O documento apresenta um modelo para avaliação do consumo específico de madeira e insumos energéticos no processo de produção de celulose e papel. Descreve a contextualização do setor, a motivação e objetivos do trabalho, a metodologia que envolve revisão bibliográfica e estudo de caso, e constrói um modelo matemático por regressão linear múltipla para correlacionar variáveis que influenciam no consumo.

1. UNIARA – Centro Universitário de AraraquaraPrograma de Mestrado Profissional em Engenharia de ProduçãoMODELO PARA AVALIAÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE MADEIRA E INSUMOSENERGÉTICOS NO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE CELULOSE E PAPELFrancisco de Assis Bertini MoraesOrientador : Prof. Dr. Claudio Luis PiratelliAraraquara, SPDezembro / 2010

2. SUMÁRIO DA APRESENTAÇÃO CONTEXTUALIZAÇÃO

3. MOTIVAÇÃO PARA O TEMA ABORDADO

4. OBJETIVOS DO TRABALHO

5. JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMA

6. METODOLOGIA

7. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

8. OBJETO DO ESTUDO DE CASO

9. CONSTRUÇÃO DO MODELO ESTRUTURAL

10. MODELAGEM DO PROCESSO DE CELULOSE E PAPEL

11. EXEMPLOS DE SIMULAÇÕES

12. CONSIDERAÇÕES FINAIS2

13. CONTEXTUALIZAÇÃOO segmento de celulose e papel no Brasil: - 3,7 milhões dehectares de eucalipto em reflorestamento, 14,3 milhões ton, 3,5% do PIB,- US$ 4,8bilhões em impostos e US$ 6,1 bilhões emexportações- Emprega 4,6 milhões depessoas ou 5% da população economicamenteativa do BrasilMaior produtor mundial de celulose de fibra curta,

14. 4º. Maior produtor mundial de celulose,

15. 100% da produção de celulose com reflorestamento,

16. Estado da arte na tecnologia implantada,

17. Crescimento de 50% na produção até 2022, Investimentos US$ 20 bilhões, 22 milhões toneladasNos últimos 30 anos, significativoinvestimento em P&D pelas empresas brasileiras propiciou :- Aumento na produtividade florestal de 25 para 40 a 60 m3-madeira/hectare.ano,- O aprimoramento genético do eucalipto emelhoria de tecnologia de produção : > rendimentoMaior rendimento : Maior produção de celulose com menorquantidadede madeira,Menor consumo específico de madeira (m3 de madeira por tonelada de celulose produzida).Está incluso entre os mais energointensivos do setor industrial,Óleo combustível, Gás natural, Madeira para energia e Energia elétrica,Perfil energético adequado aosprocessos mais eficientes de cogeração e autosuficiência,Desenvolvimento tecnológico para a utilização de biomassa e queima de licor negro,Investimentos para se ter uma indústria com alta eficiência na assimilaçãode carbono.3

18. MOTIVAÇÃO PARA O TEMA ABORDADO A indústria de celulose e papel é gerida operacionalmente em três grandes áreas : Linha de Fibras, Recuperação & Utilidades e Produção de Papel, - Prática da gestão operacional sem a suficiente análise de interação entre estas áreas, podendo representar benefícios para uma área e prejuízos para outra, sendo o resultado obtido nem sempre favorável ao negócio como um todo. Literatura sobre o consumo específico de madeira com foco no rendimento e polpação,(Barrichelo, 1985), (Foelkel, 1990), (Garcia, 1995), (Colodetteet al., 2002), (Trugilhoet al., 2004), (Gomide et al., 2005), (Sansigoloet al., 2007), (Silva et al., 2007), (Saconet al., 2007), (Ribeiro, 2007), (Polowski, 2009), (Mokfienskiet al., 2008)Literatura para redução do custo de insumos energéticos são específicos a cada área.Poucas pesquisas nos setores da linha de fibras e produção de papel para ações de redução no consumo de vapor e sem analisar o impacto no processo como um todo. (Brito e Barrichelo, 1978), (Muramotoet al., 1983), (Coelho et al., 1996), (Cardoso, 1998), (CGEE– Secretária Técnica do Fundo Setorial de Energia, 2001), (Silva, 2002), (Quirino et al., 2004), (Barcellos et al., 2005), (Muller et al., 2006), (Velázquez, 2006), (Brand, 2007), (Rendeiro et al., 2008), (Berniet al., 2008), (Francis et al., 2008), (Bajayet al., 2010). Pouca atenção tem sido dada na avaliação mais abrangente da inter-relação entre as variáveis do processo industrial.

19. Identifica-se, portanto, oportunidade de elaboração de estudo avaliando o impacto econômico na utilização da madeira de eucalipto como fonte de matéria prima e energia na indústria de celulose e papel e as influências das inúmeras variáveis do processo.4

20. OBJETIVOS DO TRABALHO Fornecer subsídios à InternationalPaper para melhorias no seu processo industrial,em relaçãoao seu consumoespecífico de madeira e de insumos energéticos, direcionandomelhor seus recursos para ações deredução de custos , tanto parainiciativas de açõescombaixo ou nenhum investimento ou para viabilizar projetosde dispêndio de capital.5Nesta dissertação, pretende-se : Construir um modelo matemático, por meio da regressão linear múltipla, que correlacione asdiversas variáveis queinfluenciam noconsumo específico de madeira para celulose e noconsumo de insumos energéticos comprados(madeira para energia, óleocombustível eenergia elétrica) do objeto de estudo, Apresentar aos profissionais do setor acadêmico e industrial do segmento de celulose epapel, uma visão maisabrangente ecrítica de inter-relação das variáveis de influência noscustos de produção, através da técnica de regressão linear múltipla aplicadaà construçãode modelos de predição para um caso real (este é o maior aportedesta dissertação), e

21. JUSTIFICATIVA DA ESCOLHA DO TEMAOcusto de madeira e o custo de energia  40 a 60% do custo variável da celulose

22. Modelos com regressão linear múltipla como alternativa aos modelos teóricos com base fenomenológica, permitindo estimar uma série de equações por regressão múltipla separadas, mas interdependentes, simultaneamente, pela especificação do modelo estrutural previamente construído pelo pesquisador.6 Minimizar madeira para celulose e maximizar o uso da biomassa e madeira para a produção de energia.

23. Menor dependência : de grandes áreas florestais e da compra de insumos energéticos

24. Gerenciamento pela produção de madeira, atuando-se diretamente na gestão florestal.

25. O pesquisador baseia-se em teoria, experiência prévia e nos objetivos da pesquisa, para distinguir quais variáveis independentes prevêem cada variável dependente.

26. METODOLOGIADe acordo com a classificação de Silva e Menezes (2001), Do ponto de vista de sua natureza, a presente pesquisa é aplicada, pois objetiva gerar conhecimentos para aplicação prática dirigidos à solução de problemas específicos.

27. Considerando a forma de abordagem do problema, essa pesquisa é quantitativa, pois visa coletar e analisar variáveis dependentes e independentes por meio de técnicas estatísticas.

28. Com relação aos seus objetivos, essa pesquisa é classificada como descritiva, pois visa descrever o estabelecimento de relações entre variáveis através da construção de um modelo matemático.

29. Do ponto de vista dos procedimentos técnicos essa pesquisa caracteriza-se como pesquisa bibliográfica e estudo de caso, pois o conhecimento dos fenômenos são articulados de forma teórica usando conceitos, modelos, experiência prévia e proposições bem definidos. Neste caso, o tratamento dos dados é conduzido com o objetivo específico de testar a adequação dos conceitos desenvolvidos e a validade das fronteiras dos modelos (modelo estrutural). 7

30. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de EucaliptoA madeira : ~75% de polissacarídeos (50 a 80% de celulose e 5 a 30% de hemicelulose) e 25% de lignina.A maior concentração de lignina encontra-se na lamela média e a de celulose na parede secundária, no entanto, apesar da menor concentração, a maior quantidade de lignina encontra-se também na parede secundária, existindo uma forte interação entre lignina-hemicelulose-celulose.8

31. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de Eucalipto para Celulose100 kg (base seca) de madeira de EucalyptusgrandisPolpa oriunda de 10 clones distintos de eucaliptos Cozimento para kappa = 18 na polpa (Teor Lignina ~ 3,5 %) Cinzas0,4 kgExtrativos2,1 kgLignina26,5 kgHemicelulose20,8 kgCelulose50,2 kgCozimento kraft com #kappa 16 (3,2 % lignina) e Rendimento 50%50 kg (base seca) de Fibras Marrons (50% de rendimento)Extrativos0,15 kg(7,1%)Cinzas0,1 kg(25,0%)Lignina0,75 kg(2,8%)Hemicelulose8,0 kg(38,5%)Celulose41,0 kg(81,7%)Carga de Álcali Efetivo, % (Proporcional ao teor de lignina na madeira)50 kg (base seca) dissolvidos no licor pretoExtrativos1,95 kg(92,9%)Cinzas0,3 kg(75,0%)Lignina25,75 kg(97,2%)Hemicelulose12,8 kg(61,5%)Celulose9,2 kg(18,3%)Quanto menor o teor de lignina na madeira, menor o requisito de álcali (soda cáustica e sulfeto de sódio)requerido para o cozimento (polpação) e consequentemente maior o rendimento obtido.9

32. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Madeira de Eucalipto para Energia% Carbono Fixo, Carvão Vegetal10 espécies de eucaliptosPoderCalorífero, kcal/kgPCSPCI% Lignina na madeira, base seca(Brito e Barrichelo, 1977)Teor de umidadedamadeira, % Ao contrário da madeira para celulose, quanto maior o teor de lignina, maior o teor de carbono fixo no carvão produzido e consequentemente maior teor energético é obtido da madeira. Na madeira para celulose, o maior teor de umidade favorece a impregnação de álcali nos cavacos de madeira e consequente um cozimento mais uniforme com maior rendimento. No entanto, na madeira destinada a produção de energia o maior teor de umidade reduz consideravelmente o poder calorífero.10

33. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Processo de fabricação de celuloseO processo kraftde produção de celulose tem como função dissolver e extrair a lignina da madeira, com o objetivo de liberar as fibras com o mínimo de degradação dos carboidratos (celulose e hemicelulose).ÓleoCombustívelToras de MadeiraÁgua TratadaCascas e ResíduosPreparaçãode MadeiraTratamentoÁgua - CaldeiraVaporAltaPressãoCavacosp/ EnergiaCaldeira deBiomassaCavacosp/ Cel.TurboGeradorEnergia ElétricaGeradaEnergia ElétricaCompradaCozimentoVaporBaixa PressãoO processo, pode ser dividido emVaporAltaPressãoPolpa Marrome Licor PretoLinha de FibrasFiltradoRejeitosRecuperaçãoCadeira deRecuperaçãoEvaporadorPré Lavageme DepuraçãoLicorPretoLicor PretoRCH-NaUtilidades

34. Máquina de PapelLicorVerdeNa2CO3Na2SPolpa MarromDeslignificaçãocom OxigênioLicor BrancoNaOHNa2SFiltradoCaustificaçãoNa2CO3 + CaO NaOH + CaCO3Oxidação deLicor BrancoNaOHLama CalCaCO3CalCaOTratamentode ÁguaPós LavagemÁguaBrutaÁguaTratadaProdução de OxigênioArO2Forno de CalCaCO3 CaO + CO2Polpa MarromDeslignificadaRioTratamentode EfluentesProdução deDióxido de CloroBranqueamentoClorato SódioÁcido SulfúricoMetanolClO2EfluenteTratadoEfluenteÓleoCombustívelCeluloseBranqueadaGásCarbônicoCO2Produção deCarbonato de CálcioSecagemMáquina dePapelCarbonato de CálcioCaCO311

35. Fábrica de Celulose , 1200 t/d celulose e 1000 t/d de papel para impressãoREVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Distribuição de vapor e energia elétricaTotal60 MWTotal60 MW0 MW4 bar4 bar45 t/h45 t/hEnergia Elétricapara Mercado160 t/h15 MW50 t/h15 MWLinha de FibrasCondensador50 t/hLinha de FibrasCaldeiradeRecuperaçãoCaldeiradeRecuperaçãoLicor PretoLicor Preto220 t/h220 t/h10 t/h1740 tss/d10 t/hVapor1740 tss/dVaporSecadora de Celulose200 t/d3 MW243 t/h243 t/hSecadora de Celulose200 t/d3 MW2 t/h2 t/h34 t/dTurbina92 t/h65 t/h34 t/dTurbina92 t/h65 t/hRecuperação Química15 t/h13 MWÓleo CombustívelForno de Cal490 t/hRecuperação Química15 t/h13 MWÓleo CombustívelForno de Cal335 t/hCaldeiradeBiomassaCaldeiradeBiomassa270 t/h23 t/hBiomassa23 t/h115 t/hBiomassa9 MWVapor15 t/hUtilidades9 MWVapor15 t/hUtilidadesGeradorCascas eResíduos0 MWGeradorCavacos deMadeira100 t/h22 MW100 t/hCavacos deMadeiraCascas eResíduos20 MW20 MW10 t/hEnergia Elétricade MercadoMáquinas de Papel10 t/hEnergia Elétricade MercadoMáquinas de Papel60 bar60 bar12 bar2200 m3-sólido/dia12 bar720 m3-sólido/dia60 MW535t.seca/dia535t.seca/dia38 MWEnergia ElétricaGeradaEnergia ElétricaGeradacogeração com turbina a extração, contrapressão e condensação (CEST)cogeração com turbina a extração e contrapressão12

36. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA , Modelagem com regressão linear múltiplaA modelagem fornece a técnica de estimação para uma série de equações deregressão múltipla separadas estimadas simultaneamenteO modelo estruturalé o modelo de “caminhos”, que relaciona variáveis independentes com dependentes.Em tais situações, teoria, experiência prévia ou outras orientações permitem ao pesquisador distinguir quais variáveis independentes prevêem cada variável dependente.O modelo de mensuração permite ao pesquisador examinar uma série de relações de dependência simultaneamente, sendo particularmente útil quando uma variável dependente se torna independente em subseqüentes relações de dependência.13

37. OBJETO DO ESTUDO DE CASOA IP - InternationalPaper do Brasil Ltda., (Mogi Guaçu-SP, Luiz Antonio-SP e Três Lagoas-MS) possuicapacidade de 820 mil toneladas/ano de celulose e 1,0 milhão de toneladas/ano de papelpara imprimire escrever.Cerca de 50% das vendas são destinadas ao mercado externo.Unidade Luiz Antonio,que atualmente atua de forma integradacomprodução de 1200 t/d de celulosee 1000 t/d de papel, com linha única de produção de celulose e 2 máquinas de papel.100% do suprimento de madeira de eucalipto para produção de celulose e energia, provém de florestas plantadas (90% próprias) oriundas de um raio médio de 40 km (80% clones , urograndis).14

38. CONSTRUÇÃO DO MODELO ESTRUTURALCadeia de suprimentos de madeira e insumos energéticos para o processo de fabricação de celulose e papel.15