Fabricação de Celulose Kraft Branqueada: Da Floresta ao Produto

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

Fabricação de Celulose Kraft Branqueada: Da Floresta ao Produto

Documentos relacionados

Productos

Apoyo

Fabricação de Celulose Kraft Branqueada: Da Floresta ao Produto

Documentos relacionados

Añadir este documento a la recogida (s)

Añadir a este documento guardado

Sugiéranos cómo mejorar StudyLib