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L'intégration des procédés dans l'industrie de la transformation du lait

Serge Bédard, gestionnaire principal de projet

CanmetÉNERGIE-Varennes

Ressources naturelles Canada

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Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait

Qu'est-ce que l'intégration des procédés (IP)?

Procédés industriels pouvant bénéficier de l’IP

Principales étapes d'une étude d’IP

Exemple d’application de l’IP dans l’industrie de la

transformation du lait

Conclusions

Questions et réponses

Aperçu de la présentation

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Secteur industriel très diversifié

Petites, moyennes et grandes usines

Usine de production de lait, usine de production beurre et

fromage, usine de transformation du lactosérum, production de

poudre de lait, etc.

Une combinaison de plusieurs procédés est fréquente

Les usines peuvent être très complexes et disposer de

nombreux équipements énergivores

Les systèmes utilitaires sont souvent complexes et

présentent

Des opportunités de récupération de chaleur

Des opportunités d’amélioration de leur efficacité

Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait

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Quelles sont les possibilités de récupération de chaleur?

Lesquelles devrait-on prioriser? Quels effets croisés ces projets peuvent-ils avoir?

L'intégration des procédés (IP) peut répondre à ces questions

Contexte et enjeux de l'industrie de la transformation du lait

Réfrigération

Air comprimé

Chaudières à vapeur

HVAC

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Qu'est-ce que l'intégration des procédés?

Comment déterminer les projets de récupération

de chaleur dans les procédés industriels complexes?

Efficacité énergétique, réduction des GES, compétitivité

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Une méthodologie pour analyser les

courants d’énergie, identifier et

corriger les inefficacités énergétiques

dans les procédés industriels

complexes

Analyse le procédé dans son

ensemble ainsi que les interactions

entre les différentes parties du

procédé, plutôt que de considérer les

opérations individuellement

Qu'est-ce que l'intégration des procédés?

Une approche globale :

Permet de déterminer, dans le procédé, les points où la chaleur est utilisée, où

elle devrait être récupérée et où elle devrait être utilisée

Reconnue comme l’une des meilleures pratiques dans plusieurs industries

pour une gestion efficace de la chaleur (énergie thermique)

Une approche pouvant conduire à des économies d’énergie thermique et d’eau de 15 à 35%, avec un retour sur l’investissement intéressant

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Qu'est-ce que l'intégration des procédés?

Préchauffage eau d’appoint

Échangeurs

de chaleur

Retour de

condensat

Production

d’eau chaude

Système

réfrigération

Compresseurs

d’air

Alimentation

séchoirs

Chauffage de bâtiment

Alimentation

évaporateurs

Fumée des

chaudières

Effluents

liquides

Analyse d’intégration des procédés (Approche globale

structurée)

Air humide

séchoirs

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Procédés dotés de systèmes énergétiques

complexes comportant plusieurs des éléments

suivants :

Nombreuses demandes de chauffage et de

refroidissement

Nombreux échangeurs de chaleur de procédé

Équipements énergivores (par ex. séchoirs, évaporateurs,

chaudières, fours, réacteurs, colonnes à distiller)

Grande consommation de vapeur ou de combustible

Grande consommation d'eau chaude ou d’huile thermique

Grande utilisation de refroidissement

Gros compresseurs

Procédés utilisant une quantité importante

d'énergie thermique

Consommation d'énergie thermique > 75 000 GJ/an

ou l’équivalent d’une consommation

de gaz naturel > 2 000 000 m3/an

Procédés pouvant bénéficier d’une étude d’IP

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PRI moyenne des projets : 6 mois à 3 ans, en général

Coût d'une étude d’IP : 30 000 $ à 80 000 $ pour l’agro-alimentaire

Intégration des procédés Bénéfices potentiels – Énergie thermique

Sources : Linnhoff-March et RNCan

THERMIQUE

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Intégration des procédés Principales étapes d'une étude d’IP

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Étude d'intégration des procédés: Principales étapes

Étape 1. Diagramme simplifié des courants d’énergie du procédé

Étape 2. Bilan de masse et d’énergie

Étape 3. Bilan d’énergie détaillé de certains équipements

complexes

Étape 4. Analyse des possibilités de modifications aux conditions

opératoires

Étape 5. Analyse de pincement (analyse « Pinch ») Identifier les points d’échange de chaleur et extraire les données

Tracer les courbes composites (CC)

Identifier les inefficacités énergétiques

Prioriser les échanges qui sont des sources importantes d’inefficacité

Identifier les options de projet

Étape 6. Étude de préfaisabilité technico-économique

Étape 7. Sélection des projets et développement d’une stratégie

d’implantation

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Une étude d’IP fournit une liste de mesures d’économie

d’énergie rentables présentées dans un plan d’action pour

améliorer l’efficacité énergétique de l’usine à court, moyen

et long terme

1. Améliorations aux conditions d’opération

2. Récupération des rejets thermiques

Systèmes de production des utilités et équipements énergivores

3. Récupération de la chaleur dans le procédé

Entre les courants chauds et les courants froids du procédé

Par génération de vapeur

4. Projets d'économie d'eau ayant un impact sur l'énergie

5. Cogénération et pompes à chaleur

Résultats d’une étude d’IP

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Exemple d’application de l’IP

Usine de transformation du lait

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Description de l’usine

Environ 300 employés

Principaux produits: fromage, beurre, divers

produits séchés à base de lait et de

lactosérum

Facture énergétique : 5,5 millions $/yr

(3,5M$ en gaz naturel et 2M$ en électricité)

Plusieurs lignes de production

Chaudières à vapeur totalisant 1 600 HP

Systèmes de réfrigération de 3 000 HP

Pasteurisation et plus de 40 échangeurs de

chaleur

Évaporateur

Séchoir

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Équipements de procédé typiques

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Diagramme d’écoulement simplifié

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50

100

150

200

250

2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000

Analyse de pincement: Courbes composites

Les courbes composites:

un outil puissant pour

Identifier la consommation

minimale d’utilité chaude

(potentiel maximal de

réduction)

Identifier les inefficacités

thermodynamiques les plus

importantes (localisation et

quantification)

Définir les règles à suivre

pour corriger les

inefficacités et réduire le

plus possible la

consommation d’énergie

Qchaud min

Zone de récupération de

chaleur maximale

Tem

péra

ture

Charge thermique (kW)

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Identification des principales inefficacités thermodynamiques

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Opportunités d’économie d’énergie Les courbes composites montrent que pour obtenir une

récupération de chaleur optimale:

Aucune utilité chaude (vapeur, gaz naturel, huile thermique) ne doit

être utilisée pour chauffer un courant de procédé à une température

inférieure à 70 C

Aucune utilité froide (glycol, eau glacée) n’est requise pour refroidir

un courant de procédé ayant une température de plus de 10 C

Les opportunités les plus importantes étaient:

Récupération de chaleur des fumées de la chaudière et du séchoir

pour faire une boucle d’eau chaude

Préchauffage de l’alimentation au séchoir

Préchauffage de l’air de séchage

Production d’eau chaude par récupération de chaleur

Modification au préchauffage de l’eau d’appoint des chaudières

Modification à une unité de pasteurisation

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29

L’étude d’intégration des procédés a permis d’identifier des inefficacités thermodynamiques dans cette section de l’usine

Glycol

Lactosérum

30°C 5°C

850 kW

Modification à une unité de pasteurisation

Configuration initiale du procédé

Réchauffeur à vapeur

5°C 40°C

Séparateur de crème

74°C

Crème allant vers un autre procédé

V

35°C 74°C

Tube de maintien

1 000 kW

1 100 kW

Lait pasteurisé vers d’autres procédés

Lait cru

40°C

40°C

30

30

Lait cru

Lait pasteurisé Échangeur de chaleur

Régénération

Violation du point de pincement (transfert de chaleur à travers le point de pincement)

Potentiel de récupération d’énergie

Analyse des courbes composites

(modification à une unité de pasteurisation)

31

31

Source de chaleur au-dessous du point de pincement

Analyse des courbes composites

(modification à une unité de pasteurisation)

Puits de chaleur au-dessus du point de pincement

Échangeur de chaleur

Réchauffeur à vapeur

Pénalité due à l’utilisation de vapeur

Potentiel de récupération d’énergie

Échangeur de chaleur

Refroidisseur lactosérum

Pénalité due à l’utilisation de refroidissement

Potentiel de récupération d’énergie

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32

Procédé intégré : nouvelle configuration

Lait cru

25°C

Séparateur

de crème

74°C

Crème V

Tube de maintien

630 kW

Lactosérum

12°C 35°C

40°C 40°C 61°C

370 kW

52°C

630 kW 470 kW

Glycol

220 kW

5°C

Réchauffeur à vapeur

Lait pasteurisé

5°C

30°C

Lactosérum

Échangeur nouveau ou modifié

Modification à une unité de pasteurisation

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Une des premières études d’IP dans une usine de transformation du lait au Canada

4 projets principaux ont été identifiés dont un qui combine plusieurs sous-projets

Tous ces projets étaient techniquement et économiquement viables

Plusieurs de ces projets auraient été difficiles à identifier ou conçus différemment sans la réalisation d’une étude d’intégration des procédés

4 700 Réduction CO2 (tonnes/an)

30% Réduction gaz

naturel

1 100 000 Économie ($/an) PRI < 3 ans

L’ensemble de l’étude a nécessité 400 heures de travail

D’autres projets ayant une PRI plus longues ont également été identifiés. Ces projets permettraient une économie d’énergie supplémentaire de 10%

Résultats

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Une étude d’IP peut être réalisée en 7 étapes

Elle permet d’identifier des projets d’économie d’énergie rentables incluant

La mise en place de meilleures pratiques opératoires

Des projets de récupération de chaleur

Des projets de pompage de la chaleur et de cogénération

Elle permet généralement d’obtenir des économies d’énergie thermique de 20% à 30% dans les usines de transformation du lait

Elle permet le développement d’une stratégie d’investissement en efficacité énergétique

Il est recommandé d’inclure un audit des systèmes utilitaires, principalement les systèmes de réfrigération et les chaudières puisque de nombreux projets d’amélioration sont souvent identifiés dans ces systèmes

Conclusions

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Ressources naturelles Canada et ses partenaires

encouragent l’utilisation de l’IP dans l’industrie

canadienne

Information, incitatifs financiers (OEE, BEIE, GazMétro)

Formation, outils, et soutien technique : présentement offerts

au Québec avec le support du BEIE

Notre objectif - Faire de l'intégration des procédés une

pratique courante dans le domaine de l'efficacité

énergétique industrielle

Pour plus d’information sur le support offert, visitez-nous

au kiosque de Ressources naturelles Canada

Conclusions

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Serge Bédard CanmetÉNERGIE

Optimisation des procédés industriels

Courriel: serge.bedard@rncan.gc.ca

Téléphone: 450-652-4957

Questions

et réponses

Renseignements : http://canmetenergie.rncan.gc.ca

Merci pour votre attention