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Mercredi 19 décembre 2018

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Revue des opportunités pour un avenir prometteur et durable de l'industrie canadienne des pâtes et papiers

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BIORAFFINAGE FORESTIER

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 implémenter de nouvelles stratégies profitables. L’objectif de ces travaux 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 des grappes éco-industrielles et l’intégration des technologies de bioraffinage.

 

INTRODUCTION

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 spéciaux, en sont la raison principale. Afin de surmonter cette situation, l’industrie doit concentrer ses efforts sur l’étude de nouvelles opportunités 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, la facilité d’implantation et le 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 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 [5]. Le développement de programmes incitatifs du gouvernement 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 opportunité à court terme est la création des grappes industrielles centrées sur les usines de pâtes et papiers. Elle permettra aux usines de générer des revenus additionnels grâce à l’exportation et le 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) industriels 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 possède également 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 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 de la biomasse.

Un exemple d’une bioraffinerie intégrée, basée sur une usine de pâte Kraft consiste d’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 bio-composites. 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 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 opportunité 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 parmi 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.

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 d’identifier 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 d’eau

Parallèlement, une analyse de la gestion de l’eau dans l’usine doit être conduite pour évaluer les possibilités d’améliorer la consommation d’eau fraîche et 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 pureté des courants d’eau en fonction de leur débit massique [16].

Des fortes interactions existent entre l’eau et l’énergie : 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.

Interactions entre le procédé et les courants utilitaires

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 existante 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, ce qui rend l’analyse combinée très utile pour déterminer le positionnement approprié d’une turbine et réduire les pertes dans la production, la distribution et l’utilisation d’énergie.

Conversion et valorisation d’énergie

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 et peuvent être utilisées en mode chauffage ou réfrigération. La cogénération est la production combinée d’électricité et de vapeur. La chaleur 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 identifiés 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 à 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 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 notre 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 pour étudier l’impact des mesures proposées sur le procédé ainsi que de les valider.

GRAPPES INDUSTRIELLES

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 pâtes et papiers sont illustrés sur la Figure 3.

Une usine de pâtes et papiers utilise des ressources, telles que les 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 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 opportunité, 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 500 000 $ par année 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 générer 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

Les usines papetières possèdent en général des installations de traitement des effluents générés au cours 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.

Matières premières

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 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 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 combinés, 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 de la biomasse 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, des produits du procédé Fischer-Tropsch.

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 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, diminuer la dépendance aux combustibles fossiles, étendre l’utilisation des sources d’énergie renouvelables et réduire les émissions de GES.

CONCLUSIONS

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 opportunité qui permettra aux usines d’économiser des coûts d’opération et d’adopter un virage vers un futur durable. Une autre opportunité est la création des grappes industrielles centrées sur les usines papetières. Elle permettra de générer des revenus additionnels grâce à l’exportation et le partage des ressources avec d’autres industries et la communauté avoisinante. Le concept de la bioraffinerie, 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 de R&D coopérative du CRSNG. Le support des partenaires industriels, en particulier FPInnovations et l’usine de pâte et papier est très apprécié.

AUTEURS

Mariya Marinova, Enrique Mateos-Espejel, Jean Paris
École Polytechnique de Montréal, Département de Génie chimique

RÉFÉRENCES

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