ESTUDO DO CONSUMO DE REAGENTES QUÍMICOS OXIDANTES NO BRANQUEAMENTO DE PASTAS KRAFT Caso de estudo: Processo industrial da The Navigator Company Figueira da Foz

Abstract

The Navigator Company was the third-largest national exporter in 2022, with its primary activity being the production of pulp and paper. With a focus on continuous improvement, the company aims to optimize the production process and improve pulp properties. The kraft cooking process is used for wood delignification and the transformation of wood into raw pulp, followed by Elemental Chlorine Free (ECF) bleaching. In this sequence, the reagents used are aimed at removing residual lignin and other impurities to achieve the target brightness in the pulp without affecting productivity or paper quality.This dissertation aims to analyze the consumption of oxidizing chemical compounds in kraft pulp bleaching with the goal of identifying opportunities for improvement in their utilization. Data collection from The Navigator Company's paper pulp production complex located in Figueira da Foz, using historically collected passive data, allowed for the identification of trends and patterns in reagent consumption and inherent variables.For direct process data collection, the Uniformance Process Studio software was used. For a comprehensive study of the process and key associated variables, Microsoft Excel served as the tool for data collection and storage, while JMP Pro® software functioned as the statistical tool for data processing and analysis.Exploratory data analysis (EDA) revealed significant proportional relationships: a lower kappa index (IK) measured after oxygen delignification corresponded to lower consumption of oxidizing reagents. Conversely, an inverse proportional relationship was observed between the brightness of the pulp fed into the first stage of chlorine dioxide and the consumption of chemical reagents in bleaching. That is, the higher the pulp brightness, the lower the need for reagent addition to achieve the target brightness of 90.3% ISO.The increase in the daily pulp production target at the facility was associated with an exponential rise in chemical oxygen demand (COD) and sodium losses in both washing equipment, located before and after oxygen delignification, more prominently in the raw pulp washer (DDPC). Additionally, EDA revealed a somewhat unexpected relationship: higher incorporations of E. globulus wood resulted in higher consumption of oxidizing reagents in bleaching.After applying the method of selecting key explanatory variables for response variability (Partial Least Squares, PLS), a multiple linear regression model was generated. The generated model demonstrated good fit quality, with an R-squared value of 0.809, and allowed for the quantification of certain effects, including an increase of one unit in IK measured after delignification, resulting in a 4.13 kg/tAD increase in oxidant consumption in bleaching. This reflects the need for adequate delignification of the pulp for sustainable reagent consumption. Additionally, a 0.01 bar increase in the feed pressure to the DDPC washer led to a 0.8118 kg/tAD reduction in oxidizing reagent consumption.The ease of cooking of the E. globulus species, as often reported in the literature, was confirmed through alkaline charge analysis and an estimate of yield in kg pulp/rotation, with both variables showing better results with higher incorporations of this species. Seasonal effects, the impact of increased incorporations of this preferred species, and the influence of its importation were also examined. The effect of incorporating the E. nitens species on alkaline charge was studied due to its lower density, but no statistically significant relationship was found.In conclusion, despite the percentage of E. globulus incorporation not emerging as a significant variable in the multiple linear regression model for response variability, its increased incorporation does influence the consumption of oxidizing chemical reagents in bleaching due to the ease of cooking of this species, allowing for increased production. Due to constraints in the washing capacity of the process, insufficient pulp washing leads to reduced efficiency in the oxygen delignification stage (higher IK after delignification), resulting in a higher content of residual lignin in the pulp sent for bleaching.The results of this study have the potential to contribute to the reduction of chemical reagent consumption in bleaching by identifying the factors with the greatest influence on the response and their interdependencies, ultimately reducing costs, optimizing the process, and minimizing environmental impact.

A The Navigator Company foi em 2022 a terceira maior exportadora nacional, sendo a sua principal atividade a produção de pasta e papel. Numa perspetiva de melhoria contínua, a empresa visa a otimização do processo de produção e melhoria de propriedades da pasta. O cozimento kraft é o processo utilizado na deslenhificação e transformação da madeira em pasta crua, sendo esta branqueada através de uma sequência ECF (Elemental Chlorine Free). Nessa sequência, os reagentes utilizados visam a remoção da lenhina residual e de outras impurezas, de modo a atingir a brancura objetivo na pasta, sem condicionar a produtividade nem a qualidade papeleira do produto final. A presente dissertação pretende analisar o consumo de compostos químicos oxidantes no branqueamento de pastas kraft, com o objetivo de identificar oportunidades de melhoria na sua utilização. A recolha de dados do complexo industrial de produção de pasta para papel da The Navigator Company localizada na Figueira da Foz, usando dados históricos recolhidos de forma passiva, permitiu identificar tendências e padrões no consumo de reagentes e nas variáveis inerentes. Para a recolha de dados diretamente do processo, foi usado o software Uniformance Process Studio. Para o estudo processual completo e principais variáveis associadas recorreu-se ao Microsoft Excel como ferramenta de recolha e armazenamento de dados, enquanto o software JMP Pro® funcionou como ferramenta estatística de tratamento e análise de dados. A análise exploratória de dados (AED) permitiu observar relações de proporcionalidade importantes: verificou-se que a um índice kappa (IK) mais baixo, medido após a deslenhificação da pasta com oxigénio, correspondia um menor consumo de reagentes oxidantes. Por outro lado, verificou-se uma relação de proporcionalidade inversa entre a brancura da pasta alimentada ao primeiro estágio de dióxido de cloro e o consumo de reagentes químicos no branqueamento, isto é, quanto maior for o grau de brancura da pasta, menor é a necessidade de adição de reagentes para atingir a brancura objetivo de 90.3 % ISO. Associou-se o aumento do objetivo diário de produção de pasta na instalação a uma subida exponencial da carência química de oxigénio (CQO) e perdas de sódio em ambos os equipamentos de lavagem, localizados antes e após a deslenhificação com oxigénio, mais expressivamente no lavador de pasta crua (DDPC). Para além disso, a AED revelou uma relação algo inesperada: maiores incorporações de madeira de E. globulus causam um maior consumo de reagentes oxidantes no branqueamento. Após a aplicação do método de seleção das principais variáveis explicativas da variabilidade da resposta (Partial Least Squares, PLS), gerou-se um modelo de regressão linear múltipla. O modelo gerado revelou possuir uma boa qualidade de ajuste, com R2 de 0.809, e permitiu quantificar determinados efeitos, nomeadamente: um acréscimo de uma unidade de IK medido após a deslenhificação, o consumo de oxidante no branqueamento aumenta 4.13 kg/tAD de pasta, que reflete a necessidade de uma adequada deslenhificação da pasta, para um consumo de reagentes sustentável; o aumento de 0.01 bar na pressão de alimentação ao lavador DDPC, reflete-se numa diminuição do consumo de reagentes oxidantes de 0.8118 kg/tAD de pasta.Comprovou-se a facilidade de cozimento da espécie E. globulus várias vezes relatada na literatura, através da análise da carga alcalina e de uma estimativa do rendimento, em kgpasta/rotação, em que ambas as variáveis se mostraram superiores para maiores incorporações desta espécie. Verificou-se também o efeito da sazonalidade, o efeito das maiores incorporações desta espécie predileta e a influência da importação da mesma. Estudou-se também o efeito da incorporação da espécie E. nitens na carga alcalina, visto esta ser a espécie de menor densidade. No entanto, não se obteve uma relação com significado estatístico pertinente. Por fim, concluiu-se que, apesar da percentagem de incorporação de E.globulus não se revelar no modelo de regressão linear múltipla como uma variável com efeito significativo na variabilidade de resposta, o aumento da sua incorporação tem influência no consumo de reagentes químicos oxidantes no branqueamento, uma vez que a facilidade de cozimento da espécie E.globulus, permite o aumento de produção. Por constrangimentos na capacidade de lavagem do processo, a insuficiência de lavagem da pasta leva à diminuição da eficiência da etapa de deslenhificação com oxigénio (maior IK após deslenhificação), o que representa um maior teor de lenhina residual na pasta encaminhada para o branqueamento. Os resultados do estudo efetuado possuem potencial de contribuição para redução do consumo de reagentes químicos no branqueamento, através de identificação dos fatores com maior influência na resposta e respetivas interdependências, para a redução de custos, otimização do processo e minimização do impacte ambiental.