Brevet FR2953227A1 — publié le 20110603

L'invention est relative à un procédé de séchage d'une bande de papier, sur une ligne de fabrication de papier. Le domaine de l'invention est celui de la fabrication du papier. Nous développons ci-après le contexte de la fabrication du papier afin de poser le problème que le procédé conforme à l'invention prétend résoudre. Aussi, les grandes étapes de la fabrication du papier sont : - la constitution d'un matelas fibreux et son essorage au moyen de presses, - le séchage du matelas essoré au moyen d'une sécherie. Bien souvent, une ligne de fabrication de papier comprend pour l'étape de séchage, une pré-sécherie et une post-sécherie entre lesquelles s'effectue une étape de mouillage et de laminage ayant pour objet d'améliorer l'état de surface de la bande de papier. Par la suite, et dans l'invention, le terme « sécherie » désigne indifféremment une « post-sécherie » ou une « pré-sécherie ». Après dilution et épuration d'une suspension fibreuse, cette dernière alimente un premier élément de la machine à papier : la caisse de tête. Cette caisse déverse un jet homogène de suspension sur une table de fabrication. Sur cette table, l'élimination de l'eau commence dès le déversement de la suspension fibreuse sur une toile. On utilise des organes d'égouttage produisant un vide croissant pour déshydrater la suspension. A l'entrée de l'unité de formation, la concentration de la suspension est de l'ordre de 10 g/I. En fin d'unité, la teneur en matière sèche des matelas fibreux est d'environ 20 %. Le matelas fibreux est alors suffisamment résistant pour être transféré dans une section de presse(s) à rouleaux servant à essorer la bande fibreuse. Lors du pressage, les fibreuses sont déformées et aplaties et 30 le contact inter-fibres s'améliore ; la cohésion du réseau fibreux est augmentée. A la sortie de la section de presse(s), la teneur en matière sèche de la feuille est comprise entre 40 et 50 %. D'un point de vue technique et économique prolonger l'essorage de la feuille n'est plus souhaitable. La bande de papier est alors acheminée vers la sécherie (pré-sécherie puis post-sécherie) ; la sécherie est constituée d'un système vapeur et eau condensée ainsi qu'un système aéraulique comprenant une hotte d'aspiration. Le système vapeur et eau condensée, désigné par la suite système « vapeur/condensat », comprend des cylindres de chauffage sur la surface desquels la bande de papier est plaquée. Ces cylindres sont aptes à tourner sur leur axe afin d'accompagner la bande lors de son défilement, sans glissement. Ces cylindres en fonte permettent de chauffer la bande de papier et sont alimentés à cet effet par de la vapeur proche de la saturation. L'eau condensée (condensat) qui est générée par la condensation de la vapeur dans le volume intérieur des cylindres est éliminée en continu par un système de siphon(s). Il existe un grand nombre de technologies différentes pour ces siphons, essentiellement fonction du domaine de vitesse de la machine à papier. On applique généralement un différentiel de pression aux bornes de ce siphon pour assurer un débit de vapeur de balayage qui permet de drainer l'eau condensée. La conception du système vapeur/condensat se doit, avant 20 tout, d'être adaptée aux différentes productions de la machine à papier et aux différentes phases de fonctionnement de celle-ci. Le système aéraulique comprend une hotte et permet d'éliminer les quantités d'eau évaporées par la sécherie dans le but d'assurer un séchage efficace. II permet de capter l'air chaud et humide qui est remplacé 25 par de l'air chaud et sec. A cet effet, le système comprend des ventilateurs de soufflage et des ventilateurs d'extraction installés sur la machine. Le séchage est assuré majoritairement par les cylindres de chauffage et le système vapeur/condensat associé. Le système aéraulique 30 contribue au séchage à hauteur de 10 à 15 % mais il est indispensable au bon fonctionnement de l'ensemble. Lorsque l'air ambiant dans la sécherie est saturé en humidité, le séchage n'est plus possible. Dans les sécheries aujourd'hui exploitées sur les lignes de fabrication de papier, le système aéraulique est généralement utilisé sans ajustement continu : on constate généralement que les ventilateurs de soufflage et les ventilateurs d'aspiration fonctionnent à leur régime nominal en permanence. Certains systèmes aérauliques sont toutefois équipés de capteurs mesurant l'humidité de l'air soufflé et de l'air extrait, dans le but d'assurer une régulation des ventilateurs. II est ainsi connu de réguler la vitesse de rotation des ventilateurs d'extraction et de soufflage en fonction du signal de ces capteurs d'humidité. Pour ce faire, il est admis et connu dans la profession que le fait de travailler à l'humidité la plus forte possible à l'extraction génère des économies d'énergie. On constate toutefois qu'une régulation se basant sur les signaux de capteur d'humidité n'est pas fiable. En effet, la majorité des capteurs d'humidité sont du type capacitif et de ce fait présentent une dérive dans le temps. En outre, on constate à l'usage que les fibres du papier colmatent les capteurs qui, périodiquement, doivent donc être changés ou recalibrés. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités en présentant un procédé de séchage générant des économies d'énergie électrique et thermique, et de manière fiable dans le temps. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. A cet effet, l'invention concerne un procédé de séchage d'une bande de papier sur une ligne de fabrication de papier comprenant une sécherie présentant une chambre de traitement au travers de laquelle ladite bande défile en continu, ladite sécherie comprenant : - un système condensat/vapeur comprenant des cylindres de chauffage, internes à ladite chambre de traitement, sur les surfaces desquelles la bande de papier est plaquée, chaque cylindre de chauffage présentant une entrée pour un fluide caloporteur constitué par de la vapeur d'eau sous pression et une sortie pour le fluide caloporteur ayant apporté de la chaleur audit cylindre de chauffage, notamment sous la forme de condensat et vapeur d'eau, - un système de soufflage et d'extraction permettant le soufflage d'air dans la chambre de traitement et l'extraction d'air humide à partir de la chambre de traitement, comprenant des moyens de ventilation, procédé dans lequel on modélise les échanges thermiques au niveau de la sécherie, et en temps réel - on établit un bilan de puissance du système vapeur/condensai , - on régule lesdits moyens de ventilation en fonction dudit bilan de puissance établi. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - la figure 1 est une vue schématique simplifiée illustrant les cylindres de chauffage du système vapeur/condensat sur lesquels défilent la bande de papier, ainsi que le système de soufflage et d'extraction conforme à l'invention (le nombre de zones d'extraction étant variable suivant les machines), - la figure 2 est une vue schématique simplifiée illustrant le système condensat/vapeur du cylindre de la figure 1, - la figure 3 est une copie d'écran de la modélisation d'un 25 bilan énergétique d'une sécherie divisée en sept zones. L'invention permet la régulation des moyens de ventilation du système de soufflage et d'extraction de la sécherie afin de maintenir l'humidité dans la sécherie à un niveau déterminé (à une valeur de consigne), dans le but de permettre le séchage de la bande de papier, tout en minimisant la 30 consommation énergétique de la sécherie. Ainsi, l'invention concerne un procédé de séchage d'une bande 1 de papier 2 sur une ligne de fabrication de papier comprenant une sécherie 3 présentant une chambre de traitement 4 au travers de laquelle ladite bande défile en continu. Ladite sécherie comprend essentiellement un système condensat/vapeur 5 illustré particulièrement selon un exemple à la figure 2 et un système de soufflage et d'extraction 9 illustré selon un exemple à la figure 1. Selon le schéma simplifié de la figure 2, le système condensat/vapeur 5 comprend des cylindres de chauffage 6, internes à ladite chambre de traitement 4 sur les surfaces desquelles la bande de papier est destinée à être plaquée. Il s'agit de cylindres 6 tournant sur leur axe afin d'accompagner la bande, sans glissement, lors de son défilement. Tel qu'illustré à la figure 2, chaque cylindre, notamment en fonte, présente une entrée 7 pour un fluide caloporteur constitué par de la vapeur d'eau sous pression, notamment proche de la saturation, et une sortie 8 pour le fluide caloporteur ayant apporté de la chaleur au cylindre de chauffage 6, notamment sous forme d'eau condensée et de vapeur. Dans ce cylindre 6, la vapeur transmet de la chaleur aux parois du cylindre dans le but de chauffer la bande de papier en contact avec la peau du cylindre. Du fait de l'échange thermique, cette vapeur se condense partiellement. Un différentiel de pression entre l'entrée 7 et la sortie 8 permet le balayage et l'évacuation des condensats. Le fluide à phase mixte (liquide/ vapeur) est évacué par la sortie 8 et conduit jusqu'à un ballon séparateur 14, 141, 142, qui permet de séparer l'eau liquide et la vapeur d'eau. Tel qu'illustré selon l'exemple de la figure 2, le système vapeur/condensat 5 peut être un système en cascade pour lequel le fluide à phase mixte en sortie des cylindres 6 de la zone repérée Z2 est acheminée dans le séparateur 141. Le séparateur 141 permet de séparer l'eau liquide de la vapeur d'eau, ladite vapeur étant alors acheminée à l'entrée 16 d'alimentation en vapeur des cylindres 6 de la zone Z1. La pression de la vapeur au point 15 d'alimentation de la zone Z2 est donc supérieure à celle du point 16 d'alimentation de la zone Z1. En aval du système en cascade, les condensats séparés dans le ballon séparateur 142 en sortie de la zone Z1 peuvent être acheminés via une conduite 17 vers le retour de la chaudière dont la fonction est de produire la vapeur d'alimentation pour les cylindres 6. La vapeur de revaporisation sortant du ballon séparateur 142 peut être acheminée par une conduite 18 vers un échangeur 19, illustré à la figure 1 du système de soufflage d'extraction, et ayant pour objet de réchauffer l'air neuf 10 avant son soufflage dans la chambre de traitement 4. Dans certains cas, la vapeur de revaporisatin est réutilisée par des thermo-compresseurs. Le système de soufflage et d'extraction 9 est illustré schématiquement, de manière simplifiée à la figure 1. Ce système permet le soufflage d'air 10 dans la chambre de traitement 4 et l'extraction d'air humide 11 à partir de la chambre de traitement 4 et comprend à cet effet des moyens de ventilation 12, 13. La chambre de traitement 4 est le lieu de la sécherie où se produit l'évaporation de l'eau contenue dans le papier. Il s'agit généralement d'une chambre perméable à l'air, « ouverte » ou « semi-ouverte », autorisant l'infiltration d'air, notamment matérialisée au niveau de sa partie supérieure par une hotte 21 du système de soufflage et d'extraction. Les moyens de ventilation peuvent être constitués de ventilateurs 13 propres au système de soufflage et de ventilateurs 12 propres au système d'extraction. Afin de minimiser les pertes énergétiques, l'air chaud et humide sortant de la hotte 21 peut traverser un échangeur 22 et permettre de réchauffer l'air entrant 90. Cet air entrant 90 peut encore être réchauffé grâce à plusieurs échangeurs dont l'un 19 a été précédemment développé, alimenté par le reste de vapeur non condensé du système vapeur/condensat. De manière avantageuse, il peut être prévu des moyens de ventilation indépendants et notamment des ventilateurs d'extraction indépendants, voire des ventilateurs de soufflage pour chaque zone Z1, Z2 de la sécherie, qui peuvent être pilotés de manière indépendante. Selon l'invention, la valeur de consigne d'humidité n'est pas comparée à un taux d'humidité obtenu directement par un capteur, notamment capacitif, susceptible de dérive et d'encrassage, mais au contraire comparée à un taux d'humidité estimé qui est obtenu indirectement, par calcul à partir d'un bilan de puissance du système vapeur/condensat 5. Selon le procédé conforme à l'invention, une première étape du procédé consiste donc à modéliser les échanges thermiques au niveau de la sécherie. A partir de cette modélisation, il est possible, en temps réel d'établir un bilan de puissance du système condensat/vapeur 5 et de réguler lesdits moyens de ventilation 12 en fonction dudit bilan de puissance établi. Le bilan de puissance est construit et calculé en continu sur la base de mesures de débits massiques mis en oeuvre pour le système vapeur/condensat. A cette fin, des débitmètres 23, 24, 25 notamment peuvent être installés pour connaître, notamment, la consommation de vapeur et la répartition des condensats sur les différents ballons séparateurs 141, 142. Peuvent être également mesurées les différentes consommations de vapeur pour le système de soufflage et d'extraction 9 notamment au moyen du débitmètre 25. Ces différentes mesures permettent ainsi de construire un bilan énergétique en ligne pour le système condensat/vapeur comprenant notamment les éléments suivants - la quantité d'eau évaporée, la quantité de papier produite, - la siccité de la bande de papier en entrée de la sécherie, - le ratio de consommation pour le système vapeur/condensat (tonne de vapeur/tonne de papier produit), - le ratio de consommation pour le système condensat/vapeur et le système aéraulique (tonne de vapeur/tonne d'eau évaporée). Il peut notamment s'agir d'un bilan partiel par zone Z1 ; Z2. A partir de ces bilans partiels, il peut être possible de calculer la répartition de l'évaporation pour chacune des zones Z1, Z2. Sur la base de cette répartition, peuvent être définies autant de zones de soufflage et d'extraction qui sont régulées de manière indépendante (non illustrées). Les quantités d'eau évaporées calculées sont utilisées pour piloter les ventilateurs 12, 13 des moyens d'extraction selon un ratio prédéfini entre le soufflage et l'extraction. A cette fin, des variateurs de fréquence (VFD) peuvent être installés sur les ventilateurs 12, 13. Les vitesses des ventilateurs sont régulés afin de respecter une valeur de consigne du taux d'humidité dans la sécherie par comparaison avec le taux d'humidité calculé, déterminé à partir des quantités d'eau évaporées calculées. Aussi, selon l'exemple précédent, lesdits moyens de ventilation comprennent des ventilateurs et on régule lesdits moyens de ventilation en 10 contrôlant la vitesse de rotation des pales de chaque ventilateur. Alternativement, les moyens de ventilation peuvent comprendre, outre les ventilateurs, un ou plusieurs dispositif(s) tel(s) que des volets inclinables (inclinera), permettant d'induire une perte de charge variable sur le flux d'air généré par les ventilateurs. Il est ainsi possible de réguler 15 lesdits moyens de ventilation en contrôlant la perte de charge dudit dispositif, par exemple en inclinant plus ou moins un volet inclinable. Le cas échéant, les deux techniques peuvent être combinées, la régulation se faisant en contrôlant les vitesses de rotation des ventilateurs et en contrôlant la perte de charge induite par ledit dispositif. 20 Le procédé conforme à l'invention permet d'assurer l'humidité demandée (la valeur de consigne) notamment à plus ou moins 5 grammes près par kilogramme et sans dérive. Le procédé peut impliquer l'installation d'un ordinateur qui échange des informations avec le système de supervision ou de contrôle de la sécherie. Cet ordinateur embarque un logiciel en temps 25 réel sur lequel sont modélisés les échanges thermiques de la sécherie, et sur lequel est établi le bilan de puissance (voir figure 3). Ce logiciel transmet le résultat du calcul au système de contrôle permettant le contrôle des ventilateurs 12, 13 du système de soufflage et d'extraction, et plus particulièrement les variations de fréquences. 30 Naturellement, d'autres modes de réalisation auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les REVENDICATIONS1. Procédé de séchage d'une bande (1) de papier (2) sur une ligne de fabrication de papier comprenant une sécherie (3) présentant une chambre de traitement (4) au travers de laquelle ladite bande (1) défile en continu, ladite sécherie (3) comprenant : - un système condensat/vapeur (5) comprenant des cylindres de chauffage (6), internes à ladite chambre de traitement (4), sur les surfaces desquelles la bande (1) de papier est plaquée, chaque cylindre de chauffage (6) présentant une entrée (7) pour une fluide caloporteur constitué par de la vapeur d'eau sous pression et une sortie (8) pour le fluide caloporteur ayant apporté de la chaleur audit cylindre de chauffage (6), notamment condensat et vapeur d'eau, - un système de soufflage et d'extraction (9) permettant le soufflage d'air neuf (10) dans la chambre de traitement (4) et l'extraction d'air humide (11) à partir de la chambre de traitement (4), comprenant des moyens de ventilation (12,13), procédé dans lequel on modélise les échanges thermiques au niveau de la sécherie (3), et en temps réel : - on établit un bilan de puissance dudit système 20 condensat/vapeur (5), - on régule lesdits moyens de ventilation (12) en fonction dudit bilan de puissance établi. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel, en temps réel: - on calcule la quantité d'eau évaporée par les cylindres de 25 chauffage (6) à partir dudit bilan de puissance établi et on calcule un taux d'humidité dans ladite chambre de traitement (4), - on prévoit une valeur de consigne du taux d'humidité, - on régule lesdits moyens de ventilation (12,13) en fonction de ladite valeur de consigne du taux d'humidité et du taux d'humidité calculé. 30 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel - on divise la sécherie en plusieurs zones (Z1,Z2),présentant chacune un ou plusieurs cylindres (6), - on établit un bilan de puissance, partiel, pour chaque zone (ZI,Z2), - on prévoit des moyens de ventilation indépendants, pour 5 chaque zone (Z1,Z2), - on régule de manière indépendante les moyens de ventilation associés à chaque zone, en fonction du bilan de puissance partiel associé. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel lesdits moyens de ventilation comprennent des ventilateurs et on régule lesdits 10 moyens de ventilation au moins en contrôlant la vitesse de rotation des pales desdits ventilateurs. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel lesdits moyens de ventilation comprennent, outre des ventilateurs, un dispositif permettant d'induire une perte de charge variable sur le flux d'air généré par 15 lesdits ventilateurs et on régule lesdits moyens de ventilation au moins en contrôlant la perte de charge induite par ledit dispositif.