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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
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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
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Introduction
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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)
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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.
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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
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Exigences des papetières
pour les copeaux
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Classement
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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
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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
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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
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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
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Mesure en temps réel
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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.
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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
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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
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Système AQUA
Une application de la plateforme MFI
AQUA
CVM
CWS
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• 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.
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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
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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)
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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)
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Volume de copeaux sur le convoyeur
Volume de copeaux
Profil de copeaux sur le
convoyeur
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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
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Pesage sur bande Poids des copeaux
Profilomètre Volume des copeaux
Capteur de vitesse Vitesse de la courroie
CWS (Chip Weighing System)
Pesage sur bande
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Système CSS (Granulométrie – 3D) Épaisseur des copeaux
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Système CSS (Granulométrie – 3D) Répartition de la dimension des copeaux
5/8’’
3/8’’
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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
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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
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Détection des plastiques
Classificateur de couleur Bayesian
(a)
(b)
(c)
(d)
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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
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7-0
6-0
3
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7-0
6-0
4
200
7-0
6-0
5
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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
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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
(%)
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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
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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
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Applications de la mesure et
retour sur l’investissement
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CMS dans le procédé PTM
CMS
CSS
CWS
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CMS dans le procédé KRAFT
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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$/an.
Retour sur investissement = 5-6
mois
Procédé PTM
Mesure en temps réel de copeaux et optimisation de procédé
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Contrôle :
Taux de production
Dosage de alcali vs. fibre
Gain :
Augmentation du rendement de 1,1 %
Augmentation de la productivité de 12,9 %
Diminution des rejets de 0,4 %
Diminution du coût de production de 7,7 %
Diminution de consommation de liqueur blanche de 0,8 %
Une économie annuelle d’environ 1,1 M$
Retour sur investissement = 4 mois
Procédé Kraft (cuisson en discontinue)
Mesure en temps réel de copeaux et optimisation de procédé
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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
Mesure en temps réel de copeaux et optimisation de procédé
Procédé Kraft (cuisson en continue)
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Conclusion
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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).
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Merci.
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