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Dimanche 21 octobre 2018

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Récupération d’énergie, 3e partie : Générateurs de vapeur

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Pour réduire les coûts d'énergie, l'intérêt récent dans la récupération d'énergie dans les usines papetières est de produire la vapeur en réchauffant la condense dans des systèmes d'échangeur thermique fraîchement développés au lieu de la renvoyer à la bouilloire.

En raison du coût relativement élevé de la production de vapeur, le retour sur l'investissement sur ce type de récupération d'énergie plus connu comme Générateur de vapeur ou "Reboiler" est encore plus intéressant qu'en cas de systèmes air/air de récupération traditionnel qui déplacent uniquement la consommation de gaz naturel, comme précédemment discuté dans cette colonne.

Le coût moyen pour produire de la vapeur peut varier d'une usine à une autre en fonction de facteurs divers telle que l'efficacité de chaudière ; et, peut se situer entre 10 $ et 12 $ pour mille livres de vapeur/heure (lb/h). En récupérant même 2000 lb/h de vapeur, une économie substantielle de 480 $/jours peut être obtenue ou de 168,000 $ pour une année. A hauteur de 4000 lb/h de vapeur, les économies qui en résultent s'élèveraient donc 336,000 $/année.

Le retour sur l'investissement, ou "ROI", peut se situer entre 1 et 3 ans selon la pression de vapeur exigée. Bien entendu, pour la même source d'énergie disponible, plus la pression de vapeur exigée est élevée, plus bas est le flux de vapeur produit.

L'atout résidant dans la production de vapeur à haute pression est la capacité de la retransmettre à la ligne principale de vapeur de l'usine, qui alimente un plus grand nombre d'applications au sein de l'usine. D'autre part plus la production de vapeur est faite à basse pression plus grand est le flux de vapeur ; mais ce dernier reste relativement limité dans le nombre d'applications, qui ne sont pas nécessairement utilisée continuellement durant l'année (comme l'air servant à chauffer le bâtiment, par exemple).

L'idée de base est de réchauffer la condense produite dans le processus de l'usine, en utilisant l'évacuation de l'air de procédé provenant de la machine à papier. Les sources d'énergie de haute qualité sont les flux d'air provenant de machines à tissu puisque la température de l'air provenant de Hotte Yankee peut être de 260° à 370°C (500° à 700°F). Dans quelques cas, le flue gaz provenant de la turbine d'une usine de Cogénération peut être utilisé (au lieu de le renvoyer vers un HRSG, par exemple).

La condense qui serait autrement renvoyée à la chaudière est réacheminée vers un générateur de vapeur. L'avantage principal du Générateur de vapeur, donnant lieu à un brevet très prochainement, est sa simplicité d'utilisation. La dissemblance entre un générateur à vapeur et une chaudière réside dans le fait que cette dernière est une cuve à très haute pression qui exige un contrôle et une surveillance continus; c'est-à-dire un opérateur de chaudière est assigné à cette tâche. Le générateur de vapeur, quant à lui, est un échangeur thermique, et, comme tel, n'a pas besoin de la surveillance continue ou qu'on lui assigne nécessairement un opérateur.

La vapeur produite, si à haute pression, peut alors être utilisée du côté de la vapeur motive d'un thermo-compresseur. De la sorte l'avantage qui en découle est son utilisation de manière ininterrompue durant l'année, maximisant ainsi les économies annuelles. Ce type de condition ayant trait à la pression de la vapeur peut être de l'ordre de 12 à 15 bars (175 à 225 psig) et donc la source d'énergie (air provenant de la hotte) aidant à produire une telle vapeur devrait de préférence être au-delà de 315°C (600°F) pour éviter un coût d'équipement élevé ainsi qu'un ROI étalée sur une longue période.

Donc deux scénarios potentiels rendent un tel projet viable pour une usine. Le premier cas est une source de chaleur très élevée au delà 315°C (600°F) pour produire de la vapeur à haute pression. Ou, dans le deuxième cas, si ce type d'énergie n'est pas disponible, de la vapeur à basse pression peut être produite mais au moins de plus grands flux de vapeur peuvent être obtenus.

Le premier cas est illustré par des procédé générant de l'air à haute température provenant de hottes de machines à tissu (comme décrit ci-dessus) et peut bénéficier plus d'un effet ROI rapide. Plus élevée est la la source d'énergie disponible, plus haute est la pression de vapeur générée et plus courte est la période ROI.

Le deuxième cas serait des applications à vapeur exigeant 3 à 5 bars (45 à 75 psig) comme des unités d'air servant à chauffer le bâtiment, des boîtes à vapeur, l'injection directe aux triturateurs ou dans le procédé de désencrage.

Dans beaucoup de systèmes de récupération d'énergie existants, la source d'énergie est déjà utilisée par des échangeurs thermiques qui exigent en premier lieu une énergie de qualité supérieure, suivi bien sûr des unités requérant une énergie diminuant progressivement en qualité. En conséquence, le générateur de vapeur utilise seulement la partie sensible de la chaleur ; il peut être "inséré" dans le flux d'air évacué juste avant les systèmes existants sans pas trop d'impact sur des unités de récupération d'énergie à venir, particulièrement si ces unités utilisent seulement la partie partiellement latente ou entièrement latente du flux d'énergie (par exemple l'air qui chauffe le bâtiment ou des tours d'eau).

Puisque le générateur de vapeur utilise exclusivement, en premier abord, une infime part du flux d'air évacué de la source d'énergie disponible, il n'affecte pas le point de saturation ni l'humidité absolue laissant ainsi la partie latente à venir intacte et toujours disponible pour les paliers suivants de récupération d'énergie latente.

La légère perte dans le processus de récupération d'énergie au sein du système préexistant de récupération d'énergie de l'usine est énormément dépassée par l'atout du générateur de vapeur. Puisque le coût de vapeur prend le pas sur le coût du gaz, l'approche, ci-dessus mentionné, démontre un gain significatif comme on peut voir dans l'exemple ci-dessous.

Etude de cas

Dans une usine, l'air provenant d'une hotte Yankee était utilisé en premier lieu par l'échangeur thermique air/air pour préchauffer l'air de combustion et d'alimentation avant d'être envoyé à un brûleur à gaz pour achever de chauffer à la température finale nécessaire au processus. La seconde étape consistait en une tour d'eau. En introduisant le générateur de vapeur dans la séquence les unités existants deviendraient donc les étapes 2 et 3 respectivement.

On donnerait donc la priorité au générateur de vapeur, c'est-à-dire la réception de la plus haute qualité d'énergie. Les étapes 2 et 3 recevraient l'énergie de catégorie inférieure et ainsi leur performance baisserait quelque peu. Mais dans le processus complet, la perte prise par étapes 2 et 3 serait amplement compensée par le grand gain pris à l'étape 1.

Dans ce cas, la température de l'air de combustion préchauffée baisserait de 400 à 300°F (200 à 150°C) et donc l'énergie récupérée baisserait de 1.1 à 0.8 MM BTU/h. L'eau provenant de la tour d'eau baisserait seulement de quelques degrés puisque l'énergie sensible enlevée à l'avance impacte à peine la qualité de l'énergie latente laissée pour la tour d'eau (baissant seulement la température de bulbe humide de 2 ou 3 degrés, mais l'humidité absolue reste inchangé) et la récupération d'énergie baisserait seulement de 3.0 à 2.8 MM BTU/h.

Alors, un total de 0.5 MM BTU/h serait perdu dans ces deux étapes, mais un gain de 3.0 MMBTU/H serait possible avec le générateur à vapeur. De ce fait le bénéfice net de ce système reviendrait 2.5 MMBTU/H en coût de production de vapeur (par opposition au cout du gaz seul) ou environ 2500 lb/h de vapeur.


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