Enrichissement en oxygène des fours à chaux pour augmenter la capacité de production et réduire la consommation d’énergie

Les fours à chaux jouent un rôle important, car ils transforment la boue de chaux en chaux recalcinée (oxyde de calcium), ce qui permet aux usines de pâte à papier de régénérer les produits chimiques de cuisson usés en liqueur blanche active dans le circuit de récupération chimique. Cependant, ce processus de conversion nécessite de la chaleur. Les fours à chaux comptent ainsi parmi les plus grands consommateurs de combustibles fossiles dans les usines de pâte kraft. 

Les fours à chaux peuvent être confrontés à d’importants défis opérationnels, notamment une forte consommation d’énergie, un faible débit qui limite la production de pâte et une variabilité dans la qualité de la chaux recalcinée. La forte consommation d’énergie entraîne une augmentation de la demande en combustibles fossiles et des émissions, tandis que la faible rentabilité conduit à une utilisation accrue de chaux achetée. La forte variabilité du procédé entraîne un mauvais fonctionnement en aval. Les stratégies visant à atténuer ces défis nécessitent généralement des investissements importants, notamment une modernisation mécanique et un remplacement des combustibles. Une solution potentielle à moindre coût consiste à mettre en place une combustion enrichie en oxygène en augmentant la fraction d’oxygène dans l’air de combustion. 

Les avantages de la combustion enrichie en oxygène comprennent une réduction des pertes de chaleur dans les gaz de combustion grâce à une teneur en azote plus faible, ainsi qu’un meilleur transfert de chaleur localisé pour transformer la boue de chaux en chaux recalcinée, grâce à une température adiabatique de la flamme plus élevée. L’enrichissement en oxygène dans les fours à chaux a été développé au milieu du 20e siècle, mais n’a pas encore été adopté dans l’industrie canadienne des pâtes et papiers. D’après des études antérieures, une augmentation de la teneur en oxygène pour la faire passer de 21 à 26 % peut entraîner une augmentation de la capacité pouvant atteindre 10 % (un bénéfice net de 1 à 3 M$/an) ou une réduction des besoins en combustibles fossiles de 13 % (un bénéfice net de 0,5 à 1 M$/an). Le coût de l’oxygène nécessaire pour obtenir ces avantages peut varier entre 1 M$ et 1,5 M$ par année pour un enrichissement continu en oxygène jusqu’à 5 %. 

FPInnovations collabore avec une usine membre pour mener un essai d’enrichissement en oxygène dans un four à chaux afin de valider ces bénéfices. L’essai permettra également d’évaluer l’ampleur des risques et des défis potentiels, notamment la surchauffe des matériaux réfractaires et la surcombustion (frittage) de la chaux recalcinée en raison de températures de flamme plus élevées, ainsi qu’une augmentation des oxydes d’azote (NOx) formés dans les gaz de combustion. L’étude fournira des stratégies et des conditions d’exploitation permettant de gérer au mieux les risques associés à la combustion enrichie en oxygène dans les fours à chaux canadiens. 

La première étape de l’essai consiste à établir la situation opérationnelle de référence à l’usine, en mettant l’accent sur l’installation de caustification et le four à chaux. L’étude de référence comprend l’évaluation des charges opérationnelles clés des unités, l’analyse comparative de la performance à l’aide de données d’exploitation et d’essais en laboratoire, ainsi que l’identification d’améliorations à apporter aux procédés afin de garantir la sécurité et la réussite de l’essai. Parmi les équipements évalués, on retrouve les clarificateurs de liqueur, les dissolveurs à chaux, les caustificateurs, les filtres sous pression, les filtres à prérevêtement et les fours à chaux.  

Les études de référence réalisées dans des usines membres de FPInnovations ont mis en évidence la nécessité de réduire la variabilité dans divers flux de procédé, d’examiner attentivement l’impact de l’enrichissement en oxygène sur la charge des équipements, ainsi que la nécessité de mener des essais en laboratoire précis pour évaluer pleinement les effets de l’enrichissement en oxygène. FPInnovations collaborera avec des usines membres pour mettre en œuvre ces améliorations tout en poursuivant l’acquisition d’un module d’injection d’oxygène afin de mener l’essai en toute sécurité.