Analysis of Energy Systems and Performance Improvement of a Kraft Pulping Mill

Cette étude a pour objectif d'augmenter l'efficacité énergétique d'une usine existante de fabrication de pâte à papier Kraft. Le principal moyen mis en œuvre pour atteindre ce but consiste à développer de nouvelles conceptions optimisées du procédé de fabrication, en d'autre termes il est question ici d'augmenter la récupération interne de chaleur et le taux des fermetures des circuits hydrauliques afin de réduire la consommation énergétique de l'ensemble du procédé. Dans un premier temps il est nécessaire de développer un modèle numérique de l'usine afin d'obtenir les bilans de masses et d'énergie du procédé a l'aide d'un logiciel de simulation de procédés chimiques appelé CADSIM plus® . Ensuite la simulation a été validée par comparaison avec le fonctionnement réel de l'usine sur les paramètres importants dont la consommation d'eau et de vapeur par des mesures in situ avec le personnel de l'usine. Les écarts relatifs de production et de consommation d'eau et de vapeur sur la totalité des flux de l'usine n'excèdent pas 5 %. La simulation a été caractérisée et comparée aux valeurs moyennes de consommation des usines canadiennes du secteur des pâtes et papiers. Par ailleurs ; les réseaux de vapeur et d'eau de l'usine ont été établis clairement ainsi que les bilans de masse associés. Les profils de température et de consistance de la pâte à papier le long de la ligne de production ont été tracés afin d'identifier les inefficacités énergétiques liées aux points de mélange non isothermiques. L'étude comprend l'analyse des contraintes techniques de l'usine basée sur une approche systématique et documentée. Un manuel technique d'analyse des contraintes a été rédigé, il peut être appliqué à n'importe quelle usine de production de pâte à papier. Les effets potentiels en termes d'économie d'énergie liés aux différents niveaux de contraintes ont été étudiés à l'aided'une analyse globale comprenant l'aspect technique et économique. En terme de re-conception totale du procédé, la ligne A n'a présenté une réduction des consommations que de l'ordre de 2 %, aucune différence remarquable n'a pu être relevée sur la ligne B. Théoriquement la diminution de consommations obtenue sur la ligne A est de 22 % en re-conception totale et 20 % en re-conception partielle. En considérant différentes conceptions du réseau d'échangeur, il est possible d'atteindreune diminution de la consommation de 17 % en re-conception totale et 15 % en re-conception partielle. Pour la ligne B, d'après les courbes composites la diminution théorique de consommation maximale est de 24 % et 16 % d'après la conception du réseau d'échangeur existant. Une analyse économique a été réalisée à partir du réseau d'échangeurs de la ligne A, elle montre que dans le cas d'une re-conception partielle du procédé, on peut atteindre un temps de retour brut sur investissement de 2,1 ans et de 3,1 ans dans le cas d'une re-conception totale. Ces résultats sont justes si la production de vapeur et la consommation de combustible sont réduites. On peut donc dire qu'il est économiquement rentable d'imaginer une re-conception partielle ou totale de la ligne A de l'usine. Pour la ligne B, la re-conception partielle du réseau d'échangeurs conduit à un temps de retour brut de 3,6 ans si on assure une diminution de la production de vapeur. La solution qui consiste à augmenter la production de vapeur de l'usine afin d'en accroitre la production d'électricité s'est relevée économiquement non rentable pour les lignes A et B.

Abstract

An energy study was done with the objective of improving the energy efficiency of an existing Kraft pulp mill. The improvements have been achieved by developing optimized process designs for the energy systems. The first step was to develop Mass and energy models of the mill on CADSIM plus® software. Second, the model was validated by examining water and steam results and other major parameters. The discrepancy in total steam and water production and consumption was less than 5%. The configuration of the model has been validated directly with the mill staff. The mill has been characterized and benchmarked against Canadian industry average. In addition, steam and water networks have been built and mass balances around these two systems were done. The temperature and consistency profiles of pulp and water tanks were plotted and inefficiencies due to non isothermal mixing in the process have been identified. Constraint analysis was performed on the overall mill based on a systematic and documented approach. A set of guidelines have been developed in order to customize the constraint analysis process to any pulp and paper mill. The effect of different constraint levels such as grassroot and retrofit on energy savings has been studied by examining the total savings and economic data. In terms of grassroot and retrofit approaches, it was apparent that in line A the grassroot approach savings were more by 2% while for line B the difference was insignificant. Theoretical savings based on the composite curves for line A were 22% in grassroot and 20% in retrofit. Based on the different heat exchanger network designs, it was possible to achieve 17% savings in grassroot and a maximum of 15% in retrofit. For line B, theoretical savings based on the composite curves were 24% and the potential savings based on the heat exchanger network design was 16%. An economic analysis was carried where by the heat exchanger networks of line A, show that for the retrofit case, a simple payback period of 2.1 years is achievable while for the grassroot case a simple payback period of 3 years is achievable. This is the case when steam production and fuel consumption are reduced. Therefore, one can say that it is economically viable to design either in grassroot or retrofit constraint level for line A. For line B, the retrofit heat exchanger network was built with a simple payback period of 3.6 years if reducing the steam production is the chosen scenario. Increasing the steam production to produce more electricity was not an economically feasible scenario for both line A and line B.