+ All Categories
Home > Documents > How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity...

How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity...

Date post: 05-Sep-2020
Category:
Upload: others
View: 1 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
41
How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical Processes 6042225203 [email protected] Victor Padilla Manager Corrosion and Thermochemical Processes 6042225725 [email protected] Abstract Reducing the Effective Alkali (EA) targets in the continuous kraft digesters can reduce white liquor consumption, increase pulp yield, and decrease the load in the chemical recovery line. It is not certain whether this will have a negative effect on carbon steels assets, and therefore there are concerns with unpredictable rates of corrosion. The objective of the work is to measure the impact of reducing REA on the corrosion of carbon steel in both hardwood and softwood liquors using potentiodynamic (PDP), open circuit potential (OCP), and five day immersion studies in laboratory autoclaves. The REA in our studies ranged from 2 g/L to over 10 g/L as Na 2 O and were adjusted using weak sulphuric acid or caustic. The results of this work show that the corrosion rate of carbon steel in hardwood liquor was low and independent of REA, whereas carbon steel in softwood liquors generally increased with decreasing REA. This work provides insight for mill operations to consider with respect to liquor corrosivity and how one may manage process changes without an increase in risk to fixed equipment
Transcript
Page 1: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA 

 

Matthew Tunnicliffe 

Research Scientist 

Corrosion and Thermochemical Processes 

604‐222‐5203 

[email protected] 

Victor Padilla Manager 

Corrosion and Thermochemical Processes 604‐222‐5725 

[email protected] 

Abstract 

Reducing the Effective Alkali (EA) targets in the continuous kraft digesters can reduce white liquor consumption, 

increase pulp yield, and decrease the load in the chemical recovery line.  It is not certain whether this will have a 

negative effect on carbon steels assets, and therefore there are concerns with unpredictable rates of corrosion. 

The objective of  the work  is  to measure  the  impact of  reducing REA on  the corrosion of carbon steel  in both 

hardwood  and  softwood  liquors  using  potentiodynamic  (PDP),  open  circuit  potential  (OCP),  and  five  day 

immersion studies  in  laboratory autoclaves.   The REA  in our studies ranged from 2 g/L to over 10 g/L as Na2O 

and were adjusted using weak sulphuric acid or caustic.  The results of this work show that the corrosion rate of 

carbon  steel  in hardwood  liquor was  low and  independent of REA, whereas  carbon  steel  in  softwood  liquors 

generally increased with decreasing REA. This work provides insight for mill operations to consider with respect 

to liquor corrosivity and how one may manage process changes without an increase in risk to fixed equipment 

   

Page 2: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  1 of 11 

Introduction 

There are many reasons why mill managers and mill engineers would be interested in reducing the EA targets of 

black  liquor  in  a  digester.  The mill manager may  see  this  as  an  opportunity  to  debottleneck  their  process, 

whereas  the mill engineer  could  see  this as a way  to  increase pulping  yield and offload  the  recovery  circuit.  

Those  at  the mill who  purchase makeup  chemical would  benefit  by  reducing white  liquor  consumption  by 

economics.  Furthermore; purchasing less chemical makeup reduces the chance of further non‐process elements 

entering the black liquor loop. Reducing EA targets in the continuous kraft digesters offers several benefits. 

However,  in  order  to  achieve  any  possible  savings,  one  needs  to  consider  the  effect  of  reducing  EA  on  the 

corrosion  of  carbon  steel  equipment.    As  such  it  is  important  to  perform  a  systematic  study with  samples 

obtained  directly  from  the  process  to  ensure  that  the  critical  residual  effective  alkali  (REA)  measurement 

considers the effect of the mill specific liquor chemistries. 

The complexity of kraft liquors 

The kraft cooking liquor is a mixture of white liquor, water entrained in chips, condensed steam, and weak black 

liquor used to adjust the liquor to wood ratio. It is strongly alkaline solution (~pH 14), in which the active species 

are NaOH and Na2S and  to a  lesser extent Na2CO3.[1]    Furthermore; each  liquor has  its own host of organic 

constituents that may influence liquor corrosivity. 

The variables most commonly studied with respect  to  the corrosion of steel  in black  liquor are alkali content, 

sulphidity,  percent  solids,  and  temperature.    Generally,  the  corrosion  rate  increases with  higher  sulphidity, 

temperature and percent solids. Corrosion rate decreases with higher alkali content.[2]–[5] However,  we have 

observed  that black  liquor  temperatures, sulphidity and caustic contents of  liquor can be comparable at kraft 

mills across North America, yet not all mills experience liquor corrosion issues.[6]  Specific extractives from the 

wood chips being pulped play a role in producing corrosive black liquor.   

The change in liquor corrosivity is often attributed to the presence of organics found in the process.[7] Studies 

have shown that pulping softwood species are more corrosive to carbon steel than hardwood species due to the 

differences in extractive compounds.[5],[8],[9] Extractives like catechol act as chelates, and form a complex with 

iron that are stable in alkaline solutions inhibiting the passivation behavior of carbon steel.  Catechol derivatives, 

thujaplicins,    pyrogallol,  pinene,  and  taxifolin  have  also  been  observed  to  behave  as  corrosive  agents.[7],[8]   

Generally,  the presence of  catechol and  tannic acid  inhibits  carbon  steels ability  to  form  a passive  corrosion 

product in alkaline environments representative of weak black liquor. [10]   

Objective 

Because of  the black  liquor  complexity mentioned above,  it  is  important  to perform a  systematic  study with 

samples obtained directly from the process to ensure that the critical REA measurement considers the effect of 

specific liquor chemistries. In order for the aforementioned potential benefits of reducing REA to be meaningful, 

it  is  important  to  ensure  that  a  critical  value  for  EA  is  established.  The  critical  EA  is  herein  defined  as  the 

minimum EA that can be safely used in the digester without accelerating corrosion. 

The objective of  the work  is  to measure  the  impact of  reducing EA on  the  corrosion of  carbon  steel  in both 

hardwood and softwood  liquors. Sulphide  levels were kept relatively constant to produce conservative results. 

Page 3: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  2 of 11 

Corrosion tests were performed down to an REA of 2 (g/L as Na2O). The sulphide levels were adjusted to match 

the mill as‐received liquors. This work provides insights to mills operations on opportunities to manage process 

changes without an increase exposure to corrosion of critical process equipment. 

Experimental 

All experiments were performed  in a stainless steel autoclave  fitted with a  laboratory‐built pressure balanced 

silver‐silver  chloride  (Ag/AgCl) 3.5M  KCl  reference  electrode,  graphite  counter  electrode,  and A516  grade 70 

carbon steel cylindrical working electrode (WE). The chemical composition of the carbon steel is given in Table 1. 

The WE surface were ground to 600 grit with SiC paper prior to each test for the open circuit potential (OCP) and 

potentiodynamic (PDP) test, whereas the disc shaped coupons were ground to 120 grit with SiC paper prior to 

disc  immersion.   All  tests were  run  at  150°C  ±  2  in  an  autoclave  using  an  electric  heater. All  samples were 

cleaned off with ethyl alcohol and dried prior to immersion in the test solution.  

Table 1. Chemical composition of test coupons 

Test coupon  C (%)  Mn (%)  P(%)  S(%)  Si(%) 

A516 Grade 70  0.25  0.99  0.008  0.15  0.19 

 

Black liquor samples were obtained from three different mills from the digester extraction or wash recirculation 

line.  The three mills pulp furnishes varied from single species hardwood, single species softwood, or a blend of 

the two. Table 2 outlines the non‐coastal mill locations, pulp furnish, as received REA, sampling location within 

the  digester,  and  the  rate  of  carbon  steel  corrosion  in  laboratory  immersion  experiments  using  as  received 

liquor. The REA of the black liquor samples were adjusted as needed by the test matrix by mixing weak sulphuric 

acid or caustic to the black liquor samples received from the three mills and re‐titrating the new liquor sample.  

Generally, this report targeted a range of REA from 2 to 10 g/L for each liquor sample.  

   

Page 4: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  3 of 11 

Table 2. Black liquor samples were obtained from three mills 

 Mill A 

Hardwood Mill A 

Softwood Mill B Softwood  Mill C Hardwood  Mill C Softwood 

Pulp furnish Trembling 

Aspen, Black Poplar 

Jack Pine Hemlock, Cedar, Fir, 

Larch Spruce, Balsam, Pine 

Trembling aspen Spruce, Jack pine, and trace balsam 

fir 

Sample location 

Extraction line Upper extraction line

/ lower extraction lines 

Extraction line / 

Wash line 

Liquor  REA  as received  (g/L as Na2O) 

8.2  7.6 14.1 / 8.6 

8.1 / 

14.1 

4.5 / 2.0 

Corrosion  rate of  Carbon steel  in  as received liquor (mpy) 

4.1  27.7 6.9 / 4.6 

0.05 / 

0.02 

13.4 / 

0.74 

 

Immersion  testing was  used  to  assess  the  short  term mass  loss  of  carbon  steel  in mill  liquors  and  assist  in 

identifying  the REA  limits. The  coupons were ground  to a 120 grit  surface  finish and weighed  to  the nearest 

hundred thousandth of a gram. The coupons were then left in the autoclave for 120 hours at 150°C in 800 mL of 

black  liquor.    When  the  coupons  were  removed  from  the  cell,  they  were  acid  cleaned  using  inhibited 

hydrochloric  acid  and  reweighed  to  calculate  a  corrosion  rate  in mils  per  year  (mpy),  as  outlined  in  ASTM 

Standard Method G1.[12] 

 

Results 

Electrochemical results 

Prior to each potentio‐dynamic polarization (PDP) sweep, the carbon steel samples were held at ‐1300 mVAg/AgCl 

while the black liquor was introduced to the autoclave and heated. This was done to remove corrosion product 

that may  have  formed  as  a  result  of  being  exposed  to  air  or  from  the  alkaline  sulphide  due  to  the  delays 

introduced by the heating. Once the autoclave reached the desired temperature, the PDP scan was performed 

from  ‐1300 mVAg/AgCl  to  ‐500 mVAg/AgCl at a scan  rate of 0.167mV.s‐1.   Each experiment was performed using a 

fresh 800mL liquor sample and resurfaced working electrodes.  

Previous  work  has  been  helpful  to  identity  a  critical  potential  for  carbon  steel  in  alkaline  sulphide 

environment.[9] When carbon steel stabilizes above this critical potential, passivation of carbon steel and  low 

rates  of  corrosion would  be  anticipated.  Conversely,  high  rates  of  corrosion would  be  anticipated when  the 

potential of carbon steel falls below this critical potential. Generally, this critical potential corresponds to  ‐900 

mVAg/AgCl; however specific liquor chemistries might shift this peak and careful interpretation of each PDP curve 

is needed.[10]   

Page 5: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  4 of 11 

Mill A Softwood and Hardwood Lower Extraction Liquor 

Figure 1 and Figure 2 shows the OPC and PDP curves for the electrochemical behaviour of carbon steel exposed 

to hardwood and softwood extraction liquors from mill A.  

In Figure 1a, the OCP of carbon steel in the mill A hardwood extraction liquor was generally stable over 5 hours 

at potentials anodic  to  ‐900mVAg/AgCl  (the  formation of Fe3O4)  in all REA  tests. This  suggests  that carbon  steel 

formed a protective film for all of the tested REA. When looking at the PDP curves in Figure 1b, it is possible to 

see an increase in current density as the REA is decreased. The behaviour of the carbon steel when exposed to 

the as‐received  liquor  (REA of 8.2)  is  in good agreement with  the  typical behavior of carbon steel exposed  to 

black liquor presented in an earlier study.[10]  The current peaks observed correspond to the formation of FeS 

(location  A),  Fe3O4  (location  B),  and  the  oxidation  of  sulfur  compounds  from  within  the  corrosion  product 

(location C). However,  these peaks become  less  apparent when  the REA was modified; which  indicates  that 

other reactions may dominate the electrochemical behaviour of carbon steel.  

Conversely,  in  Figure  2a  the  OCP  of  carbon  steel  in mill  A  softwood  extraction  liquor  showed  less  stable 

behaviour than carbon steel in the hardwood extraction liquor.   With the exception of the REA 1.1 experiment 

the OCP remained at or below ~ ‐900mVAg/AgCl for the majority of the 24 hour period (not shown) where higher 

corrosion rates of corrosion would be theoretically possible.   When  looking the PDP curves  in Figure 2b, there 

was  a  general  increase  in  corrosion  current density  and  the disappearance of  the  anticipated  current peaks. 

Nevertheless,  the  corrosion  current  density  when  exposed  to  the  softwood  liquor  was  higher  than  when 

exposed to the hardwood liquors for all of the tested REA as compared to Figure 1b. 

 

Figure 1.  Mill A: OCP and PDP curves of carbon steel when exposed to hardwood extraction liquor with changing REA at 150°C 

a) b)

C

A B

Page 6: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  5 of 11 

 

Figure 2.  Mill A: Carbon steel OCP and PDP curves when exposed to softwood extraction liquor with changing REA at 150°C 

 

Mill B Upper and Lower Softwood extraction Liquor 

Figure 3 and Figure 4 shows the OCP and PDP curves for the electrochemical behaviour of carbon steel exposed 

to upper and lower softwood extraction liquors from mill B. In general, the PDP curves of carbon steel in mill B 

are shifted to higher current densities when compared with the other mill liquors tested. The OCP in Figure 3a 

readings revealed a shift towards more anodic potentials with a decrease in REA. This shift has been attributed 

to  the  formation  of  a  protective  film  free  of  sulphur  impurities,  however  the  OCP  readings  also  showed 

fluctuations (REA 2.2 experiment) that may indicate instability of the corrosion product.[11] Similar observations 

were made when carbon steel was exposed  to REA 4.4, and 8.6 after  longer OCP exposures. Figure 3b shows 

that upon decreasing the REA of the  lower extraction  liquor the PDP curve remained at high current densities 

and electrochemical noise became apparent between  ‐1000mV and  ‐800 mV. However, upon decreasing  the 

REA of these liquors further, the PDP of the lower extraction liquor better revealed the oxidation of sulphur at ‐

800mV and the anodic peaks at lower potentials were less visible. 

 

Figure 3.  Mill B: Carbon steel OCP and PDP curves when exposed to lower extraction softwood liquor 

a)  b)

a)  b) 

Page 7: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  6 of 11 

The results for the upper extraction  liquor shown  in Figure 4 are  in good agreement with the results from the 

lower extraction liquor.  Decreasing the REA generally shifted the OCP to more anodic potential (Figure 4a). The 

decrease  in  REA  generally  shifts  the  PDP  curves  to  lower  current  densities  (Figure  4b).  Similar  to  the  lower 

extraction liquor, the lowest current density was observed for the REA value of 4.6.  

The behaviour observed in the liquors from Mill B suggests the formation of a protective film in the first 5 hours 

of OCP experiments decreasing the REA. It is not clear how lowering the REA caused this effect, and more work 

is needed to elucidate the cause. 

 

Figure 4.  Mill B: Carbon steel OCP and PDP curves when immersed in upper extraction liquor at 150°C 

 

Mill C Hardwood and softwood extraction Liquor 

Figure 5 and Figure 6 shows the OCP and PDP curves for the electrochemical behaviour of carbon steel exposed 

to hardwood and softwood extraction liquors from mill C. 

The OCP  values depicted  in  Figure 5a  show  that  there  is  little  change  in  the potential of  carbon  steel when 

exposed  to hardwood  liquors, even when  the REA  is decreased over 24 hours  (only 5 hours shown). The OCP 

values are constant and anodic to ‐900mVAg/AgCl which corresponds to where the formation of Fe3O4 should form 

as a protective  film. This  is  in good agreement with  the hardwood  results  from mill A.   Figure 5b  shows  that 

decreasing the REA shifts the PDP graphs to  lower current densities, and Ecorr becomes more anodic. This  is  in 

agreement with the previous results.   

In contrast, Figure 6 shows the electrochemical performance of carbon steel when exposed to softwood liquors. 

The OCP values in Figure 6a, while initially high, drop after a few hours below ‐900mVAg/AgCl in all the tests longer 

than 8 hour.  This drop in OCP suggest that carbon steel is not able to form a protective and tenacious protective 

film when exposed to these liquors and appears to be independent of REA.  

When  looking at the PDP curves  in Figure 6b,  it  is possible to see an  increase  in current density as the REA  is 

decreased. 

a)  b) 

Page 8: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  7 of 11 

 

Figure 5.  Mill C: Carbon steel OCP and PDP curves when immersed in hardwood extraction liquor at 150°C 

 

Figure 6.  Mill C: Carbon steel OCP and PDP curves when immersed in softwood extraction liquor at 150°C 

 

Mill C Hardwood and Softwood Wash liquor 

Figure 7 and Figure 8 shows the OCP and PDP curves for the electrochemical behaviour of carbon steel exposed 

to hardwood and softwood wash liquors from mill C. The results are in agreement with the results seen on the 

Mill C extraction liquors.  The OCP values depicted in Figure 7a show that the protective film formed by carbon 

steel is stable for all tested REAs.  However, in contrast, Figure 7b shows that decreasing the REA shifts the PDP 

graphs  to  higher  current  densities,  indicating  faster  reaction  kinetics.  The  Ecorr  values  observed  in  Figure  7b 

become more anodic as REA decreases; which is in good agreement with the OCP values observed in Figure 7a.   

 

a)  b) 

a)  b) 

Page 9: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  8 of 11 

 

Figure 7.  Mill C: Carbon steel OCP and PDP curves when immersed in hardwood wash liquor at 150°C 

 

Figure 8 shows the electrochemical performance of carbon steel when exposed to softwood wash  liquors. The 

OCP values  in Figure 8a stabilized  in potentials anodic to  ‐900mVAg/AgCl after a couple of hours  in all REA tests. 

This behaviour suggest that carbon steel is able to form a protective and tenacious protective film when exposed 

to these liquors and time to stabilize may be a function of REA.  When looking at the PDP curves in Figure 8b, it is 

possible to see an increase in current density as the REA is decreased. This also suggest an increase in reaction 

kinetics which could explain the seemingly faster formation of a protective film observed in Figure 8a.  

 

Figure 8.  Mill C: Carbon steel OCP and PDP curves when immersed in softwood wash liquor at 150 °C 

   

Page 10: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  9 of 11 

Immersion tests results 

Figure 9 shows the corrosion rates for carbon steel after immersion in black liquor samples for 120 hours at 150 

°C. Generally a corrosion rate of less than 5 mpy is considered acceptable. To put this value in perspective: with 

a corrosion rate equal or lower to 5 mpy, one could expect a life of 50 years or greater for equipment with 0.25 

inch  (6.3 mm) corrosion allowance, assuming general corrosion  is the predominant damage mode. The 5 mpy 

limit is indicated in Figure 9 with a dashed red line. 

The results shown in Figure 9 suggest that there is no clear correlation between corrosion rate and REA, with the 

exception for the softwood extraction liquors for mill A and C. Similarly, for hardwood liquors, the corrosion rate 

remained relatively low for all tested liquors and different REA levels.  

 

Figure 9.  Corrosion rates for carbon steel after immersion in black liquor samples for 120 hours at 150 °C all mills A, B, and C 

   

Page 11: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  10 of 11 

Conclusions 

The work done confirmed previous experimental results and empirical data on  the relative corrosivity of pulp 

furnish. Hardwood is less corrosive than softwood under laboratory conditions.  Only Mill A hardwood extraction 

black  liquor corroded carbon steel at a rate exceeding 5 mpy. This  is attributed to the presence of extractives 

that act as chelates that disturb the protective passive film in carbon steel.  

OCP  testing revealed stable behaviour of carbon steel  in hardwood  liquors. Oscillations appeared  in softwood 

liquors  in  longer  term  studies not displayed  in  this  report.   The presence of oscillations generally  resulted  in 

moderate to high rates of corrosion.   The highest measured corrosion rate of carbon steel when OCP oscillations 

were  present was  greater  than  40 mpy; while  the  lowest  corrosion  rates  produced  from  a  liquor  known  to 

produce  oscillations was  6 mpy. As  expected,  the  hardwood  liquors  did  not  produced  potential  oscillations; 

which suggest the formation a stable corrosion product. Decreasing REA generally increased the OCP values. 

The  potentiodynamic  tests were  in  good  agreement with  the  OCP measurements,  and  the  results were  in 

agreement with the expected behaviour of carbon steel exposed to hardwood and softwood  liquor. However, 

no  strong  conclusions  can  be  drawn  on  the  effect  of  reducing  REA  on  the  corrosion  current  density  or  the 

reaction  kinetics.  More  work  is  needed  to  understand  the  effect  of  reducing  REA  on  the  electrochemical 

behaviour of carbon steel, and perhaps other electrochemical methods should be explored. 

The  immersion test results showed that there  is no correlation between corrosion rate and change  in REA. For 

hardwood liquors, the corrosion rate remained relatively low for all tested liquors and different REA levels. With 

the exception for the softwood extraction liquors for mill A and C, there was no significant change in corrosion 

rate with decreasing REA. This suggest that there  is an opportunity to carefully reduce the EA targets of black 

liquor  in a digester. This could possibly help debottleneck the chemical recovery process, and  increase pulping 

yield. Additionally, this would translate to a reduction of white liquor consumption, and conversely a reduction 

in  the amount of non‐process elements  that are  introduced with  these purchases. Reducing EA  targets  in  the 

continuous kraft digesters offers several benefits. 

It is highly recommended to approach this change with caution, and implement an online corrosion monitoring 

program  at  the mill  to measure  the  effect  of  reducing  the  REA  real  time.  Transient  conditions  are  hard  to 

replicate  in the  laboratory, and for those mills that pulp both hardwood and softwood species, there might be 

an important effect that was not considered in this study during a species transition. 

References 

[1]  J. Gullichsen and C.‐J. Fogelholm, Papermaking Science and Technology ‐ Chemical Pulping, vol. 6A. Fapet 

Oy, 1999. 

[2]  R. G.  Kelly,  P.J.  Ambrose,  R.  C. Wilson,  K.  A.  Jefferies,  and  S.  Kannan,  “Results  of  corrosion  coupon 

exposures of ferrous materials in black liquor,” TAPPI J., vol. 79, no. 11, pp. 148–154, 1996. 

[3]  A.  Wensley  and  D.  Christie,  “Corrosion  of  Evaporators,”  in  Engineering,  Pulping,  &  Environmental 

Conference, 2005. 

Page 12: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  11 of 11 

[4]  A. Wensley and P. Champagne, “Effect of sulfidity on the corrosivity of white green and black liquors,” in 

CORROSION, 1999. 

[5]  A.  Wensley,  “Corrosion  of  Batch  and  Continuous  Digesters,”  in  The  International  Symposium  on 

Corrosion in the Pulp and Paper Industry, 1998, no. 1. 

[6]  A. Wensley, “Corrosion testing in evaporator liquors,” in Corrosion, 2006, no. 06242, pp. 1–19. 

[7]  P. M. Singh and A. Anaya, “Effect of wood species on corrosion behavior of carbon steel and stainless 

steels in black liquors,” Corros. Sci., vol. 49, no. 2, pp. 497–509, 2007. 

[8]  A. F. Maclean, Harold; Gardner, “Heartwood extractives in Digester Corrosion,” Pulp Pap. Mag. Can., vol. 

11, pp. 125–130, 1953. 

[9]  G.M. Barton and A.F. Gardner, “The Chemical Nature of the Acetone Extractive of Western Red Cedar,” 

Pulp and Paper Magazine of Canada, vol. 55, no. September, p. 132, 1954. 

[10]  M. Tunnicliffe,  “The Effect of Extractives on  the Passivation of Carbon  Steel  in  Synthetic Black  Liquor 

Environments,” in CORROSION 2018, Phoenix, AZ, 2018. 

[11]  D.C.  Crowe  and  D.  Tromans,  “High‐Temperature  Polarization  Behaviour  of  Carbon  Steel  in  Alkaline 

Sulphide Solutions,” Corrosion, vol. 44, no. 3, p. 142, 1988. 

[12]  ASTM  Standard  G1  "Standard  Practice  for  Preparing,  Cleaning,  and  Evaluating  Corrosion  Test 

Specimens,” ASTM Int. 2012. 

 

 

 

 

Page 13: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

 

  1 of 11 

Page 14: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

How Does Black Liquor Corrosivity Change with Decreasing Residual Effective Alkali (REA)

TAPPI PEERS

October 27‐30

Session 29

Page 15: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Agenda

Introduction

Experimental Methods• Mill pulp Furnish and corrosion rates

• Liquor REA modification

Results• Short term electrochemical studies

• Longer term immersion studies

Discussion

Conclusion

Page 16: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Introduction

Page 17: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Introduction

The relative happiness of Engineering's and Mill Manager's is directly related to the amount of pulp they make in a year…

• Reducing liquor REA targets can influence reaction kinetics in the digester and is a tool that can be used to increase throughput.  

• Decreasing white liquor usage can help debottleneck a mill

• Less chemical will be required if you use less white liquor

…but will lowering REA corrode their digester?

Page 18: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Introduction

Suppliers, consultants, research papers, and process engineers know they have target, so why should we explore this topic?

Authors reference unknown

Page 19: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Kraft black liquor Corrosivity

Inorganic compounds in black liquor

• Previous knowledge has established that corrosion by black liquor is related to temperature, sulphidity, and REA(?).  Corrosion is thought to increases with:

Temperature Sulphidity REA

…but no studies could be found that establish a critical REA

Page 20: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Kraft black liquor corrosivity

But organic compounds also play a role!

Previous studies/experience has demonstrated that softwood liquors are generally more than hardwood black liquors, but non have studied specific REA targets

The objective of this paper is to determine if changing black liquor REA targets influences the corrosivity of black liquor

Page 21: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Experimental MethodsNot all experiments need to take a long time

Page 22: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Experimental Methods

Black liquor samples were obtained from three mills across Canada.  Two of these mills swing from hardwood to softwood, and the third is a softwood mill.

Mill A

Softwood Jack Pine

Hardwood Trembling Aspen, Black poplar

Mill B

Softwood Hemlock, Cedar, Fir, Larch Spruce, Balsam, Pine

Mill C

Softwood Spruce, Jack pine, and trace balsam fir

Hardwood Trembling aspen

Page 23: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Experimental Methods

Sample location. 

• Mill liquor samples were obtained from the Extraction screens and  wash zone

Laboratory experiments setup• All experiments were performed in an autoclave at 150°C 

• Ag/AgCl reference electrodes were used

Electrochemical Techniques

• 5 hour Open circuit potential

• Potentiodynamic experiments

• 5 day immersion experiments were used

White liquorChips

Extraction liquor

Wash liquor

Continuous Digester

Page 24: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Experimental Methods

Process liquor characterization

• REA titrations were performed using the SCAN technique

• Black liquor samples were modified by adding weak sulphuric acid to target REA 

Electrochemical experiments were perform with ASTM practices in mind 

• OCP ‐ Open Circuit Potential (5 hours)• PDP‐ Potentiodynamic polarizations (0.166 mv/S scan rate)

Page 25: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Experimental

Potential of interest for OCP experiments were established using potentiodynamic polarizations

• Previous studies by Troman’s in the 1980’s have studied these plots in alkaline sulphide environments

This Potential of Interest is a good indicator to predict carbon steel stability over longer term studies

Potential of Interest

passive layer unstable

This plot was taken from a previous study that polarized carbon steel in 5 g/L NaOH and 20 g/L Na2S at 150°C

Page 26: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Pulp FurnishInitial characterization and corrosion rates

Page 27: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Mill A 

HardwoodMill A Softwood Mill B Softwood Mill C Hardwood Mill C Softwood

Pulp furnish

Trembling 

Aspen, Black 

Poplar

Jack Pine

Hemlock, Cedar, 

Fir, Larch 

Spruce, Balsam, 

Pine

Trembling 

aspen

Spruce, Jack 

pine, and trace 

balsam fir

Sample location Extraction line

Upper extraction 

line

/

lower extraction 

lines

Extraction line

/

Wash line

Liquor REA as received 

(g/L as Na2O)8.2 7.6 14.1  /  8.6 8.1  /  14.1 4.5 /  2.0

Corrosion rate

(mpy) 4.1 27.7 6.9  /  4.6 0.05 /  0.02 13.4 / 0.74

Page 28: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Results Short term experiments

Page 29: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Mill A – Extraction liquor

• Carbon steel in hardwood liquor was generally stable, and the OCP increased with decreasing REA

• Similar trends with softwood were observed, with the exception of oscillations in OCP

Hardwood

Softwood

Page 30: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Mill B –Extraction Liquor

• Carbon steel in mill be softwood was quite low, and appear to oscillate (unstable?)

Lower extraction

Upper

In longer term studies, and online corrosion monitoring these oscillations were more regular

Page 31: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Mill C – Extraction liquor

• The OCP of carbon steel in Mill C extraction liquor was generally stable

Hardwood

Softwood

Page 32: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Mill C – Wash Liquor

• The OCP of carbon steel in hardwood was stable in both hardwood and softwood

• …however, the carbon steel in the softwood wash liquor took longer to reach a stable OCP

Hardwood

Softwood

Page 33: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Results

The OCP experiments are useful to predict the performance of carbon steel in longer term studies

• High and Stable OCP > ‐900 mV are likely to result in low rates of corrosion

• Low OCP < ‐900mV would likely result in higher rates of corrosion

• OCP Oscillation tend to produce much higher rates of corrosion

Mill A

Softwood Oscillations, and below ‐900mV

Hardwood OCP > ‐900 mV

Mill B

Softwood OCP < ‐900, and limited oscillations

Mill C

Softwood OCP > ‐900 mV

Hardwood OCP > ‐900 mV 

Page 34: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

ResultsLonger term experiments

Page 35: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Immersion ResultsA corrosion of 5 mpy (red line) represents a low rate of corrosion of carbon steel in black liquor environments

• The rate of carbon steel in hardwood liquors did not appear to be related to REA

Of the hardwood liquors tested; there was no strong correlation between the corrosion of carbon steel and REA

Page 36: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Immersion ResultsA corrosion of 5 mpy (red line) represents a low rate of corrosion of carbon steel in black liquor environments

• Mill C softwood liquor was much more corrosive than the liquor from Mill B and C

• Mill B and C softwood liquors did not show a strong correlation with decreasing REA

• Wash liquor did not appear to be corrosive

Of the liquors tested; there was no strong correlation with REA, but in most cases the corrosion rate of carbon steel was independent of REA 

Page 37: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Discussion

Page 38: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Discussion

Could oscillations be a product of laboratory experiments? Yes, but they also occurred in mill liquor in online corrosion monitoring practices at mill A and B

Softwood vs. Hardwood black liquor corrosivity Softwood black liquor was generally more corrosive than hardwood, but limited correlation could be established in this study as to why

Extraction liquor vs. Wash liquor corrosivity Extraction liquor was generally more corrosive than wash liquor

What is in softwood, and how does REA change how it reacts with carbon steel Papers have been written on this subject and it remains unclear at this time

Future work• It would be great to install a corrosion probe close to a device that measures  online REA 

measurement device• Confirm sulphidity

Page 39: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Conclusion

Page 40: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Conclusions

• This work confirmed previous experimental results relating to the relative corrosivity of pulping liquors to carbon steel when processing hardwood vs. softwood

• The OCP experiments were able to good for predicting relative corrosivity  of process liquors with knowledge of PDP experiments

• From immersion testing; • The carbon steel hardwood liquors had low rates of corrosion and were independent of REA

• Mill A had apparent good correlation with liquor corrosivity, whereas Mill B and C did not

Page 41: How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA · How Does Black Liquor Corrosivity Change with decreasing REA Matthew Tunnicliffe Research Scientist Corrosion and Thermochemical

Questions?


Recommended