CHAPITRE 2 REVUE CRITIQUE DE LA LITTÉRATURE
2.2 Méthodologies d’analyse des interactions entre les réseaux d’eau et de chaleur
2.2.4 Méthodologie unifiée d’analyse énergétique
Cette approche combine différentes techniques d’amélioration de l’efficacité énergétique utilisées dans l’industrie papetière en situation de retro-installation: diagnostic du système d’utilités, technologie du pincement thermique et massique, et analyse exergétique [68, 69]. La méthodologie inclut cinq étapes afin d’identifier un programme qui considère les interactions entre les projets ainsi que leurs contraintes techniques et économiques.
La première étape est la définition du cas de base. La procédure proposée inclut la collection des données, l’élaboration du diagramme de base, l’analyse du système d’utilités et la simulation du procédé. Le diagramme de base est construit à partir des données sur le procédé papetier, le circuit d’eau et le circuit de vapeur. L’analyse des utilités considère la production et consommation de chaleur et d’électricité, l’efficacité de la bouilloire, la consommation de combustible, les pressions de vapeur, le chauffage direct et indirect du procédé, le taux de récupération des condensats et le préchauffage de l’eau pour la bouilloire. L’analyse du réseau d’eau inclut le circuit de refroidissement, l’eau utilisée pour le lavage, l’eau filtrée et déminéralisée pour la production de vapeur et les variations saisonnières.
La seconde étape consiste à comparer le cas de base avec d’autres usines afin d’identifier des inefficacités et identifier les directions générales d’amélioration d’efficacité. Il sera dès lors possible d’estimer les économies potentielles, mais les mesures correspondantes ne seront pas encore identifiées. La comparaison nécessite la compilation de données, l’utilisation d’indicateurs de performance et le ciblage en utilisant l’analyse de pincement thermique et massique. Les pertes d’énergie et d’exergie dans les effluents liquides et gazeux notamment sont utilisées comme outils de diagnostic [70, 71]. Les bilans d’exergie et le diagramme de Sankey sont établis pour les principales opérations de procédé. L’évaluation de la consommation minimale d’eau et de vapeur est effectuée à partir des courbes composites. Une différence de température de 10oC entre les courbes est souvent choisie pour le ciblage énergétique des usines papetières.
La troisième étape inclut l’analyse des interactions en incorporant six techniques d’amélioration énergétique d’une manière structurée afin d’utiliser des effets de synergie. Ces techniques sont les suivantes : augmenter la récupération de chaleur interne avec des échanges à contact indirect; augmenter la réutilisation d’eau; supprimer des mélanges non-isothermes; augmenter la qualité de l’énergie avec une pompe à chaleur; augmenter la récupération des condensats, et adapter la
conversion de l’énergie au niveau de la turbine. Les échanges de chaleur traversant le pincement sont identifiés et supprimés lors de la phase de récupération de chaleur interne. L’analyse de pincement massique est utilisée pour identifier des projets de fermeture de circuit d’eau [72]. Les mélanges non-isothermes impliquent souvent des courants d’eau; leurs effets sont évalués avec les pertes exergétiques et l’analyse de procédé. Comme l’augmentation de la qualité de l’énergie avec une pompe à chaleur requiert un investissement élevé, elle est évaluée seulement après les trois premières phases. La meilleure option pour l’utilisation d’une pompe à chaleur requiert une source ou une demande de chaleur près du point de pincement. Une source possible de chaleur souvent identifiée pour une pompe à absorption est un effluent liquide du blanchiment de la pâte, qui pourrait être utilisée après passage au travers de la pompe pour l’évaporation de la liqueur noire, au dé-aérateur, pour la production d’eau chaude ou pour chauffer l’eau blanche. Ces quatre techniques ensemble déterminent le potentiel d’économie de chaleur et d’eau. Une fois appliquées, la récupération des condensats est examinée et éventuellement améliorée afin de réduire la consommation de vapeur pour le préchauffage de l’eau alimentant la bouilloire. Finalement le système d’utilités est analysé. Une partie de la capacité de production de vapeur peut être disponible pour la production d’électricité par une turbine.
Les deux dernières étapes consistent à appliquer la stratégie d’amélioration d’efficacité énergétique et à comparer les nouvelles performances avec d’autres usines. Des exemples communs de projets sont le remplacement d’injecteur de vapeur par un échangeur de chaleur pour le chauffage de l’eau blanche, l’augmentation de la récupération ce condensats, la réutilisation d’effluents de la section d’évaporation de la liqueur noire pour le lavage de la pâte ou la section de recaustification, la réutilisation d’eau blanche pour le lavage de la pâte au niveau du blanchiment, la réutilisation des filtrats au niveau du blanchiment, la réutilisation de l’eau de scellement des pompes à vide et le préchauffage de l’eau fraîche avant le dé-aérateur.
L’analyse des interactions entre les circuits d’eau et d’énergie est le cœur de la méthodologie. Il a été démontré que l’intensification de la réduction de la consommation d’eau a pour résultat un potentiel d’économie de vapeur fraîche plus élevé et une surface d’échange plus petite que dans le cas où seulement la récupération de chaleur interne par des échanges à contact indirect est considérée [51]. Les opérations inefficaces sont identifiées en évaluant l’exergie détruite. L’utilisation d’indicateurs de performance relatifs à l’énergie, l’exergie et l’eau permet d’identifier les endroits où des changements devraient être effectués [73].