Évaluation du risque technologique et des impacts sur le procédé de base

4.3.1.1 Risques technologiques reliés à l’implantation du procédé LignoBoost

Le procédé LignoBoost a été développé pour être intégré aux usines Kraft et l’application du procédé tel qu’il est développé pour les usines Kraft au cas de l’usine de l’étude de cas (usine de pâte mi-chimique) peut engendrer plusieurs incertitudes et risques technologiques. Ces incertitudes et risques sont les suivants :

Précipitation de lignine

La lignine se comporte comme des particules hydro-colloïdales dans la liqueur noire et se précipite suite à la diminution du pH, simultanément avec la protonation des ses groupes acides. Des expériences menées par Sundin [69] ont montré que la précipitation de la lignine dépend de plusieurs facteurs comme l’importance des forces ioniques qui sont affectées par la présence des cations de métaux dans la liqueur noire, le pH de la liqueur, la masse moléculaire de la lignine, la concentration en lignine de la liqueur noire et la température de la liqueur. En plus des ces 5

principaux facteurs, beaucoup d’autres facteurs peuvent avoir aussi un impact important sur le rendement de précipitation de lignine. Parmi ces autres facteurs, on peut citer l’essence du bois ou le type de procédé utilisé pour la mise en pâte.

Pour le cas de l’usine de l’étude de cas, nous avons constaté que la lignine reste à l’état dissous même à un pH neutre alors que pour la liqueur noire des usines Kraft, le rendement de précipitation de lignine dépasse 80% quand on réduit le pH de la liqueur noire à 7. En admettant l’hypothèse que la lignine dans le cas de l’usine de l’étude de cas se comporte de la même façon que la lignine des usines Kraft (lignine alcaline), la non précipitation de la lignine peut être alors due au fait que la masse moléculaire des fragments de lignine est faible comparativement à la lignine Kraft ou la concentration en ions de sodium dans la liqueur est faible et n’atteint pas la concentration critique de coagulation.

En considérant toujours l’hypothèse qu’il est possible de précipiter la lignine en diminuant le pH, l’incertitude de l’application du procédé LignoBoost consiste en la possibilité d’utiliser le CO2 pour acidifier la liqueur. La dissolution de CO2 consiste en une absorption physique et une dissolution chimique, la réduction du pH pour atteindre des valeurs très basses va nécessiter des quantités importantes de CO2 et des pressions d’opération très enlevées ce qui va affecter les coûts d’investissement et d’opération du procédé.

Filtration de la lignine

La filtration a pour objectif de séparer la lignine précipitée sous forme d’un gâteau de filtration solide et d’obtenir un liquide nommé filtrat contenant les autres matières inorganiques et les matières organiques qui n’ont pas précipité. La surface filtrante appelée aussi média filtrant peut être constituée de nombreux matériaux parmi lesquels on peut citer, la toile ou le treillis inox.

Lors de la filtration, il y a une résistance au passage du liquide liée entre autres à la porosité du gâteau et du média filtrant ainsi qu’à la viscosité du filtrat. Cette résistance se traduit par une perte de charge (ΔP) d'autant plus élevée que l'épaisseur du gâteau est importante ou que la vitesse du liquide est importante. Ainsi, les éléments qui déterminent le débit de filtration sont : La surface du média filtrant, sa résistance (liée à son épaisseur, sa porosité, la viscosité, etc.), la résistance du gâteau liée à son épaisseur et sa porosité et la ΔP appliquée de part et d'autre du milieu filtrant

L’équation intégrée développée par Ohman et al. [70] pour évaluer l’efficacité de l’opération de filtration de lignine est la suivante:

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{− + +} Δ = − − A R V C V V C P A V V t t m av av 1 1 2 2 1 2 1 2 _{( )} 2 α α μ (4.1)

Cette équation représente un développement de la loi de Darcy pour l’écoulement des fluides dans un milieu poreux avec V le volume de filtrat, t le temps, μ la viscosité, A la surface, ΔP la pression de filtration, αav la résistance spécifique moyenne de filtration (rapport entre la masse du gâteau et le volume du filtrat) et Rm la résistance du média filtrant. La résistance spécifique moyenne de filtration αav peut être déterminée à partir de données expérimentales et en calculant la pente de la droite (t2-t1)/ (V2-V1) en fonction de (V2-V1).

Les expériences qui ont été faites jusqu'à présent ne concernent que la lignine des procédés Kraft. Il est alors fort probable que la résistance à la filtration soit différente pour le cas des précédés mi-chimiques. L’augmentation de cette résistance engendrera une augmentation de la surface nécessaire à la filtration ou une augmentation de la différence de pression qu’il faut appliquer de part et d'autre du milieu filtrant. L’augmentation de ces deux paramètres peut affecter d’une manière significative la rentabilité du procédé LignoBoost, surtout en sachant qu’une grande partie du capital d’investissement est allouée aux filtres presse.

Lavage de la lignine

Un autre risque technologique qui est à prévoir est lié à l'utilisation de l'acide sulfurique pour le contrôle du pH dans le réservoir de re-dispersion de la lignine dans le procédé LignoBoost. Les filtrats de lavage sont renvoyés vers le cycle de récupération de carbonate de sodium. Le soufre supplémentaire peut avoir un impact sur les propriétés de la liqueur verte et ainsi sur les propriétés de la pâte, même si la quantité d'acide sulfurique est faible. Pour le cas de l’utilisation de l’acide sulfurique, l’impact négatif sur la température eutectique du mélange de sels au fond du réacteur Copeland est peu probable puisque les sels de sulfates sont caractérisés par des hautes températures de fusion.

D'autres acides; autre que l’acide sulfurique; pourraient être envisagés, dans le but d’éliminer les problèmes liés à la présence de soufre supplémentaire dans le procédé. En général, le changement de la composition minérale de la liqueur noire peut avoir un impact sur la

température eutectique du mélange de sels au fond du réacteur (point de fusion du lit fluidisé du réacteur Copeland).

Changement des caractéristiques physiques de la liqueur noire

La séparation de lignine de la liqueur noire va conduire aussi bien à des changements du rapport inorganiques-organiques qu’à des changements des propriétés physiques de celle-ci. Les deux principales propriétés physiques de la liqueur noire qui sont affectées sont la viscosité et l’élévation du point d’ébullition. Le changement de ces deux caractéristiques affecte les opérations dans le système Copeland. Le changement de l’élévation du point d’ébullition va affecter la demande en vapeur vive dans la ligne d’évaporateur à multiples effets. Ceci ne représente cependant pas de risque pour l’usine qui possède une capacité suffisante pour l’évaporation de la liqueur noire. Le changement de viscosité va affecter légèrement les coefficients d’échange thermique au niveau de l’évaporateur à multiples effets ainsi que l’énergie nécessaire pour le pompage de la liqueur noire mais le changement de viscosité peut affecter considérablement les opérations au niveau du réacteur Copeland. Les propriétés physiques de la liqueur noire, en particulier la viscosité doit être contrôlée afin de parvenir à une atomisation appropriée de celle-ci dans le réacteur. La diminution importante de la viscosité après la séparation de lignine représente un risque technique pour le fonctionnement du réacteur Copeland et des défis possibles pour l’atomisation de la liqueur noire sont à prévoir après l’implantation du procédé LignoBoost.

4.3.1.2 Risques technologiques reliés à l’implantation du procédé VPP

L’implantation du procédé VPP dans une usine existante augmente l'énergie totale requise à cause de l'énergie supplémentaire nécessaire pour les étapes d'extraction d’hémicellulose, de séparation de l'éthanol par distillation et de séparation liquide-liquide de l'acide acétique et du furfural.

Différentes informations sur les conséquences de l’implantation des différentes techniques de pré-extraction de l'hémicellulose sur les procédés de fabrication de pâtes ont été rapportées dans la littérature. Selon Testova [71], la pré-extraction d'hémicellulose diminue le facteur H nécessaire pour atteindre le degré de délignification souhaité. Des expériences effectuées par Goyal et al. [72] ont montré que les copeaux de bois d'érable, dont 12% de bois sec est extrait avec de l'eau chaude, nécessitent moins de produits chimiques alcalins actifs lors de la cuisson et

le facteur H requis pour atteindre le degré de délignification est diminué de la moitié. Ces expériences ont également montré que la cuisson de copeaux de bois après extraction, pour atteindre le mêmes nombre kappa, conduit à une baisse de 2% du rendement en pâte. Frederick et al. [2] ont rapporté que l'extraction de l'hémicellulose en utilisant de l'acide dilué augmente les pertes en cellulose durant l’étape de mise pâte.

En ce qui concerne la qualité de pâte, Testova [71] a rapporté que les propriétés de résistance des pâtes issues des prétraitements avec de l'acide sulfurique dilué sont plus basses que celles des pâtes standards. La force de résistance de pâtes avec 10% d'hémicellulose extraite est en moyenne 50% inférieure à celle des pâtes standards. Selon Mao [3], la qualité et la quantité de la pâte Kraft restent inchangées après l'extraction de 10% de bois sec en utilisant la technique d’extraction dans des conditions proches du milieu neutre. Cependant, il n'y a pas de données disponibles sur l'impact des différentes méthodes d'extraction hémicellulose sur les propriétés de pâtes de haut rendement (pâtes mi-chimiques).

L'impact du procédé VPP sur le rapport inorganiques-organiques de la liqueur noire ne devrait pas être important en raison de la diminution de la quantité de liqueur de cuisson après l'extraction de l'hémicellulose. La quantité de lignine dans la liqueur noire devrait également rester inchangée. Par conséquent, l'impact de VPP sur les propriétés physiques de la liqueur noire ne devrait pas être significatif.

Les risques du procédés VPP consistent aussi dans le fait que les étapes du procédé sont toujours à l’échelle d’unité pilote ou à l’échelle de laboratoire.