Apostila do Curso bas. de fab. Celulose - Abril 2011

FABRICAÇÃO DE CELULOSE KRAFT
BRANQUEADA DE MERCADO
DA FLORESTA AO PRODUTO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
FABRICAÇÃO DE CELULOSE KRAFT BRANQUEADA DE
MERCADO - DA FLORESTA AO PRODUTO
CONTEÚDO
• Objetivo do Curso
• Introdução ao Setor de Celulose
• Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
• Linha de Fibra
• Linha de Recuperação
• Controle Ambiental
• Controle de Processo e Qualidade do Produto
• Considerações finais e discussão
• Avaliação
FABRICAÇÃO DE CELULOSE KRAFT BRANQUEADA
DE MERCADO - DA FLORESTA AO PRODUTO
Objetivo do Curso
Fornecer informações gerais sobre fabricação de
celulose branqueada - da floresta ao produto
para:
• melhoria de desempenho individual,
• suporte a competência da empresa e/ou
• atualização profissional.
INTRODUÇÃO AO SETOR DE CELULOSE
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Introdução ao Setor de Celulose
Setor de Celulose e Papel
• Conjunto de empresas que fabricam celulose e papel a
partir de espécies vegetais fibrosas e/ou de papeis
reciclados.
• Foco na eficiência, segurança, menor custo de fabricação,
melhor qualidade, mínima poluição, harmonia com o meio
social e retorno financeiro atrativo para os acionistas.
• Custo variável de produção de celulose
• Componentes principais do custo: Madeira, energia,
vapor, químicos e mão de obra.
• Madeira incide em cerca de 40% do custo variável
Introdução ao Setor de Celulose
Produtos principais do setor de celulose e papel
Pasta (ou polpa)
• Pasta Química marrom ou branqueada (Kraft, Soda, Sulfito),
• Pasta Semi-química
• Pasta de Alto Rendimento (PAR) - SGW, PGW, RMP,
TMP, CMP, CTMP, BCTMP.
Papeis
• Papeis de imprimir e escrever
• Papeis de embalagem (papel, cartolina, cartão, etc.)
• Papeis absorventes (tissue) (papeis higiênicos, guardanapos,
lenços, etc.)
• Papeis especiais(base para carbono, cigarro, crepados, etc.)
PROCESSO KRAFT
Informações relevantes do Setor de Celulose e Papel
Ref.: Informe Anual - 2010 - www.bracelpa.org.br
7
PROCESSO KRAFT
Maiores Produtores Mundiais de Celulose e Papel - 2008
8
Ref.: Informe Anual - 2010 - www.bracelpa.org.br
PROCESSO KRAFT
Ref.: Informe Anual - 2007 - www.bracelpa.org.br
9
PROCESSO KRAFT
Destino das Exportações Brasileiras de Celulose - 2010
Ref.: Informe Anual - 2010 - www.bracelpa.org.br
10
Introdução ao Setor de Celulose
Fábrica de Celulose típica:
 Linha de Fibra – recepção de madeira, preparação da
madeira, polpação, lavagem, branqueamento, secagem e
expedição.
 Linha de Recuperação: (lavagem da polpa marrom),
evaporação, caldeira de recuperação e caustificação/forno de
cal.
 Linha de Utilidades: Tratamento de água e efluente,
Produção de químicos e ar comprido, etc.
PROCESSO KRAFT
Evolução da Produtividade das Florestas Plantadas no Brasil
12
Ref.: Informe Anual - 2010 - www.bracelpa.org.br
Introdução ao Setor de Celulose
Vantagens observadas pelo setor:
• Clima favorável
• Produtividade dos reflorestamentos,
• Qualidade da matéria prima,
• Baixo custo de produção,
• Extensão territorial
• Água
• Fomento florestal,
• Tecnologia,
• Demanda interna e externa
Introdução ao Setor de Celulose
Desvantagens enfrentadas pelo setor
• Capital intensivo
• Distância do mercado,
• Mercado competitivo,
• Custos de transporte,
• Juros
• Proteção tarifária,
• Condicionantes ambientais (ECO- LABELS, ECO• AUDIT, BS 57750, Normas ISO 14000, Agenda 21)
• como:
• manejo florestal,
• uso de cloro elementar (ECF/TCF),
• poluição (cheiro, descartes, etc.),
• reciclagem
• ONGS (Organizações Não-Governamentais/INTERNET)
Introdução ao Setor de Celulose
Setor de celulose e Papel – 2003-2016
Panorama do setor
• Investimentos previstos no período – US$ 14,4 bilhões.
• Custo de Investimento = US$ 750 – US$1.000 /t celulose .
• Baixo custo de fabricação (florestas de rápido crescimento)
• Mercados: MERCOSUL, ALCA, NAFTA, CE e Ásia.
Introdução ao Setor de Celulose
Setor de celulose e Papel – 2003-2016 (cont.)
Perspectivas
• Demanda mundial crescerá 2,7% para celulose (4,5% para
fibra curta) e 2,2% para papel e papelão.
• Investimentos previstos (Fibria – Unidade Aracruz, Suzano e
Veracel
• Aumento da competição internacional
• Associações nacionais:
• BRACELPA
• ABTCP
MATÉRIAS PRIMAS FIBROSAS E QUÍMICA DA MADEIRA
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
•
•
•
•
•
CONTEÚDO
Introdução
Florestas Plantadas
Primas Fibrosas
Morfologia da Madeira
Química da Madeira
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Introdução aos materiais fibrosos
• Fibras vegetais
• Madeira (Árvore) – de florestas plantadas (Eucalyptus,
Pinus)
• Fibras recicladas – aparas
• Não-madeira: algodão, sisal, bagaço-de-cana, bambú,
linho, juta, ramí, crotalária, abacá, carnaúba (folhas),
cânhamo, bananeira (pseudo-caule), palhas de cereais
• Fibras animais - Lã
• Fibras minerais - Asbestos, Vidro
• Fibras artificiais - Rayon (Celulose regenerada), Nylon
Poliamidas), Orlon (Poliacrílicos) e Dacron (Poliesters).
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
DESTAQUE
Madeiras
• Madeira de Coníferas - Fibra longa
• Madeira macia – softwood - Pinus taeda e elliottii,
Araucaria Angustifolia e outras (no Brasil).
• Estrutura anatômica mais simples
• Fibras longas: 3-6mm
• Traqueídeos e Parênquimas
• Constituição Volumétrica: 90-95% traqueídeo
5-10% parênquimas
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
• Madeira de Folhosas – Fibra curta
• Madeira mais dura – Hardwood – Eucalipto: E. grandis, E.
urophylla, E urograndis, Acácia, etc. (espécies introduzidas no
Brasil)
• Maioria das madeiras nativas brasileiras
• Vegetais mais evoluídos
• Estrutura anatômica complexa
• Fibras curtas: 0,5 a 1,5mm
• Constituição Volumétrica: Fibras – 60%
Parênquimas – 20%
Vasos – 20%
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Fatores importantes ligados a utilização de madeira na
produção de pasta celulósica:
• Características das fibras (comprimento, largura, espessura
de parede, etc.)
• Segurança no fornecimento
• Homogeneidade (p.ex., Densidade Básica, retidão de fuste)
• Custo da madeira posta na fábrica (exploração e transporte)
• Tipos de produtos a partir do mix de madeira posto fábrica
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Floresta Plantada e Manejo Florestal
• Programas de Melhoramento Florestal via reforma e/ou rebrota
• Intensa atividade silvicultural (reconhecida mundialmente)
• Diversas áreas de manejo florestal no entorno da fábrica
• Área de manejo formada de talhões de espécies e/ou híbridos
• Talhões de 10 - 50 hectares
• Espaçamento entre árvores = 3,0m x 3,0m (p.ex.)
• Árvores por hectare = 1100 árvores
• Rotação = 5 - 7 anos
• Madeira recebida na fábrica em toras com ou sem casca ou cavacos.
(toras de comprimento variando entre 2,40 – 6,0 m)
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Floresta Plantada e Manejo Florestal (cont.)
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
TRONCO DA ÁRVORE
Proteção
Degradação
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
TRONCO DA ÁRVORE
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Floresta Plantada - Manejo Florestal (cont.)
• Equilíbrio entre as demandas ou programas de florestas diferenciadas
para produtos diferenciados: carvão, madeira serrada, fabricação de
celulose, etc.
• Manutenção de Florestas Naturais: Habitat natural da vida selvagem,
proteção das nascentes, recreação, paisagem e produção.
• Florestas diferenciadas de alta produtividade (incremento médio anual)
Eucalipto - IMA > 40m3/ha.ano / Pinus – IMA > 25 m3/ha.ano
•
•
Área de florestas plantadas = 5,2 milhões de hectares = 0,5% da área
do Brasil (Eucalipto - ES = 204.035 ha e MS = 113.432 ha).
% do total = China, Índia, Rússia, USA, Japão, Indonésia e Brasil com
respectivamente, 23,5 – 17,0 - 9,0 – 8,5 – 5,6- 5,1 e 2,7 %.
Ref.:Anuário Estatístico da ABRAF -2006 /2005
Morfologia da madeira e da fibra - macroscópica
ÁRVORE
Morfologia da madeira e da fibra - macroscópica
Tronco de Madeira: Casca - Alburno - Cerne
Morfologia da madeira e da fibra - macroscópica
Cortex
Floema
Cambio
Alburno
Cerne
Morfologia da madeira e da fibra - microscópica
Seção Transversal
Seção Radial
Seção Tangencial
Planos Transversal, Tangencial e Radial do Tronco
Morfologia da madeira e da fibra - macroscópica
Cavacos
Morfologia da madeira e da fibra - microscópica
Vasos
Fibras
Folhosa (Hardwood) - Eucalipto
Fibra de Lenho Cedo (Springwood)
Fibra de Lenho Tardio (Summerwood)
Função
Condução
Suporte
Conífera (softwood) – Pinus
Coníferas (Softwood) – Pinus Folhosas (Hardwood) - Eucalipto
Fibras
Vasos
Fibras
Fibras
Morfologia da madeira e da fibra - microscópica
Fibras e vasos
Vaso
Fibra
Estrutura fibrilar
Morfologia da madeira e da fibra - microscópica
Estrutura da Fibra (traqueídeo)
A célula fibrosa (fibra) é composta de várias camadas
S3
S2
Parede Secundária
S1
Parede Primária
Lamela Média
Morfologia da madeira e da fibra
Estrutura de uma fibra (traqueídeo)
O
B
A
HO
HO
O
OH
O
OH
OH
O
HO
O
HO
E
HO
O
C
OH
O
OH
OH
Fibra
O
HO
O
D
HO
HO
O
OH
Molécula de celulose
Morfologia da madeira e da fibra – microscópica
Estrutura do papel
Morfologia da madeira e da fibra – microscópica
Pine
a) Folha de papel em perspectiva
b) Corte transversal da folha
c) Vista de topo da folha
c1) Sem refino
c2) Com refino
Química da Madeira
Componentes Químicos da Madeira
Componentes principais da madeira
 Celulose (polímero)
 Lignina
 Hemicelulose (polímero)
 Componentes secundários
Extrativos – Breu, Terebentina, etc.
Inorgânicos – Ferro, Cálcio, Manganês, etc.
 Seus comportamentos são importantes quando se
 tenta converter a árvore em material fibroso para
 usá-los na fabricação de papéis diversos



Química da Madeira
Composição Química Média de madeira
Componente
• Celulose
• Hemiceluloses
• Glicomananas
• Xilanas
• Ligninas
• Extrativos
• Componentes Inorgânicos
Coníferas (%) Folhosas (%)
40 - 45
40 - 45
20
10
25 - 30
4 – 10
0,2 - 0,3
5
20 - 30
20 - 25
1-4
0,4 - 0,5
Química da Madeira
Estrutura Molecular da Celulose
HO
HO
CH2OH
O
OH
OH
HO
O
CH2OH
O
CH2OH
O
HO
O
OH
OH
HO
O
OH
CH2OH
n = 1-10,000
Unidade
C6H11O5
anidroglucopiranose
Polímero da glucose (açucar)
O
Química da Madeira
Estrutura molecular da Celulose
GTR=Grupo Terminal redutor
GTR
o
o
o
o
o
o
O
C
H
Celulose
Polímero de C6H11O5 (anidroglucopiranose)
Polímero longo linear e sem ramificações
Grau de polimerização (DP): ~10,000
Estrutura parcialmente cristalina resulta em alta
resistência
Química da Madeira
Estrutura molecular de uma Hemicelulose
Ac
Ac
GTR
O
C
H
Ac
Hemicelulose
Principal das folhosas: o-metilglucoronoxilana DP 200
Xilose
Hemicelulose é um
Ácido Glucorônico
polímero ramificado
Ac
Grupo Acetila
Química da Madeira
Lignina : Função
•
Aumenta a rigidez da parede celular
•
Cimenta as células umas às outras
• Reduz a permeabilidade da parede celular a
água
•
Protege a madeira contra microorganismos
• Aumenta a resistência da planta à
compressão permitindo o seu crescimento
vertical
Química da Madeira
Monômeros da Lignina
3
2
1
4
5



C
C
C
6
C
R2
R1
OH
: H
R1 = H
R2 = H
R1 = H
R2 = OCH3 : G
R1 = OCH3 R2 = OCH3 : S
Química da Madeira
CH2OH
CH
HC
Estrutura da Lignina
A Lignina é um
novelo de polímeros
Ligados entre si
CH2OH
HC O Lignin
CH3O
O
CH
CHO
CH2OH
CH
CH
HC
HCOH
CH3O
OH
CH2OH
CH3O
OCH3
O
CH
CH2OH
HC OH
O
HC
CH3O
HCOH
HOCH2
HC
HC
CH3O
O
OH
HCOH
OH
OCH3
CH3O
O
HOH2C C CHO
CH2OH
CH
HO
H2COH
CH
O
HC
OCH3
H2COH
HC O
H2C
HC
HC
O
HOH2C CH O
3
HC
O
O
O
HC O Carbohydrate
CH2OH
CH
HCOH
CH3O
OH
O
CH
CH
CH2
HCOH
OCH3
OCH3
O
H2COH
HC
C O
O
OCH3
OH [O-C]
OCH3
OCH3
Química da Madeira
Extrativos: características gerais
• Componentes da madeira não pertencentes a parede celular
• Extraíveis em água e ou solventes orgânicos neutros
• 1 - 4% da madeira de folhosas; 4 -10% coníferas
• Baixo e médio peso molecular, exceto os taninos (alguns de
alto PM).
• Influenciam nas propriedades físicas da madeira - cheiro,
cor, resistência à microorganismos, etc.
Química da Madeira
Constituintes Inorgânicos
• São as chamadas “cinzas” da madeira.
•
Na, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, etc.,
•
SiO2 e silicatos
• Representam cerca de 0,5% em madeiras
normais
• 1-5% em certas madeiras tropicais
• Cerca de 5% na casca da madeira.
LINHA DE FIBRA - PREPARO DA MADEIRA PARA
POLPAÇÃO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Preparo da Madeira
CONTEÚDO
• Introdução
• Manejo florestal e transporte
• Recebimento da Madeira
• Descascamento da madeira
• Picagem da madeira
• Peneiramento do cavaco
• Estocagem de madeira/cavacos
• Controle de qualidade e tendências
Preparo da Madeira
Custo Variável de Produção de Celulose
• Madeira
• Energia
• Vapor
• Químicos
• Mão de Obra
Madeira incide em cerca de 40% do custo
Preparo da Madeira
Fábrica de Celulose
Preparação da madeira para polpação
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Demanda típica de área de floresta plantada
(Base: Floresta plantada de eucalipto para abastecer fábrica de
1.000.000 tsa/ano ou 2.860 tsa/dia com 350 dias/ano)
• Madeira disponível em floresta plantada
• Consumo médio específico = 4,0 m3scc/tsa
• Consumo anual (1.000.000 tsa/ano) = 4.000.000 m3scc/ano
• IMA médio = 45 m3scc/ha.ano
• Idade de corte = 7 anos
• Produtividade = 315 m3scc/hectare
• Área de manejo florestal anual = 12.700 hectares
• Área útil mínima plantada = 89.000 hectares
• Relação floresta plantada/floresta natural = 2,5/1,0
• Área total do empreendimento = 120.000 a 130.000 hectares
Matérias Primas Fibrosas e Química da Madeira
Exploração de Floresta Plantada de eucalipto
- Após abate madeira fica na floresta 4-8 semanas
- Umidade média da madeira 40-60%
- Diâmetro variando entre 6 – 30 cm
- Teor de casca = 10% peso ou 15% volume
- Densidade Básica da madeira saturada = 350-600kg/m3
- Densidade Aparente (bulk) = ca. 180 kg/m3(as)
- m3scc/estereo = 1,7 (estereo/m3scc = 0,60)
- m3sólido madeira/m3bulk = 2,9
Nota: scc = sólidos com casta
estereo = metro cúbico de madeira empilhada
Preparo da Madeira
Fluxograma Básico de um Pátio de Madeira
Cavacos
Descascador
Madeira
Picador
Mesa de
Recepção
Cascas
Peneira
Oversize
Biomassa p/
Caldeiras
Finos
Aceite
Cozimento
Pilha de Cavaco
Preparo da Madeira
Etapas do Preparo da Madeira para a Polpação
• Colheita
• Transporte
• Descascamento, Picagem e Peneiramento (classificação
de cavacos)
• Estocagem
• Alimentação
Preparo da Madeira
Preparo da Madeira
Estocagem de Madeira de Eucalipto
Preparo da Madeira
Transporte da Madeira para a Fábrica
• Rodoviário em caminhões simples, duplos e/ou triplos
• Ferroviário em vagões adaptados
• Fluvial em barcaças de grande capacidade.
Notas:
• Toras podem ser estocadas (estocagem estratégica) em:
• Água
• Solo em pilhas paralelas ou ao acaso
• Estoque varia de dias a meses
Preparo da Madeira
Transporte Rodoviário
Capacidade = 3 x 40 m3cc/carga = aprox. 120 m3 cc/caminhão
(6,0 m x 2,4 m x 2,5 m = aprox. 40 m3cc/compartimento )
Preparo da Madeira
Preparo da Madeira
Descascamento de Toras
Casca contém baixo teor de fibras e altos teores de extrativos,
metais e impurezas que comprometem o processo de
polpação e a qualidade da polpa
• Objetivo do descascamento de toras
Obtenção de madeira sem casca e sujeira (areia, matais, plásticos)
• Descascamento
• Manual
• Mecânico em descascadores fixos ou montados em veículos
Preparo da Madeira
Preparo da Madeira
Descascador
Detalhe de um descascador de tambor rotativo
Diâmetro 4-6 m; comprimento 20-40m; rotação 1- 4 RPM
Aberturas laterais permitem remoção da casca
Problema: quebra e perda de toras de pequeno diâmetro (< 6 cm)
Eficiência de descascamento: 80-90%
Preparo da Madeira
Picagem
• Objetivo da Picagem
Transformar as toras em cavacos de dimensões
apropriadas. Tamanho e dimensões importantes na para polpação
• Dimensões
• Ideais: 25 mm de comprimento x 4 mm de espessura
•Aceitáveis:10-30 mm x 2-8 mm
• Produção de cavacos
• Picadores de discos
•Móveis (usados na floresta) e
•Fixos usados na fábrica
Preparo da Madeira
Picagem da Madeira (cont.)
Detalhe de um picador rotativo fixo
Peneiramento dos Cavacos
Cavacos ideais (baixo teor de finos e
Graúdos)
Equipamento com peneiras móveis/vibratórias de perfurações
diversas para segregação de:
• da fração de dimensões ideais e
• da fração indesejável (descarte de finos e cavacos graúdos (oversize))
Preparo da Madeira
Estocagem dos cavacos realizada em:
• Pilhas ao ar livre e
• Silos fechados
Capacidade de estocagem: 1 – 15 dias tipo First In – First Out
Preparo da Madeira
Alimentação do Digestor
• Cavacos retirados das pilhas os dos silos através de roscas
extratoras e transportadores de correia até o(s) digestor(es).
• Controle de fluxo realizado pelo consumidor que aciona (liga,
desliga, controla a velocidade das roscas extratoras da pilha
ou silo.
• Fluxo (peso úmido) medido e integrado por balança
apropriada montada sobre esteira.
• Metais ferrosos removidos por eletroímas instalados sobre
esteira.
Preparo da Madeira
Controle de Processo e da Qualidade
(da madeira alimentada no digestor)
• Madeira recebida na fábrica identificada da área de manejo,
número do talhão, espécie ou híbrido e idade)
• Medições
• Volume de madeira entregue na fábrica (metros cúbicos
• sólidos ou em estéreo)
• Fluxo de cavaco úmido para o digestor (t/hora ou t/dia)
• Qualidade do cavaco
• Densidade Básica da madeira (medida sobe cavaco)
• Umidade do cavaco
• Teor de casca, finos e oversize
• Granulometria (Norma SCAN-CM 40-94)
LINHA DE FIBRA - POLPAÇÃO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Polpação
Conteúdo
• Introdução
• Processo
• Reações e controles
• Aditivos
• Processos Modificados (Seletivos)
• Equipamento
Fábrica de Celulose e Papel
O que é Polpação (ou cozimento)?
É a separação das fibras da sua organização
compacta lenhosa pela dissolução da lignina da
lamela média, utilizando para isso temperatura,
pressão e agentes químicos.
Cavaco
Licor Branco
Temperatura
Pressão
Licor Branco: Solução aquosa contendo NaOH e Na2S
Polpa
Polpação
Rendimento de polpa sobre madeira
Depende das perdas na:
• Colheita (diâmetros comerciais)
• Transporte
• Descascamento e picagem
• Peneiramento
• Estocagem
• Cozimento
• Depuração
• Branqueamento
• Secagem e
• Enfardamento
Polpação
Tipos de Processo
• Maneiras de romper as ligações dentro da estrutura da madeira
para liberar as fibras
• Processo mecânico (PAR – Pasta de Alto Rendimento
• Processo Químico (Polpa de Baixo rendimento)
• pH dos processos de polpação química podem ser alcalinos,
neutros e ácidos
• Processo Alcalino mais usados: Processo Kraft (ou sulfato)
• Processo Kraft > 90% da produção mundial
Polpação Química
• Usa agentes químicos e calor para dissolver a lignina da
madeira e liberar o material fibroso
• Dissolve a lignina e deixa a celulose e algumas
hemiceluloses
• Principais processos de polpação química
• Kraft – NaOH + Na2S, pH 11-14 (mais usado)
• Soda – NaOH , pH 11-14
• Sulfito – SO3=, pH 1-3 (usado no passado)
• Polpação Kraft – > 90% da polpa produzida
Linha de Fibra
Madeira
MADEIRA
COZIMENTO
LIMPEZA E
LAVAGEM
Polpa
BRANQUEAMENTO
SÓLIDOS DISSOLVIDOS SÓLIDOS DISSOLIDOS
DA POLPA
DA MADEIRA
(Não-aproveitados)
(Aproveitados)
POLPA
BRANQUEADA
Processo Kraft
• Kraft significa “forte” em alemão. O processo produz
polpa de maior resistência mecânica
• Processo dominante no Brasil e no mundo
• Processo comprovado pela eficiente tecnologia de
recuperação dos produtos químicos usados na polpação
• Rendimento relativamente baixo : 40-45%
• Faixa de produtos: Papeis de escrita e/ou Xerográficos,
Embalagens de alimentos, Cartolinas (polpas nãobranqueadas)
Processo Kraft
Vantagens do Processo Kraft:
• Grande flexibilidade quanto a madeira
• Ciclos de cozimento mais curtos ,
• Polpa branqueada a altas alvuras,
• Podem ser usadas madeiras resinosas,
• Polpa de alta resistência
• Sub-produtos valiosos (tall oil e outros),
• Eficiente sistema de recuperação de produtos químicos.
Processo Kraft
Desvantagens do Processo Kraft:
• Alto custo de investimento (US$ 750 – 1000/tsa)
• Inevitável poluição odorífica,
• Baixo rendimento e baixa alvura e
• Alto custo de branqueamento
Processo Kraft
Controle básico do processo de polpação:
 Objetivo: maior rendimento ao mesmo kappa e viscosidade
da polpa marrom aceitável
 Rendimento = (ton polpa / ton madeira seca) x 100
 Kappa - Medida do teor de lignina residual na polpa
 Viscosidade - Proporcional ao Grau de Polimerização da
celulose e hemiceluloses
Processo Kraft
Químicos
Prod. de
Reação
• Variáveis do processo
• Associadas com a madeira
• Associadas com o processo de polpação
Prod. de
Reação
Calor
AMBIENTE DE POLPAÇÃO
DIGESTOR
Processo Kraft
Constituição do Licor de cozimento
• Componentes principais: Soda ou Hidróxido de Sódio (NaOH) +
Sulfeto de Sódio (Na2S)
• Componentes minoritários: Carbonato de Sódio (Na2CO3), Sulfato
de Sódio (Na2SO4) , Carbonato de Cálcio (CaCO3), etc.
• Caracterização do licor Branco (em grama/litro expresso como
NaOH
- Álcali ativo = NaOH + Na2S (agentes ativos)
- Álcali Efetivo = NaOH + (1/2) Na2S
- EA = AA x (200-S)/200 onde S = Sulfidez (%)
• pH > 12 favorece a polpação
Processo Kraft
Variáveis associadas com a madeira
• Espécie de madeira
• Fatores de crescimento (teor de cerne, alburno,
madeira de primavera e de verão, madeira de reação e
madeira juvenil.
• Densidade básica
• Composição Química
• Tempo de estocagem da madeira e do cavaco
• Dimensões do cavaco
Processo Kraft
Variáveis associadas com o processo de polpação
Carga de álcali Ativo, %
Sulfidez ou Sulfididade, %
Distribuição da Carga de álcali (digestor contínuo ou descontínuo)
Tempo e Temperatura
Fator H
Processo Kraft
Variáveis associadas com o Processo
• Carga de álcali
• Expressa a percentagem de álcali sobre a madeira
• AE, % varia de 15-20% - Eucalipto à kappa 15-18.
• Afeta reações e, logo rendimento (degradação da celulose)
• Concentração do álcali
• Deve ser uniforme para manter carga e L/M constante sendo de
ca. 110 /L como NaOH em Álcali Efetivo
• Concentração no início do cozimento (ca. 15g/l) após L/M
Processo Kraft
Variáveis associadas ao Processo (cont.)
• Sulfidez (ou Sulfididade)
• S = (Na2S/AA) x 100 sendo 15 – 35% para eucalipto
• Fator H (relação Tempo - Temperatura)
• >Tempo < Temperatura para mesmo Kappa
• Temperatura 150-170oC. > 180oC > degradação
• Distribuição da carga de álcali
• Depende do tipo de cozimento (continuo ou descontínuo)
• Cozimento convencional ou modificado
Processo Kraft
Reações durante a polpação
Cozimento (contínuo ou descontinuo) divido em três fases:
• Fase inicial – aquecimento até 120-140oC com
degradação/remoção de grupos acetilas de parte de
hemiceluloses - Pouca deslignificação
• Fase Principal – na temperatura de cozimento >140oC com
reação mais seletiva para degradação das ligações dos grupos
fenil-propanol da lignina, dissolução e remoção para o licor
• Fase terminal – que deve ser mais curta para evitar a
degradação descontrolada dos carboidratos (perda de
rendimento e qualidade (viscosidade).
Processo Kraft - Reações
CH2OH
CH
HC
Monômeros da Lignina
3
CH3O
2
1
4
5



C
C
C
CHO
CH
HC
CH3O
6
CH3O
C
R2
R1
O
: H
R1 = H
R2 = H
R2 = OCH3 : G
R1 = H
R1 = OCH3 R2 = OCH3 : S
CH2OH
HC
HCOH
HOCH2
HC
HC
CH3O
O
OH
OCH3
CH3O
O
HOH2C C CHO
CH3O
CH2OH
CH
HO
H2COH
CH
O
HC
OH
HCOH
OCH3
O
OCH3
H2COH
HC O
OH
CH2OH
O
CH
HC OH
OH
CH2OH
HC O Lignin
CH
CH2OH
CH
HCOH
H2C
HC
HC
OCH3
HOH2C CH O
3
HC
O
O
O
HC O Carbohydrate
CH2OH
CH
HCOH
H2COH
HC
C O
O
Molécula complexa da lignina
CH3O
OH
O
CH
CH
CH2
HCOH
O
OCH3
O
OCH3
OH [O-C]
OCH3
OCH3
Processo Kraft
Remoção dos carboidratos da madeira Eucalyptus Grandis
Fantuzzi, 1996
Processo Kraft
Variação no rendimento do processo Kraft convencional
Fantuzzi, 1996
Processo Kraft
Variação da viscosidade da polpa com o número kappa processo
Kraft convencional (Fantuzzi, 1996)
Processo Kraft - Equipamentos
Digestores
• Batch ou batelada (descontínuo)
• Convencionais
• Modificados (RDH, Superbatch, Ennerbatch)
• Contínuos
• Covencionais
• Modificados e/ou estendidos (MCC, XMCC, LoSolids, Compact Cooking)
Processo Kraft - Equipamentos
Digestor Batch ou Batelada
Transportador de cavaco
Calha de cavaco
Alívio do digestor
Piso de Operação
Licor branco (de cozimento)
Licor preto
Chip Pile
P
T
Digester
T
T
Vapor
Linha de descarga
Processo Kraft - Equipamentos
Digestor Contínuo
cavaco
Separador de Tôpo
Vapor de
Alta Pressão
Válvula de vedação (Airlock)
Para Condensador
Trocador de Calor
de lavagem
Silo de cavaco
Trocadores de calor
Ativador do Silo
Vapor de
Alta Pressão
Medidor de Cavaco
Alimentador de Baixa Pressão
Vaso de Vaporização
de Cavacos
Tanque de
Flasheio
No. 1
Vapor de Baixa Pressão
Para
Condensador
Separador de Materiais Pesados
Dreno em linha
Para
Dreno
Alimentador de
Alta Pressão
Digestor
Separador de
Areia
Tanque de
Flasheio
No. 2
Para
Evaporadores
Para Lavadores
Licor
Branco
Para Dreno
Rosca de Descarga
Do Tanque de Filtrado
Processo Kraft - Aditivos
Processos modificados com USO DE ADITIVO na polpação
• Aditivos consolidados em cozimentos Kraft convencional e
modificados
• Antraquinona)
• Polissulfetos (Sn)
• Antraquinona (AQ) + Polissulfeto
• Objetivos
• Aumentar de rendimento para diminuir carga de sólidos totais
enviados a caldeira (gargalo na Caldeira)
• Diminuir o número kappa para um mesmo rendimento
Processo Kraft - Processos Seletivos
Processos modificados decorrentes de ALTERAÇÕES MECÂNICAS
em digestores convencionais
 Objetivos da Deslignificação Seletiva
• Menor degradação dos carboidratos
• Melhoria na remoção da lignina
• Melhoria na seletividade:
- Taxa de degradação de carboidratos / taxa de deslignificação
- Viscosidade / kappa
• Deslignificação mais intensa
Processo Kraft - Processos Seletivos

Processos Comerciais
 Processos Contínuos
• Contínuo Modificado (MCC) - Kvaerner
• Contínuo Modificado Estendido (EMCC) - Kvaerner
• Isotérmico (ITC) - Kvaerner
• Baixo sólidos (Lo-Solids)- Andritz
 Descontínuos
• RDH (Rapid Displacement Heating) - Beloit
• SuperBatch - Sunds
• EnerBatch - Beloit/Impco/Voest Alpine
Processo Kraft - Processos Seletivos

Princípios
 Álcali efetivo < no início do cozimento e = durante todo
cozimento
 Sulfidez = tão alta quanto possível “especialmente durante a
fase principal de deslignificação - deslignificação mais intensa”
 Teor de Lignina dissolvida = baixa “no fim do cozimento”
 Temperatura mantida num perfil mais uniforme e relativamente
baixo.
 Temperatura de descarga mantida mais baixa possível para
evitar perda de resistência da polpa
Processo Kraft - Processos Seletivos
Digestor Contínuo Normal, MCC e ITC
.
Processo Kraft - Processos Seletivos
Digestor Contínuo – Low-Solids
Processo Kraft - Equipamentos
Digestor Batch Modificado - Processo RDH
Retorno do Enchimento Morno
Retorno do Enchimento Quente
Retorno do Deslocamento
‘B’
Tanque
127oC
‘A’
Tanque
85oC
‘C1’
Tanque
‘C2’
Tanque16
8oC
150oC
Para
Evaporadores
Acum.
de licor
branco
Digestor
168oC
Vapor
Água
Vapor
Tanque
de filtrado
Filtrado dos
Lavadores
70oC
Licor Branco Morno
Enchimento Quente
Enchimento Morno
Colchão frio
Deslocamento
Para
Tanque
de Descarga
Processo Kraft - Processos Seletivos
Fábricas brasileiras com cozimentos modificados
– Descontínuos (Batch)
 Bacel - Enerbatch (Visbatch)
– Contínuos
 Aracruz – MCC e Compact Cooking
 Bahia-sul - EMCC (MCC)
 Cenibra – ITC / KobudoMari
 VCP (Unidade Jacareí) - Lo-Solids / Compact Cooking
 RIPASA – Compact Cooking
 Veracel – Lo-Solids
LINHA DE FIBRA – DEPURAÇÃO DA POLPA MARROM
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Depuração da Polpa Marrom
Conteúdo
• Introdução
• Objetivos
• Processo
• Equipamentos
• Esquemas
• Exercícios
Depuração - Introdução
A polpa produzida no digestor contínuo e/ou descontínuo polpa marrom - contêm constituintes indesejáveis
(sujeiras),
 que podem
• comprometer a qualidade do produto final (pintas) e/ou
• causar danos em equipamentos
 logo devem ser separados mecanicamente
 em sistema de depuração e/ou limpeza da polpa compatível com
o tipo de produto final produzido (polpas mais nobres – limpeza mais
exigente, p.ex., polpa kraft branqueada de mercado)
Depuração
Constituintes Indesejáveis da polpa marrom
 Constituintes fibrosos
 Cavacos não-cozidos, feixes de fibra (fiber bundles),
palitos (shives) e nós
 Constituintes não-fibrosos
 não metálicos - como pedras, areia, abrasivos, vidros,
plásticos, elásticos, cascas, argamassa dos tanques e
azulejos, e
 metálicos - como porcas, parafusos, grampos, pedaços
de chapas e ferrugem de encanamentos
Depuração
Objetivo da depuração da polpa marrom
 Remover seletivamente, através de peneiramento,
os constituintes indesejáveis do fluxo de polpa marrom
 As partículas indesejáveis (rejeito) removidas do
fluxo de polpa devem ser recolhidas com mínima perda
de fibras boas.
 O rejeito pode ser parcialmente aproveitado (nós
parcialmente cozidos) ou totalmente rejeitado.
Depuração
Procedimento básico na limpeza (depuração) da
polpa
Remover as partículas indesejáveis contidas na polpa (nós,
palitos, feixes, areia, metais, etc):
• logo após descarga do digestor
• através de depuração seletiva e limpeza,
• minimizando arraste de fibras boas com a sujeira
com maior delicadeza possível
• evitando esmagamento da sujeira em partículas
menores e
mais leves de difícil separação.
Depuração - Definições
Esquema típico de um depurador
ALi
Abreviações
Di = Depurador “i”
Al = alimentação
R = Rejeito, %
Ci = Consistência, %
Di
Ri
ACi
AC = Aceite
S = Teor de sujeira, %
Ss = Peso de Sujeira
Depuração - Definições
Definições, termos e abreviações
• Taxa de rejeito, %
Ir (%) = R x 100 / AL (normalmente em volume)
• Eficiência de limpeza, %
El (%) = {(Sal – Sac) x 100/Sal} = [(1 - (Sac/Sal)] x 100)
Depuração - Processo
Teoria da depuração de polpa marrom
Depuração feita nos depuradores pressurizados e centrífugos.
• depuradores que separam as partículas por tamanho e
forma - atmosféricos e/ou pressurizados dotados de chapa
perfurada com furos redondos ou ranhuras.
• depuradores que separam as partículas na base do peso separadores centrífugos (centricleaners) do tipo cone. O peso
específico das partículas (sujeira) mais alto que o da matéria
fibrosa (sujeira = areia, partículas metálicas, etc.)
Depuração - Processo
Depurador Pressurizado
)
( IMPCO ™ HI-Q ™ Fine Screen
Depuração - Processo
Teoria da depuração de polpa marrom
Velocidades num depurador rotativo pressurizado
Fluxo de alimentação
V.Tangencial (VT)
V. radial (VR)
Fluxo do aceito
Fluxo do rejeito
V. Axial (VA)
Depuração - Processo
Teoria da depuração de polpa marrom
Depuração - Processo
Teoria da depuração de polpa marrom
Elementos principais de um depurador pressurizado
• Rotor
• com foils / com barras / ressaltos e rebaixos
• Cesto
• perfurado ou ranhurado (rasgos)
• Linhas de
• alimentação de massa
• aceito
• rejeito
• diluição
• remoção de sujeira pesada (junkbox)
• Acionamento
Depuração - Processo
Aceito
Aceito
Alimentação
Rejeito
)
Separador Centrífugo de areia (Centricleaners)
Depuração - Equipamentos
Eficiência da Depuração
Parâmetros
Relacionados a Operação
Relacionados ao Equipamento
• Tipo de polpa
• Desenho do rotor
• Velocidade através das fendas
• Gap entre “foil” e cesto
• Tipo e quantidade de sujeira
• Potência instalada
• Taxa de rejeito
• Perfil da superfície do cesto
• Consistência da polpa
•Tamanho da fenda, diâmetro do furo
• Pressão diferencial
•Temperatura
Depuração - Processo
Remoção e lavagem de nós da polpa marrom
Medidor de
Fluxo
Pasta
Medidor de
Consistência
Digestor Contínuo e Tanque de Descarga de Polpa Marrom
Depuração - Processo
Remoção de Nós, Depuração e Lavagem de
Polpa Marrom
Água
Nós
SEPARADOR DE NÓS
FILTRO
LAVADOR
RADITRIM
Água
DEPURADORES
DIFUSOR
Filtrado
Licor de
Lavagem
Pasta
Pasta
Pasta Lavada
TANQUE DE
EXPANSÃO
Rejeito
TORRE DE MASSA
MARROM
Depuração - Processo
Sistemas de depuração -Localização
Depuração moderna (Ex.: Fábrica de Kaukas): Separação de
nós antes da deslignificação com oxigênio e a depuração fina após
Depuração - Processo
Remoção e lavagem de nós da polpa marrom
Silo de nós
Tanque de descarga
Lavador de nós
Separador de nós
Depuração - Processo
Sistemas de depuração - Balanços de materiais
Sistema de depuração de estágio unitário
AC = 85,00
Sr
= 0,10
% Sr = 0,12
AL = 100,00
Sal = 1,00
%Sal = 1,00
R = 15,00
Sr = 0,90
%Sr = 6,00
AL = fluxo de alimentação, t/hr, kg/min, m3/hr, lpm
AC = fluxo de aceite, t/hr, kg/min, m3/hr, lpm
S = fluxo de sujeira, t/hr, kg/min
%S = teor de sujeira no fluxo
Depuração - Processo
Sistemas de depuração - Balanços de materiais
Sistemas em cascata - Cascata direta
LINHA DE FIBRA - LAVAGEM DE POLPA MARROM
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Lavagem de Polpa Marrom
CONTEÚDO
• Introdução e objetivos
• Fundamentos de Lavagem de Polpa
• Lavagem de Polpa Marrom
• Equipamentos
• Exercícios
Lavagem de Polpa Marrom
Definição de lavagem de polpa marrom
Operação unitária ou área da fábrica onde a mistura de líquido
(licor preto) e de partículas de sólidos (fibras ou polpa
marrom) são separadas por meio filtrante que permite a
passagem do licor mas retém as partículas de sólidos (isto é,
retém a polpa).
Onde a lavagem de polpa é necessária?
- Na fabricação de polpa marrom
- Na fabricação de polpa branqueada
Lavagem de Polpa Marrom
Objetivos da lavagem de polpa
 É a lavagem de polpa marrom, após cozimento e deslignificação
com oxigênio, para remover a máxima quantidade de:
• materiais orgânicos dissolvidos da madeira,
• materiais inorgânicos solúveis do licor de cozimento misturados com
a
polpa, ao final do cozimento
• com a mínima quantidade de água limpa ou re-circulada de
processo.
 Visando:
• Facilitar branqueamento
• Reduzir custo de reposição dos químicos perdidos
Lavagem de Polpa Marrom
Matriz da Pasta de Celulose
Sólidos dissolvidos
(Intrínseco)
Fibra
Licor
Sólidos dissolvidos
(Lavável)
Nota: Cerca de 1,5 - 2,5 gramas de licor retidos no
interior das fibras por grama de fibra seca
Lavagem de Polpa Marrom
Conceitos Básicos
 Tipos de forças atuantes na operação de lavagem: Gravidade /
Pressão / Vácuo / Força Centrífuga.
 Equipamento de filtragem resultado do procedimento de
criação e aplicação da força atuante, p. ex., método de
deposição e retirada da manta de polpa e retirada do filtrado
 Classificação dos equipamentos de lavagem e / ou filtração:
Filtros, prensas, mesas planas / Difusores
Lavagem de Polpa Marrom
 Mecanismos de lavagem
• Micromecanismos
+
• difusão (Difusão do Na maior que difusão de lignina e
carboidratos)
• compressão e
• inchamento
• Macromecanismos
• Diluição - extração (a) (p. ex., MÁQUINA DE LAVAR ROUPA)
• Diluição - extração - deslocamento - extração (b)
(a)
(b)
Lavagem de Polpa Marrom – Equipamentos
Tipos de lavadores
• Filtro cilíndrico rotativo à vácuo (c/perna barométrica)
• Filtros cilíndricos rotativos pressurizados
•
•
•
•
• CB-Washer
• DD-Washer
Filtro de mesa plana ou Fourdrinier
Prensas de rolo duplo e filtro prensa
Difusores atmosféricos e pressurizados
Lavador interno em digestor contínuo (Hi-heat)
Equipamentos acessórios
Tanques de filtrado / Quebradores de espuma /Chuveiros, Bombas
Lavagem de Polpa Marrom - Equipamentos
Lavagem interna no digestor (Hi-Heat):
Difusor atmosférico
(Kvaerner/Ahlstrom):
Lavagem de Polpa Marrom - Equipamentos
Difusor pressurizado
(Kvaerner/Ahlstrom):.
Filtro à vácuo (IMPCO)
Lavagem de Polpa Marrom - Equipamentos
Filtro DRUM DISPLACER - DD-Washer (Ahlstrom)
Ref.: Andritz
Lavagem de Polpa Marrom - Equipamentos
Prensa de rolo duplo (METSO)
Lavagem de Polpa Marrom - Equipamentos
Prensa de Lavagem
(Kvaerner)
Filtro Compaction Baffle
(GL&V):
Lavagem de Polpa Marrom
Variáveis operacionais da lavagem de polpa
• Quanto as características da polpa
• Processo de polpação
• Espécie de madeira
• Número kappa da polpa (grau de deslignificação)
• Drenabilidade
• Quanto a qualidade da água de lavagem
• Temperatura
• pH
• Distribuição
• Modo de aplicação
• Teor de sólidos
Lavagem de Polpa Marrom
Variáveis operacionais da lavagem de polpa
• Formação da manta
• Vazão de alimentação
• Consistência de alimentação
• Velocidade de rotação
• Consistência da bacia (tina)
• Distribuição da massa sobre o filtro
• Espessura da manta
• Carga Específica (tsa/m2xdia)
Lavagem de Polpa Marrom
Variáveis operacionais da lavagem de polpa
• Outras variáveis importantes:
• Fator de diluição
• Ar presente na massa
• Malha da tela
• Incrustação na tela
• Tipo de equipamento
• Número de equipamentos
• Tempo de retenção entre estágios de lavagem
Lavagem de Polpa Marrom
Preocupações
•<1990 - fator econômico
- minimizar perdas na forma de compostos químicos expressos
com Sulfato de Sódio (10-20 kg Na2SO4) ,
- sistemas mais simples com uma série de 3 - 4 filtros lavadores
cilíndricos rotativos à vácuo com perna barométrica
• Hoje:- fator econômico e proteção do meio ambiente
- introdução de Branqueamento com Oxigênio
- novos equipamentos de lavagem de polpa
- minimização de arraste de DQO (5-15 kg/tsa)
•Tendência - MIM (Minimum Impact Mill)
- associação de equipamentos e sistemas mais complexos
- maximizar lavagem antes e após deslignificação com Oxigênio
- minimizar arraste para o branqueamento: sólidos orgânicos, AOX,
TCDD, TCDF
Lavagem de Polpa Marrom
Fluxogramas típicos - (filtros cilíndricos em série, sem estágio
de pré-branqueamento com oxigênio e típica até a década de 80)
Lavagem de Polpa Marrom
Fluxogramas típicos (com estágio de pré-branqueamento com
oxigênio que resulta em duas plantas de lavagem de polpa
marrom - pré- e pós-branqueamento com oxigênio)
1997 Brown Stock Washing Short Course
Lavagem de Polpa Marrom
Consumo de água na lavagem
Ênfase na lavagem - menor consumo de água para uma
máxima remoção de sólidos dissolvidos da polpa.
• Menor consumo de água - menor diluição do licor preto
descarregado com polpa menor custo de evaporação.
• Consumo de água - Fator de diluição - peso de água de
lavagem que acompanha a polpa (aplicada no chuveiro do filtro)
em excesso àquela que acompanha a polpa por peso de polpa
descarregada (kg água/kg polpa, m3 água/t polpa)
• FD = (Água Chuveiro – Água com polpa) / tpolpa
Lavagem de Polpa Marrom
Medição e monitoramento de perdas de lavagem
Impacto da lavagem no custo variável de produção
Custo Vapor
Evaporadores,
R$/tsa
Custo Químicos
Branqueamento
R$/tsa
Lav.
Branq.
FD
Lavagem de Polpa Marrom
Medição e monitoramento de perdas de lavagem
• Sulfato de Sódio Lavável - quantidade de sódio que pode se extraída de
uma amostra de polpa através de procedimento padronizado usando se água
ou licor fraco - reportado como Na2SO4.
• Sulfato de Sódio Solúvel em ácido - quantidade de sódio que pode ser
extraída de uma amostra de polpa com ácido hidroclórico através de
procedimento padrão - reportado como Na2SO4 - norma SCAN CM70:33.
• Sólidos dissolvidos - quantidade de material seco extraído de uma amostra
de licor por evaporação, através de procedimento padrão, até secura
constante.
• DQO - Quantidade de equivalente de oxigênio consumido por um litro de
filtrado ou licor, através de procedimento padrão.
Lavagem de Polpa Marrom
Monitoramento de perdas de lavagem (cont.)
Determinação da eficiência de lavagem de polpa em filtro lavador
• Coletar amostras no filtro lavador, medir vazões e calcular:
• Sb - Conc. Na+ na massa na entrada do filtro
=_____g/l
• Sn - Conc. Na+ na massa na saída do filtro
= ____ g/l
• Ss - Conc. Na+ no licor de chuveiro
= ____ g/l
• C - Consistência na saída do filtro
= ____ g/l
• P - Produção (fluxo de massa)
= ____ Tas/h
• Ls - Fluxo de licor para os chuveiros
=_____m3/h
• Ln - Licor que acompanha a massa na saída do filtro
=_____m3/h
• Fórmulas
TD = (Sb - Sn) / (Sb - Ss)
Pn = Px (100-Cn/Cn) = água com a polpa na descarga
FD = {(Ls - (Ln - Pn)}/ Pn (m3agua /tas)
Lavagem de Polpa Marrom
Lavagem de Polpa Marrom - Exercícios
Balanço Gerais em uma plana de lavagem de polpa marrom
 Cálculo da carga de sólidos para a lavagem (kgSD / tpolpa)
Consistência = 10%
Cálculo
= (100 - 10)/10 = 9 kg licor/kg polpa
Teor de sólidos = 20 % SD (sólidos dissolvidos)
Calculo
= (9kg licor/kg polpa) x (20 kg SD/100kg licor) =
= 1,80kg SD/kg polpa
= 1800kg SD/t polpa
Lavagem de Polpa Marrom - Exercícios
Balanços (cont.)
 Cálculo da perda de sólidos na planta de lavagem de polpa
Consistência = 12,5 %
Cálculo
= (100 - 12,5)/12,5 = 7,0 kg licor/kg polpa
Teor de sólidos = 0,140 % SD (sólidos dissolvidos)
Calculo
= (7kg licor/kg polpa) x (0,140 kg SD/100kg licor) =
= 0,01kg SD/kg polpa
= 10 kg SD/t polpa
Lavagem de Polpa Marrom - Exercícios
Balanços (cont.)
 Cálculo da eficiência da planta de lavagem
Perda de sólidos
=
0,01kg SD/ kg polpa
Carga de sólidos
=
1,80 kg SD / kg polpa
Eficiência
=
(1,80 - 0,01)/1,80) x 100
Eficiência (E )
=
99,4%
Lavagem de Polpa Marrom - Exercícios
Balanços (cont.)
 Calculo do Fator de Diluição
Licor adicionado no sistema de lavagem pelos chuveiros
Ls = 9,5 kg licor/kg polpa
Cálculo do licor que acompanha a polpa na saída (Ln)
Ln = (100 - 12,5)/12,5
= 7,0 kg licor/kg polpa
Fator de Diluição
FD = (Ls - Ln) / P = (9,5 - 7,0) /1
FD = 2,50 kg licor/kg polpa seca absoluta ( ou t licor/tas)
FD = 2,25 kg licor /kg polpa seca ao ar (ou tlicor / tsa)
Lavagem de Polpa Marrom - Exercícios
Balanços (cont.)
 Cálculo da carga de sólidos para a evaporação
Carga de sólidos
Perda de SD
- Sólidos para a evaporação
Licor alimentado com polpa
Licor de lavagem no chuveiro
Licor descarregado com a polpa
-Licor para a evaporação
= 1,80 kg SD/kg polpa
= 0,01 kg SD/kg polpa
= 1,79 kg SD/kg polpa
= 9,00 kg SD/kg polpa (+)
= 9,50 kg licor/kg polpa (+)
= 7,00 kg licor/kg polpa (-)
= 11,50 kg licor/kg polpa
Carga de sólidos para evaporação = (1,79/11,50) x 100
= 15,56 % SD
BRANQUEAMENTO DE CELULOSE
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Branqueamento de Celulose
CONTEÚDO
• Objetivos
• Processos
• Equipamentos
• Impactos Ambientais
• Controles
Branqueamento de Celulose
Objetivos do Branqueamento da Polpa Marrom
• Alvejar e limpar a polpa através da remoção de substâncias que
absorvem luz (para fabricação de papeis brancos):
Com mínimo degradação química e mecânica da fibra
• Com mínima formação de grupos carbonila (< Reversão de
alvura)
• Com mínima perda de rendimento
• Com mínimo impacto ao meio ambiente
• Com menor custo variável de produção
•
• Baixar a viscosidade da polpa (polpa para dissolução)
• Remover hemiceluloses (polpa para dissolução)
Branqueamento de Celulose
Da madeira a polpa branqueada
Madeira
Polpa Marrom
Celulose Branqueada
Branqueamento de Celulose
Branqueamento inserido na Fábrica de Celulose
Planta de Branqueamento
Branqueamento de Celulose
Branqueamento inserido na Fábrica de Celulose
Lavagem de polpa marrom
Branqueamento com Oxigênio
(Deslignificação com Oxigênio)
Depuração
Branqueamento
Branqueamento de Celulose – Definições
• Branqueamento é um processo químico aplicado ao material
celulósico (da polpa marrom ou pasta mecânica) para aumentar
a sua alvura
• Celulose e hemicelulose são materiais originalmente brancos
que não contribuem na cor da polpa
• Lignina, extrativos (pitch), feixes de fibras (shives), sujeiras
contribuem na cor da polpa
Branqueamento de Celulose – Definições
Feixe de luz incidente na folha de papel
Luz refletida
Luz incidente
Luz absorvida
Luz difundida
Luz transmitida
ADAPTADO DE REEVE, 1996
Branqueamento de Celulose - Qualidade
Perfil de Alvura ao longo da
sequência típica de branqueamento
Do-EOP-D1-D
Sequência = conjunto de estágios
ou sub-processo em sequência, cada um
composto de misturador de químicos,
aquecedor direto com vapor, torre de
branqueamento, tanque de descarga,
lavador de polpa, tubulações, bombas
e tanque de filtrado e controles diversos..
Polpa marrom
1o. Estágio Do
2o. Estágio EOP
3o. Estágio D1
5th Stage D2
Branqueamento de Celulose- Qualidade
Alvuras típicas de alguns papeis
Tipo de Papel
Alvura, %ISO
Comunicação
80-90
Jornal
60-70
Saco de
supermercado
20-30
Branqueamento de Celulose - Qualidade
Atributos de Qualidade da Polpa Branqueada
• Qualidades óticas
• Alvura elevada
• Estabilidade de alvura
• Limpeza
• Opacidade
• Qualidade Física
• Resistência (à tração e ao rasgo)
• Qualidade Química
• Viscosidade compatível
• Qualidade Ambiental
• Produto reciclável
ADAPTADO DE REEVE, 1996
Branqueamento de Celulose - Processo
Tipos de Branqueamento – aspectos químicos
• Branqueamento por Remoção de Grupos Cromóforos
presentes em polpas químicas . Exemplos: Convencional
Standard – (C-E-D-E-D), ECF (livre de cloro gás – D-E-D-ED) e TCF (livre do compostos a base de cloro – OZEP)
• Branqueamento por alteração dos Grupos Cromóforos
normalmente presentes em polpas semi-química e pastamecânica.
Branqueamento de Celulose - Processo
• Os agentes químicos alvejantes mais comuns são “oxidantes”
(p.ex., Cloro, Dióxido de Cloro)
• Na maioria dos casos, este compostos oxidantes são fortes
“eletrófílos” – eles roubam eletrons da molécula de lignina residual
e de outras moléculas (nos estágios ácidos) causando quebra de
ligações
• Molécula da lignina torna-se solúvel (nos estágios Alcalinos) e
deixa a polpa durante a lavagem
Branqueamento de Celulose - Processo
Pontos relevantes do Branqueamento
• Água
• Reagentes de branqueamento
• Reações de branqueamento
• Comparação entre reagentes
• Condições de processo
ADAPTADO DE REEVE, 1996
Branqueamento de Celulose - Processo
Agentes Ativos do Branqueamento
ÁGUA
•
•
•
•
•
•
transporta a massa
dissolve os reagentes
reage
dissolve os resíduos
lava a celulose
aquece como vapor
ADAPTADO DE REEVE, 1996
Branqueamento de Celulose - Processo
Reagentes típicos e nomenclatura dos estágios
Oxigênio
O
O2
Cloração
C
Cl2
Dióxido de Cloro
Extração
Hipoclorito
Peróxido de Hidrogênio
Ozônio
Quelação
Enzima
Estágio Ácido
D
E
H
P
Z
Q
X
A
ClO2
NaOH
HClO
H2O2
O3
DTPA, DTMA
Xilanase
H2SO4
Branqueamento de Celulose - Processo
Condições de Processo
• Reagentes aplicados/consumidos
• Tempo de retenção da polpa no estágio
• Temperatura
• Químicos residuais(oxidante ou não)
• Consistência
• pH
• Limites do estágio
ADAPTAO DE REEVE, 1998
Branqueamento de Celulose - Processo
Condições de Processo – Sequência O-DO-PO-D
Condições
Unidade
Consistência
Pressão do O2
%
Kpa
Tempo de Reação min
pH
o
C
Temperatura
Carga de O2
kg/t
Carga de ClO2
% ClO2 ativo
Carga de H2O2
kg/t
kg/t
%
Carga de NaOH
Carga de H2SO4
Estágios de Branqueamento ECF
O
DO
PO
D
10,0 -12,0 10,0 - 12,0 10,0 - 12,0 10,0 - 12,0
500
60
10 à 30
90
180
10,5-11,5
2,0-3,0
10,5-11,5
4,0-5,0
90
20
70
90
20
70
(*)
Base FK (**)
20
20
20
(*)
(*)
(*) – Carga necessária para atingir pH desejado
(**) – Carga necessária para KF = 0,20 e Alvura final 90% ISO
Mokfienski, 2004
Branqueamento de Celulose - Processo
Cargas e descargas do Branqueamento
Reagentes
químicos
Água
Vapor para scrubber
Vapor
Celulose não
branqueada
SISTEMA DE
BRANQUEAMENTO
Efluente para
recuperação
Celulose
Branqueada
Efluente para
descarga
ADAPTAO DE REEVE, 1998
Branqueamento de Celulose - Processo
Esquema Geral de um Estágio Típico Branqueamento
Vapor
Reagentes
Misturador
Misturador
Celulose
lavada dos
estágios
anteriores
Água
Reator
Lavador
Celulose
lavada
para os
Efluente próximos
estágios
ADAPTADO DE REEVE, 1998
Branqueamento de Celulose - Processo
Torre de Fluxo Ascendente / Descendente
Reagente
Vapor
Filtrado ou Água
Filtro Lavador
Torre
Polpa
Polpa
Filtrado sujo
Misturador de Químicos
Polpa
marrom
Branqueamento de Celulose - Processo
Sequência OD(PO)D
Condensado Limpo
Água Limpa
O2
O
NaOH 2
H2 O2
NaOH
Vapor
O
ClO2
D
ClO2
(EPO)
D
Polpa branca
Efluente Recuperado
Efluente Ácido Efluente Alcalino
Branqueamento de Celulose – Equipamento
Equipamentos da Planta de Branqueamento
• Torres
• Bombas
• Lavadores
• Misturadores
• Tubulações
• Instrumentação
• Controles
• Canaletas para efluentes
ADAPTADO DE REEVE, 1998
Branqueamento de Celulose - Processo
Branqueamento inserido na Fábrica
Misturadores
Torres
Bombas
Filtros
Tanques de Filtrado
Tubulações
Torres de
Branqueamento
Branqueamento de Celulose
Sequência Típicas de Branqueamento
• Pré-Branqueamento com Oxigênio
• Polpa Kraft
• (CD)(EO)DED: comum até 1995
• D(EOP)DED : exigido pelas novas
regulamentações (ambientais)
• OD(EOP)D: exigido pelas novas
regulamentações (ambientais)
• Pasta Mecânica
• P (Peróxido de Hidrogênio)
• PY
onde Y = Hidrosulfito de Sódio
Branqueamento de Celulose
Branqueamento Convencional
• Tipo (CD)(EO)DED comum até 1995
• Estágios possíveis na sequência
• Pré-branqueamento com oxigênio
• Cloração com ou aplicação de Dióxido de
Cloro
• Extração alcalina com ou sem oxidante
• Com ou sem estágio com Hipoclorito
• Branqueamento com Dióxido de cloro
• Sequências comuns: CEH, CEHH, C(Eop)HP,
CEHDED, (DC)(Eo)DED
Branqueamento de Celulose
Branqueamento ECF
• Tipo D(EOP)DED : exigido pelas novas
regulamentações (ambientais)
• Estágios possíveis na sequência
• Pré-branqueamento com oxigênio
• Deslignificação com Dióxido de Cloro
• Estágio ácido à quente (AHT se tornando comum para
redução de ácido Hexenurônicos)
• Extração Alcalina (com ou sem oxidante)
• Branqueamento com Ozônio e Peróxido
• Sequências comuns: DEDED, DEoDED, DEopDE (ou P)D,
AO/DEopDD
Branqueamento de Celulose
Branqueamento ECF-LIGHT (baixo teor do OX)
• Tipo OD(PO)DP: exigido pelas novas
regulamentações (ambientais)
• Estágios possíveis na sequência
• Pré-branqueamento com oxigênio como requisito
• Estágio ácido para redução de consumo de cloro ativo
• Extração Alcalina com oxidante
• Branqueamento com dióxido de cloro com carga de cloro
ativo para uniformizar alvura em ~88-90 ISO.
• Branqueamento com ozônio e Peróxido Pressurizado
• Sequências comuns: OD(PO)D(PO), OAEopQ(PO), O(ZEo),
OZEopD(PO)
Branqueamento de Celulose
Branqueamento TCF (Livre de compostos clorados)
• Tipo OZEP e outras (tendência tecnológica. Animo arrefecido
devido confiança em sequências ECF e/ou ECF-LIGHT)
Estágios possíveis na sequência
• Pré-branqueamento com oxigênio como requisito
• Estágio ácido a quente para remoção de ácidos
hexenurônicos e metais (Mn e Fe))
• Estágio de Quelação para remoção de metais (Mn e Fe)
• Estágio Peróxido (idealmente pressurizado)
• Estágio de Ozônio
• Sequências comuns: OZEP, OZQP, OQ(PO)(ZQ)(PO),
OAEopQ(PO)P
Branqueamento de Celulose
Impactos Ambientais do Branqueamento
Polpação
Água de
Lavagem
Água de
Lavagem
Lavagem
Branquea
mento
Para Caldeira
de Recuperação
Para Planta de
Tratamento de
Efluentes
Branqueamento de Celulose
Impactos Ambientais do Branqueamento
• Efluentes gerados em branqueamento a base de
compostos clorados não devem ser enviados para a
Caldeira de Recuperação – causam corrosão e
explosões
• Efluentes devem ser tratados e descartados pois tem
potencial de afetar a vida aquática e, indiretamente o
ser humano
Branqueamento de Celulose
Impactos Ambientais do Branqueamento
Água de
Lavagem
Polpação
Lavagem
Cloro
para Caldeira de
de Recuperação
Branquea
mento
Cloro no
efluente
Branqueamento de Celulose
Branqueamento de Impacto Mínimo ao Meio-Ambiente
• Adoção de sequências que usam somente agentes
químicos alvejantes oxigenados - oxigênio, ozônio, peróxido
de hidrogênio.
• Envio do efluente para a caldeira de recuperação.
• Fábrica de circuíto fechado – baixo consumo de água
fresca, baixa descarga de efluente
Branqueamento de Celulose
Analises de rotina
• Análises padrão (kappa no., visc. etc.)
• Consumo específico de químicos (kg/tsa)
• Extrativos, ácidos hexenurônicos, carboidratos,
ácido oxálico, TOC, COD, BOD, íons metálicos
• Propriedades físico-mecânicas da polpa após
refino
SECAGEM DE CELULOSE
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
Secagem de Celulose
CONTEÚDO
• Introdução
• Depuração da Polpa Branqueada
• Formação da folha na mesa plana
• Prensagem
• Secagem
• Cortadeira
• Manuseio de fardos
• Expedição
Secagem de Celulose
Introdução a Secagem de Celulose
• Setor de celulose e papel constituído de empresas:
• Integradas - fabricam a celulose e papel e vendem o excedente de
celulose
• Não-integradas – fabricam apenas celulose de mercado
• Razões para secagem da polpa
• Evitar deterioração por longos períodos de estocagem
• Reduzir custo de transporte e
• Padronização
• Comercialização da Celulose Branqueada de Mercado
• tsa = tonelada seca ao ar (celulose com 10% de umidade em
fardos de 250 kg e unidades de 8 fardos)
Secagem de Celulose
Operações Principais
• Limpeza final da polpa – Depuração
• Formação da Folha na Mesa Plana
• Desaguamento
• Prensagem
• Secagem
• Formação de fardos
• Enfardamento e expedição
• Controle da Qualidade
Secagem de Celulose - Processo
Depuração da Celulose Branqueada
• Objetivo
O objetivo principal da depuração é a remoção de partículas do
tipo fibroso ou mineral indesejáveis ao processo tais como: areia,
metais, pedaços de madeira, sujeiras pesadas em geral.
• Tipos de Depuração
• Depuração por volume e peso
• Depuração probabilística
• Principais variáveis
• Pressão
• Consistência
• Temperatura
Secagem de Celulose - Processo
Depuração - Limpadores Centrífugos
Secagem de Celulose - Processo
Caixa de Entrada da Máquina - Formação da folha
• Funções principais da Caixa de Entrada:
•
Formação de um jato de massa com toda a largura da mesa de fabricação
Dispersão uniforme de fibras e aditivos - Perfil transversal de gramatura
•
Regular a velocidade do jato em função da Velocidade de formação.
•
• Estas três funções são levadas adiante por três seções diferentes da
caixa de entrada:



Manifold ou distribuidor
Elementos dispersores
Lábios
Secagem de Celulose - Processo
Mesa Plana da Máquina – Formação da Folha
Secagem de Celulose - Processo
Mesa Plana da Máquina – Formação da Folha
Objetivo da Mesa Plana
Obter uma folha bem formada, com boa resistência à tração , sem
marcas, com ótimo perfil transversal de gramatura e máxima drenagem.
Principais equipamentos
• Tela e Sistema Cantilever
• Rolos guia, esticadores e regulador de direção
• Caixas de Vácuo
• Réguas de formato
• Caixa de vapor
• Rolo couch
• Rolo Lumpbreaker
• Pichassos
Secagem de Celulose - Processo
Formação da Folha - Esquema da caixa de entrada
e mesa plana
CAIXA DE ENTRADA
CAIXAS DE VÁCUO
Secagem de Celulose - Processo
Formação da Folha - Esquema da caixa de entrada e mesa plana
PRESSÃO
ATMOSFÉRICA
Direção
Máquina
Linha de sucção
ÁGUA + AR
ÁGUA
Pmáx.
Pop.
SELO DE ÁGUA
DRENAGEM DE ÁGUA
*Fonte: A Drenagem da Mesa Plana, Hoje - Paulo Ueno
Secagem de Celulose - Processo
Sistema de Água Branca
Filtro engrossador
TORRE
DE
WCL
TQ
DE
FILTRADO
massa
TQ WCL
DA
MÁQUINA
WIRE PIT
TMCB
COUCH PIT
PULPER
PULPER
Secagem de Celulose - Processo
Sistema de Quebras
• Torre de quebras
• Couch pit
• Pulpers
TORRE
DE
QUEBRAS
TMCB
DEPURAÇÃO
FORMAÇÃO
SECADOR
CORTADEIRA
PULPER
COUCH PIT
PULPER
Secagem de Celulose - Processo
Seção de Prensas
 Função da Seção de Prensas
Remover da máxima quantidade de água da folha até seção de
secagem da máquina e alisar folha para eliminar marcas da tela da
mesa plana (influência na gramatura (gramas por m2) da folha de
polpa).

Fatores que afetam a prensagem úmida:
• Consistência da folha na entrada da seção
• Operacionalidade
• Qualidade da folha (formação, uniformidade, etc.)
Secagem de Celulose - Processo
Seção de Prensas – Detalhes
Secagem de Celulose - Processo
Máquina de Secagem – Transferência de Calor
• Mecanismos de Transferência de Calor
• Condução
• Convecção
• Radiação
• Tipos de Secagem
• Flash dryer
• Cilindros secadores
• Colchão de ar
• Cilindro monolúcido
Secagem de Celulose - Processo
Máquina de Secagem – Vista Geral
Secagem de Celulose - Processo
Trajeto da folha no secador
Secagem de Celulose - Equipamentos
• Caixas sopradoras(blow box)
Secagem de Celulose - Equipamentos
• Ventiladores de circulação
•Trocadores de calor
Secagem de Celulose - Equipamentos
Seção de Enfardamento
Cada fardo, após cortadeira, é: pesado (com acerto de peso
para 250kg), prensado, encapado, identificado (logomarca e
numeração - código de barras) e amarrado com arame.
Para facilitar transporte, os fardos são empilhados em grupos.
de 4x4 fardos e amarrados, formando unidades de embarque
com 8 unidades(2ton).
As unidades são estocadas
Secagem de Celulose - Equipamentos
COSTADEIRA
PRENSA
ENCAPADEIRA
ENFARDAMENTO
Secagem de Celulose - Equipamentos
Controle de Qualidade
• Estratégia
Controle Estatístico de Processo
•
Qualidade da celulose branqueada
•
•
•
Definição de Qualidade do Produto
Atributos principais: Gramatura, Umidade, Alvura, Contagem de
Pintas (sugidade), pH e Viscosidade
Desclassificação
•
•
Venda com desconto (perda de receitas)
Desagregação em repolpador e retorno para o processo via torre de
quebras
EVAPORAÇÃO DO LICOR PRETO FRACO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
213
Evaporação do Licor Preto Fraco
CONTEÚDO
• Introdução ao ciclo de recuperação
• Propriedades do licor negro
• Processo de evaporação
• Definições
• Evaporação em múltiplos efeitos
• Incrustações
• Condensados contaminados
• Fluxogramas típicos de evaporação e
• Equipamentos
214
Evaporação do Licor Preto Fraco
Linha de Recuperação
215
Evaporação do Licor Preto Fraco
Linha de Recuperação (Ref.:Green & Hough)
216
Evaporação do Licor Preto Fraco
Objetivo da Evaporação
Concentrar o licor negro separado das fibras no sistema
de lavagem de pasta até um teor de sólidos totais que,
quando injetado na fornalha da caldeira de
recuperação, entre e continue em processo de
combustão por força da matéria orgânica nele contida.
Modernas instalações permitem concentração do licor
negro até 80% ST (onde ST = sólidos totais ou sólidos
secos dissolvidos no licor preto).
217
Evaporação do Licor Preto Fraco
Propriedades gerais do Licor Negro importantes
na evaporação:
• Composição Química
• Sólidos totais, orgânicos e inorgânicos
• Densidade
• Viscosidade
• Elevação do ponto de ebulição
• Poder Calorífico
• Condutividade térmica
• Tensão superficial
218
Evaporação do Licor Preto Fraco
Composição do licor
Características do licor negro de eucalipto contendo
16% de sólidos totais (REF.:D’ALMEIDA, 1989)
Características
Temperatura, oC
Massa Especíica (16oC) (g/cm3)
Na2CO3 (como NaOH) (g/L)
NaOH (como NaOH) (g/L)
Na2S (como NaOH) (g/L)
Valores
80,00
1,06
37,40
4,00
7,40
Na2SO4 (como NaOH) (g/L)
1,60
Outros compostos de Na (como NaOH (g/L)
Na total (como NaOH) (g/L)
12,30
63,50
219
Evaporação do Licor Preto Fraco
Análise elementar e teores de cinza e enxofre dos sólidos do licor negro
de eucalipto, % (Ref.: D’ALMEIDA, 1988))
Elemento
Carbono
Hidrogênio
Nitrogênio
Enxofre
Oxigênio
Cinza
Poder calorifico inferior dos sólidos totais (kcal/kg)
Valores
34,0
3,6
0,7
3,4
14,3
44,0
2.900,0
220
Evaporação do Licor Preto Fraco
Composição orgânica do licor negro (Ref.: D’ALMEIDA, 1988)
Compostos orgânicos
Ligninas alcalinas
Hidroxi-ácidos (resultado da oxidação da glucose)
Extrativos
Ácido Acético
Ácido Fórmico
Metanol
Valores
30-45
25-35
3
5
3
1
221
Evaporação do Licor Preto Fraco
Sólidos totais, orgânicos e Inorgânicos do licor negro
• Determinação segundo norma ABTCP ou TAPPI
• Sólidos totais determinados à partir de amostra de peso conhecido e
seca em estufa à 105oC.
• Sólidos Inorgânicos determinados a partir da queima total dos sólidos
totais em mufla à ca. 600oC.
Densidade
• Peso de um volume unitário de licor (p.ex., 1,0 cm3) à 20oC
• Na operação, pela facilidade, a densidade é medida em Grau Baume
através de um hidrômetro calibrado.
• Bé = 145 – (145/densidade)
222
Evaporação do Licor Preto Fraco
Influência das características gerais do licor negro:
• Incrustação
• Formação de sabões
• Distribuição de tamanho de partículas do spray na
fornalha
• Combustão das partículas
• Estabilidade do leito de fundido no fundo da fornalha
• Perfil de temperatura na fornalha e
• Arraste de material particulado
223
Evaporação do Licor Preto Fraco
Operação Básica na Evaporação
 Evaporação envolve:
• transferência de calor sensível para o licor negro circulante para
elevar temperatura até ponto de ebulição (nas condições de
temperatura e pressão),
• seguido de transferência de calor latente do vapor para licor entrar
em ebulição e passar (parte do líquido) para fase de vapor.
 Transferência de calor para o licor pela condensação de vapor em:
• trocador de calor com casco (corpo) e
• superfície de um feixe tubular dentro do qual circula o licor.
 Mecanismo: filme de licor ascendente, filme de licor descendente e
circulação
forçada de licor.
224
Evaporação do Licor Preto Fraco
Operação Básica na Evaporação (cont.)
 Fluxo de calor (taxa de evaporação) do meio de
aquecimento (vapor vivo ou vapor expandido) através da
parede metálica para o licor negro é controlada por três
fatores:
• área de troca térmica (superfície de aquecimento) (A)
• diferencial total de temperatura na planta (Td)
• coeficiente geral de transmissão de calor (U)
 Equação geral de transferência de calor:
Q = UxAxTd
225
Evaporação do Licor Preto Fraco
Princípio da evaporação
Operação unitária cujo objetivo é concentrar uma solução em seus
componentes menos voláteis através da ação combinada da
temperatura e pressão.
Temperatura
Pressão (vácuo)
Vapor d’água + Gases
Q = U . A . t
Solução Diluída
226
Solução Concentrada
Evaporação do Licor Preto Fraco
Planta de Evaporação – Fluxograma simplificado
LICOR NEGRO
FRACO DO
DIGESTOR
GNC PARA FORNO
OU CALDEIRA
EVAPORADORES
CONCENTRADORES
75% DS
CALDEIRA
DE RECUPERAÇÃO
65% DS
17.2% DS
CONDENSADO
CONTAMINADO PARA
STRIPPER
VAPOR
NOTA: Nas plantas modernas não há separação e/ou
distinção entre evaporadores e concentradores
227
Evaporação do Licor Preto Fraco
Planta de Evaporação de Múltiplos Estágios – Definições
1.- Evaporação em múltiplos estágios ou efeitos (múltiplo-efeito) da evaporação
2.- Corpo evaporador é a unidade trocadora de calor.
3.- Vapor vivo, vapor primário ou vapor fresco é o vapor limpo oriundo do sistema de
distribuição da fábrica.
4.- Condensado primário é o condensado limpo do vapor vivo.
5.- Vapor secundário é o vapor evaporado do licor negro.
6.- Condensado secundário é o condensado derivado do vapor sujo.
7.- Condensado sujo é o condensado secundário com maior teor de contaminação.
8 -Gases não-condensáveis (GNC) = compostos gasosos liberados do licor negro na
evaporação com emissão de TRS (GNC).
9.- Concentrador refere-se ao 1o. Efeito onde o licor é evaporado até sua
concentração final.
10.- Condensador de superfície é um trocador / resfriador de calor onde o meio de
resfriamento é a água. Ele serve para condensar o vapor do último estágio.
228
Evaporação do Licor Preto Fraco
Planta de Evaporação em Múltiplo-Efeito - 3 estágios
Ref.: Gullichsen, 1999
229
Evaporação do Licor Preto Fraco
Evaporação em Múltiplo-Efeito - Economia de Vapor
1.- Em sistema de evaporação de 3 estágios, o vapor gerado no 1o.
Estágio é o meio de aquecimento no 2o. Estágio. O vapor do 2o.
Estágio aquece o 3o. Estágio. Logo, o consumo de vapor vivo será cerca
de 1/3 do consumo de vapor do sistema de evaporação de 1 estágio.
2.- A economia de vapor, definida em termos de toneladas de água
evaporada por tonelada de de vapor vivo (tagua/tvapor), seria igual a 1
para a planta de 1 estágio e de 3 para a de 3 estágios. Na prática, a
economia real de vapor é menor devido as perdas na evaporação com
múltiplos estágios.
As economias de vapor (tagua/tvapor) observadas são: 3,7-3,6 para 4
estágios, 4,3-4,1 para 5 estágios, 5,1-4,9 para 6 estágios e 6,2-5,9 para 7
estágios.
4.- A sequência do fluxo de vapor numa planta de múltiplos efeitos é
sempre do 1 para o último. Fluxos paralelos são possíveis.
5.- A sequência de fluxo do licor (em evaporador de filme descendente)
é contracorrente na direção do 1 efeito. A temperatura do licor
determina o ponto de alimentação pois o último efeito opera numa
temperatura de 55-60oC.
230
Evaporação do Licor Preto Fraco
Evaporação em Múltiplo-Efeito
231
Ref.: Kvaerner
Evaporação do Licor Preto Fraco
Evaporação em Múltiplo-Efeito
Fluxograma mostrando as entradas e saídas de licor,
vapor vivo e condensados (Ref.: Ahlstrom, 1997)
232
Evaporação do Licor Preto Fraco
Incrustações em Planta de Evaporação
1.- Quando se formam incrustações nas superfícies de aquecimento, o
coeficiente de transferência de calor diminui.
2.- As fontes de problemas de incrustações na evaporação podem vir da a)
caldeira de recuperação, b) caustificação, c) descascamento, d)cozimento e
lavagem e e) da própria planta de evaporação.
3.- As incrustações nos evaporadores de licor negro podem ser
- incrustações de carbonato de cálcio,
- Burkita - carbonato e sulfato de sódio
- Sabão misturado com fibra e
- Incrustação por alumínio e sílica.
233
Evaporação do Licor Preto Fraco
Condensados Contaminados e Gases Não-Condensáveis
Impacto ambiental atenuado através de:
• Segregação de condensados contaminados com (H2S, CH3S, CH2-S-CH2,
etc) da polpação e da evaporação (ca. 1,0m3 /tsa)
• Destilação da fração de condensados contaminados (ca. 1,0m3 /tsa)
• Condensados secundários usados na lavagem de polpa marrom, e
caustificação.
234
Evaporação do Licor Preto Fraco
Coleta e Tratamento de Condensados Contaminados
Dados gerais de um Stripper
Fornecedor
A
Capacidade, (t/h)
110
Consumo de vapor, (t/h)
20
Tipo (p/metanol)
Bandejas
c/válvulas
Produção de MeOH, (L/h)
1450
Temperatura do MeOH, oC 45-50
Ref.: Gullichsen, 1999
235
Evaporação do Licor Preto Fraco
Tipos de Evaporadores
Vertical de tubo longo
Vertical de tubo curto
236
Evaporação do Licor Preto Fraco
Detalhes típicos de um Evaporador de Filme Descendente de
Tubos Falling Film Evaporator (FF)
H E AT E R
VE NT
VAP O R S
CH EV RO N
S E PA R A T O R
M A N W AY
C O N D E N S AT E
VA PO R
B OD Y
F E ED
P RO DU CT
R E C IR C U L AT I O N
P UM P
237
Evaporação do Licor Preto Fraco
Desenho típico de um evaporador de Placas
Evaporador de filme descendente (falling film)
238
CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO
QUEIMA DO LICOR PRETO CONCENTRADO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2010
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
239
Caldeira de Recuperação
CONTEÚDO
• Informações sobre o ciclo de recuperação
• Descrição geral do da recuperação Kraft
• Função e partes principais de uma caldeira de recuperação
• Combustão do licor negro e suas implicações gerais
• Química da combustão do licor negro
• Fluxograma de água, vapor e fundidos
• Detalhes típicos de equipamentos
• Controles
240
Caldeira de Recuperação
241
Caldeira de Recuperação
Função da Caldeira de Recuperação
1.- Queima um combustível, licor negro concentrado, para produção
de vapor vivo utilizado no processo de fabricação da polpa,
2.- Produz os produtos químicos usados na produção de licor de
cozimento (licor branco) - carbonato de sódio (Na2CO3) e sulfeto
de sódio (Na2S) ,
3.- Destroi a matéria orgânica dissolvida da madeira e, dessa forma,
elimina uma descarga adversa para o meio ambiente.
242
Caldeira de Recuperação
Partes principais da Caldeira
•
Uma caldeira tem duas seções principais:
• Fornalha (segue figura)
• Transferência de Calor (calor de convecção dos gases)
• Demarcação geral entre as duas seções = arco, na forma de nariz, na
parte média superior da caldeira.
• Mistura e combustão do licor negro com o ar contida na seção da
fornalha.
fornalha.
Cerca de 40% da transferência de calor é completada na
A transferência de calor para água circulante dos tubos da
caldeira produz vapor de alta pressão na seção de calor de convecção.
243
Caldeira de Recuperação
Detalhes da
fornalha (Ref.:
Adams, Terry et al.)
Lanças com bicos
pulverizadores de
licor negro
Bicas
Ventiladores
insufladores
de ar
Entradas de
ar de
combustão
Leito de
244
fundido
Caldeira de Recuperação
Detalhes da fornalha (Cardoso, M., 2001)
245
Caldeira de Recuperação
Detalhes da fornalha
Sistema de sopragem de ar
primário,secundário e terciário
Ref.: Adams, N.T., 1997
246
Caldeira de Recuperação
Detalhes gerais da caldeira (ref. Adams T. et al)
247
Caldeira de Recuperação
Partes Principais da Caldeira (Cont.)
Seção da fornalha
•
Forma retangular podendo medir de 6 à 13 metros.
•
Paredes formadas de cortinas de tubos - partes do circuito de
água da caldeira e da geração de vapor de alta pressão.
•
Abriga:
•
leito de fundido,
•
lanças com bicos de pulverização do licor negro concentrado,
•
bicas de escoamento do fundido para a tanque de dissolução,
•
entradas de ar primário, secundário e terciário e
•
parte inferior das cortinas laterais de tubos de água.
248
Caldeira de Recuperação
Partes Principais da Caldeira (Cont.)
Seção da fornalha
Detalhe do fundo da fornalha e a configuração dos tubos de água
Ref.: Adams, T., 1997 249
Caldeira de Recuperação
Partes Principais da Caldeira (Cont.)
Seção da fornalha
Detalhe da lança e dos bicos pulverizadores de licor
Ref.: Adams, T., 1997
250
Caldeira de Recuperação
Seção de transferência de calor por convecção
•
•
•
É a seção de recuperação de calor
Contêm:
• a) super-aquecedor,
• b) banco de tubos da caldeira ligados a tubulões(ão) de água e
• c) economizadores. Algumas caldeiras contem uma cortina de
tubos resfriados com água logo antes do super-aquecedor.
Circuito de água começa com alimentação de água a baixa temperatura
(110oC) e termina com vapor de alta pressão (>70 bar e 450oC na
turbina. Energia do vapor é transformada em energia mecânica na
turbina e elétrica no gerador. O circuito envolve a passagem da água
pelos economizadores, tubulão, tubos de alimentação (downcomers),
cortinas com água ascendente, balão, super-aquecedores, turbina com
ou sem ou extração de vapor para o processo (segue figura)
251
Caldeira de Recuperação
Cortina
Banco de Tubos
Superaquecedores
Economizadores
Cortina de tubos
das paredes
Detalhes da seção de transferência convectiva de calor252
Caldeira de Recuperação
Detalhes da seção de transferência convectiva de calor
Soprador de fuligem para limpeza da área de tubos
Ref.: Adams, N.T., 1997
253
Caldeira de Recuperação
Detalhes da seção de transferência convectiva de calor
Reciclagem interna da fuligem e da poeira de uma caldeira
Ref.: Gullichsen, 1999
254
Caldeira de Recuperação
Detalhes do Precipitador Eletrostático
Gullischsen,2000
255
Caldeira de Recuperação
Circuito de água /vapor na caldeira (Ref. Ahlstrom)
256
Caldeira de Recuperação
Circuito de água /vapor na caldeira (Ref.: Gullischen)
Vapor superaquecido
Tubulão de vapor
Superaquecedor
Calor
dos
Fornalha
(evaporador)
Gases
Ecomizador
Aquec.água
Água de
alimentação
Temperatura, oC
257
Caldeira de Recuperação
Conceito Básico de uma Caldeira (Ref.: Gullischsen)
258
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado
• Licor negro úmido não deve alcançar o leito de sólidos em
combustão no fundo da fornalha da caldeira
• Licor negro contem 25-40% H2O
• Risco de explosão
• Apagamento local de uma porção do leito
• Fases da combustão:
• secagem,
• pirólise,
• gaseificação do leito de sólidos,
• combustão homogênea.
259
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
•
A combustão envolve reações químicas entre o oxigênio do ar
e o licor negro. A localização do ponto de combustão dentro da
fornalha é dependente do modo de injeção de ar e do padrão de
pulverização do licor na fornalha
•
Macroscopicamente, a combustão do licor na caldeira pode
ocorrer de três modos diferentes:
1.- em suspensão
2.- no leito de fundido e
3.- nas paredes laterais (cortinas de tubos de água)
260
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
Modos de Combustão
1) Em suspensão
A combustão em suspensão sempre ocorre, em maior ou
menor escala. A sua extensão é governada pelo tamanho
das gotas ou partículas de licor (partículas menores tem
uma maior área por unidade de massa e queimam mais
rapidamente), pelo padrão do fluxo gasoso na fornalha,
temperatura e concentração de oxigênio.
261
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
2.- No leito de fundido
A combustão no leito de fundido tem duas funções:
• gaseificar e queimar o material orgânico que não queimou
em suspensão e, ou nas paredes da fornalha e
• prover condições para a redução do fundido, sua
liquefação e drenagem em direção as bicas. A combustão
em suspensão sempre ocorre, em maior ou menor
escala.
O leito contribui para a manutenção de altas eficiência de
redução por atuar como uma proteção do fundido reduzido
contra uma re-oxidação e como reservatório de carbono para
262
a reação de redução
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
3.- Combustão nas paredes laterais da fornalha
O licor pode ser pulverizado sobre as paredes para secar, parcialmente queimar e
atingir o leito antes de atingir o leito de fundido com partículas de maior tamanho.
Notas:
•
A divisão entre os modos de queima, crítico na operação e controle da
caldeira, é feita através da manipulação das lanças com os bicos
pulverizadores e padrões de injeção.
•
Dentre os problemas resultantes da queima do licor na caldeira destacamse: a) incrustações nas zonas de transferência de calor, b) entupimento
das passagens de gases, c) restrições ambientais (TRS, SO2), d)
263
estabilidade do leito e corrosão
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
Notas:
• A cinza de se carbonato de sódio-sulfato-sulfeto deposita nas superfícies
de troca de calor podendo até entupir a passagem dos gases de exaustão.
Excesso de íons de potássio (K) e cloro (Cl) resulta em corrosão.
• Há duas fontes distintas de material inorgânico que podem sujar internamente a
caldeira:
• arraste de material parcialmente queimado e
• poeira fina ou fumaça
• Algum arraste ou poeira é normal, daí, a necessidade da caldeira possuir um
soprador de fuligem à vapor.
264
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
• Restrições impostas a operação das caldeiras são de três categorias:
•compostos malcheirosos de enxofre (TRS- totally reduced sulfur compounds),
•Dióxido de Enxofre (SO2) e
•Poeira e fumaça (problemas estéticos - opacidade)
• Regulamentações estão previstas para os NOx e outros gases.
• Emissão de SO2 é controlada pela eficiência da reação do sódio com o enxofre e
que depende da relação sódio/enxofre do licor (sulfidez alta gera mal-cheiro) e
pela manutenção de alta temperatura na parte inferior da caldeira.
• Praticamente todas as caldeiras tem precipitador eletrostático.
265
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
As reações químicas que resultam na queima do licor e formação
de produtos inorgânicos incluem:
1.- Pirólise,
2.- Queima de compostos voláteis,
3.- Queima do leito de cinzas e fundido,
4.- Oxidação inorgânica e redução do sulfato.
5.- Liberação e captura do enxofre
6.- Formação de fumaça
7.- Reações de corrosão
266
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
• A reação geral de combustão pode ser representada por:
oC)
(ca.
1000
Licor negro + O2
Na2CO3 + Na2S + Gases
(Calor)
• A formação do Na2S requer uma deficiência local de oxigênio - esta
etapa de reação de redução é crítica ao processo
• A única parte do ciclo de recuperação onde os compostos de enxofre
oxidados podem ser convertidos para sulfeto é durante a combustão.
267
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
QUEIMA DO LEITO
SECAGEM
PIRÓLISE
CALOR
CALOR
QUEIMA DO LEITO
FUNDIDO
CHAMA
268
Caldeira de Recuperação
Detalhes da fornalha (Cardoso, M., 2001)
269
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (Queima do
leito de cinzas e fundido (Cont.)
Ref.: Adams, N.T., 1997
EFICIÊNCIA DE REDUÇÃO, % =
Na2S x 100
(Na2SO4 + Na2S+ outros sais de S)
270
Caldeira de Recuperação
Combustão do Licor Negro Concentrado (cont.)
Formação de fumaça:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Combustão do licor
Na (vapor)
2Na + 1/2O2 + CO2
Na2CO3 (fumaça)
Na2CO3 + SO2 + 1/2O2
Na2SO4 (fumaça) + CO2
NaCl (líquido) + calor
NaCl (vapor)
NaOH (líquido)
NaOH (vapor)
2NaOH + CO2
Na2CO3 (fumaça) + H2O
271
Caldeira de Recuperação
Controle de Processo:
•
•
•
•
•
•
NR-13 estabelece normas de operação, drenagem rápida,
capacitação de operadores e controle de qualidade do
processo, etc.
Eficiência da Caldeira (Queima da carga de sólidos do licor
concentrado),
Taxa de Redução (passagem do Sódio para Sulfeto)
Qualidade do vapor (temperatura e pressão)
Emissões atmosféricas (TRS e material particulado)
BRBLAC e Comissão da ABTCP
272
Caldeira de Recuperação
Desafíos na Área do Ciclo de Recuperação da Polpação Kraft:
•
•
•
•
•
Aumento de capacidades de plantas,
Redução do investimento específico (R$/tsa),
Maiores exigências de proteção ambiental
Melhor controle de processo (Sistemas dedicados e,ou
supervisórios)
Simplificação do processo e layout das instalações
273
CAUSTIFICAÇÃO E FORNO DE CAL
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2010
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
274
Caustificação e Forno de Cal
CONTEÚDO
- Objetivos da caustificação / forno de cal
- Função
- Química do processo
- Processo básico
- Equipamentos principais
- Controle do processo e
- Aspectos ambientais
275
Caustificação e Forno de Cal
Layout da Linha de Recuperação (Ref.:Gree & Hough)
276
Caustificação e Forno de Cal
Objetivo da Caustificação
• Produção de licor branco limpo e quente (solução aquosa contendo
Hidróxido sódio e sulfeto de sódio) contendo mínima quantidade de
compostos químicos inertes ao processo de polpação e
• Produção de lama de cal limpa e de alto teor seco para calcinação
no forno de cal para ser reutilizada como cal com mínimo uso de
energia.
277
Caustificação e Forno de Cal
Química do Processo - Terminologias
ÁLCALI ATIVO (AA) = NaOH + Na2S
ÁLCALI EFETIVO (AE) = NaOH + 1/2 Na2S
ÁLCALI TOTAL (AT) = NaOH + Na2S + Na2CO3 + Na2SO4
ÁLCALI TOTAL TITULÁVEL (ATT) = NaOH + Na2S + Na2CO3
SULFIDEZ (S) =
Na2S x 100
Na2S + NaOH
EFICIÊNCIA DE CAUSTIFICAÇÃO =
NaOH x 100
NaOH + Na2CO3
EFICIÊNCIA DE REDUÇÃO =
ATIVIDADE =
Na2S x 100
Na2SO4 + Na2S+ outros sais de S
(NaOH + Na2S) x 100
NaOH + Na2S + Na2CO3
278
Caustificação e Forno de Cal
Química do Processo
As reações principais são:
CaO(s) + H2O (aq)
Ca(OH)2 (s) (extinção)
Na2CO3(aq) + Ca(OH)2(s)
2NaOH(aq) + CaCO3(s)
(caustificação).

A reação de caustificação é uma reação de equilíbrio
químico. Tanto o hidróxido como o carbonato de cálcio nessas
condições de reação são insolúveis e participam da reação
como sólidos.

279
Caustificação e Forno de Cal
Processo Básico (cont.)

Caracterização dos licores circulantes na caustificação
• Os componentes principais do licor verde e do licor branco são NaOH,
Na2S, Na2CO3 e Na2SO4. Métodos da TAPPI.
As propriedades principais da licor verde produzido pela dissolução do
“smelt” da caldeira em licor fracos são: densidade (kg/L), Álcali Total
Titulável (ATT em g NaOH/L), Temperatura (oC), teor de “dregs”(mg/L) e
eficiência de redução Na2S/(Na2S+Na2SO4) em % equivalente
•
Os dregs são impurezas oriundas principalmente de carbono partículas
de lama de cal e, também, de hidróxidos e sulfetos de metais.
•
280
Caustificação e Forno de Cal
Processo Básico (cont.)
Composição do licor verde
Componente
Concentração, g NaOH/L
Na2CO3
80 a 100
Na2S
40 a 50
Na2SO4
NaOH
Outros dissolvidos
Sólidos susspensos
3a6
5 a 20
5 a 10
0,6-1,5
Propriedades físicas do licor verde
Temperatura
Densidade
Viscosidade
Ref.: Gullichsen, 1999
80-100oC
1,12 a 1,2 kg/L
0,9 cP (a 90oC)
281
Caustificação e Forno de Cal
Processo Básico (cont.)
Composição do licor branco
Componente
Características do licor branco
Concentração
c/ g NaOH/L c/ g Na2O/L c/ tal em g/L
NaOH
Na2S
95
40
73,6
31,8
95
39
Na2CO3
23
17,8
30,5
Na2SO4
4
3,1
7,1
Na2S2O3
2
1,6
4
Na2SO3
Outros
álcali ativo
álcali efetivo
álcali total
0,5
0,4
0,8
3
135
115
164,5
105,4
89,5
128,3
Sulfididade, %
29,6
Relação Na/S
0,58
Grau de caustificação, %
Grau de redução, % base S
80,5
82,2
Grau de redução, % base SO4
90,9
Ref.: Gullichsen, 1999
179,4
282
Caustificação e Forno de Cal
Processo
 Caustificação composta de sete (7) operações unitárias para
produção do licor branco para o cozimento da madeira (segue
figuras):
1.- Remoção de “dregs”do licor verde,
2.- Extinção da cal
3.- reação de caustificação,
4.- Separação do licor branco da lama de cal,
5.- Lavagem da lama de cal,
6.- Secagem da lama de cal e
7.- Calcinação da cal
283
Caustificação e Forno de Cal
Processo
Partes principais da Caustificação (segue figura)
• Tanque de dissolução
• Filtração do licor verde
• Clarificador de licor verde
• Extintor ou apagador de cal
• Caustificador
• Clarificador de licor branco
• Lavador da lama de cal
• Forno de cal
• Precipitador Eletrostático
• Silo de Cal virgem
284
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes da área de caustificação e forno de cal
Green liquor to Slaker
1st Causticizer
3rd Causticizer
Ref.:
Kajaanni, 1999
Green Liquor (GL)
Fresh lime
Burnt lime from kiln
White liquor (WL)
ecofilter
GL-cooler
GL clarifier
Stabilizing
tank
Water
WL storage
tank
Causticizers
WL to
digester
Grits
Dregs
filter
Dregs
and grits
Lime mud
ecofilter
Weak wash
storage tank
Water
Cyclone
ESP
Lime mud
Lime mud
filter
Stack
Lime elevator
Lime kiln
storage tank
285
Caustificação e Forno de Cal
Localização e detalhe do tanque de dissolução
Fornalha da
caldeira
Bicas
Tanque de
dissolução
do “smelt
Ref.: Green & Hough
286
Caustificação e Forno de Cal
Localização e detalhe do tanque de dissolução
• O licor verde contem impurezas, partículas de carvão e compostos de cálcio “dregs” separados num clarificador (decantador ou filtro pressurizado). Os
partículas mais pesadas, “dregs”, são lavados num filtro é descartados do
processo.
• O líquido clarificado, o licor verde, segue para caustificação 2- O licor verde
proveniente do tanque de dissolução tem cerca de 800-1200ppm de impurezas
(dregs) e menos de 100ppm após decantação.
287
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do clarificador de licor verde
Ref.: Gullichsen, 1999
288
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do clarificador de licor verde – Filtro Pressurizado
X-FILTER
289
Caustificação e Forno de Cal
Fluxograma da área de clarificação do licor verde e extinção da cal
Filtro de dregs tipo cilindro rotativo (Ref.: Kvaerner, 1998)
290
Caustificação e Forno de Cal
Filtro de Dregs
•O lodo do clarificador de licor verde (dregs) é:
• Bombeado para um tanque de estabilização,
• Bombeado para uma filtro de lavagem
• Partículas mais pesadas, “dregs”, são lavadas no filtro e
• Descartados do processo.
• A lavagem é importante para reduzir as perdas de álcali. O teor
de material seco de dregs deverá ser alto e seu pH controlado
para evitar danos ao meio ambiente
•Critério de dimensionamento - Filtro de "dregs" : 19,0 kg/hr-m2
291
Caustificação e Forno de Cal
Apagador de cal
• Equipamento onde o licor verde é misturado com cal virgem produzido no
forno de cal, ou comprado de terceiros.
para formar:
A cal reage rapidamente com a água
CaO + H20 -----> Ca(OH)2
Ca(OH)2 + Na2CO3 ----> 2NaOH + CaCO3
• Mais de 80% da possível conversão de carbonato para soda ocorre até a
descarga do classificador. O restante ocorre nos caustificadores.
• A extinção do cal é tida como a operação “chave” da caustificação
292
Caustificação e Forno de Cal
Apagador de cal (cont.)
• A cal é alimentada no apagador através de rosca dosadora e em
função da vazão e da densidade do licor verde e visa a produção de licor
branco com concentração de álcali ativo recomendada para a polpação.
• Critério de dimensionamento do Apagador
Tempo de retenção no apagador = 15 minutos
293
Caustificação e Forno de Cal
Detalhe do extintor ou apagador de cal
Ref.: Gullichsen, 1999
294
Caustificação e Forno de Cal
Caustificador
• Conjunto de 3 ou 4 tanques onde a reação do leite de cal com o
carbonato de cálcio prossegue durante cerca de 1,5 horas até quase
transformação total em Hidróxido de Sódio. A transformação não é
completa pois, à medida que aumenta a concentração de Hidróxido de
Sódio, a reação torna-se mais lenta. Daí o termo,
Grau de Caustificação, % = NaOH x 100/(Na2CO3 + NaOH)
• Critério de dimensionamento dos caustificadores
Tempo de retenção em 3 caustificadores: 150 minutos
295
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes da área de caustificadores e o controle de processo
296
Ref.: Kajaanni, 1999
Caustificação e Forno de Cal
Clarificador de licor branco
• O licor branco proveniente dos tanques de caustificação contem o carbonato
de cálcio. O carbonato de cálcio, insolúvel em meio altamente alcalino, é
decantado num clarificador formando a “lama de cal” . O líquido sobrenadante, o
licor branco é separado e enviado para os tanques de estocagem
• A tendência moderna é a produção de licor branco com menos de 100ppm de
turbidez com uso de filtros pressurizados.
297
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do clarificador de licor branco
Princípio de funcionamento do filtro de licor branco
298
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do clarificador de licor branco
Clarificador de Licor Branco – DISC FILTER
299
Caustificação e Forno de Cal
Lavador da lama de cal
• A lama de cal, removida por bombas do fundo do clarificador de
licor branco, contem muito Hidróxido de Sódio e Sulfeto de sódio e
deve ser lavada com água quente (condensado contaminado da
evaporação) para reduzir perdas. O licor branco fraco é bombeado
para o tanque de dissolução da caldeira para preparação do licor
verde.
• A lama de cal “Carbonato de Cálcio” é calcinada no forno de cal.
300
Caustificação e Forno de Cal
Tanques de estocagem
• Na área da caustificação são encontrados muitos
tanques de grande capacidade e/ou volume. Trata-se de
tanques metálicos de >20m Dia x 10 m de altura.
• Esses tanques servem para estocar:
• Licor verde sujo
• Licor verde clarificado,
• Licor branco clarificado e
• Licor branco fraco.
• Esses tanques se constituem num pulmão da fábrica
pois a capacidade de estocagem de um ou outro licor é da
ordem de 3 à 5 dias.
301
Caustificação e Forno de Cal
Forno de Cal
1- O forno é um tubo metálico de 3,0 m Dia. x 90 m de comprimento que gira
lentamente em torno de seu eixo. A parte interna do forno é revestida com tijolos
refratários. A lama é alimentada numa extremidade e a cal virgem removida na
outra.
2- A lama de cal formada é calcinada no forno “Forno de Cal” para produzir a cal
recuperada, estocada em silos e re-utilizada no processo.
3- A reação é endotérmica, isto é, que calor deve ser adicionado ao processo para
se atingir a temperatura de calcinação > 1000 - 1250oC.
Dentre os combustíveis usados no forno de cal destaca-se o óleo combustível de
baixo teor de enxofre e gás natural.
302
Caustificação e Forno de Cal
Forno de Cal (cont.) :
7.- Tubos integrais resfriadores são usados nos novos fornos. Nestes o
ar secundário é induzido e pré-aquecido enquanto que a cal calcinada é
resfriada para aproximadamente 180-205oC.
8.- Equipamentos auxiliares da calcinação da cal no forno
 Moinhos para uniformizar as pelotas de cal em 2,0 cm Dia.
 Calhas na descarga do forno para proteção e cobertura da
descarga dos resfriadores,
Transportadores de cal e silo de estocagem
 Sistema de alimentação de combustível ao forno
 Lavadores e, ou condensadores para captura de materiais
particulados
303
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do forno de cal
H2O (vapor)
CaO
Alimentação
de Gases
Satélites ou
Coolers
CaCO3
(
seca )
CO2
Zona de
Calcinação
Lama de Cal
CaCO3 + H2O
Zona de
Aquecimento
Saída dos Gases
de Combustão
Zona de
Secagem
(correntes)
Queimador
Alimentação da
Lama de Cal
Gases de Combustão
Descarga de Cal
Recuperada
Lama de Cal (CaCO3)
304
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do forno de cal
305
Caustificação e Forno de Cal
Esquema de um forno de cal com lavador de gases
Extraído de Honghi Tran, 2006
306
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do forno de cal
307
Caustificação e Forno de Cal
Alimentação dos Gases
de Combustão
Extremidade inferior
Detalhes do forno de cal
Sistema de Alimentação de Gases e Queimador
Forno de Cal - Equipamento
Alimentação da
Lama de Cal
Extremidade superior
Sistema de alimentação de cal e
saída de gases de combustão
308
Caustificação e Forno de Cal
Detalhes do forno de cal
Detalhes do flashdryer acoplado ao forno que permite a secagem completa da
lama de cal antes de sua alimentação.
Vantagens: a) menor comprimento do forno e
b) menor consumo de energia
309
Caustificação e Forno de Cal
Silo de Cal
A cal virgem, produzida no forno de cal pela calcinação da lama de
cal, o a cal virgem comprada de terceiros para fazer a reposição
das perdas do processo, é transportada por transportadores de
canecos e despejado no topo do silo.
Na sua parte inferior há um sistema automático de dosagem que,
em função da concentração de carbonato de sódio no licor verde
(medido via densidade) dosa mais ou menos cal virgem para o
apagador.
310
Caustificação e Forno de Cal
Precipitador Eletrostático
• Equipamento de grande porte (precipitador eletrostático)
através do qual passam os gases de combustão do forno de cal
que arrastam poeira e/ou material particulado constituído de cal
virgem.
• Poeira (ou material particulado), se não captada, pode causar
sério impacto ambiental.
• Poeira é captada dentro do precipitador, onde elementos
metálicos são energizados com corrente contínua que formam
um campo magnético e atraem o material particulado.
311
Caustificação e Forno de Cal
Testes de controle da cal
• Cal calcinada de forma branda é bastante reativa com H2O e
CO2 baixam o valor do teste de disponibilidade de CaO.
• As normas e ou métodos da TAPPI (TAPPI Useful Method 616 Analysis of Kraft Lime Sludge e o TAPPI 617 - Analysis of Lime”
podem ser usadas par testes.
• Amostras para testes são coletadas na
• alimentação de lama ao filtro,
• manta de descarga do filtro e
• produto do forno de cal.
312
Caustificação e Forno de Cal
Impactos Ambientais
• A área de caustificação tem o potencial de gerar sub-produtos que
devem ser descartados de maneira correta para atenuar o impacto
ambiental. Dentre os descartes destacam-se:
- Sólidos: dregs
e grits
• Líquidos: derrames e respingos
• Emissões atmosféricas: Particulado, TRS e SO2.
• O EPA estabeleceu um padrão de desempenho de novos fornos
para a industria de celulose e papel de 8,0 ppm por volume de TRS
expresso como enxofre e corrigido para 10% de oxigênio. A maioria
dos estados adotou 20 ppm para fornos existentes.
313
IMPACTOS AMBIENTAIS E SISTEMAS DE TRATAMENTO
DE EFLUENTES
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
314
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
CONTEÚDO
•Objetivos
• Impactos Potenciais do Processo de
Fabricação de Celulose Branqueada
• Poluição Hídrica
• Poluição Atmosférica
• Poluição Sólida
• Tratamentos de Efluentes
315
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Objetivos
• Identificar o impacto ambientais do processo de
fabricação de celulose branqueada
• Discutir as tecnologias existentes de tratamentos de
efluentes e
• Identificar tendências de minimização do impacto
ambiental
316
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose Kraft Branqueada
• Efluentes Líquidos
• Derrames e respingos
• Condensados sujos
• Emissões Atmosféricas
• TRS
• Emissões difusas (Odor, VOC, SO2,Nox, etc)
• Particulados
• Resíduos Sólidos
• Dregs
• Grits
317
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Esquema Geral de Uma fábrica Integrada
emissões
aéreas
aditivos
vapor
madeira
água
Máquina de
Papel
Fábrica de
celulose
papel
insumos
químicos
celulose
resíduos
sólidos
efluentes
líquidos
efluentes
líquidos
318
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Prioridades Ambientais – Emissões
Odor/VOC
Madeira
NOX
Celulose de
Alta Qualidade
Deslignificação
Branqueamento
Energia
Água
Recuperação
Química e de
energia
Sub-produtos
sólidos
Efluentes
Condensados
da sala do Derramamento de
picador
Licor Preto
Tratamento
de efluentes
SS, COD, AOX, N, P
Altas prioridades
Rejeitos
Sólidos
319
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Fábrica de Mínimo Impacto Ambiental (MIM)
320
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Tendências no Controle da Poluíção
• Percepção publica mais afinada através de educação
ambiental
• Pressão social (governo, comunidades e ONGs)
• Legislação mais exigente
• Empresa ambientalmente correta
• Redução dos custos com tratamento externo
• Experiência adversa
• Pesquisa e desenvolvimento
321
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Melhores Práticas de Gestão Ambiental – BMP
(Cluster Rules, 1997)
1- Reduzir a poluição na fonte
2- Reciclar e reusar
3- Coletar emissões (líquidas, gasosas e sólidas) e submetê-las a
tratamentos específicos
4- Fazer disposição correta do resíduo
322
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Tendências Tecnológicas preventivas de poluição
Base: Conceito de “BMP - Melhores Práticas de Ambiental
• Máximo descascamento na floresta
• Descascamento à seco na fábrica
• Cozimentos modificados
• Redução do consumo específico de água
• Circuito fechado na depuração e lavagem de polpa
• Deslignificação com Oxigênio
• Branqueamento com compostos não-clorados
• Coleta e destilação de condensados contaminados
• Controle de derrames
323
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Caracterização dos Efluentes
• Volume (calhas Parshall, ets.)
• Matéria Orgânica (kg/tsa) – COT, DBO e DQO
• Sólidos em Suspensão (kg/tsa)
• Cor (kgPt/tsa)
• AOX (no efluente) e OX (na polpa)
• Toxicidade
• Temperatura e pH
324
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Efluentes Líquidos (m3/tsa)
Pátio de
Madeira
Linha de
Fibras
Branqueamento
1,2 - 2
3-7
15 - 30
4-7
Evaporação
Caldeira de
Recuperação
Caustif.
Calcinação
0,5 - 2
1-2
1-2
1-2
Trat.
Primário
Trat.
Secundário
Licor preto
1,3 - 6
Digestor
40 - 80
Secagem
325
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Tipos de Tratamento de Efluentes
•Tratamentos de efluentes líquidos
• Tratamento preliminar (Pré-tratamento)
• Tratamento Primário (remoção de sólidos em suspensão)
• Tratamento Biológico – Aeróbio ou Anaeróbio
• Tratamento Terciário – Polimento
• Destilação de condensados contaminados (stripper)
• Coleta e tratamento de emissões gasosas
• Gases não-condensáveis (GNC) – Incineração controlada
• Gases difusos (HVLC) – lavagem
• Coleta e disposição de resíduos sólidos
• Cinzas da caldeira de força (na floresta)
• Grits, Dregs, outros – em aterro com pH neutro
326
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Branqueamento de Impacto Mínimo ao Meio-Ambiente
• Adoção de sequências que usam somente agentes químicos
alvejantes oxigenados - oxigênio, ozônio, peróxido de hidrogênio
que permitem o envio do efluente para a caldeira de recuperação
• Fábrica de circuíto fechado – baixo consumo de água fresca,
baixa descarga de efluente
327
Impactos Ambientais de uma Fábrica de Celulose
Principais Elementos da ISO 14000
Política Ambiental (alta gerência)
 Planejamento


Implementação


identificação dos aspectos ambientais da operação
treinamento, comunicação, auditorias, ações corretivas
Revisão do sistema
328
CONTROLE DE PROCESSO E QUALIDADE DO PRODUTO
Professor: Alfredo Mokfienski, D.Sc.
Consultor Independente
São Paulo, SP, Março 2011
Realização
Associação Brasileira Técnica de Celulose e Papel
329
Controle de Processo e Qualidade do Produto
CONTEÚDO
• Objetivos
• Controle do processo
• Controle da Qualidade do Produto
330
Controle de Processo e Qualidade do Produto
Objetivo
Enfocar as modernas tendências de controle de processo e
qualidade
331
Controle de Processo e Qualidade do Produto
Controle de Processo
• Controle estatístico do Processo - CEP
• Sistemas digitais de Controle Distribuídos (SDCD)
• Sistemas de Informações Gerenciais (MIS)
• Sensores On-Line (Kappa, alvura,adição de cargas, resíduos, etc.)
• Laboratórios Setoriais
• Laboratório central (Suporte ao suprimento e a fábrica e Caracterização
dos efluentes)
• Centro de Pesquisa (desenvolvimento)
332
Controle de Processo e Qualidade do Produto
Controle da Qualidade do Produto
• Qualidade = conjunto de atributos requeridos para um fim do produto
(papeis de comunicação, papeis absorventes e papeis especiais)
• Amostragem – o resultado nunca é melhor que a amostra
• Conjunto de atributos desejáveis na celulose
•Testes imediatos no enfardamento – umidade, gramatura,
limpeza, viscosidade, alvura , pH e uniformidade de fardos
•Testes posteriores – composição química, teor do OX, Reversão
de Alvura, etc.
333
Controle de Processo e Qualidade do Produto
Analises de rotina
• Análises padrão (kappa no., visc. etc.)
• Consumo específico de químicos (kg/tsa)
• Extrativos, ácidos hexenuronicos, carboidratos, ácido
oxalico, TOC, COD, BOD, íons metálicos
• Propriedades físico-mecânicas da polpa após refino
334
Controle de Processo e Qualidade do Produto
Atributos de Qualidade da Polpa Branqueada de Mercado
• Sugidade (mm2 pintas por kg polpa)
• Teor de Umidade, %
• Alvura da Polpa, % ISO
• Viscosidade da Polpa, cP
• pH
335
BIBLIOGRAFIA
1.- 1997 Brown Stock Washing Short Course, Minneapolis,
MN, USA, June 2-4, 1997, TAPPI
2.- Green, R.P., Hough, G., Chemical Recovery in Alkaline
Pulping Process, 3rd edition, Tappi Press, Atlanta, GA, USA,
1992, 196pp.
3.- Adams, T.N. et al., Kraft Recovery Boilers, 1st edition,
Tappi Press, Atlanta, GA, USA, 1997, 381pp.
4.- Leopold, G, Kocurek, M., Pulp and Paper Manufacture Alkaline Pulping Volume V, 3rd edition, Tappi Press, Atlanta,
GA, USA, 1989, 637pp.
336
FABRICAÇÃO DE CELULOSE KRAFT BRANQUEADA DE
MERCADO - DA FLORESTA AO PRODUTO
BIBLIOGRAFIA (cont.)
5.- Gullichsen, J e Paulapuro, H., Papermaking Science and
Technology – Books 5B e 6B – Chemical Pulping, Published by
Fapet Oy, Helsinki, Finland, 2000
6.- D’almeida, M. L. O ., Celulose e Papel - Tecnologia de
Fabricação da Pasta Celulósica Volume 1, 2a. edição, IPT, São
Paulo, SP, 1988,559pp.
7.- Boletins técnicos da Ahlstrom, Kvaerner e Metso
8.- Pulp Bleaching - Principles and Practices - Carlton W. Dence
and Douglas Reeve- Editors - Tappi Press - Atlanta - Georgia - EUA
- 1996
337
FABRICAÇÃO DE CELULOSE KRAFT BRANQUEADA DE
MERCADO - DA FLORESTA AO PRODUTO
BIBLIOGRAFIA (cont.)
9.- Douglas Reeve - Pulp Bleaching Practices and Issues Short Course, March 7, 1996 - Tappi, New Orleans L.A., 1996
10.- Sven Rydholm - Pulping Processes - Wiley Interscience, 1967
11.- Eero Sjostrom - Wood Chemistry - Fundamentals and
Applications - Academic Press –1981
12.- Fantuzzi, H., Tese de Mestrado, Universidade Federal de
Viçosa, Viçosa, MG, 1996.
13.- Vakkilainen, Esa K., Kraft recovery boilers - Principles and
practice - Helsinki University of Technology, 2005.
14.- International Chemical Recovery Conference - Part 1 and 2,
2007, Quebec, QC, Canada.
338
DISCUSSÃO!
DÚVIDAS!
IDEIAS DE PROJETOS!
BENCHMARKING!
FORNECEDORES!
POSSO CONTRIBUIR?
339