approche consiste à modéliser les options de procédé en utilisant de larges blocs regroupant plusieurs opérations unitaires du procédé. Ceci permet d'établir des bilans de matières et d'énergie, ainsi que des modèles de coûts avec peu de détails mais avec une précision suffisante pour les besoins de décision au stade préliminaire du processus de conception. L'utilisation de l'analyse de larges blocs permet de cerner la problématique de conception au stage préliminaire du processus de conception. Cette méthode d'analyse permet en effet de : · Modéliser un nombre important d'options de procédé avec un effort et dans de délais de temps raisonnables, · Donner suffisamment de renseignements et de précision pour les besoins de prise de décision au stade préliminaire du processus de conception, · Utiliser les mêmes bases d'évaluation et le même niveau de détails, ce qui rend la comparaison entre les différentes options de procédé cohérente et permise. Deux options de procédé intimement intégrés ont été évaluées dans ce projet: la technologie LignoBoost pour précipiter la lignine de la liqueur noire et le procédé de pré-extraction d'hémicellulose VPP. Les deux procédés ont été évalués dans le contexte de désengorgement du procédé existant pour augmenter sa capacité de production. Le potentiel de désengorgement par l'implantation des deux options de procédé a alors été évalué, les risques d'intégration et d'impacts sur le procédé de base ont été analysés et la rentabilité de ces deux options a été évaluée. Les résultats de cette partie de l'étude ont montré l'intérêt et l'implication de l'analyse de risque de procédé sur les choix des options de procédés intimement intégrées. En effet, le procédé VPP a été préféré à la technologie LignoBoost même si la rentabilité de l'option avec LignoBoost est nettement plus élevée. Ceci est dû aux risques et impacts négatifs possibles sur les opérations du procédé de base que peut engendrer l'implantation de LignoBoost. viii Pour comparer les options quasi autonomes à implanter dans le site de l'usine, un inventaire de la biomasse disponible autour de l'usine a été réalisé. Cet inventaire a permis d'identifier les types de biomasse pertinents pour l'usine. Des courbes d'approvisionnement en biomasse ont été aussi construites. Différentes options biochimiques et thermochimique pour produire une variété de produits à partir des types de biomasse ont été définies et évaluées. Les facteurs liés à la qualité et à la disponibilité de la biomasse ont été incorporés dans les modèles de procédé et de coûts. Ceci a permis d'impliquer la qualité et la disponibilité de la biomasse dans les évaluations techno-économiques et ainsi dans l'identification des options quasi autonomes prometteuses et leurs capacités de production appropriées. Les résultats de cette partie de l'étude ont montré par exemple l'effet que peut avoir la qualité de biomasse sur le choix entre les procédés thermochimiques et biochimiques et l'effet de la disponibilité de la biomasse sur le choix de leurs capacités appropriées. Les options prometteuses intimement intégrées et quasi automnes ont été par la suite comparées et triées en considérant un certains nombre de scénarios reflétant les stratégies à long terme des usines de pâtes et papiers. L'une des conclusions de cette comparaison est qu'une usine désirant rester compétitive dans son marché traditionnel devrait opter pour une option de procédé intimement intégrée, alors qu'une usine désirant diversifier les sources des ses revenus et se transformer en bioraffinerie devrait opter pour une option de bioraffinage quasi autonome. Ce travail de recherche a permis de définir une méthode systématique de conception pour éliminer les options de procédés de bioraffinage non prometteuses pour une usine existante de pâte et papiers au stade préliminaire du processus de conception. La méthode permet alors de réduire la complexité de la bioraffinerie en minimisant le nombre d'options de procédé à évaluer aux phases de conception détaillée. Les options intimement intégrées non prometteuses peuvent être éliminées suite à l'analyse de risque technologique et d'impacts négatifs sur le procédé existant. Les facteurs liés à la qualité et à la disponibilité de la biomasse autour de l'usine sont incorporés dans l'évaluation techno-économique des options quasi autonomes, ce qui permet d'identifier et éliminer les options non prometteuses. Enfin les deux types d'options de procédés sont comparés et triés considérant la stratégie à long terme de l'usine de pâte et papiers.

Abstract

The Canadian Pulp and Paper industry is currently facing many challenges due to a set of factors that affects its development and its competitive position in the global marketplace. Among these factors are included competition from modern mills located in emerging countries where the production costs are lower, and the increasing costs of energy and fiber. Moreover, due to its energy-intensive nature, the industry has an important environmental footprint that needs to be dealt with. To overcome these factors, forest companies have become increasingly interested in the integrated forest biorefinery. It consists of implementing biomass treatment processes for the production of green energy and value added bioproducts into existing pulp and paper mills. The integrated forest biorefinery represents one of the most attractive means for forest companies to improve their sustainability, develop their activities and diversify their product portfolio. The forest biorefinery is envisioned to use different types of biomass feedstocks for the production of energy, liquid fuels, a large number of commodity and specialty products, as well as a variety of polymers and biomaterials. To implement a biorefinery, pulp mills are faced with a high number of choices in the early phases of decision making related to the large number of possible biorefinery process options, potential bioproducts, pretreatment and treatment technologies. However, this choice is also critical for these mills as only a limited number of those process options can guarantee their successful transformation into biorefineries and can deal with critical factors such as cost, biomass availability and quality, the reliability of technologies, volume and location of the bioproducts market. To be able to identify the best opportunities and reduce the risk of missing one or more of the most promising options, pulp and paper mills must evaluate all the possible process options. However this constitutes a major design challenge as it is not possible to evaluate all the possible options in detailed design phases and it is not feasible to measure their economic and environmental performances using detailed process and cost models. It is therefore imperative to eliminate less promising biorefinery options at the early design stage, so that the number of options to be assessed in detailed design phases is reduced. x The overall objective of this master's project is to define a systematic design method for comparing, identifying and screening out the less promising biorefinery process options for an existing pulp and paper mill at the early design stage. This method manages the biorefinery design process complexity by reducing the number of process options to be evaluated in the detailed design phases. The specific objectives underlying this overall objective are (1) to develop a design approach based on a techno-economic assessment associated with a systematic process risk analysis to compare the biorefinery options closely integrated into the existing pulp and paper mill (2) to demonstrate an early stage process design method for comparing and screening out the less promising quasi-standalone biorefinery process options (adjacent biorefinery which has its own process and that does not interfere directly with the existing process operations) (3) to compare and to sort biorefinery process options belonging to the two biorefinery categories (closely integrated vs. quasi-standalone biorefinery process options) considering the strategy and long term objectives of the pulp and paper mill. The project was conducted in an industrial context considering an integrated pulp and paper mill located in eastern Canada. All the performed evaluations in this study are based on a deep understanding of the principle of operation of the case study mill process and of the evaluated biorefinery technologies, methods of costs estimation and techno-economic assessment. The approach used in the project is based on four main steps. The first step consists of the modeling and analysis of existing process operations, and the collection of the technical and financial data needed for the techno-economic evaluation of biorefinery technologies integrated into the existing pulp and paper mill. The second step consists of the evaluation and comparison of biorefinery process options closely integrated into the existing process. The third step involves the techno-economic assessment and comparison of biorefinery processes to implement in parallel to the existing fiber lines. The last part is a comparison of the two types of biorefinery processes considering the long-term strategy of the pulp and paper mills. Large blocks analysis was used for process and cost modeling. It models the process options by gathering many unit operations of the considered processes into large blocks, or departments. xi This helps to establish mass and energy balances and cost models with lower level of detail but with sufficient accuracy for the needs of decision at the early design stage. This method enables: · The modeling of a large number of process options with a reasonable effort and time, · The generation of sufficient information and details for decision-making at the early design stage, and · The utilization of the same evaluation basis and the same level of detail which makes comparison between different options possible and consistent. Two options closely integrated into the case study mill have been evaluated: LignoBoost technology for lignin precipitation from black liquor and a hemicellulose pre-extraction process (value prior-to-pulping - VPP). Both process options were evaluated in the context of recovery cycle debottlenecking for production increase at the case study mill. The potential for debottlenecking by the implementation of those two process options was analyzed. Technology risk and negative impacts on the operations of the case study mill process have been assessed. The results of this part showed the implications of technology risk on the selection of promising biorefinery process options closely integrated into the existing pulp and paper mill: the VPP process was preferred to the LignoBoost technology although the profitability of the option with LignoBoost is much higher. This is due to the risks and possible negative impacts on the operations of the existing process that can appear with the implementation of LignoBoost. To be able to compare the quasi-standalone process options, biomass inventory was made and the pertinent types of biomass for the mill were identified. Biomass supply curves of each type of biomass were then developed. Biochemical and thermochemical process options using the identified types of biomass and producing different types of products were defined. Factors related to the quality and availability of biomass have been incorporated into the process and costs models. This makes it possible to include biomass-related factors in the techno-economic assessment and to show the implications of the biomass availability and quality in the selection of promising biorefinery options and their corresponding production capacities at the early design stage. The results of this part of the study showed, for example the effect of the quality of biomass on the choice between thermochemical and biochemical processes and the effect of biomass availability on the selection of their suitable capacities. xii Promising closely integrated process options and quasi standalone options were then compared and sorted according to a set of scenarios reflecting the long-term strategies of pulp and paper mills. One of the conclusions of this comparison is that a mill should select a process option closely integrated if the strategy of the mill is to stay competitive in the same core business. However, the mill should select a quasi-standalone biorefinery option if its objective is to diversify its revenue and to convert to a biorefinery. A systematic early process design stage method for screening less promising biorefinery processes option for an existing pulp and paper mill has been defined. The method enables the reduction and management of the complexity of biorefinery design by decreasing the number of process options to be evaluated in detailed design stages. The less promising closely integrated options were screened out considering the process risk. Factors related to the quality and availability of biomass around the mill were incorporated into the techno-economic evaluation to help in the identification and elimination of less promising quasi-standalone process options. Finally, the two categories of process options were compared and sorted according to a set of scenarios reflecting the long-term strategy of the pulp and paper.