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En química industrial , el licor negro es el subproducto del proceso kraft cuando se digiere la madera para pulpa y se convierte en pulpa de papel , eliminando lignina , hemicelulosas y otros extractos de la madera para liberar las fibras de celulosa . [1]
El material equivalente en el proceso de sulfito suele denominarse licor marrón, pero también se utilizan los términos licor rojo, licor espeso y licor de sulfito. [ cita necesaria ]
En la fabricación de una tonelada de pulpa se producen aproximadamente 7 toneladas de licor negro. [2]
El licor negro es una solución acuosa de residuos de lignina, hemicelulosa y los químicos inorgánicos utilizados en el proceso. El licor negro comprende un 15% de sólidos en peso de los cuales dos tercios son químicos orgánicos y el resto son inorgánicos. [3] Normalmente, los componentes orgánicos del licor negro son entre un 40% y un 45% de jabones, [4] entre un 35% y un 45% de lignina y entre un 10% y un 15% de otros compuestos orgánicos.
La materia orgánica del licor negro está formada por componentes de degradación solubles en agua/álcali de la madera. [1] La lignina se degrada a fragmentos más cortos con un contenido de azufre del 1 al 2 % y un contenido de sodio de aproximadamente el 6 % de los sólidos secos. La celulosa y la hemicelulosa se degradan a jabones de ácido carboxílico alifático y fragmentos de hemicelulosa. Los extractos dan jabón de resina y trementina cruda . Los jabones contienen aproximadamente un 20% de sodio. [ cita necesaria ]
Los componentes residuales de lignina sirven actualmente para la conversión hidrolítica o pirolítica o simplemente para quemar. Alternativamente, las hemicelulosas pueden sufrir procesos de fermentación. [ cita necesaria ]
Las primeras fábricas de celulosa kraft descargaban licor negro a los cursos de agua. El licor negro es bastante tóxico para la vida acuática y provoca un color caramelo muy oscuro en el agua. La invención de la caldera de recuperación por GH Tomlinson a principios de la década de 1930 supuso un hito en el avance del proceso kraft. [5]
En la década de 1990, la mayoría de las fábricas de papel kraft consumían casi todo su subproducto de licor negro [6] y purificaban el resto en plantas de tratamiento biológico, reduciendo el efecto ambiental de las aguas residuales por debajo del nivel de importancia científica, excepto quizás en arroyos muy pequeños. . [ cita necesaria ] Incluso en el siglo XXI, quedaban algunas pequeñas fábricas de papel kraft (que producían como máximo unas pocas toneladas de pulpa por día) que descargaban todo el licor negro. Sin embargo, estos están desapareciendo rápidamente. Algunas fábricas de papel kraft, particularmente en América del Norte, [ cita necesaria ] todavía recuperaron menos del 98% del licor negro en 2007, lo que puede causar cierta contaminación ambiental, incluso cuando se trata biológicamente. La tendencia general es que estas fábricas obsoletas se modernicen o cierren. [ cita necesaria ]
El licor negro contiene más de la mitad del contenido energético de la madera que se introduce en el digestor de una fábrica de celulosa kraft. [7] Normalmente se concentra entre un 65 y un 80 % mediante evaporadores de efecto múltiple y se quema en una caldera de recuperación para producir energía y recuperar los productos químicos de la cocción. La viscosidad aumenta a medida que aumenta la concentración. Aproximadamente entre el 50 y el 55 % de sólidos se alcanza el límite de solubilidad de la sal. [8] El tall oil es un subproducto importante que se separa del licor negro mediante desnatado antes de pasar a los evaporadores o después de la primera etapa del evaporador.
Las fábricas de celulosa han utilizado licor negro como fuente de energía al menos desde la década de 1930. [6] La mayoría de las fábricas de celulosa kraft utilizan calderas de recuperación para recuperar y quemar gran parte del licor negro que producen, generando vapor y recuperando los productos químicos de cocción ( hidróxido de sodio y sulfuro de sodio utilizados para separar la lignina de las fibras de celulosa necesarias para la fabricación de papel). Esto ha ayudado a las fábricas de papel a reducir los problemas con las emisiones de agua, reducir el uso de productos químicos mediante recuperación y reutilización, y volverse casi autosuficientes energéticamente al producir, en promedio, el 66 por ciento de sus propias necesidades de electricidad en el sitio. [ cita necesaria ]
En Estados Unidos, las empresas papeleras han consumido casi todo el licor negro que producen desde los años 1990. [6] Como resultado, la industria de productos forestales se ha convertido en uno de los principales generadores de energía renovable neutra en carbono en los Estados Unidos, produciendo aproximadamente 28,5 teravatios hora de electricidad al año. [ cita necesaria ]
Se han desarrollado nuevos métodos de conversión de residuos en energía para recuperar y utilizar la energía del licor negro. [ cita necesaria ] El uso de gasificación de licor negro tiene el potencial de lograr una mayor eficiencia energética general que la caldera de recuperación convencional, al tiempo que genera un gas de síntesis rico en energía a partir del licor. [ cita necesaria ] El gas de síntesis se puede quemar en un ciclo combinado de turbina de gas para producir electricidad (generalmente llamado BLGCC para ciclo combinado de gasificación de licor negro; similar a IGCC ) o convertirse mediante procesos catalíticos en productos químicos o combustibles como metanol , éter dimetílico (DME ), o diésel FT (normalmente llamado BLGMF por gasificación de licor negro para combustibles de motor). Esta tecnología de gasificación es actualmente [ ¿cuándo? ] en funcionamiento en una planta piloto de 3 MW en las instalaciones de prueba de Chemrec [9] en Piteå , Suecia . El paso de síntesis DME se añadirá en 2011 [ necesita actualización ] en el proyecto "BioDME", apoyado por el Séptimo Programa Marco (7PM) de la Comisión Europea y la Agencia Sueca de Energía . [10]
Utilizada para la producción de biocombustibles, se ha demostrado que la ruta de gasificación del licor negro tiene una eficiencia de conversión muy alta y un potencial de reducción de gases de efecto invernadero . [11]
La licuefacción hidrotermal es adecuada para convertir licor negro en biocombustibles avanzados debido a la capacidad del proceso para manejar altas entradas de humedad. [12]
Cuando la capacidad de la caldera de recuperación es limitada y existe un cuello de botella en la planta de celulosa , la lignina del licor negro puede extraerse y luego exportarse o usarse como combustible en el horno de cal de la planta . Esto suele sustituir los combustibles fósiles por biocombustibles. [ cita necesaria ]
Un crédito fiscal creado por el Congreso de los Estados Unidos en 2005 como parte de la Ley de Carreteras de 2005 para recompensar y apoyar el uso de combustible alternativo líquido derivado de hidrocarburos en el sector del transporte se amplió en 2007 para incluir usos no móviles de combustible alternativo líquido derivado de hidrocarburos. biomasa. [ cita necesaria ] Este cambio significó que, además de los procesadores de pescado, los procesadores de animales y los empacadores de carne, los productores de pulpa kraft pasaron a ser elegibles para el crédito fiscal como resultado de su generación y uso de licor negro para generar energía. Para una gran empresa ( International Paper ), esto podría representar hasta 3.700 millones de dólares en beneficios. [6] [13] Weyerhaeuser anunció en mayo de 2009 que también solicitaría el crédito fiscal. [14] Algunos analistas de la industria papelera [15] criticaron la elegibilidad de la industria papelera para el crédito fiscal por mezcla de combustibles alternativos con el argumento de que aumentaba el uso de combustibles fósiles, pero la industria respondió que agregar un combustible fósil era un requisito de la ley y que, De todos modos, esto no resultó en un aumento neto en el uso de combustibles fósiles, ya que las empresas simplemente estaban reemplazando el combustible fósil existente que ya mezclaban con licor negro (gas natural) por uno de los tres combustibles especificados por la ley: gasolina, queroseno o diésel. El crédito de biocombustible para licor negro finalizó el 1 de enero de 2010. [ cita necesaria ]