el blanqueo con ozono de alta consistencia gana terreno.

Encuentro Técnico
EL BLANQUEO CON OZONO DE ALTA
CONSISTENCIA GANA TERRENO.
Panorama Actual y Futuro.
ozono de alta consistencia del mundo, que partió en Septiembre de 1992,
con la llamada Planta Franklin de Celulosa de Union Camp. En esta publicación se describe la evolución de esta tecnología hasta nuestros días.
Introducción
Desde que se introdujo la deslignificación con oxígeno en forma comercial
en la década del setenta, la industria de la celulosa y el papel ha luchado
en forma continua para reducir las emisiones de efluentes y cumplir con
requerimientos ambientales cada vez más exigentes. Las medidas por
las que se han regido y evaluado todos los nuevos desarrollos han sido
eficiencia de costos en cuanto a menores inversiones de capital y bajos
costos de operación y calidad de la pulpa. Mientras se apunta al utópico
objetivo de lograr una línea de fibra libre de efluentes, se ha introducido
una serie de importantes nuevas tecnologías en la industria.
Lars-Ake Lindström y Asa Norstedt
Metso Paper Sundsvall AB
SE-851 94 Sundsvall
Suecia.
Resumen
La tecnología de blanqueo con ozono de alta consistencia ZeTrac™, de
Metso Paper , está bien establecida, en la actualidad existen 12 plantas
que han escogido la instalación de la tecnología de blanqueo con ozono
de alta consistencia libre de cloro, llamada también tecnología ZeTrac,
correspondiente a un volumen de producción de más de cuatro millones
de toneladas anuales de secuencias de blanqueo tipo ECF (libre de cloro
elemental) y TCF (libre de cloro total).
La fuerza impulsora que contribuyó a la introducción del blanqueo con
ozono es la creciente preocupación por el medio ambiente y los requerimientos concernientes a menores emisiones de efluentes.
Durante estos últimos 35 años, hemos visto la introducción de un sistema
de harneo presurizado cerrado y una tecnología de lavado mejorada
que minimiza la pérdida de sólidos de licor negro. Hemos visto también
que se ha abandonado el uso de cloro e hipoclorito de sodio y se han
reemplazado por el dióxido de cloro, el oxígeno, el peróxido de hidrógeno
y el ozono, y en menor grado, por el Paa (ácido peracético).
La cocción kraft se ha desarrollado para lograr mayor eficiencia en
cuanto a consumo de energía y en algunos casos, ser más selectivo.
La deslignificación con oxígeno ha llegado a su tercera generación con
el OxyTrac™, el cual permite en el caso de las maderas blandas una
reducción del número kappa de un 60 – 70%, y para maderas duras,
una reducción de alrededor del 50% del número kappa (dependiendo del
contenido de ácidos hexenurónicos de la pulpa no blanqueada).
El empleo del ozono en el blanqueo de pulpa química fue un tema que
planteó muchas interrogantes durante muchos años. Sin embargo, sólo
en el año 1992 se comisionó el primer sistema de blanqueo comercial
con ozono. Esta publicación hará una breve revisión de la evolución del
ZeTrac™, el sistema de blanqueo con ozono de alta consistencia de
Metso Paper.
Los parámetros con los que se ha evaluado esta tecnología son eficiencia
en cuanto a costos, en términos de desembolso de capital, bajos costos
de operación y la calidad de la pulpa.
Partimos a fines de la década de 1970,
hace 25 años atrás.
El trabajo de desarrollo de Metso Paper en el área de blanqueo con ozono
se inició en 1979, alrededor de diez años después se inició una cooperación con Union Camp, que resultó en la primera planta de blanqueo con
A fines de la década del ´70 la deslignificación con oxígeno ya era conocida hacía casi diez años, aunque no había sido aceptada aún por la
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industria. Aún existían dudas con respecto al cumplimiento de los requerimientos de calidad de la pulpa. Ahora sí tenemos esa información,
más del 80% de la pulpa kraft blanqueada se procesa mediante sistemas
de deslignificación con oxígeno.
La industria de pulpaje con sulfito, que usa a menudo magnesio como
producto químico base para la cocción, buscaba una tecnología de
deslignificación que no interfiriese con el sistema de recuperación como
lo haría un sistema de deslignificación con oxígeno de base cáustica.
Metso Paper (en esa época Sunds Defibrator) había estado investigando
el blanqueo con Ozono de Alta Consistencia a escala de laboratorio
desde 1979. Acordamos la instalación de una planta piloto de blanqueo
con ozono de alta consistencia en la planta productora de sulfito Mg
perteneciente a la planta alemana productora de celulosa y papel PWA
en Stockstadt, ésta partió en 1982. Un diagrama de flujo simplificado,
también de esa época, se muestra en la figura 1.
Figura 1, Planta piloto de ozono de alta consistencia en la planta de sulfito
Mg de PWA en Stockstadt, Alemania. Capacidad 130 kg/h.
Aunque la operación fue satisfactoria y los resultados en cuanto a
rendimiento y calidad de pulpa cumplieron con las expectativas, el cliente
decidió no realizar el proyecto a escala total (1). Guardamos el proyecto
y durante algunos años nos dedicamos a estudiar otros caminos para
lograr una pulpa blanqueada con bajas emisiones.
El blanqueo con ozono, ha enfrentado los mismos desafíos que la
deslignificación con oxígeno tuvo que resolver hace más de treinta años
atrás. Un tema crítico que para la industria se refiere a la calidad de la
pulpa.
Un aspecto relevante para la calidad de la pulpa es el impacto del
suministro en el proceso de la fabricación del papel con respecto a la
capacidad de operación de la máquina papelera que es alimentada con
ese suministro. Así, SCP Ruzomberok demostró el alto nivel de calidad
tanto de las pulpas provenientes de maderas blandas como duras
blanqueadas con ozono en el otoño del año 2005. La planta estableció
un nuevo record mundial en cuanto a producción de papel en una de sus
máquinas papeleras empleando solamente pulpas de maderas blandas y
duras blanqueadas con ozono en su suministro de papel fino (2).
Al iniciar la década de los 90, la empresa Union Camp Corporation
se acercó a nosotros y nos preguntó si estábamos interesados en la
comercialización conjunta de una tecnología de blanqueo con ozono
de alta consistencia. El resultado fue la creación de la primera planta
comercial de blanqueo de alta consistencia del mundo, denominado
C-Free®, en 1992 en la Planta de Celulosa y Papel Franklin situada en
Virginia.
Del C- Free® hasta el ZeTrac™.
En la actualidad existen 12 plantas que escogieron instalar la tecnología
de blanqueo con ozono de alta consistencia libre de cloro o ZeTrac,
correspondiente a una producción de más de cuatro millones de
toneladas anuales. Las cuatro primeras instalaciones se construyeron de
acuerdo al concepto libre de cloro elemental y se utilizó un alimentador
de tornillo tipo tapón que actuaba como un sistema de cerradura por gas
entre el reactor y el ambiente y un “fluffer” (esponjador) del refinador que
dispersaba la pulpa hacia la atmósfera gaseosa del reactor.
La evolución del blanqueo con ozono se parece a la deslignificación con
oxígeno. Tuvieron que transcurrir de 15 a 20 años para que despegara la
deslignificación con oxígeno y hoy en día más del 80% de la producción
de pulpa kraft blanqueada se procesa mediante etapas de deslignificación
con oxígeno (figura 2).
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Factores que influyen en la cantidad y
calidad de emisiones de blanqueo de la
planta.
La cantidad y calidad de las emisiones de los efluentes de blanqueo
dependen de una serie de factores. El material orgánico disuelto durante
el proceso de cocción, la deslignificación con oxígeno y el blanqueo
con ozono pueden en gran parte ser reciclados hacia el sistema de
recuperación química.
Figura 2, Capacidad de pulpa blanqueada.
Las nuevas instalaciones representan la tecnología de Alta Consistencia
de segunda generación, esto es, ZeTrac.
La pulpa es acidificada antes de ser prensada a alta consistencia en una
prensa TwinRoll. El filtrado ácido es reciclado para diluir la pulpa desde la
prensa delante de la etapa ácida y parte del filtrado va también al sistema
de efluentes (figura 3).
La pulpa es “esponjada” (fluffer) en un tornillo triturador (desfibrador)
especialmente diseñado para este efecto y luego es alimentada hacia
el reactor. Se agrega ozono gaseoso y el flujo se controla mediante dos
ventiladores, el primero se conecta a la campana del tornillo triturador y
el segundo al sistema de manejo de gases residuales. La presión en el
reactor es levemente inferior a la presión atmosférica.
Mediante un tornillo de dilución la pulpa es alimentada hacia la etapa
de extracción, después de la cual es lavada en una prensa TwinRoll. El
filtrado alcalino proveniente de la prensa puede usarse como lavado de
contra corriente en la línea de fibra de pasta café.
Figura 3,
Ze Trac,
condiciones
típicas de
operación.
Consistencia, %
Temperatura, oC
Tiempo, min
pH
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a
10
35 – 60
10
2-3
Z
40
35 – 60
1
2-3
C e l u l o s a
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e
12
60
10
10.5
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Sin embargo, se requieren etapas de blanqueo adicionales para producir
pulpas kraft totalmente blanqueadas. En el caso del blanqueo con cloro
y el ECF, los licores generados contienen compuestos de cloruros
inorgánicos, los cuales, si se reciclaran hacia el sistema de recuperación
producirían un severo daño por corrosión. En el caso del blanqueo TCF
el equilibrio existente en la concentración de ciertas sales orgánicas
e inorgánicas aumentará con el incremento en el grado de cierre, en
un punto crítico la concentración de estas sales excederá el límite de
solubilidad y se podrían formar varios tipos de depósitos, lo que afectaría
en forma negativa la operación de la línea de fibra.
Los factores primordiales que controlan la cantidad y la calidad de las
emisiones de efluentes de una planta de blanqueo son el contenido de
lignina (número kappa) y la cantidad de Cl2 y ClO2 usados en el blanqueo.
Esto se ejemplifica en las figuras 4 y 5 donde el material orgánico total
disuelto expresado como COD (demanda química de oxígeno) y el AOX
(material orgánico clorado), se contrasta con el número kappa para el
blanqueo de diferentes pulpas kraft provenientes de maderas blandas
y duras. Se incluyen también los resultados del blanqueo de pulpas
provenientes de Pinus radiata chileno y eucaliptos.
A partir de estos resultados es absolutamente obvio que un número
kappa más bajo disminuye el contenido de COD en el filtrado durante
el blanqueo. La dispersión en el AOX refleja las diferentes condiciones
existentes en la primera etapa de blanqueo. Una alta proporción de cloro
en esa etapa resulta en una alta formación de AOX y viceversa, un número
kappa bajo combinado con un blanqueo ECF resultará en valores AOX
muy bajos. Los halógenos orgánicos presentes en la pulpa después del
blanqueo también disminuyen drásticamente al reducir el número kappa
antes del blanqueo con químicos derivados de cloro, es decir, al introducir
la deslignificación con oxígeno y el blanqueo con ozono, figura 6.
El volumen total del efluente será afectado por la cantidad y el tipo de
las etapas de blanqueo y el grado de cierre de la planta de blanqueo.
Una planta de blanqueo moderna en la actualidad tendrá un volumen de
efluentes de menos de 10 m3/ADt.
La combinación de oxígeno, ozono y dióxido de cloro en el blanqueo
de pulpa kraft ha hecho que sea posible disminuir drásticamente las
emisiones de materias orgánicas disueltas como un todo y el material
orgánico clorado en particular.
En unos pocos casos, las plantas escogieron eliminar por completo el
uso de químicos con cloro. La planta SCA Östrand en Suecia, es un
ejemplo de esto, partió en 1995 y está produciendo alrededor de 420.000
ADt/año de pulpa kraft de madera blanda blanqueada en una secuencia
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(OO)Q(OP)Zq(PO) (3). Esta pulpa se emplea para la fabricación de papel higiénico y como pulpa de refuerzo en papel periódico libre de madera y con
contenido de madera y en papel de impresión.
Figura 5, Formación de AOX en el blanqueo como función del
número Kappa.
Figura 4, Formación de COD en el blanqueo como función del
número Kappa.
representan un factor principal. Se han logrado avances importantes en
años recientes para disminuir y abatir los efectos perniciosos de tales
efluentes. Aún así, la industria está constantemente buscando nuevas y
mejores tecnologías para reducir aún más los riesgos ambientales y los
costos de fabricación de la celulosa.
Secuencia
Número kappa
antes de 1a
etapa D
D(EOP)DnD
14.6
(OO)D(EOP)DD 9.3
(OO)a(Z(Eo))DD 1.5
Cloro activo Blancura
total (Cl/odt) (%ISO)
OX
(g/odt)
40
28
7
290
190
60
91.0
92.2
91.6
Figura 6, Halógenos orgánicos permanecen en la pulpa después del
blanqueo de pulpa kraft de eucaliptos.
El blanqueo con ozono de alta consistencia ha estado en uso por más de
diez años y actualmente se considera una tecnología bien establecida.
Permite una reducción adicional del contenido de lignina de la pulpa antes
de ser blanqueada. La importancia de lograr un número kappa bajo para
reducir el nivel de contaminación es evidente. La descarga de material
orgánico disuelto, tal como COD y AOX disminuyen cuando el número
kappa se reduce. En el caso del AOX, la reducción no depende sólo de
un contenido más bajo de lignina, sino también del menor uso de cloro
elemental y de dióxido de cloro durante el proceso de blanqueo.
El enfoque de Metso ha sido concentrarse en el desarrollo de una
tecnología de proceso que aumente la deslignificación, que permita el
reciclado de material orgánico disuelto y que disminuya el empleo de
productos químicos con cloro. Dos buenos ejemplos lo constituyen la
deslignificación con oxígeno extendida y el blanqueo con ozono, los
cuales al mismo tiempo reducen el costo de los productos químicos del
blanqueo.
Esto se aprecia en la figura 7 y tabla 1 para el blanqueo de pulpa kraft
de eucalipto deslignificada con oxígeno. Se logró una reducción de
costos substancial cuando se cambió de una secuencia de blanqueo
D(EOP)(Dn)D a la secuencia de blanqueo (Ze)(Dn)D.
Los factores principales para esta reducción de costos son una reducción
significativa en el consumo de dióxido de cloro y el empleo de licor blanco
oxidado en la etapa (Ze) en lugar de soda cáustica fresca.
El Progreso Continúa.
Es obvio que existe una serie de aspectos diferentes que la industria
de la celulosa y el papel debe considerar para lograr una producción
de celulosa y papel sustentable desde el punto de vista del ambiente.
Los efluentes provenientes de los procesos de pulpaje y blanqueo
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Tabla1, Comparación de consumo de químicos de blanqueo y costos con una blancura revertida al 90% ISO para pulpa kraft de Eucalyptus
grandis producido en laboratorio.
Secuencia Número kappa
Reversión de blancura1, %ISO
Blancura previa reversión, %ISO
Est. Rendimiento blanqueantes, % Costos químicos
USD/unidad
H2SO4
Ox. LB como NaOH
NaOH
H2O2
O2
O3
ClO2, como Cl act.
D(EOP)DnD
10.9
90
92.3
96
kg/bdt
USD/bdt
6
0
16.5
3
3
0
35.5
0.08
0.06
0.25
0.91
0.07
1.18
0.38
0.48
0.00
4.13
2.73
0.21
0.00
13.49
Costo Total, USD/odt
21.0
a(Ze)(Dn)D
10.9
90
92
96
USD/bdt
kg/bdt
12
12
5
0
0
6
13.5
1) 4 h a 1050C y
atmósfera seca.
0.96
0.72
1.25
0.00
0.00
7.08
5.13
15.1
Referencias
Número kappa, 10-11
D(EOP)DD
a(Ze)(Dn)D
Consumo total agua, m3/ADt
Carga efluente total, m3/ADt
Descarga total DQO, kg/ADt
AOX, kg/ADt
12
9
24
0.25 – 0.4
10
7
14
< 0.1
Figura 7, ZeTrac y blanqueo liviano ECF , a(Ze)(Dn)D de pulpa de
eucalipto.
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1.
Nordén, S. and Simonsson, O., Ozone bleaching of sulfite
pulps – a pilot plant study, Proceedings SPCI, The World Pulp
and Paper Week, Stockholm, April 10-13, 1984, page 112.
2.
Press release from Voith Paper, “New production record at
Ruzomberok, Slovakia, with the first single-nip shoe press in
Europe, October 19, 2005.
3.
Sandström, P., Ekebro, I and Hjärpe, M.,7th Brazilian Symposium
on the Chemistry of Lignin and other Wood Components,
September 2001.