Development and Integration of Acid Precipitation Based Lignin Biorefineries in Kraft Pulping Mills

L'utilisation des ressources fossiles pour la production de biens et de services a des conséquences désastreuses sur l'environnement. Pour réduire leur impact, l'utilisation de matières premières ainsi que d'énergie renouvelables a été proposée en vue du développement d'une bioéconomie durable. L'industrie des pâtes et papiers en Amérique du Nord est actuellement confrontée à de rudes conditions économiques en raison de la diminution de la demande en produits papetiers traditionnels, la concurrence internationale et l'augmentation des prix de l'énergie. Les technologies de bioraffinage, qui transforment les constituants du bois en produits chimiques d'origine biologique à haute valeur ajoutée, représente, pour l'industrie des pâtes et papier, un moyen d'augmenter ses revenus, de diversifier son portefeuille de produits et de devenir plus durable sur le long terme. Elle est particulièrement bien placée pour répondre à cette tâche en raison de l'accès à la biomasse, de la manutention du bois et de l'infrastructure de transport, et de l'expertise existante dans les produits traditionnels obtenus à partir du bois. L'extraction et la transformation de la lignine aux produits à haute valeur ajoutée a été identifiée comme l'une des voies de bioraffinage les plus rentables dans les usines de fabrication de pâte Kraft. L'extraction de la lignine, qui est une étape cruciale de la bioraffinerie intégrée, interagit à un degré élevé avec l'usine de pâte Kraft. L'importance de cette interaction est renforcée par la possibilité d'augmenter la production de pâte à papier grâce l'extraction de la lignine. Afin de réussir l'intégration de l'unité de bioraffinerie de la lignine dans les usines de fabrication de pâte Kraft, il est nécessaire de comprendre et de traiter les interactions entre les processus d'extraction de la lignine et l'usine de pâte Kraft réceptrice. De plus, il est nécessaire d'améliorer la rentabilité et la performance environnementale des procédés d'extraction de la lignine par l'amélioration de ses opérations unitaires et de répondre aux demandes énergétiques et chimiques internes au procédé. Dans cette thèse, le développement et l'intégration des processus de précipitations acides dans les usines de fabrication de pâte Kraft en vue d'améliorer leur performance économique et environnementale ont été étudiés. Dans la première partie de cette recherche, les effets de l'énergie de la mise en oeuvre du processus de précipitations acides sur la fabrication de la pâte kraft ont été évalués. Une usine de pâte Kraft canadienne représentative a été utilisée comme référence. Bien que le processus de précipitations acides n'ait pas une demande en énergie considérable, l'élimination de la lignine réduit la vi production d'énergie de la chaudière de récupération et augmente la demande en vapeur de l'évaporateur. La production d'électricité a également diminué en raison de la diminution de la production d'énergie de la part de la chaudière. Un taux d'extraction de la lignine de 15% a permis une réduction de la récupération de la production d'énergie de la chaudière de 13,5% et une augmentation de 15% de la production de pâte à papier en raison du desembouteillage de la chaudière de récupération. Les déficits en énergie dans le processus Kraft ont été résolus par des mesures combinant des projets d'économie d'énergie identifiés à l'aide de l'analyse Pinch, d'une augmentation de la production d'énergie de la chaudière et de gazéification de la biomasse à cycle combiné. Il a été montré que la lutte contre les déficits d'énergie interne était possible, mais nécessite un haut degré d'intégration d'énergie. Dans la deuxième partie de l'ouvrage, les effets sur l'équilibre chimique ont été étudiés. Une approche de modélisation basée sur l'équilibre électrolytique, qui a été proposée pour estimer les variations du pH et de la composition chimique de la liqueur noire, ont été utilisés pour simuler le processus de précipitations acides. Un algorithme basé sur le ratio Na / S a été utilisé pour calculer les équilibres chimiques du cycle de liqueur de l'usine de pâte Kraft. L'équilibrage entre Na et S a été réalisé suivant plusieurs stratégies basées sur les contraintes de l'usine et sur le recyclage du filtrat nettoyé. L'élimination complète ou le recyclage excessif de filtrats de lavage ont été trouvés pour augmenter l'exigence de récupération caustique. La demande caustique pourrait être minimisée en recyclant une partie des filtrats de lavage les plus concentrés, de sorte que la perturbation de l'équilibre Na / S soit minimale. L'efficacité de l'installation de lavage a également été trouvée pour affecter la demande de récupération caustique. La stratégie d'équilibrage entre Na et S a également affecté les charges de récupération des cycles opératoires, notamment ceux du train de l'évaporateur, de la caustification et du four à chaux. Par conséquent, les goulets d'étranglement dans les autres opérations de valorisation doivent être pris en compte lors du choix d'une stratégie de sorte que les demandes en produits chimiques soient réduits au minimum et qu'une augmentation maximale de la production de pâte à papier soit obtenue. Dans les troisième et quatrième parties de cette recherche, les possibilités de réduction des coûts des processus de précipitations acides ont été étudiées. Comme la filtration et l'équipement de lavage représentent une partie importante des coûts en capital dans une usine de précipitation de la lignine, la possibilité d'améliorer la filtration de la lignine par optimisation hydrodynamique a été évaluée. Les conditions hydrodynamiques au cours de coagulation et de la floculation de la vii lignine ont été variées et les particules de lignine précipitées ont été caractérisées en termes de propriétés de particules et de filtration. Il a été trouvé que le taux de cisaillement turbulent est le paramètre hydrodynamique déterminant qui contrôle la taille et la forme des particules de la lignine précipitée. Les particules les plus compactes et les plus grandes, qui peuvent être obtenus par contrôle hydrodynamique, ont présenté des propriétés de filtration et de lavage supérieures. L'optimisation systématique des paramètres a été utilisée comme moyen d'améliorer le rendement et la performance de filtration du procédé de précipitation acide. Les expériences ont été effectuées en utilisant l'approche Taguchi et les résultats ont été analysés en utilisant le rapport S / N et les méthodes statistiques d'analyse de variance. La teneur de la liqueur noire en contenu solide a été identifiée comme le paramètre le plus critique, ce qui a eu la plus grande influence à la fois sur le rendement de la lignine et sur la résistance à la filtration. Les paramètres optimaux définis pour la performance de filtration, qui ont produit une lignine avec la plus basse teneur en cendres de 0,09%, n'a pas fourni le rendement le plus élevé en lignine. Par conséquent, il est prendre en compte qu'un compromis entre la pureté de la lignine et de processus économiques lors de l'élaboration des procédés de précipitation de la lignine pour des applications spécifiques serait nécessaire. Enfin, la faisabilité technico-économique de l'utilisation de four à chaux gaz de combustion pour l'acidifaction de la liqueur noire a été étudiée. Les résultats expérimentaux ont montré qu'il est possible d'obtenir de la lignine filtrable, bien que la cinétique de l'acidification soit beaucoup plus lente. Une simulation et une analyse économique ont révélé que malgré la réduction du coût en CO2, le four à chaux approvisionné en gaz de combustion était économiquement moins attrayant que l'achat de CO2 externe en raison des exigences de nettoyage des gaz et de la taille accrue des réservoirs d'acidification. L'analyse de sensibilité a montré que les prix et la demande de CO2 du procédé doivent être considérablement plus élevés pour qu'il soit économiquement attrayant.

Abstract

The use of fossil fuel resources for manufacture of goods and services has dire consequences on the environment. To reduce the impact, the use of renewable raw materials and energy has been suggested, leading to a sustainable bioeconomy. The pulp and paper industry in North America is currently facing stiff economic conditions due to declining demand for traditional paper commodities, international competition and rising energy prices. The biorefinery technologies, which convert wood components to value added bio-based chemicals and products, can be a means for the pulp and paper industry to increase its revenue, diversify the product portfolio and become more sustainable in the long run. The industry is uniquely positioned to accommodate this task due to access to biomass, existing wood handling and transportation infrastructures and expertise in traditional wood products. The extraction and conversion of lignin to value added products has been identified as one of the most profitable biorefining pathways in Kraft pulping mills. Extraction of lignin, a crucial step of the integrated lignin biorefinery, has a high degree of interaction with the receptor Kraft pulping mill. The importance of the interaction is further enhanced by the possibility of incremental pulp production with lignin extraction. For successful implementation of the lignin biorefinery in Kraft pulping mills, we should understand and address the interactions between lignin extraction process and receptor Kraft pulping mill. Furthermore, it is necessary to enhance the profitability and environmental performance of the lignin extraction processes by improving its operations and meeting the internal energy and chemical demands. In this thesis, the development and integration of acid precipitation process in Kraft pulping mills to improve its economic and environmental performance have been investigated. In the first part of this research, the energy impacts of implementing the acid precipitation process on the Kraft pulping mill was evaluated. A representative Canadian softwood Kraft pulping mill have been used as the reference. Although, the acid precipitation process did not have considerable energy demands, the lignin removal reduced the recovery boiler energy production and increased the evaporator steam demand. The electricity production was also decreased due to reduced recovery boiler steam production. A total of 15% lignin extraction reduced the recovery boiler energy production by 13.5% and allowed an increase of pulp production capacity by 15% through recovery boiler debottlenecking. The energy deficits in the Kraft process was addressed by ix measures combining energy savings projects identified using Pinch analysis, biomass boiler energy production increase and biomass gasification combined cycle. It was shown that addressing the energy deficits internally was feasible, but requires high degree of energy integration. In the second part of the work, the impact of integrating a lignin biorefinery on the chemical balance of Kraft pulping mill have been investigated. A modeling approach based on electrolyte equilibrium, which was proposed to estimate pH and chemical composition variations of the black liquor, have been used to simulate the acid precipitation process. A calculation sequence based on Na/S balances was utilized to calculate the chemical balances of the liquor cycle of the Kraft pulping mill. Balancing Na and S have been performed according to several strategies based on mill constraints and wash filtrate recycle. Complete disposal or excessive recycle of wash filtrates have been found to increase the make-up caustic requirement. The caustic demand could be minimized by recycling a part of most concentrated wash filtrates so that disruption of the Na/S balance was minimum. The efficiency of the washing setup was also found to affect the make-up caustic demand. The Na and S balancing strategy also affected the loads to the recovery cycle operations including evaporator train, recausticizing and lime kiln. Therefore, the bottlenecks in the other recovery operations have to be taken into account in selecting a strategy so that chemical demands are minimized and maximum pulp production increase is obtained. In the third and fourth parts of this research, possibilities of reducing the costs of acid precipitation process have been investigated. As filtration and washing equipment represent a significant portion of capital costs in a lignin precipitation plant, the feasibility of improving lignin filtration by hydrodynamic optimization has been evaluated. The hydrodynamic conditions during lignin coagulation and flocculation were varied and the precipitated lignin particles were characterized in terms of particle and filtration properties. The turbulent shear rate was found to be the determining hydrodynamic parameter that controlled the size and shape of the precipitated lignin particles. More compact and larger particles, which could be obtained by hydrodynamic control, provided superior filtration and washing properties. The systematic parameter optimization was used as means of improving the yield and filtration performance of the acid precipitation process. The experiments were performed using the Taguchi statistical design of experiments approach and the results were analyzed using signal-to-noise ratio and analysis of variance statistical methods. The black liquor solid content have been identified as x the most critical parameter, which had the largest influence on both lignin yield and filtration resistance. The optimal parameters set for filtration performance, which produced lignin with lowest ash content of 0.09%, did not provide the highest lignin yield. Therefore, considering trade-offs between lignin purity and process economics would be required, when developing lignin precipitation processes for specific applications. Lastly, the economic and technical feasibility of using lime kiln flue gases for black liquor acidification was investigated. The experimental results showed that it is feasible to obtain filterable lignin, however, the kinetics of the acidification was considerably slower. A simulation and economic analysis revealed that despite the elimination of CO2 cost, the lime kiln flue gas supply was less attractive economically than external CO2 purchase due to the gas cleaning requirements and increased size of acidification vessels. The sensitivity analysis showed that CO2 price and CO2 demand of the process has to be considerably higher that current values for the use of flue gases to be economically attractive.