Revue de perspectives d`avenir prometteur et durable pour l

usines de mise en pâte kraft
Revue de perspectives d’avenir prometteur et
durable pour l’industrie canadienne
des pâtes et papiers
M. Marinova, E. Mateos-Espejel, J. Paris
Résumé : Depuis plusieurs années, l’industrie canadienne des pâtes et papiers fait face à la pire crise de son
histoire. Pour entreprendre le virage vers un avenir prometteur et durable, elle doit développer et implanter
de nouvelles stratégies profitables. L’objectif de cette revue est de présenter les options les plus prometteuses
pour les usines canadiennes; trois options sont considérées et examinées en fonction de leur niveau de développement, la facilité d’implantation et le profit qu’elles apporteraient aux usines. Elles sont: l’amélioration de
l’efficacité énergétique, la création de grappes éco-industrielles et l’intégration des technologies de bioraffinage.
L
’industrie canadienne des pâtes
et papiers traverse la pire crise de son
histoire. La combinaison de plusieurs
facteurs, tels que la compétition des
pays émergents dans le secteur forestier, la hausse
des coûts d’énergie et la diminution de la demande
de produits papetiers de base, en sont la raison
principale. Afin de surmonter cette situation,
l’industrie doit concentrer ses efforts sur l’étude
de nouvelles possibilités et le développement des
stratégies d’implantation à court et à plus long
terme [1,2].
L’objectif de cette revue est de présenter les
options les plus prometteuses pour les usines
canadiennes de pâtes et papiers en les illustrant
par des exemples. Trois options sont considérées et
examinées en fonction de leur niveau de développement, de la facilité d’implantation et du profit
qu’elles apporteraient aux usines. Ces options
sont l’amélioration de l’efficacité énergétique, la
création de grappes industrielles centrées sur les
usines papetières et l’intégration des technologies
de bioraffinage.
L’identification et l’implantation des mesures d’efficacité énergétique est une opportunité
immédiate qui permet aux usines d’économiser
une partie de leurs coûts opératoires actuels. Les
techniques d’intégration des procédés ont déjà fait
leurs preuves car elles garantissent des économies
d’énergie de 15% à 35% [3]. Une meilleure gestion de la production et de l’utilisation d’énergie
peut être assurée grâce à l’implantation d’unités
de cogénération, produisant de l’électricité et de
la vapeur pour l’utilisation interne ainsi que pour
l’exportation [4]. L’élimination des combustibles
fossiles et l’utilisation des biocombustibles est
une mesure qui assure une réduction des coûts
opératoires et des émissions de gaz à effet de serre
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[5]. Le développement de programmes incitatifs
des gouvernements jouera un rôle primordial
pour l’implantation des mesures mentionnées. Un
programme qui soutien l’amélioration de l’efficacité énergétique de l’industrie et sa conversion aux
sources d’énergie renouvelable est le Programme
d’écologisation des pâtes et papiers, annoncé par le
gouvernement fédéral en juin 2009 [6].
Une autre perspective est la création de grappes
industrielles centrées sur les usines de pâtes et
papiers. Elle permettra aux usines de générer des
revenus additionnels grâce à l’exportation et au
partage des ressources. L’excès de vapeur pourrait
être utilisé pour satisfaire les besoins de chauffage
des villes situées à proximité des usines. Quant à
la puissance produite par cogénération, elle pourrait être vendue aux distributeurs et producteurs
d’électricité au Canada [7]. Les grappes (ou parcs)
industrielles représentent une initiative privilégiée
dans plusieurs pays [8,9]. Les pays scandinaves,
où souvent les grappes sont centrées sur des usines
de pâtes et papiers en sont un exemple. Tel est le
cas du parc éco-industriel créé dans la région de
Kymenlaakso en Finlande [10]. Un des acteurs
principaux est l’usine locale de pâte et papier.
Le parc comprend aussi trois usines de produits
chimiques, une centrale électrique, une usine de
purification d’eau, une station d’épuration et un
site d’enfouissement. Le parc est également impliqué dans des interactions étroites avec le fournisseur régional d’énergie, la station d’épuration
municipale et des producteurs agricoles locaux.
L’usine de pâte et papier utilise principalement
de la liqueur noire pour produire de l’énergie et
elle fournit des écorces, des copeaux et des fibres
en suspension à la centrale électrique du parc. En
échange, la centrale offre de la vapeur, de l’électricité et de la chaleur à l’usine papetière, qui à son
M. Marinova
École Polytechnique,
Département de Génie
chimique, Montréal
E. Mateos-Espejel
École Polytechnique,
Département de Génie
chimique, Montréal
J. Paris
École Polytechnique,
Département de Génie
chimique, Montréal
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usines de mise en pâte kraft
Figure 1. Méthodologie globale d’optimisation énergétique
de la bioraffinerie proposée sont l’augmentation de la quantité de
pâte produite, la réduction des émissions de gaz à effet de serre et
la génération de profits supplémentaires.
Souvent dans les usines de pâtes et papiers la chaudière de
récupération est le facteur qui limite la production. L’extraction
d’une partie de la lignine contenue dans la liqueur noire est une
façon d’augmenter la quantité de pâte produite [13]. Afin d’éviter
le déficit potentiel de vapeur du procédé, la lignine extraite doit
être brûlée sur le site de l’usine. Si des mesures d’économie d’énergie sont identifiées et la demande de vapeur est réduite, une partie
ou la totalité de la lignine extraite peut être transformée sur place
en produits à valeur ajoutée, utilisée pour remplacer le combustible
fossile dans le four à chaux ou exportée. Quelle que soit l’option
choisie, la bioraffinerie basée sur l’extraction de la lignine contribuera à la diminution des coûts opératoires de l’usine et pourrait
générer des profits supplémentaires.
L’implantation d’une de ces options ou d’une combinaison de
plusieurs peut s’avérer la solution gagnante pour l’industrie des
pâtes et papiers au Canada.
EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE
Les usines de pâtes et papiers consomment environ 30% de
l’énergie utilisée par le secteur industriel ce qui en fait un des plus
grands consommateurs au Canada [14]. Étant donné que l’énergie
constitue un important élément de coût de production (environ
25 %), l’industrie papetière doit réduire ses coûts en améliorant
l’efficacité énergétique et en optant pour des combustibles renouvelables. Plusieurs méthodes qui permettent de réduire l’énergie
requise par le procédé ont été développées et validées par des études de cas spécifiques pour l’industrie des pâtes et papiers.
Figure 2. Exemple d’économies d’énergie réalisées dans
une usine de mise en pâte kraft produisant 700 TSA/j tonne
séchée à l’air par jour
tour vend de l’électricité et de la chaleur aux usines chimiques. En
outre, la centrale électrique produit de l’électricité et de chaleur
pour le distributeur d’énergie local. Ainsi, les résidus à base de bois
générés dans l’usine de pâte et papier contribuent à l’approvisionnement en énergie de toute la communauté.
L’adoption du concept de bioraffinage forestier, qui représente
l’intégration des technologies d’extraction et de conversion de
certains constituants du bois, actuellement brûlés, est une option
qui peut être envisagée à plus long terme [11]. Trois technologies
attrayantes sont identifiées : l’extraction de l’hémicellulose avant la
mise en pâte et sa transformation en produits à valeur ajoutée, la
récupération de la lignine à partir de la liqueur noire et sa conversion en bioproduits, et la gazéification de la liqueur noire ou des
résidus de bois.
Un exemple d’une bioraffinerie intégrée, basée sur une usine de
pâte kraft consiste en une combinaison de procédés biochimiques
et thermochimiques [12]. L’approche biochimique comprend
l’extraction de l’hémicellulose avant la mise en pâte, la séparation
des fibres courtes et longues et la conversion de l’hémicellulose et
des fibres courtes en éthanol, et des fibres longues en papier et biocomposites. L’approche thermochimique est basée sur la combustion de la liqueur noire dans une unité de gazéification, replaçant
ainsi la chaudière de récupération. Le gaz de synthèse produit est
converti en vapeur, en électricité et en bioproduits. Les avantages
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Récupération de chaleur
L’analyse de pincement (Pinch analysis) aide à maximiser la
récupération interne d’énergie dans le procédé et à minimiser les
besoins en utilitaires chauds et froids, ce qui permet d’accroître
l’intégration thermique d’une usine [15]. Les principaux courants
de procédé qui doivent être refroidis et ceux qui doivent être
chauffés sont identifiés et utilisés pour construire les courbes composites. Ces courbes représentent l’ensemble des sources et des
demandes d’énergie thermique de l’usine, rassemblées sur un diagramme, où la température est exprimée en fonction de la charge
thermique; leur analyse permet d’identifier les échanges de chaleur
non-optimaux et de développer des moyens pour améliorer la
récupération de chaleur. Ensuite, un réseau optimal d’échangeurs
de chaleur est développé, il intègre des sources d’énergie souvent
négligées, telles que des effluents générés dans différentes parties
du procédé et des gaz de combustion.
Réutilisation de l’eau
Parallèlement, une analyse de la gestion de l’eau dans l’usine doit
être conduite pour évaluer les possibilités de réduire la consommation d’eau fraîche et d’augmenter la réutilisation de certains
effluents. Dans une usine kraft, souvent de tels effluents sont
l’eau blanche, les effluents de blanchiment et certains condensats. Les courbes composites des sources et des puits d’eau sont
utilisées pour identifier des options qui permettent de réduire la
consommation d’eau en la réutilisant dans le procédé. Les courbes
composites sont générées en représentant dans un diagramme la
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peer reviewed
Conversion et valorisation d’énergie
pureté des courants d’eau en fonction de leur débit massique [16].
De fortes interactions existent entre l’eau et l’énergie thermique : plus d’eau est consommée dans le procédé, plus d’effluents
sont produits, plus d’énergie est requise pour le chauffage et le
refroidissement des courants d’eau [17]. L’impact des améliorations proposées dans le système d’eau sur l’efficacité énergétique
du procédé doit être étudié.
Les technologies de valorisation et de conversion d’énergie, telles
que les pompes à chaleur à absorption, la cogénération et la trigénération sont parmi les plus prometteuses pour satisfaire les critères de meilleure efficacité énergétique et de moindres émissions de
gaz à effet de serre [19].
Les pompes à chaleur à absorption sont des équipements qui
permettent d’augmenter la température à laquelle une certaine
quantité de chaleur est disponible. Elles peuvent être utilisées en
mode chauffage ou réfrigération. La cogénération est la production combinée d’électricité et de vapeur. La vapeur récupérée lors
de la production d’électricité peut aussi être utilisée, en partie ou
totalement, pour alimenter une pompe à chaleur à absorption. Ce
couplage entre la cogénération et les pompes à chaleur est appelé
trigénération.
Pour maximiser les économies d’énergie, tous les aspects liés
à l’énergie doivent être considérés. En général, deux types d’interactions sont identifiées dans les procédés papetiers: celles entre
les systèmes de vapeur et d’eau, et entre le procédé et les courants
utilitaires, et doivent d’abord être analysées. Ensuite, l’intégration
optimale des unités de conversion et valorisation de l’énergie doit
être examinée pour compléter l’analyse.
Une méthodologie d’optimisation énergétique, qui prend en
compte toutes ces considérations et combine plusieurs techniques
d’analyse, a été développée par l’Unité de recherche en efficacité
énergétique et développement durable de la bioraffinerie forestière
(E2D2BF) de l’École Polytechnique de Montréal [20]. Un aperçu
de cette méthodologie est présenté à la Figure 1.
La méthodologie proposée a été utilisée pour analyser les
performances énergétiques d’une usine canadienne produisant
700 TSA/j de pâte kraft blanchie. Des économies potentielles
d’énergie très importantes ont été identifiées. Les contributions
des différentes mesures d’économie sont représentées à la Figure 2.
Pour réaliser ces études, l’utilisation d’une simulation des
procédés est recommandée car elle permet d’avoir à disposition la
configuration du procédé et les bilans d’énergie et de matière. Les
données nécessaires aux différentes analyses peuvent être extraites de la simulation et traitées. Elle est aussi un moyen efficace
d’étudier l’impact des mesures proposées sur le procédé ainsi que
de les valider.
Interactions entre le procédé et les courants utilitaires
GRAPPES INDUSTRIELLES
Figure 3. Représentation schématique d’une grappe industrielle centrée sur une usine de pâte et papier
Figure 4. Matières premières et produits à valeur ajoutée
dans une bioraffinerie forestière
L’analyse combinée du procédé et des utilitaires peut être appliquée pour identifier des inefficacités liées à la production, la
distribution et l’utilisation des utilitaires dans le procédé [18].
Cette analyse prend en compte la production de vapeur de haute
pression dans les chaudières, ainsi que sa décompression à des
niveaux de pression inférieurs. D’autre part, elle considère aussi
l’énergie perdue lorsque des courants du procédé sont refroidis ou
condensés en utilisant de l’eau de refroidissement.
Des pertes d’énergie importantes, souvent dues à l’irréversibilité existant dans la production de vapeur ou dans les différents
échanges de chaleur, peuvent être révélées par cette méthode. Une
possibilité de les réduire est d’installer une unité de cogénération.
L’analyse combinée procédé-utilitaire est très utile pour déterminer le positionnement approprié d’une turbine et réduire les pertes
dans la production, la distribution et l’utilisation d’énergie.
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Une grappe industrielle est une concentration d’entreprises manufacturières et de fournisseurs de services, situés dans une même
zone géographique, qui coopèrent entre eux et avec la communauté locale afin de partager les ressources et favoriser la compétitivité,
l’innovation et la croissance. Les ressources partagées dans les
limites d’une grappe industrielle peuvent être les infrastructures,
l’énergie, l’eau, les matières premières et les bâtiments publics et
résidentiels [7]. Sa mise en œuvre implique des aspects techniques,
sociaux, économiques et politiques. Les éléments principaux d’une
grappe industrielle créée autour d’une usine de pâte et papier sont
illustrés sur la Figure 3.
Une usine de pâte et papier utilise des ressources, telles que des
copeaux de bois, de l’eau, de la vapeur, de l’électricité et des produits chimiques. La vapeur, l’électricité et une partie des produits
chimiques sont générés sur le site de l’usine. L’usine et les autres
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usines de mise en pâte kraft
Les usines papetières possèdent en général des installations de
traitement des effluents du procédé. Un bel exemple de collaboration entre la municipalité locale et l’usine, et applicable pour des
petites communautés, est le traitement des effluents municipaux
dans les installations industrielles.
est que certains constituants du bois, actuellement brûlés dans les
chaudières, pourraient être utilisés d’une façon plus rentable, en
tant que matières premières, pour fabriquer des produits à haute
valeur ajoutée [1]. Les composants du bois qui peuvent être valorisés dans une bioraffinerie et les produits dérivés potentiels sont
représentés sur la Figure 4.
Une des options que les usines de pâte kraft doivent considérer pour se transformer en bioraffineries est la récupération de la
lignine à partir de la liqueur noire. En principe, la lignine peut être
extraite par précipitation et transformée en source d’énergie qui
pourrait remplacer le combustible fossile utilisé dans les chaudières. Son retrait aidera au déblocage des chaudières de récupération
et à l’augmentation de la production de pâte. La lignine est aussi
une matière première pour la production d’adhésifs, de résine,
d’émulsifiants, de dispersants, de phénols.
Une autre option de conversion d’une usine de pâte chimique
ou mécanique en bioraffinerie est liée à l’extraction et l’utilisation
de l’hémicellulose. L’hémicellulose peut être enlevée du bois par
des procédés chimiques, physiques, biologiques ou mixtes, et
peut être utilisée dans diverses applications. Elle est une matière
première pour la production de polyols, d’éthanol, de furfural,
d’émulsifiants.
La troisième technologie prometteuse est la gazéification des
résidus de bois ou de la liqueur noire. La gazéification a pour but
de convertir entièrement la matière organique en gaz qui peut
être utilisé comme source de chaleur et d’électricité, d’éthanol,
de méthanol, d’hydrogène et des produits du procédé FischerTropsch.
Une estimation de la production potentielle de certains produits à valeur ajoutée ainsi que des revenus qui peuvent être générés dans une bioraffinerie hémicellulosique est présentée dans le
tableau suivant. L’estimation est basée sur une usine kraft produisant auparavant 700 TSA/j de pâte. Si cette usine décide d’extraire
la totalité de l’hémicellulose et d’utiliser la cellulose pour fabriquer
de la pâte dissoute, elle pourrait valoriser l’hémicellulose libérée
pour produire de l’éthanol, du furfural ou du xylitol. Les prix des
produits suivants ont été utilisés pour l’estimation : furfural: 1 000
$/t [22]; xylitol: 4 000 $/t [23]; ethanol: 600 $/t [24].
L’intégration des technologies de bioraffinage va profondément modifier la capacité de production interne d’énergie verte
dans les procédés papetiers [25]. Il est essentiel de mettre au point
des solutions énergétiques qui permettront d’accroître l’efficacité,
de diminuer la dépendance aux combustibles fossiles, d’étendre
l’utilisation des sources d’énergie renouvelables et de réduire les
émissions de GES.
Matières premières
CONCLUSIONS
Tableau 1. Revenus potentiels d’une bioraffinerie basée sur
une usine de pâte kraft
Produit
Production (t/j)
Revenu (M$/a)
Éthanol
Furfural
Xylitol
35
35
28
 6
12
39
éléments de la grappe industrielle peuvent interagir de plusieurs
manières, dont certaines sont décrites ci-dessous.
Vente de vapeur
Des usines modernes ou optimisées du point de vue énergétique,
grâce aux méthodes présentées, sont en mesure de produire suffisamment de vapeur pour satisfaire leurs propres besoins ainsi
que pour en exporter. Ces usines sont capables de produire de la
vapeur en utilisant des sources d’énergie renouvelables, issues de la
biomasse. De la vapeur peut être exportée aux usines avoisinantes,
ou aux scieries locales en échange de copeaux de bois. Une autre
possibilité, pratiquée en Europe, mais moins développée au Canada est d’utiliser la vapeur excédentaire comme source de chaleur
pour le chauffage de district. Une étude réalisée à l’École Polytechnique a démontré qu’une usine de pâte kraft peut générer des
revenus de 500 000 $/a par la vente de vapeur pour le chauffage
du village avoisinant [21]. Cette option est surtout intéressante et
rentable pour des usines papetières situées à proximité des grandes
villes car elle ne nécessite pas d’investissements d’infrastructure de
la part des usines mais leur garantit des revenus solides.
Exportation d’électricité
Les usines qui possèdent des unités de cogénération et la capacité
de produire un excès de vapeur peuvent bénéficier de ces deux
éléments pour produire un surplus d’électricité. Ce surplus pourrait être vendu au distributeur local d’électricité et permettra aux
usines de générer des revenus additionnels. En raison de l’écart
qui existe entre les prix de vente et d’achat d’électricité dans le
secteur industriel, il s’avère même plus avantageux pour une usine
avec une unité de cogénération d’acheter la puissance requise pour
son fonctionnement et de vendre l’électricité générée sur son site.
Traitement d’effluents
Certains types d’usines, par exemple celles qui produisent des
fibres de cellulose pure et qui doivent enlever certains composants
du bois, peuvent vendre ces composants sous forme de matière
première à des compagnies chimiques, qui prendront en charge
la transformation des matières premières en produits à valeur
ajoutée.
BIORAFFINAGE FORESTIER
Le bioraffinage est l’utilisation de la biomasse forestière et agricole pour fabriquer une large gamme de produits par différentes
voies d’extraction et de transformation. L’idée de la bioraffinerie
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Pour surmonter les conditions difficiles actuelles, l’industrie canadienne des pâtes et papiers doit améliorer son modèle d’affaires.
Cet article présente trois options considérées comme prometteuses, qui permettront à l’industrie de diversifier ses sources de
revenus. L’implantation des mesures d’efficacité énergétique est
une possibilité qui permettra aux usines d’économiser des coûts
d’opération et d’adopter un virage vers un futur durable. Une autre
avenue est la création de grappes industrielles centrées sur les usines papetières. Elle permettra de générer des revenus additionnels
grâce à l’exportation et au partage des ressources avec d’autres
industries et la communauté avoisinante. Le concept de bioraffipulpandpapercanada.com
peer reviewed
nerie, très actuel aujourd’hui, est que certains constituants du bois,
actuellement brûlés dans les chaudières, pourraient être utilisés
d’une façon plus rentable, en tant que matières premières, pour
fabriquer des produits à haute valeur ajoutée. L’implantation d’une
ou de plusieurs de ces options peut s’avérer la solution gagnante
pour l’industrie des pâtes et papiers au Canada. L’amélioration de
l’efficacité énergétique est une opportunité immédiate, la participation des usines de pâtes et papiers dans des grappes éco-industrielles et l’implantation des technologies de bioraffinage sont des
options envisageables à plus long terme car elles impliquent divers
aspects sociaux, politiques et environnementaux.
REMERCIEMENTS
Ce travail a été financé par une subvention du programme de
R&D coopérative du CRSNG. Le support des partenaires industriels, en particulier FPInnovations et l’usine de pâte et papier est
très apprécié.
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Abstract: For several years, the Canadian pulp and paper industry has been
facing the worst crisis in its history. For a promising and sustainable future, the
industry needs to develop and implement new profitable strategies. The objective of this review is to present the most promising options for the Canadian pulp
and paper mills. Three options are considered and evaluated in respect of their
development status, the ease of implementation and the expected profits. They
are: the improved energy efficiency, the creation of eco-industrial clusters and
the integration of biorefining technologies.
Mots-clés : USINES DE MISE EN PÂTE KRAFT, EFFICACITÉ ÉNERGÉTIQUE,
GRAPPES ÉCO-INDUSTRIELLES, BIORAFFINERIES, DÉVELOPPEMENT DURABLE
Keywords: KRAFT PULP MILLS, ENERGY EFFICIENCY, ECO-INDUSTRIAL
CLUSTERS, BIOREFINERIES, SUSTAINABLE DEVELOPMENT
Reference: MARINOVA, M., MATEOS-ESPEJEL, E., PARIS, J. Revue de perspectives d’avenir prometteur et durable pour l’industrie canadienne des
pâtes et papiers, Pulp & Paper Canada 111(5) : T68-T72(Sep/Oct 2010). Paper
presented at the PAPTAC Annual Meeting 2010 in Montreal, Que., February
2-3, 2010. Not to be reproduced without permission of PAPTAC. Manuscript
received September 1, 2009. Revised manuscript approved for publication
by the Review Panel July 23, 2010.
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