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Ateliers-conférences sur la transformation du bois

Feng Ding, ing., Ph. D.

Méthode de classement et exigences des papetières pour les copeaux

Agent de recherche

Le 27 novembre 2015


Plan de présentation

1. Introduction

2. Exigences des papetières pour la qualité de copeaux

3. Classement de la qualité de copeaux

4. Mesure en temps réel de la qualité de copeaux

5. Applications de la mesure et ROI

6. Conclusion


Introduction


Bois et papier Au cours de la mise en pâte et la fabrication du papier, les fibres sont libérées de leur

structure originale (bois) et sont réarrangées en une nouvelle structure (le papier)


Copeaux du bois

La propriété la plus importante des copeaux est leur uniformité,

mais le bois et les copeaux sont très variables :

Essences

Densité basale

Densité en vrac

Dimensions des copeaux

Teneur en humidité

Blancheur

Pourcentage d’écorce

Pourcentage des défauts naturels

Autres propriétés physiques du bois

Comme la matière première de la fabrication de pâtes et papiers, la qualité de copeaux dépend des exigences du procédé de mise en pâte et du type de papier fabriqué.


Sources des variations de copeaux

À l’intérieur des arbres :

Conditions de croissance

Teneur en humidité

Bois juvénile* vs mature

Branches*

Nœuds *, résine * et poches de résine *, moelle *, coloration *, pourriture* et carie*

Entre les arbres (mêmes essences) :

Effets de site et génétique

Entre les arbres (essences différentes) :

Effets des essences

Fabrication de copeaux :

Granulométrie

Vieillissement (blancheur)

Pourcentage des écorces

Pourcentage des défauts naturels

Pourcentage des contaminants

*Généralement indésirable pour la pâte


Exigences des papetières

pour les copeaux


Granulométrie

L’uniformité de la dimension des copeaux Elle est très importante si on veut utiliser de façon efficace les produits

chimiques de mise en pâte et de blanchiment.

Les gros copeaux Ils ne cuisent pas complètement et produisent de nombreuses bûchettes (en

particulier les trop épais dans le Kraft et trop longs dans le PTM).

Les petits copeaux et les aiguilles Ils bouchent le système de circulation de la liqueur.

Ils consomment une grande quantité de produits chimiques.

Ils réduisent le rendement.

Ils affaiblissent la pâte.

Les aiguilles peuvent aussi provoquer des arrêt accidentels de la machine.

Dans le procédé Kraft L’épaisseur des copeaux est primordiale.

Dans le procédé PTM La longueur des copeaux est importante, mais l’uniformité de la répartition

granulométrique l’est encore plus.


Écorce

Elle contient très peu de fibres utilisables.

Elle consomme plus de produits chimiques durant les étapes de mise en pâte et de blanchissage.

Elle réduit la qualité de la pâte.

Elle diminue le rendement.

Dans le procédé Kraft

Elle forme des tâches noires dans le produit fini à cause d’une délignification incomplète.

Dans le procédé PTM

Elle produit une pâte plus sombre qui ne peut être blanchie, car la lignine n’est pas éliminée.

Elle est source de contaminants dans le système de récupération tels que le calcium, la silice ou l’aluminium.

Elle introduit dans la pâte des sclérites et des débris de roche qui causent des spots transparents dans certaines qualités de papier.


Teneur en humidité

La teneur en humidité est un indice de fraîcheur du bois qui, à

son tour, à un effet sur la brillance de la pâte.

La fibre sèche rétrécie et les produits chimiques ne peuvent plus

la pénétrer par capillarité, le bois doit donc avoir une teneur

minimum en humidité pour laisser les canaux dilatés.

Dans le raffineur, la fibre sèche est plus facile à casser par les

actions mécaniques de défibrassions qui génère une grande

portion de fibre courte.


Défauts naturels

Les nœuds :

Extrêmement durs et denses

Haute teneur en lignine

Couleur foncée

Fibre à paroi épaisse

Cuisson incomplète, se retrouvent dans les rejets

Provoquent l’amalgame des fibres dans la pâte

La résine et les poches de résine causent des points noirs dans la pâte.

La moelle a une structure très différente de celle du bois.

La coloration réduit la brillance de la pâte mécanique.

La pourriture et la carie :

Détruit la fibre

Demande plus de liqueur blanche dans le procédé Kraft

Demande plus d’acide dans le procédé au sulfite

Donne une pâte moins brillante

Provoque des erreurs dans le contrôle de la cuisson

Diminue le rendement de la pâte


Densité basale et en vrac

Densité basale :

Elle indique le qualité de fibre de bois présente par unité de

volume.

Elle peut être facilement corrélée au comportement de la fibre.

Densité en vrac :

Elle influence la qualité de bois que peut contenir le lessiveur.

Elle influence l’homogénéité de la cuisson en provoquant une

résistance à la circulation de la liqueur dans le lessiveur.

Elle influence le débit de masse sèche dans le raffineur, la

qualité de pâte (l’indice d’égouttage, la longueur de fibre), et

l’énergie spécifique, etc.

Il est important qu’elle soit constante.


Essences et fraîcheur

Essences est une variable importante pour le procédé de mise en

pâte :

Pour le procédé Kraft, cette variation causera une variation de la

teneur en lignine.

Pour le procédé PTM, cette variation affectera la qualité de pâte

(l’indice d’égouttage et la longueur de fibre) et l’énergie spécifique.

Le fraîcheur de copeaux est très importante pour le procédé PTM :

En vieillissant, les copeaux ont tendance à être décolorés par la

carie et l’oxydation.

Les pâtes sont coûteuses à blanchir et ne peuvent être blanchies

que jusqu’à un certain degré par les produits chimiques usuels,

ainsi il est nécessaire d’utiliser des copeaux très frais, en général

de moins de deux semaines.


Classement


Classement au niveau de la gestion de fournisseurs

et de cours à bois

Action :

Séparation par essences, fournisseurs, régions, etc.

Entreposage séparément en silos cylindriques ou compartiments de silo en A ou piles extérieures.

Contrôle de la vitesse de chaque vis de récupération.

Bande doseuse.

Coopération active avec vos fournisseurs.

Avantages :

Stabilité améliorée des procédés.

Augmentation de production.

Propriétés physiques des produits améliorées.

Rendement augmenté de pâte chimique.

Moins de consommation des produits chimiques et de l’énergie.

Amélioration de l’uniformité des copeaux


Définition de la qualité de copeaux

Uniformité des caractéristiques de copeaux :

Granulométrie.

Teneur en humidité.

Densité basale et densité en vrac.

Blancheur et fraîcheur.

Essences, etc.

Limitations liées à la production et à la qualité de produit sur les pourcentage de :

Écorce.

Défauts naturels.

Contaminants.

Vieux copeaux.

Copeaux secs.

Fines, etc.

Un indice de qualité résume plusieurs caractéristiques en assignant à chacune un poids qui représente son importance relative.

𝑄 = 𝑎𝑖 × 𝑉𝑖 + 𝐶

𝑛

𝑖=1

La définition de la qualité de copeaux liée au type de produit, au

type de procédé et à la demande du marché


Qualité de copeaux vs coût de production

Critères de performance, J

Coût de copeaux

Coût d’opération

Coût de production

Contrainte de la qualité de pâte

Point optimal


Indice de qualité

Critères de performance, J

uk = paramètres opératoires

xk = mesures de qualité de copeaux

(xk,k) = ensemble des consignes

Indice de qualité, Q

ai = coefficients de pondération

V = mesures des variables de copeaux

n = nombre de variable

C = constante


Mesure en temps réel


Mesure pour calculer l’indice de la qualité de copeaux

Pour différents procédés, différents types de produit et

différentes demandes du marché, les exigences des qualités de

copeaux pourraient être différentes (ai et C).

Dans le calcul de l’indice de la qualité de copeaux, la mesure en

temps réel des caractéristiques de copeaux (Vi) est une entrée

importante.

Le CRIQ a développé des systèmes de mesure en temps réel

pour la qualité de copeaux depuis 17 ans et plusieurs

installations dans différentes usines ont démontré des grandes

économies liées à la mesure et le contrôle de la qualité de

copeaux.


Fusion multi-capteurs et intégration de systèmes

intelligents (MFI)

• Pourquoi MFI ?

L’imprécision associée aux données initiales issues des différents

capteurs.

La capacité limitée de ces derniers de n’observer qu’une partie de

l’environnement global considéré.

• C’est quoi la fusion multi-capteurs ?

La fusion d’informations consiste à combiner des informations issues de

plusieurs sources afin d’améliorer la prise de décision.

• Comment fusionner ?

La fusion de données qui correspond à une acquisition d’informations

directement depuis les capteurs.

La fusion de caractéristiques qui correspond à la fusion de

caractéristiques extraites directement des données issues des capteurs.

La fusion de décisions liée à la fusion d’informations correspondant à

la formulation d’hypothèses issues d’un expert ou d’un système comme

pour le cas d’un classificateur.

La technologie de MFI est une clé du système multi-capteurs


Systèmes AQUA et CMS

Concept de MFI

Profilomètre Spectromètre Système de pesée

Encodeur

Micro-ondes

Neutron rapide Rayons X Ultrasonique

Plateforme MFI

Optimisation

de procédé Procédé

Caméra


Système AQUA

Une application de la plateforme MFI

AQUA

CVM

CWS


• Module d’acquisition :

Senseur proche infrarouge Caméra couleur Spectromètre visible Système de pesée Système volumique

• Module d’analyse :

Teneur en humidité

Densités

Débits massique et volumique

Système CMS et AQUA

Fusion de multi-capteurs et intégration

• Module auxiliaire :

Senseur température

Senseur température et humidité

relative de l’air

Senseur distance

Caméra

Encodeur • Module de représentation et communication :

Interface homme-machine

Base de données

Représentation des données

Protocole de communication : OPC

Communication à distance : Teamviewer, etc.


Système de mesure en temps réel de la

qualité de copeaux*

Systèmes CMS et AQUA

CWS + CVM (Chip Weighing & Volume System)

Bark

Système de mesure de qualité de copeaux

CMS ou AQUA (Chip Measurement System)

Blancheur

Humidité en surface

Humidité moyenne

Indice d’écorce

Détection de plastiques

Masse humide

Vitesse de courroie

Poisition de vis

Densité basale

Volume

Densité en vrac humide

CSS (Chip Sizing System)

Profilo mètre

Copeaux gélés

Humidité de copeaux

Densité en vrac séche

Modèle de calcul

Indice de dimension

Gros Copeaux

Petits copeaux

* Patented


NIR: Température

de copeaux

RGB Caméra ou spectromètre visible :

Information de couleur de copeaux

NIR: Humidité en surface Humidité en surface corrigée

Humidité relative

de l’air

Vitesse de l’air

Température

de copeaux

Température

de l’air

Humidité moyenne

Modèle

phénoménologique

Mesure de la teneur en humidité

Multisensor Fusion and Integration (MFI)


43,9 44,3

46,0 45,8

47,0

46,2

46,8

46,0 46,4

45,3

48,2

46,5

45,5

45,4

46,4 46,4

47,1 47,0

47,4 47,4 47,2

46,7

47,4

47,8

43

44

45

46

47

48

49

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Échantillonnage

Ten

eu

r en

hu

mid

ité (

%)

Humidité Lab. Humidité Mesurée

La teneur en humidité Résultats de la mesure en temps réel (±1,5% pour une mélange

des essences inconnue de copeaux)


Volume de copeaux sur le convoyeur

Volume de copeaux

Profil de copeaux sur le

convoyeur


CWS (Chip Weighing System)

Cellules de charge

• Cellules de charge Poids des copeaux

• NIR Hauteur de lit des copeaux

Senseur volumique

• Encodeurs Vitesse de la courroie

Position de la vis de

déchargement des copeaux


Pesage sur bande Poids des copeaux

Profilomètre Volume des copeaux

Capteur de vitesse Vitesse de la courroie

CWS (Chip Weighing System)

Pesage sur bande


Système CSS (Granulométrie – 3D) Épaisseur des copeaux


Système CSS (Granulométrie – 3D) Répartition de la dimension des copeaux

5/8’’

3/8’’


Granulométrie de copeaux

Conversion de la mesure en pixels au poids sec

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of Fines

M2.YVarPS(Fines)

M2.YPredPS[2](Fines)8

10

12

14

16

18

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of Pines

53

55

57

59

61

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of <20mm

15

20

25

30

35

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of > 20mm

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of Overthick

0

0,5

1

1,5

2

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27

% of Oversize


y = 0.0001x + 0.0062

R2 = 0.9879

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Bark Weight (g)

% B

ark

(p

ixe

l)

Pourcentage des écorces

Indice d’écorce en utilisant un classificateur de couleur Bayesian


Détection des plastiques

Classificateur de couleur Bayesian

(a)

(b)

(c)

(d)


Signaux de la mesure du CMS

36

20

25

30

35

40

45

50

200

7-0

6-0

1

200

7-0

6-0

2

200

7-0

6-0

3

200

7-0

6-0

4

200

7-0

6-0

5

200

7-0

6-0

6

200

7-0

6-0

7

200

7-0

6-0

8

200

7-0

6-0

9

200

7-0

6-1

0

200

7-0

6-1

1

Sampling Date

Tem

pera

ture

(°C

)

42

44

46

48

50

52

54

Mo

istu

re (

%)

an

d B

rig

htn

ess

380

390

400

410

420

430

440

2007-0

6-0

1

2007-0

6-0

2

2007-0

6-0

3

2007-0

6-0

4

2007-0

6-0

5

2007-0

6-0

6

2007-0

6-0

7

2007-0

6-0

8

2007-0

6-0

9

2007-0

6-1

0

2007-0

6-1

1

Sampling Date

Ba

sic

De

nsit

y (

kg

/m^

3)

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

Mo

istu

re C

on

ten

t (%

)

260

270

280

290

300

310

320

200

7-0

6-0

1

200

7-0

6-0

2

200

7-0

6-0

3

200

7-0

6-0

4

200

7-0

6-0

5

200

7-0

6-0

6

200

7-0

6-0

7

200

7-0

6-0

8

200

7-0

6-0

9

200

7-0

6-1

0

200

7-0

6-1

1

Sampling Date

Bu

lk D

en

sit

y (

kg

/m^

3)

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48M

ois

ture

Co

nte

nt

(%)

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151 157 163

Feuillus Pin gris Épinette

Identification de l’échantillon

Fra

îch

eur

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 97 103 109 115 121 127 133 139 145 151 157 163

Feuillus Pin gris Épinette

Identification de l’échantillon

Fra

îch

eur

Collecte, analyse et interventions

auprès des fournisseurs Amélioration de

la fraîcheur des

copeaux livrés


Calcul de l’indice de la qualité de copeaux

Structure de la modélisation

Modélisation Critère de performance, J

Mesures en Lab.

Indice de la qualité des copeaux, Q

Paramètres opératoires

Consignes

Mesures du CMS, Vi

Expérience d’opération

Poids, ai

Constante, C


Applications de la mesure et

retour sur l’investissement


CMS dans le procédé PTM

CMS

CSS

CWS


CMS dans le procédé KRAFT


Système de contrôle rétroactif

stabilise la densité basale de

copeaux et la réduction de

variabilité est environ 37 %.

Réduction de 10 % de la variabilité

de charge de moteur.

Réduction de 34 % de la variabilité

de débit de rejets.

Avec la stabilisation sans optimiser

les contrôles du raffinage, le gain

énergétique est environ 2,1 %, ce qui représente 900 k$/an.

Retour sur investissement = 5-6

mois

Procédé PTM

Mesure en temps réel de copeaux et optimisation de procédé


Contrôle :

Taux de production

Dosage de alcali vs. fibre

Gain :

Augmentation du rendement de 1,1 %

Augmentation de la productivité de 12,9 %

Diminution des rejets de 0,4 %

Diminution du coût de production de 7,7 %

Diminution de consommation de liqueur blanche de 0,8 %

Une économie annuelle d’environ 1,1 M$

Retour sur investissement = 4 mois

Procédé Kraft (cuisson en discontinue)



Contrôle :

Taux de production

Dosage de alcali vs. fibre

Gain :

Réduction du coût de la ligne de

soufflage : 240 000 $/an

Augmentation du rendement :

384 000 $/an

Augmentation de la productivité :

745 000 $/an

Réduction de la consommation de

ligueur blanche : 260 000 $/an

Un surplus de consommation d’agent

de blanchement : -700 000 $/an

Économie totale = 928 000 $/an pour

un taux de production 1 200 t/j

Retour sur investissement = 8-9 mois


Procédé Kraft (cuisson en continue)


Conclusion


Conclusion

Exigences des papetières pour la qualité de copeaux liée à la

qualité de pâtes et papiers, associée au coût de production.

La définition de la qualité de copeaux liée au type de produit, au

type de procédé et à la demande du marché, donc nous avons

introduit un indice de qualité de copeaux pour le classement de

copeaux.

Les mesures en temps réel des caractéristiques de copeaux

sont des entrées pour calculer l’indice de qualité de copeaux.

Les applications de ces mesures dans les usines de pâtes et

papiers ont démontré une grande économie et le ROI souvent

quelques mois (inférieur un an).


Merci.

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