La réduction en pâte est le processus par lequel les liaisons à l'intérieur de la structure du bois sont rompues mécaniquement ou chimiquement. Les pâtes chimiques peuvent être produites par des procédés alcalins (c'est-à-dire au sulfate ou kraft) ou acides (c'est-à-dire au sulfite). La plus grande proportion de pâte est produite par la méthode au sulfate, suivie des méthodes mécaniques (y compris semi-chimiques, thermomécaniques et mécaniques) et au sulfite (figure 1). Les procédés de réduction en pâte diffèrent par le rendement et la qualité du produit, et pour les méthodes chimiques, par les produits chimiques utilisés et la proportion qui peut être récupérée pour être réutilisée.
Figure 1. Capacités mondiales de pâte, par type de pâte
Mise en pâte mécanique
Les pâtes mécaniques sont produites en broyant du bois contre une pierre ou entre des plaques de métal, séparant ainsi le bois en fibres individuelles. L'action de cisaillement brise les fibres de cellulose, de sorte que la pâte résultante est plus fragile que les pâtes séparées chimiquement. La lignine reliant la cellulose à l'hémicellulose n'est pas dissoute ; il se ramollit simplement, permettant aux fibres d'être broyées hors de la matrice de bois. Le rendement (proportion de bois d'origine dans la pâte) est généralement supérieur à 85 %. Certaines méthodes de réduction en pâte mécanique utilisent également des produits chimiques (c'est-à-dire les pâtes chimico-mécaniques) ; leurs rendements sont plus faibles car ils éliminent davantage les matières non cellulosiques.
Dans la réduction en pâte de bois de meulage de pierre (SGW), la méthode mécanique la plus ancienne et historiquement la plus courante, les fibres sont retirées des bûches courtes en les pressant contre un cylindre abrasif rotatif. Dans la fabrication de pâte mécanique par raffineur (RMP, figure 2), qui a gagné en popularité après être devenue commercialement viable dans les années 1960, les copeaux de bois ou la sciure de bois sont introduits au centre d'un raffineur à disques, où ils sont déchiquetés en morceaux plus fins à mesure qu'ils sont poussés à travers barres et rainures de plus en plus étroites. (Dans la figure 2, les raffineurs sont enfermés au milieu de l'image et leurs gros moteurs sont à gauche. Les copeaux sont alimentés par les tuyaux de grand diamètre et la pâte sort des plus petits.) Une modification de RMP est la réduction en pâte thermomécanique (TMP ), dans lequel les copeaux sont cuits à la vapeur avant et pendant l'affinage, généralement sous pression.
Figure 2. Réduction en pâte mécanique du raffineur
L'une des premières méthodes de production de pâtes chimico-mécaniques impliquait de pré-étuver les bûches avant de les faire bouillir dans des liqueurs de réduction en pâte chimiques, puis de les broyer dans des broyeurs de pierre pour produire des pâtes « chimi-broyées ». La fabrication de pâte chimico-mécanique moderne utilise des raffineurs à disque avec traitement chimique (par exemple, bisulfite de sodium, hydroxyde de sodium) avant, pendant ou après le raffinage. Les pâtes ainsi produites sont appelées pâtes chimio-mécaniques (CMP) ou pâtes chimio-thermomécaniques (CTMP), selon que le raffinage a été effectué à pression atmosphérique ou à pression élevée. Des variantes spécialisées du CTMP ont été développées et brevetées par un certain nombre d'organisations.
Réduction en pâte chimique et récupération
Les pâtes chimiques sont produites en dissolvant chimiquement la lignine entre les fibres de bois, permettant ainsi aux fibres de se séparer relativement intactes. Étant donné que la plupart des composants du bois non fibreux sont éliminés au cours de ces procédés, les rendements sont généralement de l'ordre de 40 à 55 %.
Dans la réduction en pâte chimique, les copeaux et les produits chimiques en solution aqueuse sont cuits ensemble dans un récipient sous pression (digesteur, figure 3) qui peut fonctionner par lots ou en continu. Dans la cuisson discontinue, le digesteur est rempli de copeaux par une ouverture supérieure, les produits chimiques de digestion sont ajoutés et le contenu est cuit à température et pression élevées. Une fois la cuisson terminée, la pression est relâchée, « soufflant » la pulpe délignifiée hors du digesteur et dans un réservoir de rétention. La séquence est ensuite répétée. Dans la digestion continue, les copeaux précuits à la vapeur sont introduits dans le digesteur à un débit continu. Les copeaux et les produits chimiques sont mélangés dans la zone d'imprégnation en haut du digesteur, puis traversent la zone de cuisson supérieure, la zone de cuisson inférieure et la zone de lavage avant d'être soufflés dans le réservoir de soufflage.
Figure 3. Digesteur kraft continu, avec convoyeur à copeaux en construction
Bibliothèque Canfor
Les produits chimiques de digestion sont récupérés dans la plupart des opérations de réduction en pâte chimique aujourd'hui. Les principaux objectifs sont de récupérer et de reconstituer les produits chimiques de digestion à partir de la liqueur de cuisson usée et de récupérer l'énergie thermique en brûlant la matière organique dissoute du bois. La vapeur et l'électricité qui en résultent fournissent une partie, sinon la totalité, des besoins énergétiques de l'usine.
Réduction en pâte au sulfate et récupération
Le procédé au sulfate produit une pâte plus solide et plus foncée que les autres méthodes et nécessite une récupération chimique pour être compétitif sur le plan économique. La méthode a évolué à partir de la réduction en pâte à la soude (qui utilise uniquement de l'hydroxyde de sodium pour la digestion) et a commencé à prendre de l'importance dans l'industrie des années 1930 aux années 1950 avec le développement des procédés de blanchiment au dioxyde de chlore et de récupération chimique, qui produisaient également de la vapeur et de l'électricité pour l'usine. Le développement de métaux résistants à la corrosion, tels que l'acier inoxydable, pour gérer les environnements acides et alcalins des usines de pâte à papier a également joué un rôle.
Le mélange de cuisson (liqueur blanche) est de l'hydroxyde de sodium (NaOH, "caustique") et du sulfure de sodium (Na2S). La réduction en pâte kraft moderne est généralement effectuée dans des digesteurs continus souvent revêtus d'acier inoxydable (figure 3). La température du digesteur est portée lentement à environ 170°C et maintenue à ce niveau pendant environ 3 à 4 heures. La pâte (appelée pâte brune en raison de sa couleur) est tamisée pour éliminer le bois non cuit, lavée pour éliminer le mélange de cuisson usé (maintenant la liqueur noire) et envoyée soit à l'usine de blanchiment, soit à la salle des machines à pâte. Le bois non cuit est soit renvoyé au digesteur, soit envoyé à la chaudière électrique pour y être brûlé.
La liqueur noire récupérée du digesteur et des laveurs de pâte brune contient des matières organiques dissoutes dont la composition chimique exacte dépend des essences de bois dépulpées et des conditions de cuisson. La liqueur est concentrée dans des évaporateurs jusqu'à ce qu'elle contienne moins de 40 % d'eau, puis pulvérisée dans la chaudière de récupération. Le composant organique est consommé comme combustible, générant de la chaleur qui est récupérée dans la partie supérieure du four sous forme de vapeur à haute température. Le composant inorganique non brûlé s'accumule au fond de la chaudière sous forme d'éperlan fondu. La fonte s'écoule du four et est dissoute dans une solution caustique faible, produisant une "liqueur verte" contenant principalement du Na dissous.2S et carbonate de sodium (Na2CO3). Cette liqueur est pompée vers une usine de recaustification, où elle est clarifiée, puis mise à réagir avec de la chaux éteinte
(Ca(OH)2), formant du NaOH et du carbonate de calcium (CaCO3). La liqueur blanche est filtrée et stockée pour une utilisation ultérieure. CaCO3 est envoyé dans un four à chaux, où il est chauffé pour régénérer la chaux (CaO).
Réduction en pâte au bisulfite et récupération
La réduction en pâte au bisulfite a dominé l'industrie de la fin des années 1800 au milieu des années 1900, mais la méthode utilisée à cette époque était limitée par les types de bois qui pouvaient être réduits en pâte et la pollution créée par le rejet de liqueur de cuisson non traitée dans les cours d'eau. De nouvelles méthodes ont surmonté bon nombre de ces problèmes, mais la fabrication de pâte au bisulfite ne représente plus qu'un petit segment du marché de la pâte. Bien que la réduction en pâte au bisulfite utilise généralement la digestion acide, des variantes neutres et basiques existent.
La liqueur de cuisson de l'acide sulfureux (H2SO3) et l'ion bisulfite (HSO3-) est préparé sur place. Le soufre élémentaire est brûlé pour produire du dioxyde de soufre (SO2), qui passe à travers une tour d'absorption qui contient de l'eau et l'une des quatre bases alcalines (CaCO3, la base sulfite d'origine, Na2CO3, hydroxyde de magnésium (Mg(OH)2) ou hydroxyde d'ammonium (NH4OH)) qui produisent l'acide et l'ion et contrôlent leurs proportions. La réduction en pâte au bisulfite est généralement effectuée dans des digesteurs discontinus revêtus de briques. Pour éviter les réactions indésirables, le digesteur est chauffé lentement à une température maximale de 130 à 140°C et les frites sont cuites longuement (6 à 8 heures). Lorsque la pression du digesteur augmente, le dioxyde de soufre gazeux (SO2) est saigné et remélangé avec l'acide de cuisson brut. Lorsqu'il reste environ 1 à 1.5 heures de temps de cuisson, le chauffage est interrompu et la pression est diminuée en purgeant le gaz et la vapeur. La pulpe est soufflée dans une cuve de rétention, puis lavée et tamisée.
Le mélange de digestion usé, appelé liqueur rouge, peut être utilisé pour la récupération thermique et chimique pour toutes les opérations sauf à base de bisulfite de calcium. Pour la pâte au sulfite à base d'ammoniac, la liqueur rouge diluée est d'abord extraite pour éliminer le SO résiduel2, puis concentré et brûlé. Le gaz de combustion contenant du SO2 est refroidi et passe dans une tour d'absorption où l'ammoniac frais se combine avec lui pour régénérer la liqueur de cuisson. Enfin, la liqueur est filtrée, enrichie de SO frais2 et stocké. L'ammoniac ne peut pas être récupéré car il est transformé en azote et en eau dans la chaudière de récupération.
Dans la pâte au sulfite à base de magnésium, la combustion de la liqueur de pâte concentrée donne de l'oxyde de magnésium (MgO) et du SO2, facilement récupérables. Aucun éperlan n'est produit dans ce processus; plutôt MgO est collecté à partir des gaz de combustion et éteint avec de l'eau pour produire de l'hydroxyde de magnésium (Mg (OH)2). ALORS2 est refroidi et combiné avec le Mg(OH)2 dans une tour d'absorption pour reconstituer la liqueur de cuisson. Le bisulfite de magnésium (Mg(HSO3)2) est ensuite enrichi avec du SO frais2 et stocké. La récupération de 80 à 90% des produits chimiques de cuisson est possible.
La récupération de la liqueur de cuisson au sulfite à base de sodium est plus compliquée. La liqueur usée concentrée est incinérée et environ 50 % du soufre est converti en SO2. Le reste du sodium et du soufre est collecté au fond de la chaudière de récupération sous forme de fusion de Na2S et Na2CO3. L'éperlan est dissous pour produire une liqueur verte, qui est convertie en bisulfite de sodium (NaHSO3) en plusieurs étapes. Le NaHSO3 est fortifiée et stockée. Le processus de régénération produit des gaz soufrés réduits, en particulier du sulfure d'hydrogène (H2S).