Program for North American Mobility in Higher Education (NAMP) Introducing Process Integration for Environmental Control

1. Module 8: Introduction à l’Intégration des Procédés - Niveau 3 Program for North American Mobility in Higher Education (NAMP) Introducing Process Integration for Environmental Control in Engineering Curricula (PIECE) Créé à L’École Polytechnique de Montréal & Universidad de Guanajuato

2. Résumé du projet Objectifs • Créer des modules disponibles via internet pour aider les universités à présenter l’introduction de l’intégration des procédés dans les programmes d’études en ingénierie. • Rendre ces modules largement disponibles dans chacun des pays participants Institutions participantes • Deux universités dans chacun des trois pays (Canada, Mexique et États-Unis) • Deux instituts de recherche dans différents secteurs de l’industrie: pétrole (Mexique), pâtes et papiers (Canada) • Chacune des six universités a parrainé 7 échanges d’étudiants durant la période de la bourse, subventionnée en partie par le gouvernement des 3 pays.

3. Structure du Module 8 Quelle est la structure de ce module ? Tous les modules sont divisés en 3 niveaux, chacun ayant un but spécifique: • Niveau 1: Information préliminaire • Niveau 2: Application avec des études de cas • Niveau 3: Problèmes avec structure de réponse ouverte Ces niveaux doivent être complétés dans cet ordre spécifique. Les étudiants seront questionnés à différents moments pour mesurer leur degré de compréhension, avant de passer au niveau suivant. Chaque niveau comprend un énoncé d’intention au début et un quiz à la fin.

4. But du Module 8 Quel est le but de ce module ? Le but de ce module est de couvrir les aspects de base des méthodes et outils de l’Intégration des Procédés, et de situer l’Intégration des Procédés dans une perspective plus vaste. Cette étape a été identifiée comme pré-requis pour les autres modules en relation avec l’apprentissage de l’Intégration des Procédés.

5. Niveau 3Problèmes à développementouvert

6. Niveau 3: Objectif • Niveau 3: Énoncé d’intention • Le but de ce niveau est de résoudre une application réelle de • l’ Intégration des Procédés dans lequel l’étudiant doit interpréter les résultats obtenus à partir d’un éventail d’outils de l’ Intégration des Procédés. À la fin du niveau 3, l’étudiant devrait être capable d’identifier: • Les bénéfices à utiliser les outils de l’ Intégration des Procédés • Les opportunités potentielles d’économie lorsque les outils de l’ Intégration des Procédés sont utilisés • La réduction de l’impact environnemental résultant de l’application des outils de l’ Intégration des Procédés • Comment l’application des outils de l’ Intégration des Procédés peut être utilisée pour obtenir un procédé fonctionnel

7. Niveau 3 – Énoncé du problème Le procédé de mise en pâte Kraft Les caractéristiques de base du procédé de mise en pâteKraft sont décrites sur la diapositive suivante. Les copeaux de bois (contenant 50% d’eau) sont amenés d’une trémie d’impulsion (a surge hopper) vers une unité de préétuvage pour faciliter l’imprégnation subséquente des copeaux avec les produits chimiques. Un alimentateur à haute pression transfère les copeaux à partir de l’étuveurjusqu’au lessiveur. Dans le lessiveur, les copeaux de bois sont “cuits” avec une liqueur blanche (un mélange de produits chimiques de cuisson, incluant NaOH, Na2S, Na2CO3 et de l’eau) pour solubiliser la lignine dans les copeaux de bois. Dans le procédé de cuisson, du méthanol est produit. Suite au lessivage de la lignine, les produits chimiques servant à la cuisson sont éliminés de la pâte. Une unité de lavage à contre-courant à étapes multiples est utilisée pour minimiser les traces de produits chimiques dans la pâte. On appelle liqueur noire faible, les résidus chimiques suite au procédé de mise en pâte. La liqueur noire contient des sels de sodium, de la lignine dissoute, (hydroxyde, sulfure, carbonate, chlorure, sulfite et sulfate), du méthanol et de l’eau. Avant que l’évacuation (the outlet) du lessiveur soit alimentée vers la blanchisseuse, la pâte cuite et la liqueur noire passent dans un réservoir de décharge où la pâte est séparée de la liqueur noire faible qui est dirigée vers un système de récupération pour être convertie en liqueur blanche. La première étape de la récupération est la concentration de la liqueur noire faible via des évaporateurs à effets multiples(multiple effect evaporators). La solution concentrée est pulvériséedans une chaudièrede récupération. Le procédé d’évaporation résulte dans la production d’une grande quantité de condensats combinés, considérée comme un courant d’eaux usées et de déchets gazeux dont le polluant principal est le H2S. Le salin en provenance du four est dissout dans l’eau pour former une solution verte qui entre en réaction avec de la chaux (CaO) pour produire une liqueur blanche et une « boue » de carbonate de calcium. La liqueur blanche récupérée est mélangée avec du matériel de fabrication(make-up) et recyclé vers le lessiveur. La boue de carbonate de calcium est décomposée par la chaleur (thermally) dans un four pour produire de la chaux laquelle est utilisée dans la réaction de caustification. Il y a de nombreux déchets gazeux émis durant le procédé, certains pouvant être utilisés pour générer ou cogénérer de la vapeur. Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.

8. Déchet gazeux Copeaux de bois Évaporateurs À effet multiple Liqueur blanche récupérée Vapeur Lessiveur Liqueur noire forte Liqueur noire faible Pâte pour fabrication ultérieure Gaz Sortie des gaz Vapeur Blanchisseuse Réservoir de décharge Condensat Extinction de la chaux et Caustification Chaux Gaz de carneau Four de récupération Air Salin Sortie de gaz Eau Sédimentation et Filtration Four à chaux Cuvier à dissoudre Carbonate de Calcium Liqueur verte Gaz Niveau 3 – Énoncé du problème Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.

9. Niveau 3 – Énoncé du problème • Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft • Les moulins de pâtes et papiers utilisent beaucoup d’eau fraîche qui entraîne la production d’une quantité significative d’effluents aqueux. Donc, l’objectif d’optimiser l’usage de l’eau et du rejet des eaux usées présente un défi majeur à l’industrie. Dû au contact direct de l’eau avec des espèces variées, les sédiments aqueux sont chargés de composés divers incluant du méthanol, des éléments non-traités et des espèces organiques et inorganiques. Le méthanol est classé comme un polluant à haute priorité pour l’industrie des pâtes et papiers. De plus, il pourrait produire une source de revenus s’il était adéquatement récupéré. • Le méthanol se retrouve dans la plupart des sédiments du procédé de mise en pâte Kraft, particulièrement dans le condensat à la sortie de l’unité d’évaporation à effet multiple et le condensateur utilisé pour condenser la vapeur de l’unité de pré-vaporisage avant que les copeaux de bois soient dirigés vers le lessiveur. Tous les sédiments des eaux usées sont traités en utilisant des bio-traitements puis rejetés à la rivière. Tous les sédiments rejetés dans la rivière ne doivent pas contenir de méthanol dans une proportion excédant 15 ppmw. L’information suivante est disponible pour l’équipement de bio-traitement: • Composition de méthanol acceptable à l’entrée du bio-traitement < 1.000 ppmw • Composition moyenne de méthanol à la sortie = 15 ppmw • Coût d’opération du bio-traitement = 0.11*M + 0.0013*G où M est la charge de masse (kg/h) de méthanol et G est le débit des eaux usées (kg/h) Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.

10. Niveau 3 – Énoncé du problème Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft (2) La quantité de méthanol dans les eaux usées pourrait être réduite en utilisant un stripage à l’air et récupérée à partir des courants aqueux pour produire des ventes de méthanol supérieures au coût de récupération. Le débit de l’air est déterminé comme suit: L = 0.5*ƒ*G Où L et G sont respectivement le débit de masse (kg/h) d’air et des eaux usées, et ƒ est le retrait de la masse fractionnaire de méthanol dans l’eau, par stripage ou épuration (stripping). Le coût d’opération de l’épuration à l’air (air stripping) nous est donné dans la relation suivante: Coût d’opération (US$/h) = 0.003*L (kg air/h) Ce coût inclut la compression de l’air et la condensation du méthanol. L’opérateur du plan de traitement des eaux usées a également des difficultés à prévoir quand le procédé de traitement ira d’un régime d’opération à un autre, ou quand le procédé produira de l’eau avec des concentrations de méthanol et autres polluants au delà des limites permises. Il dispose des données d’opération de l’unité de traitement pour les trois dernières années, mais il ne sait pas comment interpréter une si grande quantité d’information. Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.

11. Niveau 3 – Énoncé du problème Traitement des eaux usées dans la mise en pâte Kraft (3) En plus du méthanol, un des principaux polluants retrouvés dans les effluents aqueux des moulins de mise en pâte Kraft, on retrouve d’autres composés organiques et inorganiques. Ils incluent le chloroforme, la formaldéhyde, le phénol, etc, dépendamment du moulin et du procédé utilisé. Le phénol est une préoccupation principalement à cause de sa toxicité, de sa désoxygénation et de sa turbidité. De plus le phénol peut causer un goût inacceptable à la chair de poisson et à l’eau potable. Différentes techniques peuvent être utilisées pour séparer le phénol. Trois technologies externes sont considérées ici pour retirer le phénol. Ces procédés incluent l’adsorption avec du charbon activé, l’échange d’ions utilisant une résine polymérique et le débourrage en utilisant de l’air. Les coûts d’opération pour chacune des méthodes comprend le coût de fabrication (make-up) et le coût de régénération. Pour le charbon activé, la vapeur est utilisée pour régénérer l’agent séparateur de masse (the mass-separating agent) tandis que la soude caustique (NaOH) est utilisée pour la régénération de la résine d’échange d’ions (the ion exchange resin). Dans le cas de l’épuration à l’air (air stripping), la vapeur gazeuse qui sort de l’unité d’échange de masse (mass-exchange unit) ne peut pas être libéré dans l’atmosphère dû à la régulation sur la qualité de l’air. Donc, l’air sortant de l’unité de séparation (separation unit) approvisionne une unité de récupération du phénol dans laquelle on utilise un réfrigérant pour condenser le phénol. Le coût d’opération pour chaque technologie est donc respectivement 0.737 US$, 1.150 US$ et 2.069 US$ par kg de phénol retiré pour le charbon activé, la résine d’échange d’ions et le débourrage par succion. Reference: El-Halwagi, M. M., Pollution Prevention through Process Integration: Systematic Design Tools. Academic Press, 1997.

12. Niveau 3 – Énoncé du problème Énergie dans le procédé de mise en pâte Kraft Le procédé de mise en pâte Kraft est un procédé à forte intensité d’énergie: l’utilisation de l’électricité, commune à tous les moulins de pâtes et papiers, inclut le pompage, l’utilisation de l’air et de l’allumage (lighting). De plus, les besoins en vapeur et la grande quantité de liquide à traiter( process streams) font de ce secteur de l’industrie un bon candidat pour une amélioration de l’intégration de la chaleur (for improved heat integration). La concentration de liqueur noire est normalement l’opération utilisant le plus de vapeur dans un moulin de mise en pâte Kraft. Les évaporateurs installés dans les années ’60 et ’70 furent construits avec quatre ou cinq effets, tandis que la plupart des moulins Kraft aujourd’hui utilisent cinq ou six évaporateurs … (effect evaporators), avec un concentrateur pour augmenter encore plus le contenu en matières solides. L’alimentation (Firing) des chaudières de récupération de la liqueur noire avec des contenus en solides plus élevés, améliore la performance globale des chaudières et est une tendance générale dans l’industrie. Pour contourner ce problème de consommation d’énergie le moulin de pâte Kraft utilise la biomasse. En fait, en plus d’être la matière première (feedstock) pour la production de la pâte et du papier, la biomasse est une source d’énergie majeure pour l’industrie. L’industrie a aussi accès aux résidus de l’abattage du bois de trituration (pulpwood), dont certains peuvent être retirés de la forêt sur une base viable. Toute la liqueur noire et la plupart des résidus du moulin sont utilisés sur le site du moulin pour alimenter les systèmes de cogénération, procurant de la vapeur et de l’électricité utilisables sur place. La cogénération aussi appelée “chaleur et puissance combinée” (Combined Heat and Power) (CHP) est la production simultanée d’électricité et de chaleur utilisables à partir du même combustible et énergie. Un système de cogénération typique consiste en un moteur (engine), une turbine à vapeur, ou turbine à combustion qui fait fonctionner un générateur. Un échangeur thermique (waste heat exchanger) récupère la chaleur perdue par le moteur et/ou des gaz d’échappement pour produire de l’eau chaude et de la vapeur.

13. Niveau 3 – Énoncé du problème Énergie dans le procédé de mise en pâte Kraft (2) La cogénération produit une certaine quantité de puissance électrique et traite de la chaleur avec 10% à 30% moins de combustible que requis pour produire l’électricité et traiter la chaleur (process heat) séparément. Les installations avec des systèmes de cogénération les utilisent pour produire leur propre électricité, et utiliser l’excédent (déchet) de chaleur pour fabriquer de la vapeur, pour chauffer l’eau, pour chauffer les locaux, et autres besoins thermiques. Ils peuvent aussi utiliser l’excès de chaleur émise pour produire de la vapeur pour la production d’électricité. Dans la récupération chimique, l’usine de vapeur, les aires de cogénération, les solides de la liqueur de pâte achetés et les résidus de bois générés sur place, la boue de clarificateur primaire, (primary clarifier sludge) provenant de l’usine de traitement des eaux usées, et les boutons( knots) sont brûlés pour récupérer des matériaux chimiques de cuisson (cooking chemicals) et pour produire de l’énergie. Les liqueurs résiduaires comptent aujourd’hui, pour plus de 70% des combustibles dérivés de la biomasse dans l’industrie des pâtes et papiers. Dans le procédé de récupération, la liqueur noire forte résultante provenant des évaporateurs, est pulvérisée dans la chaudière de récupération, où le contenu organique dans la liqueur est brûlé, dégageant de l’énergie et produisant de la vapeur pour utilisation dans le moulin. Durant la combustion, la portion inorganique de la liqueur noire forte produit un gaz de carneau (flue gas) Le ratio de production électricité/chaleur pour un système de cogénération à turbine à vapeur conventionnelle à contre-pression va de 40-60 kWh/GJ, ce qui est relativement bien en rapport (well-matched) aux besoins en vapeur et en électricité dans les moulins plus anciens. Des ratios électricité/ chaleur plus élevés sont possibles en utilisant la biomasse et les technologies de cogénération de la liqueur noire, basées sur les turbines au gaz au lieu des turbines à vapeur. Le développement des technologies dans un but commercial pour convertir la liqueur noire ou les résidus de la biomasse en combustible de gaz est continu, en parallèle avec les systèmes de nettoyage nécessaires pour pouvoir utiliser le gaz dans les cycles de turbines au gaz.

14. Niveau 3 – Questions • Question 1. Le traitement de l’eau usée dans le procédé de mise en pâte Kraft • Quels outils de l’Intégration des Procédés pourraient être utilisés pour aborder toutes les questions présentées dans les diapositives traitant du méthanol? Définir les étapes dans la méthodologie que vous utiliseriez pour répondre aux points suivants: • Une réduction au minimum du méthanol dans le flot des eaux usées, aussi bien que l’utilisation réduite d’eau et la diminution du rejet des eaux usées • Un compromis entre la minimisation des coûts d’opération en relation avec les éléments mentionnés en (A) et les bénéfices résultant de la récupération du méthanol • Interprétation et utilisation des données du processus d’opération pour aider l’opérateur de l’usine de traitement à obtenir un meilleur contrôle de l’opération de l’usine de traitement des eaux usées Question 2. Le traitement des eaux usées dans le procédé de mise en pâte Kraft (2) En utilisant vos connaissances des outils de l’Intégration des Procédés, décrivez la méthodologie qui pourrait être utilisée pour choisir le meilleur agent de séparation de masse (mass-separating) pour traiter le flot de déchets de phénol dans ce moulin de pâtes et papiers Kraft.

15. Niveau 3 – Questions Question 3. L’énergie dans le procédé de mise en pâte Kraft Avec les connaissances acquises lors des deux derniers niveaux, de l’Intégration des Procédés, proposez une méthodologie qui vous aiderait à identifier les possibilités d’économie d’énergie ainsi que le potentiel de cogénération dans un moulin de pâte à papier Kraft. Donnez les détails pour chacune des étapes choisies pour conduire une telle étude, sans oublier d’inclure dans votre proposition l’impact de votre solution sur l’environnement.

16. Fin du Niveau 3 Ceci est la fin du Module 8. Veuillez s.v.p. soumettre votre rapport à votre professeur pour évaluation. Nous sommes toujours intéressés aux suggestions susceptibles d’améliorer le cours. Vous pouvez nous contacter à: http://process-integration.tamu.edu/