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Solutions techniques pour l'industrie de la pâte à papier et du papier

28 avril 2000 Paru dans le N°231 à la page 46 ( mots)
Rédigé par : Chris-mc GREGOR

Par bien des aspects, la production de papier offre de nombreux challenges techniques. Dans ce document, M. Chris Mc Gregor présente quelques-unes des technologies dont dispose la division pâte et papier d'Hercules et développe la résolution de cas industriels. Très peu de procédés industriels présentent une complexité aussi importante que celle de la fabrication du papier. C?est un procédé dynamique et qui devient de plus en plus exigeant compte tenu des standards de qualité requis et des contraintes économiques. De plus, chaque usine possède des conditions opératoires spécifiques et des exigences techniques particulières.

Très peu de procédés industriels présentent une complexité aussi importante que celle de la fabrication du papier. C’est un procédé dynamique et qui devient de plus en plus exigeant compte tenu des standards de qualité requis et des contraintes économiques. De plus, chaque usine possède des conditions opératoires spécifiques et des exigences techniques particulières.

Un vaste ensemble de solutions est proposé par la division pâte et papier d’Hercules, cette dernière résultant de la fusion avec BetzDearborn en octobre 1998. Cette division allie les capacités technologiques et de production d’Hercules avec les prestations de service et les programmes de traitement et d’expertise de BetzDearborn.

Traitement des eaux

Les fabricants de papier ont besoin d'une qualité d’eau spécifique, ce qui implique que des programmes de traitement soient appliqués à toutes les étapes d'utilisation d’eau, depuis l'alimentation de l'usine jusqu'à son rejet. À titre d’exemple, l’eau de refroidissement doit être traitée efficacement afin de contrôler les problèmes dus à la corrosion, l’encrassement et aux développements microbiologiques. Dans le cas contraire, les problèmes potentiels peuvent limiter les débits, ce qui peut avoir pour conséquence des augmentations des coûts opératoires, des arrêts éventuels ou, à l’extrême, des remplacements des unités de réfrigération. Une gamme d'inhibiteurs de corrosion a été développée : elle permet l'utilisation de phosphate, zinc, silicate, molybdate et nitrite. L’encrassement minéral est, quant à lui, contrôlé grâce à une large gamme d'inhibiteurs brevetés, de dispersants, de surfactants et de polymères pouvant être utilisés soit seuls, soit en formulation. Les problèmes microbiologiques caractérisés par la présence d’algues, de slimes (biofilms) ou

odeurs, sont traités avec des biocides oxydants et non oxydants.

Quant aux traitements des eaux usées, l'utilisation de polymères spécifiques permet d’améliorer la qualité des effluents au niveau du clarificateur primaire. Ces polymères peuvent également accélérer la décantation des particules biologiques dans les clarificateurs secondaires. Le coût de mise en décharge des boues est un autre facteur important qui peut être minimisé grâce à l'utilisation de polymères et d’agents de déshydratation, ceux-ci permettant la réduction du volume des boues par l’augmentation de leur siccité (voir les exemples de cas).

[Photo : Vérification des modifications des caractéristiques du papier dues à l’addition des produits de procédés]

Additifs de procédé

Dans les usines de pâte, des traitements particuliers ont aussi été développés pour des utilisations spécifiques, par exemple, dans les unités de blanchiment. À ce stade, les dépôts peuvent limiter les débits et colmater les unités de lavage, ce qui peut avoir pour conséquence d’augmenter la consommation de vapeur et de produits chimiques, ce qui induira une baisse de la qualité de la pâte.

D’autres domaines d'applications peuvent être mentionnés comme le contrôle de la poix, l'efficacité de la cuisson et le lavage de la pâte écrue.

Pour la machine à papier, une ligne d’agents de rétention et d’égouttage a été spécifiquement développée pour permettre une optimisation du rendement de la machine tout en respectant les contraintes environnementales très restrictives.

Des polymères cationiques, anioniques et non ioniques peuvent être utilisés. De même, des inhibiteurs d’entartrement, des séquestrants et des chélatants permettent de contrôler les encrassements.

[Photo : Discussion et corrélation des paramètres de process avec la mise en œuvre des traitements chimiques]

D’autres applications peuvent également être citées, tel que le contrôle de la poix, des stickies et de la poix blanche. Le conditionnement des feutres et des rouleaux est également envisageable.

Les développements microbiologiques nécessitent une large gamme de biocides et de produits offrant une alternative aux traitements biocides.

Additifs de performance

L’eau représente l'élément majeur du procédé de fabrication de la pâte et du papier : autour de ce vecteur, des technologies ont été développées afin d’atteindre les critères de qualité requis par l’évolution du marché.

À titre d’exemple, les agents de crêpage et de décollement sont pulvérisés sur le cylindre sècheur des machines à ouate non seulement pour protéger sa surface, réduire la corrosion chimique ou augmenter la productivité, mais aussi, et surtout, pour améliorer les propriétés de la feuille, notamment la douceur.

Une large gamme de produits à base de carboxyméthylcellulose (CMC) et d’hydroéthylcellulose (HEC) a été développée pour un meilleur contrôle de la rhéologie et de la rétention d’eau dans les sauces de couchage. Ces deux molécules génèrent une structure externe complémentaire tout en améliorant les qualités d'imprimabilité, de blancheur et d’opacité de la feuille.

La chimie du collage est complexe, les pro-

Ces produits peuvent être mis en œuvre soit en partie humide, soit déposés sur la surface de la feuille en ayant pour objectif le contrôle de l'absorption de l'eau et des encres. Aujourd’hui, des technologies existent pour traiter les nombreux problèmes résultant de la nature des charges utilisées, des teneurs en cendres plus élevées, des différentes compositions fibreuses et apportent une réponse aux nouvelles techniques d'impression et de collage. Une large gamme d’agents de collage de masse (colophane, AKD, ASA et substituts d’alkényls) et de collage de surface (émulsions et solutions) a été développée afin de couvrir l'ensemble des besoins de l'industrie papetière.

La résistance est une caractéristique essentielle du papier. Les agents de résistance humide Kymene™ représentent, encore à ce jour, la référence dans ce domaine et ce pour une large variété de papiers.

Ces résines polymérisées en milieu neutre sont utilisées dans la fabrication de nombreuses sortes de papiers et pour des compositions fibreuses très variées. L’évolution technologique la plus innovante dans ce domaine est le développement et le lancement du Kymene™ G3. Ce produit permet d'atteindre les caractéristiques de résistance humide en intégrant les préoccupations environnementales, en particulier le respect des futures normes concernant les teneurs résiduelles en épichlorhydrine.

Études de cas

Chaque usine ayant des conditions opératoires particulières, des solutions ont dû être développées spécifiquement. Les exemples présentés ci-dessous illustrent la manière dont différentes technologies ont été appliquées pour répondre aux besoins identifiés de chaque unité.

Une usine européenne produisant du papier fin devait diminuer la valeur de turbidité de son eau clarifiée en dessous de 20 % afin de pouvoir réutiliser cette eau dans les rinceurs de machines. De plus, cet objectif devait être atteint en réduisant le coût du programme de traitement.

Les trois machines à papier de cette usine produisent du support multicouche pour usage décoratif en utilisant 100 % de pâte vierge.

Le traitement dual polymère appliqué au décanteur était composé de 17,5 ppm de sulfate d’aluminium et 4,5 ppm de polymère anionique.

L'eau clarifiée revenait sur machine pour être utilisée en pulvérisation, mais dépassait souvent les limites de turbidité fixées.

Suite à des études laboratoire soutenues, Hercules a identifié un polymère cationique de clarification de forte densité de charges de la gamme Novus™ comme solution présentant un meilleur rapport coût/performance.

La valeur de turbidité de l'eau clarifiée a été ramenée de 30 % à des niveaux qui demeuraient compris entre 0 et 10 %, ce qui permettait ainsi sa réutilisation de manière fiable sur les rinceurs de machine. Une réduction du coût de traitement chimique de l’ordre de 40 % a permis d’économiser 60 000 $ par an, ceci en incluant une consommation de sulfate d’aluminium réduite de plus de 70 %.

Les contraintes d'une usine en Italie étaient toutes autres. Dans son environnement, le problème d’odeur était tellement prononcé que des menaces de fermeture de l'usine par les autorités locales avaient été évoquées. En conséquence, l’usine, qui produisait du papier couché pour magazines à partir de pâte mécanique et de pâte chimique, a constitué un groupe d’étude de ce problème.

Hercules, fournisseur privilégié de cette usine, a fait partie de cette équipe. Les études entreprises par Hercules ont montré que des acides gras volatils générés par des bactéries anaérobies localisées dans des bacs à boues étaient la source de ces odeurs. La prolifération microbienne était due à des durées trop importantes de stockage.

[Photo : Analyse et contrôle des résiduels de produits de traitement des eaux de réfrigération.]
[Photo : L’échange régulier d'information est déterminant pour la réussite des programmes mis en œuvre.]
[Photo : Une technologie innovante est la clé de voûte d'un élargissement continu des gammes de produits]

Stockage des boues avant déshydratation et mise en décharge contrôlée.

Notre société a proposé l’addition d’un biocide de la gamme Spectrum™ à un dosage de 200 g/tonne de boues sèches.

Les résultats obtenus ont été l’élimination des odeurs générées et l’arrêt des actions entamées pour la fermeture de l’usine par les autorités administratives. Une quantité supplémentaire de boues a aussi pu être recyclée par une fabrique de matériaux de construction, cette utilisation étant initialement limitée par ces problèmes d’odeur. À ce jour, les boues sont utilisées pour la fabrication de briques, de tuiles et de panneaux préfabriqués. Le recyclage des boues a été accru de 100 % atteignant 40 000 tonnes/an et permettant ainsi de très importantes économies en coût de mise en décharge.

Dans le sud des États-Unis, une usine produisant 160 tonnes/jour de ouate de cellulose rencontrait des problèmes liés à l’état de surface du cylindre sécheur (dureté) qui généraient de nombreux arrêts pour changement de racles et provoquaient des perturbations à l’enrouleuse.

De plus, de nombreuses casses empêchaient d’atteindre les objectifs de production souhaités.

La solution proposée par Hercules comportait l’addition d’un « modifieur » issu de la gamme ProSoft™ à un dosage de 0,5 kg/tonne.

Cette injection a permis le contrôle de la couche adhérente, une augmentation de 100 % de la durée de vie des racles et une économie de 70 000 $ par an obtenue par la réduction du nombre d’arrêts machine. De plus, il a été possible d’augmenter de près de 9 % la production, celle-ci passant à 174 tonnes/jour en moyenne.

Une usine anglaise produisant 100 tonnes/jour de papier photocopie à un grammage compris entre 60 et 100 g/m² rencontrait des problèmes de qualité.

Dès le démarrage d’un programme de rétention/égouttage à base de microparticules, il a été observé un phénomène de tuilage important. Ce paramètre étant critique pour ce type de papier, il a été particulièrement pris en considération.

Des études minutieuses en laboratoire ont permis d’identifier un polymère de faible densité de charge de la gamme PerForm™ comme étant la solution la plus appropriée. Le tuilage a fortement et rapidement diminué sur l’ensemble de la production. L’amidon cationique associé initialement au traitement microparticulaire a été réduit de l’équivalent de 4 $/tonne de papier. Ceci a permis une économie pour l’usine de 175 000 $/an.

Un traitement similaire a permis à une usine de carton couché située en Europe de réduire les coûts du programme de rétention tout en maintenant, voire améliorant, l’efficacité du traitement.

La machine, constituée de huit formes rondes, produit 160 à 200 tonnes/jour de carton pour boîtes d’emballage.

Le traitement initial mis en œuvre à base de polyéthylénimine dosée à 3 kg/tonne de papier était considéré comme étant très coûteux. Une étude laboratoire sur site a montré que l’utilisation d’un polymère de moyenne densité de charges de la gamme PerForm™ pouvait améliorer la rétention et maintenir l’égouttage tout en générant de substantielles économies. Le traitement proposé et mis en œuvre a permis de réduire le coût de traitement de 33 % environ représentant une économie directe pour l’usine de 43 000 $ par an. Des avantages complémentaires ont été constatés tels la baisse des concentrations des eaux sous toile, l’amélioration de la formation et la réduction des quantités de colle consommées.

Recherche et développement

Les évolutions technologiques exigent des réponses aux problèmes résultant par exemple de l’utilisation de fibres recyclées, de compositions différentes, de nouveaux procédés de désencrage.

Il convient également d’intégrer d’autres paramètres tels que : fermeture des circuits, taux de rétention en charges plus élevés, vitesses machine plus importantes, grammages moyens de plus en plus faibles, contraintes environnementales plus exigeantes, mais aussi volonté de réduction des coûts de traitement.

Des programmes de recherches spécifiques ont été menés dans de nombreux domaines. Des pilotes de simulation ont été utilisés pour étudier les spécificités des chaudières haute pression et des circuits de réfrigération pour modéliser les mécanismes d’encrassement et de corrosion.

Parmi les plus importants outils de recherche et de développement dont nous disposons, nous pouvons citer deux machines à papier pilote, l’une est située en Europe, l’autre aux États-Unis. L’unité de Barneveld (Pays-Bas) peut produire du papier dont le grammage est compris entre 40 et 280 g/m² à une vitesse allant de 1,5 à 25 m/min. Ces deux unités sont utilisées pour simuler les procédés de fabrication industriels de papier et de carton.

Grâce à l’utilisation d’une chimie de synthèse de pointe et de techniques avancées de modélisation, les chercheurs peuvent identifier rapidement les différents paramètres qui ont une incidence sur le procédé de fabrication et qui peuvent interférer sur le produit fini en fonction des objectifs requis par les clients.

Spectrum™, Kymene™, Novus™, ProSoft™ et PerForm™ sont des marques déposées de Hercules Incorporated et peuvent être enregistrées dans un ou plusieurs pays.

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