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Optimisation énergétique sur les hottes Yankee: Économies de gaz et de vapeur

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De nos jours, les économies d'énergie sont de préoccupations de premier ordre et des opportunités d'optimisation intéressantes existent pour des usines de papier tissu, en particulier pour les hottes Yankee. La partie du séchoir servant à sécher à l'air, soit la « hotte », utilise essentiellement du gaz naturel et peut mener à des réductions significatives des coûts tout en réduisant les émissions de CO2 ; ce qui peut être intéressant d'un point de vue environnemental. En revanche, si la hotte Yankee contrôle le séchage avec de la vapeur (c'est-à-dire par le biais du « cylindre » séchoir), alors des économies significatives de vapeur peuvent être obtenues.

Une étude de cas traitant de cela est présentée à la fin de cet article pour démontrer l'importance des économies qui peuvent être obtenues avec un simple essai d'optimisation des flux d'évacuation de la hotte (« exhaust »).

Du côté de la hotte (séchage à l'air) l'humidité absolue des flux d'évacuation de la hotte peut être augmentée en optimisant son volume, c'est-à-dire le réduisant au point juste avant qu'il ne s'échappe de la hotte, soit en minimisant ces échappements ou fuites du flux d'évacuation (« spill »).

Ainsi, si le volume des flux d'évacuation est réduit, par conséquent le volume d'air d'alimentation requis est aussi réduit de manière proportionnelle. Avec moins d'air, le besoin en gaz naturel est diminué en comparaison.

Un fournisseur spécialisé en hottes peut aider dans l'exercice d'une telle optimisation, d'autant plus que les conditions de fonctionnement de la hotte doivent être contrôlées pendant que le flux d'évacuation est optimisé. En d'autres termes, les conditions de fuite (« spill ») du flux d'évacuation doivent être étroitement contrôlées pendant les essais d'optimisation et un technicien qualifié devrait non seulement pouvoir évaluer de manière quantitative de ces échappements mais aussi avoir une bonne perception des limites qui ont besoin d'être observées.

Avant l'essai, les conditions d'évacuation des flux doivent être évaluées ; de même que le feedback des opérateurs de machine, qui habituellement peuvent fournir des informations précieuses en ce qui a trait aux conditions de fonctionnement optimales.

La consommation à gaz et à vapeur de la hotte Yankee doit être notée avant l'essai. De même, l'humidité absolue des flux d'évacuation doit aussi être mesurée pour calculer les économies une fois l'essai est terminé. Ce mesurage peut être très difficil et incertain sans les outils de mesure appropriés. Certains outils de prélèvement d'humidité brevetés ainsi que des méthodes de prélèvement de l'humidité existent, qui servent à déterminer avec précision la température de l'humidité.

De tels relevés sont difficiles simplement parce que les températures auxquelles les hottes Yankee opèrent sont si hautes, comparées aux machines à papier régulières, que l'on dépasse souvent le plateau d'énergie latente à la courbe de température en une fraction de seconde et ceci n'est assurément pas observable à l'œil nu!

Les capteurs automatises d'humidité en vente dans le commerce peuvent être très chers puisque la fiabilité est très difficile dans des environnements d'exploitation pénibles comme ceux de la hotte Yankee. La maintenance continue devient primordiale en vue de protéger l'investissement, nécessitant parfois de renvoyer l'unité au fabricant aux fins de recalibrage sur une base régulière; à tel point que certaines usines en abandonnent simplement l'utilisation. La bonne nouvelle est que des méthodes de mesure "manuelles" très fiables existent (comme discuté ci-dessus) et un technicien qualifié peut fournir des relevés très précis.

En termes de mesure de fuite (« spill ») du flux d'évacuation, on recommande de déterminer le volume et la température aux points prédéfinis le long du périmètre de la hotte; tant du côté humide que sec de la machine. Une fois que ces paramètres sont mesurés nous pouvons alors continuer l'essai en procédant par étapes progressives; en diminuant, par exemple, la vitesse de chaque ventilateur d'évacuation de 10 % à la fois. À chaque étape, nous réévaluons les conditions d'évacuation des flux mentionnées ci-dessus et continuons de cette façon jusqu'à des augmentations des échappement des flux d'une façon notable. Cette condition maximale peut aussi être confirmée par le personnel de l'usine qui opérera dans ces conditions quotidiennement. Une fois que le maximum est obtenu, nous reviendrons à l'étape précédente pour garantir une certaine zone de confort opérationnelle acceptable.

Finalement, nous mesurerons l'humidité du flux d'évacuation à la fin de l'essai afin de quantifier les économies ainsi obtenues. Pour illustrer l'importance de ces économies, un cas réel d'un tel exercice d'optimisation a été conduit par l'auteur à une usine américaine de papier tissu.

Etude de cas: Usine "A" – Nord-est des Etats-Unis

L'optimisation des flux d'évacuation de la hotte à cette usine a été conduite pour la durée de deux essais individuels, pour ainsi valider les résultats, pendant la production de papier mouchoir de 11 livres avec 130 pouces de largeure. D'habitude l'usine opère le ventilateur principal d'évacuation continuellement à 100 %, fournissant une humidité de flux des gaz d'évacuation de 0.43 livres H2O/la livre d'air sec.

Suite à l'optimisation, le contrôle à fréquence variable (« VFD ») sur le ventilateur a été descendu à 87 % pour maintenir un niveau de fonctionnement confortable pour la hotte relativement à un niveau de fuite (« spill ») considéré acceptable.

L'humidité de l'évacuation a augmenté à 0.50 lbs H2O/la livre AS. La consommation de gaz est restée stable puisqu'ils ne contrôlent pas le processus de séchage en entier sur la hotte, mais sur le cylindre en variant le flux de vapeur pour maintenir une humidité sortante de la feuille à 6.0 %.

Aucun changement considérable dans le processus d'opération du côté du séchage à l'air : les réglages de la valve MRV air/gaz sont restées inchangées avant, durant et après l'essai. Le volet d'air d'alimentation est d'habitude gardé fermé sur cette machine (tout l'air provenant de l'infiltration).

Par ailleurs, on a observé une réduction significative de la consommation de vapeur au niveau cylindre de la hotte Yankee, de 3450 lbs de vapeur/tonne de papier produit à 3100 lbs/tonne, ou une réduction de 10 %. Directement après l'essai la consommation de vapeur est retournée à son niveau d'avant l'essai.

Les fuites (« spill ») ont été évaluées de manière quantitative avant l'essai comme suit : le périmètre du bout humide de la hotte n'a pas montré des signes de fuite (température ambiante 110°F) mais un très léger échappement à un point à peu près 2 pieds de haut (démontrant 220°F et 200 pi/min d'air). Aucune fuite n'a été détectée au bout sec (88°F et 30 pi/min d'air).

À la fin de l'optimisation il n'y avait toujours aucune fuite à la queue du bout humide de la hotte mais on observe une augmentation légère d'échappement allant à 350°F et un flux d'air de 450 pi/min. D'autre part, on observe une légère réduction de la fuite au bout sec (88°F, 30 pi/min).

En conclusion, nous pouvons estimer la valeur de ces économies de vapeur comme suit :

Économies = (3450 - 3100)lbs vapeur / tonne papier x 3.5 tonne/h papier = 1225 lbs/h vapeur

En utilisant de la vapeur dont le coût est de $9/1000 lbs de vapeur , nous obtenons:

Économies = 1225 lbs/h x $9/1000lbs vapeur x 24 h/jour x 250 jours/an = $92,600/ an.

Inversement, si une usine en particulier contrôle la partie du séchage a l'air (c'est-à-dire la hotte Yankee) alors les économies sont réalisables sur la consommation de gaz.


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