Assessment and Enhancement of the Performance of the Pulp Washing Operation in Kraft Mills

Le secteur industriel des pâtes et papiers est un des piliers de l'industrie du Canada. Il est également un des plus gros consommateurs d'énergie et d'eau et la facture énergétique associée est généralement comprise entre 25 et 50 % de la totalité des coûts de fonctionnement pour ce type d'usine. Le secteur industriel papetier du Canada a été durement touché par la crise financière de 2008, ainsi que par une stagnation de la consommation de papier en Amérique du Nord. Si on ajoute à cela la concurrence des pays émergents comme l'Inde, le Brésil et la Chine, dotés d'usines plus récentes, l'industrie papetière canadienne traverse aujourd'hui sa plus grande crise depuis sa création, il y a 200 ans. Il existe trois procédés différents pour obtenir la réduction de la biomasse en pâte à papier. La voie chimique, la voie mécanique et la voie semi-chimique. Ce projet porte uniquement sur un procédé de fabrication par voie chimique, connu sous le nom de procédé Kraft. Ce procédé est le plus employé et représente 75 % de la production mondiale de pâte. Afin de rester compétitives, les usines doivent accroître leur efficacité énergétique pour mieux contrôler leurs coûts de production. Les équipements employés pour préparer la pâte Kraft sont des gros consommateurs d'eau et d'énergie, lorsqu'ils ne sont pas correctement optimisés. L'analyse de la performance de ces équipements est une étape importante qui précède toute technique d'optimisation par l'analyse des procédés. Si les résultats de cette opération sont concluants, on peut alors envisager des modifications dans les conditions de fonctionnements des équipements. Ce type de mesure nécessite peu d`investissement et s`avère être une source d`économie significative. Dans le procédé, certains équipements jouent un rôle central et il est important d`en évaluer la performance afin de proposer les modifications nécessaires à assurer leur fonctionnement optimal. Du point de vue de la consommation d'énergie, les équipements considérés sont les laveurs, les évaporateurs, les chaudières et les sécheurs. Les laveurs sont les équipements qui consomment le plus d'eau et ils ont un impact direct sur la consommation de vapeur dans les évaporateurs. En effet, l'eau de lavage est ensuite envoyée aux évaporateurs pour atteindre un certain niveau de concentration en matières solides dissoutes. Les laveurs situés dans les départements de lavage de la pâte brune et de blanchiment utilisent en moyenne 74 % de l'eau totale consommée dans les usines construites dans les années 1980. La consommation moyenne de vapeur dans les blanchisseurs et les évaporateurs représentent à eux deux 42 % et 47 % de la consommation totale de vapeur des usines qui emploient respectivement des feuillus et des résineux. On trouvera dans cette étude l`analyse de performance des laveurs pour trois usines canadiennes. Par soucis de confidentialité, ses usines seront nommées usines A, B et C. Cette étude comprend la description des différents départements de l'usine, la validation du modèle numérique de l'usine, la caractérisation et la comparaison des résultats obtenus avec la moyenne nationale. On trouvera également une description générale des usines B et C. Dans cette étude, la performance des laveurs est caractérisée à l'aide de trois indicateurs, le premier est un paramètre appelé « Equivalent Displacement Ratio » (EDR), le second est le taux de matières solides dissoutes extraites durant le lavage et enfin, le troisième est l'efficacité du lavage. Un diagnostic de performance des équipements ainsi que des projets visant à accroitre leur efficacité sont proposés dans cette étude pour atteindre une réduction de la consommation d'eau comprise entre 3,4% et 49%, et une réduction de la consommation de vapeur comprise entre 1,8% et 7,6%, selon les usines.

Abstract

The pulp and paper industry is one of the highest energy consumers amongst all industry in Canada, with energy costs between 25% and 50% of the total cost of product. The Canadian pulp and paper industry has also been facing a stagnation in the demand in the pulp market over the past few years, and emergent countries with modern mills are creating strong competition for the old Canadian pulp and paper industry. There are three types of pulping processes, chemical, mechanical, and semi-chemical pulping. This project focuses only on a specific chemical pulping method known as Kraft pulping process, representing 75% of chemical pulping in Canada. In order to stay competitive, the Canadian pulp and paper industry has to improve the energy efficiency of their mills and decrease energy costs. Analyzing the performance of process equipment is an important step prior to any process integration technique, since equipment items with poor performance can increase the energy and water demand of the overall process. Analyzing the equipment performance results in finding the inefficiencies which can be resolved by modifying the operating conditions or control strategy (low investment projects) or changing equipment in the case of design problems (high investment project). Analyzing the performance of some key equipment is more essential regarding energy and water consumption to evaluate their performance and propose modifications in order to adjust their operation in comparison to typical or even best practice range of operation. These key equipments are washers, evaporators, boilers, and dryers. Washers are a major water consumer and their efficiency also has a direct effect on the steam consumption of the evaporators. In the brown stock washing and bleaching department, washers account for almost 75 % of water consumed in a typical Canadian mill built in the 1980's. The median amount of steam consumed in bleaching and evaporation represent 42% and 47% of the total steam consumption in Canadian mills for hardwood and softwood, respectively. In this study, washing performance analysis was done for three Canadian partner mills. For confidentiality purposes mills were referred to as A, B and C. For mill A, a study regarding process description per departments, validation of the simulated model, characterization and benchmarking was done. For mill B and C, a general description of the mills was addressed. One efficiency parameter, equivalent displacement ratio (EDR), was selected as the best indicator and benchmarked for all washers. The EDR, which represents the percentage of solids removal, and the washing efficiency were calculated. A diagnosis of the key equipment was performed and water and energy projects were proposed, reaching water savings from 3.4 % up to 49 % and steam savings from 1.8 % to 7.6%.