Recherche et développement
Les travaux de recherche et développement en optimisation des procédés industriels de CanmetÉNERGIE visent le développement de méthodes et outils afin d’accroître l’efficacité globale des installations industrielles par l’amélioration des méthodes existantes et la mise en place d’approches de conception et de rétroinstallation nouvelles.
Ces travaux peuvent donc porter sur l’amélioration de la performance énergétique d’équipements existants ou sur l’optimisation de la consommation d’énergie et d’eau de l’ensemble d’un site industriel tout en réduisant les émissions de gaz à effet de serre.
Au Canada, certains secteurs industriels consomment de grandes quantités d’eau et d’énergie. C’est notamment le cas des industries des pâtes et papiers et des sables bitumineux. Ces secteurs comptent pour environ 20 % de la consommation énergétique industrielle au Canada.
Les principales activités de recherche et développement en cours ou en démarrage portent sur :
- la minimisation, la récupération et la valorisation des rejets thermiques
- le bioraffinage forestier
- le diagnostic de fautes et l’opération efficace des procédés
Ces activités ciblent en priorité les secteurs et procédés industriels jugés énergivores et visent à développer des approches innovatrices et transversales pouvant être adaptées d’un secteur industriel à l’autre.
Minimisation, récupération et valorisation des rejets thermiques
D’importantes quantités d’énergie produites par les procédés industriels sont gaspillées annuellement, sous forme de flux liquides ou gazeux. Dans une perspective industrielle, la récupération de l’énergie provenant des rejets thermiques est une priorité; elle constitue la meilleure possibilité de réduction de la consommation d’énergie.
Il est relativement facile d’établir quelles sont les sources de rejets thermiques dans une installation donnée. Cependant, pour trouver les applications et les technologies les plus appropriées pour récupérer cette chaleur, il faut faire preuve de beaucoup de persévérance et de créativité. Les applications possibles sont nombreuses et varient d'un secteur industriel à l'autre, et même d'un emplacement à l'autre pour un même procédé industriel.
Outil d’aide à la décision
Le principal objectif de ce projet est d’élaborer un outil d’aide à la décision qui permettra de déterminer les meilleures solutions pour la récupération et la valorisation des rejets thermiques, tout en tenant compte des éléments suivants :
- le contexte global de l’usine; c’est-à-dire établir, pour un flux de rejets thermiques donné, quelle est la meilleure utilisation que l’on peut en faire considérant les autres flux énergétiques de l’usine
- les répercussions sur les services de production d’énergie, de manière à évaluer les économies réelles; plutôt que les économies apparentes observées dans un secteur donné de l’usine
- les améliorations possibles aux services existants de production d’énergie, y compris les systèmes de réfrigération, de production et de distribution de vapeur, et de production d’électricité
Base de données, classement et méthodologie
Le projet résultera également en :
- une base de données électronique des technologies, comprenant des informations détaillées sur un grand nombre de technologies de récupération et de valorisation des rejets thermiques, y compris les modèles de rendement
- un classement des sources de rejets thermiques et l’établissement des projets typiques donnant lieu à une économie d’énergie dans diverses installations industriels
- l’élaboration d’une méthodologie pour une prise de décision fondée sur les connaissances et de modèles pour les services de production d’énergie
Version texte
Version textuelle des images
Voies de la chaleur rejetée
La gestion optimale de la chaleur industrielle se traduit par :
- Réduction de la production de rejets thermiques
- Récupération et valorisation de la chaleur
La réduction de la production de rejets thermiques inclus :
- Contrôle et opération améliorés
- Intégration des nouvelles technologies
- Analyse de la dynamique des fluides, outils pour l'exploration de données, système de détection de fautes et contrôles avancés
- Brûleurs perfectionnés, nouveau revêtement à forte émissivité, technologie de gazéification, évaporateurs à rendement élevé, etc.
La récupération et valorisation de la chaleur inclus :
- Stratégies et outils pour la conception des systèmes
- Nouvelles technologies
- Analyse de la dynamique des fluides
- Outils pour l'intégration des procédés
- Bibiliothèque de modèles technologiques
- Nouvel échangeur de chaleur, pompes à chaleur et production d'énergie
Toutes ces technologies et outils amènent :
- Solutions énergétiques rentables
- Production d'énergie verte
- Voies vers une conception et une mise à niveau optimales des procédés
Bioraffinage forestier
L’objectif de ce projet est de développer une méthodologie d’intégration systématique pour évaluer les effets de l’implantation des technologies de bioraffinage dans les usines du secteur des pâtes et papiers quant aux :
- profil énergétique des usines et leur consommation d’eau
- émissions atmosphériques
- perspectives économiques des usines
Trois technologies de bioraffinerie susceptibles d’être mises en œuvre et intégrées aux usines de fabrication de la pâte Kraft seront étudiées :
- l’extraction et le traitement de la lignine
- l’extraction et le traitement de l’hémicellulose
- la gazéification de la biomasse
Version texte
Bioraffinerie forestière intégrée
Ce diagramme représente trois technologies de bioraffinerie susceptibles d’être intégrées aux usines du secteur des pâtes et papiers. Dans le coin supérieur gauche du diagramme, on trouve l’image d’un arbre depuis lequel il y a une série de flèches pointant vers le bas et une autre série de flèches pointant vers la droite. Ces flèches sont liées par divers mots encadrés afin de représenter les différentes étapes et possibilités d’intégration des technologies.
La première flèche vers le bas mène à un encadré vert contenant le mot « Biomasse », puis ensuite à un encadré bleu représentant l’étape de la « Gazéification ». Depuis cette dernière étape, une autre flèche pointe vers un encadré sans couleur dans lequel on retrouve le texte suivant : « Électricité, diméthyléther, carburants dérivés du procédé Fischer-Tropsch, alcool en mélange, produits chimiques, etc.»
La flèche pointant vers la droite depuis l’arbre mène à un encadré vert contenant le mot « Copeaux », puis à un encadré bleu contenant le terme « Extraction de l’hémicellulose ». Depuis cette dernière boîte, la série de flèches continue vers la droite, mais il y a aussi une deuxième flèche qui pointe vers le bas.
Celle pointant vers le bas mène à une boîte bleue contenant le terme « Conversion de l’hémicellulose » puis à une deuxième boîte sans couleur contenant les mots « Éthanol, polymères ». La flèche pointant vers la droite depuis « Extraction de l’hémicellulose » mène à l’image d’une usine, ensuite à un encadré vert contenant le mot « Pâte » et enfin au dernier encadré vert de cette série contenant le mot « Papier ».
Cependant, sous l’image de l’usine, il y aussi une flèche pointant vers le bas menant à une forme cylindrique qui représente une chaudière de récupération. Il y a également une deuxième flèche qui part de la chaudière et qui remonte vers l’image de l’usine. Entre ces deux flèches, on y trouve le texte « Liqueur de cuisson ». L’autre côté de la flèche pointant vers le bas, soit à gauche de « Liqueur de cuisson », il y a une boîte sans couleur contenant les mots « Énergie, Produits chimiques ».
Depuis la flèche pointant vers le haut, il y a une autre flèche qui pointe vers la droite menant à un encadré bleu contenant le terme « Extraction de la lignine ». Depuis cet encadré, une autre flèche pointe vers la droite au mot « Énergie » tandis qu’une deuxième flèche sous l’encadré pointe vers le bas menant à un autre encadré bleu contenant le terme « Conversion de la lignine ». Une dernière flèche part de cet encadré et mène à une boîte sans couleur contenant le texte : « Produits chimiques, polymères, etc. »
Bioraffinerie forestière intégrée
La méthodologie unifiée d’optimisation de l’énergie tiendra compte des interactions complexes entre les divers systèmes énergétiques constituant une installation moderne au niveau de la production de l’énergie et de la séquence d’utilisation de la vapeur, de l’eau, ainsi que de la récupération et de la revalorisation de la chaleur. Cette méthodologie sera utilisée pour développer des stratégies d’implantation d’unités de bioraffinage dans des usines Kraft fondées sur des études de cas réelles.
L’objectif ultime est de proposer des solutions technologiques de bioraffinage innovatrices, pratiques et viables économiquement destinées à transformer le modèle opérationnel des usines en leur permettant de fabriquer, en plus de leurs activités principales, un vaste ensemble de bioproduits novateurs à valeur ajoutée.
Outil d’aide à la décision
Les connaissances acquises par l’application des méthodes de conception à ce secteur seront combinées dans un outil d’aide à la décision pour les décideurs quant à l’intégration efficiente de la bioraffinerie. Dans un contexte de modernisation des usines en mode de rétroinstallation, cet outil :
- fournira des règles d’ingénierie d’une bioraffinerie forestière et des directives quant à son implantation dans une usine Kraft
- effectuera des calculs des profils de consommation énergétique et d’eau d’une bioraffinerie intégrée
- évaluera les émissions de CO2 associées à la bioraffinerie intégrée
- fournira les plateformes de produits et la famille de produits issus de l’intégration d’une bioraffinerie dans une usine Kraft
L’outil d’aide à la décision sera destiné à l’équipe d’ingénierie des usines ainsi qu’aux firmes d’ingénieurs conseils collaborant avec le secteur des pâtes et papiers.
Partenaires
Les activités reliées à ce projet se déroulent en collaboration avec plusieurs partenaires, notamment FPInnovations, l’École Polytechnique de Montréal et Hydro-Québec. Le projet profite également de l’initiative sur la bioraffinerie de FPInnovations, qui permet à de nombreuses usines de pâtes et papiers d’offrir et de partager des données nécessaires aux analyses. Le projet est consolidé grâce à la collaboration directe avec la Chaire CRSNG en génie de conception environnementale de l’École Polytechnique de Montréal.
Diagnostic de fautes et l’opération efficace des procédés
La surveillance de la performance d’un procédé et la gestion des situations anormales sont essentielles pour maintenir la compétitivité dans le secteur manufacturier. Malgré le recours de plus en plus généralisé à des systèmes perfectionnés de contrôle, comme les outils de contrôle prédictif par modèle, certains secteurs, notamment l’industrie des pâtes et papiers, connaissent encore des problèmes de gestion des situations anormales. Ceci est dû au fait que les quelques outils commerciaux existants sont destinés avant tout à des utilisateurs experts et qu’ils n’aident pas les opérateurs de salles de commande à comprendre les situations anormales ou à diagnostiquer les anomalies de façon à pouvoir rétablir le fonctionnement normal d’un procédé.
Système automatisé de détection et diagnostic de fautes
Les experts de CanmetÉNERGIE travaillent à l’élaboration et la mise en œuvre d’un système automatisé de diagnostic de défaillances qui permettra de :
- procéder à une analyse en ligne des données d’opération
- fournir aux utilisateurs des informations utiles et structurées
- rendre des décisions
Ce système s’appuiera sur une méthode hybride (qualitative et quantitative) et intégrera de façon synergétique des outils logiciels innovateurs qui permettront aux opérateurs de mieux comprendre le procédé et ses conditions de contrôle, afin d’améliorer le fonctionnement général de l’usine et de gérer les situations anormales. L’identification précoce de possibles défaillances permettra aux opérateurs de prendre immédiatement des mesures correctives de façon à maintenir le procédé à l’intérieur des limites d’opération normales et d’améliorer le plan d’entretien anticipé de l’équipement, ce qui permettra de réduire la consommation d’énergie et d’améliorer la productivité.
Le système sera constitué de boîtes à outils informatisés, génériques et modulaires, pour qu’il soit possible de les réutiliser facilement, à coût modique, dans plusieurs autres applications industrielles. Il aura aussi une capacité d’apprentissage automatique, de façon à alimenter la base de connaissances en continu. Le système comprendra notamment les boîtes à outils suivantes :
- un module de base de connaissances, avec modélisation qualitative et quantitative des connaissances
- un moteur d’inférence, comprenant des agents pour la détection et le classement des défaillances
- une procédure de diagnostic faisant appel à différents agents pour déterminer la défaillance
- un interface-utilisateur disposant des capacités de communication requises
Une méthode qui permettra de définir comment les différentes boîtes à outils pourront être utilisées individuellement et ensemble sera également élaborée, de façon à pouvoir construire facilement de nouvelles applications pour des procédés différents.
Version texte
Système de détection et de diagnostic du procédé proposé pour la supervision du système de contrôle existant
Cette image est une représentation d’un système de détection et de diagnostic du procédé proposé pour la supervision d’un système de contrôle existant. Les différentes étapes sont liées par des flèches indiquant les liens et l’ordre des opérations.
À gauche, on trouve un diagramme d’un système de contrôle avec ses trois éléments, soit le contrôle existant, le procédé et les données, tous reliés par des flèches. Depuis l’élément des données, une flèche mène vers une représentation d’un système de détection et de diagnostic de fautes à la droite. La première composante de ce dernier est l’exploitation des données; en deuxième lieu, il y a le suivi du procédé et la détection de défaillances, ce qui mène ensuite au diagnostic de défaillances; on trouve enfin le soutien à la décision à la dernière étape. Par la suite, l’implantation au système se fait soit automatiquement ou par un opérateur qui apportera les modifications suggérées au procédé.
Système de détection et de diagnostic du procédé proposé (en bleu) pour la supervision du système de contrôle existant (en rouge).
Communiquer avec nous
CanmetÉNERGIE est à la recherche de partenaires intéressés à collaborer à ces projets de recherche. Pour discuter d’un partenariat, contactez-nous.
Détails de la page
- Date de modification :