obrati celuloze in papirja podjetja sca, švedska - ECO-HUB
Transcription
obrati celuloze in papirja podjetja sca, švedska - ECO-HUB
OBRATI CELULOZE IN PAPIRJA PODJETJA SCA, ŠVEDSKA Industrija celuloze in papirja na Švedskem – Idealna študija za čistejšo proizvodnjo Naložba v vašo prihodnost Operacijo delno financira Evropska unija Evropski sklad za regionalni razvoj Befektetés a jövőbe A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósul meg Kazalo vsebine 1. Proizvodnja celuloze in papirja 3 Celuloza in papir v regiji Baltskega morja 3 Podjetja3 Okoljske izboljšave3 2. Tehnologije procesa4 Predelava celuloze s sulfatom ali kraft Beljenje Regeneracija kemikalij Proizvodnja papirja 4 4 4 4 3. Okoljski problemi v industriji celuloze in papirja 5 4. Ukrepi čistejše proizvodnje 6 Uporaba vode5 Trdni odpadki5 Energija5 Beljenje6 Emisije6 Povečanje učinkovitosti pranja rjave celuloze 6 Ponovna uporaba vode iz uparjalnikov 7 Recikliranje materiala7 Recikliranje trdnih odpadkov8 Beljenje8 Proizvodnja papirja8 Viri9 2 1. Proizvodnja celuloze in papirja Celuloza in papir v regiji Baltskega morja Proizvodnja celuloze in papirja je pomembna industrijska panoga v regiji Baltskega morja. V svetovnem merilu Švedska, Finska in Rusija posamično proizvedejo okoli 4 % celuloze in okoli 5 % papirja. Švedska v svetovnem merilu izvozi 11 % celuloze in 12 % papirja, zaostaja le za Kanado in Finsko. Najpomembnejši trg predstavljajo države Evropske unije. Proizvodnja se je za 10-krat povečala tekom 20. stoletja. Ta razvoj je vzporedno povečalo proizvodnjo lesa (surovina), predvsem smreke, iz velikih gozdov v okolici. Nekateri največji evropski proizvajalci lesa so Švedi. Združitev švedske Stora s finsko Enso leta 1998 je ustvarilo velikana, ki je trenutno drugi največji proizvajalec papirja na svetu, specializiran za objavo in fini papir (poleg embalažnega kartona in lesenih izdelkov). Švedski proizvajalci so vodilni tudi v drugih nišah, ker država podpira njihove raziskave in biotehnologijo z visokotehnološkimi kemijskimi procesi. Uspešni so tudi pri dobavi primarnih vlaken iz naravnih, počasi rastočih gozdov. Podjetja Na tretjem mestu v Evropi, za Nemčijo in Finsko, ohranja Švedska papirna industrija močno konkurenčno prednost. Desetletno prestrukturiranje je v globalni industriji povzročilo visoko koncentriranost nekaterih akterjev in proizvodnih obratov. Na Švedskem je 6 največjih obratov celuloze, kar predstavlja skoraj 60 % nacionalne zmogljivosti in je blizu trenutni letni ravni proizvodnje 11.400.000 ton. Največji proizvajalci so Södra, Stora Enso in SCA (Svenska Cellulosa Aktiebolaget) s številnimi obrati na Švedskem in tujini. Tudi razvoj obratov se je spremenil iz majhnih tovarn v velike obrate. Koncentracija v papirnem sektorju je visoka z 12 največjimi obrati papirja (od skupaj 47), kar pomeni 65 % nacionalne zmogljivosti 11.500.000 ton. Okoljske izboljšave Sam razvoj zahteva dramatične izboljšave v okoljski in tehnični izvedbi proizvodnje celuloze in papirja. Prevladujoče težave so bile emisije vlaken, BPK in KPK ter klorirani ogljikovodiki. Na Švedskem so te vrednosti bile najbolj kritične v sredini šestdesetih let. Od takrat se nenehno prizadevajo za izboljšave, ki bi povzročile zmanjšanje vplivov na okolje in izboljšalo ekonomske uspešnosti. Raziskave so še vedno zelo aktivne in pomembne za ta sektor. Proizvodnja celuloze se približuje idealu »zaprte tovarne« ali »tovarni brez emisij«, kjer ne nastaja nič drugega kot izdelek. Med drugim pa energetska učinkovitost hitro narašča do te mere, da bo možno lignin prodajati kot biogorivo (dodaten izdelek iz tega sektorja). 3 2. Tehnologije procesa Predelava celuloze s sulfatom ali kraft Cilj tehnologije proizvodnje papirja je ločevanje celuloznih vlaken od strukture lesa, ki ju drži skupaj lignin. Prosta vlakna celuloze so glavna surovina pri proizvodnji papirja. Obdelava celuloze s sulfatom ali kraft proizvede celulozo z visoko trdnostjo in za proizvodnjo le-te se lahko uporabi široka paleta vrst lesa. Donos celuloze je manj kot 50 %, vendar se lahko kemikalije reciklirajo in ponovno uporabijo v obratu. (Glej Prakso čistejše proizvodnje za detajle) Beljenje Beljenje je potrebno za odstranjevanje barve, ki je povezana s preostalim ligninom. Beljenje kraft celuloze se večinoma uporablja za razrede tiskanja in pisanja, medtem ko pa nebeljena kraft celuloza za razrede proizvodnje embalaž. Kemikalije, ki se uporabljajo pri beljenju, se vbrizgajo v celulozo, nato se pa mešanica spere z vodo. Ta proces se večkrat ponovi in ustvari velike volumne tekočih odpadkov. Poleg tega pa iz belilnih rezervoarjev odvaja nevarna onesnaževala zraka, vključno s kloroformom, metanolom, formaldehidom in metil-etil-ketonom. Regeneracija kemikalij Procesna shema tokov procesa kraft je oblikovana tako, da regenerira kemikalije, ki se kuhajo in segrevajo. V fazi regeneracije se porabljena tekočina za kuhanje in voda za spiranje celuloze kombinirata tako, da tvorita šibko črno tekočino, katere koncentracija pri izhlapevanju naraste iz 16 % na 60 – 80 % suhe snovi v večstopenjskem uparjalnem sistemu. Močno črno tekočino nato sežgejo v kotlu za obnovo. Zgorevanje organskih raztopljenih snovi v črni tekočini proizvaja toploto za ustvarjanje pare v procesu. Nastali ogljikov dioksid pri zgorevanju reagira z delom natrija v črni tekočini v natrijev karbonat (Na2CO3), žveplo pa se pretvori v natrijev sulfat (Na2SO4). Sulfat se nato v prisotnosti ogljika z redukcijo pretvori v natrijev sulfid (Na2S) na dnu peči v stopljeni žlindri. Smelt se raztopi v vodi in tvori zeleno tekočino, ki se prenese v rezervoar, kjer se doda apno (kalcijev oksid) za obarjanje vsebnosti karbonata. Pri tem nastane kalcijev karbonat. To naredijo namesto proizvodnje natrijevega hidroksida, ki je potreben za pretvorbo črne raztopine nazaj v belo raztopino, ki bi ga vračali v sistem gnilišča. Oborino iz rezervoarja nato žgejo v apneni peči, da dobijo regenerirano apno. Proizvodnja papirja Proizvodnja papirja se začne s pripravo zalog, kjer so zmešane celuloze različne kakovosti, da bi dobili želene lastnosti (povečanje trdnosti papirja), in da bi jo pregledali in očistili. Nato dodajo različna barvila, preprečevalce penjenja, polnila in retencijska sredstva v skladu s količino dodane vode (»bela voda«) preden suspenzija celuloze vstopi v polje glave papirnega stroja. V papirnem stroju pride suspenzija celuloze v kontakt z mrežo žic, kjer voda odteče z valji, folijami in vakuumskimi škatlami (odstranjevanje vode). Nadaljnje odstranjevanje vode poteka s 4 pomočjo tlaka (do vsebnosti trdnih snovi 50 %) in sušenja (do približno 95 % suhe snovi). Primeri zaključnih operacij so dimenzioniranje, premazi, barvanje in glajenje. 3. Okoljski problemi v industriji celuloze in papirja Uporaba vode Obrati za proizvodnjo celuloze so veliki porabniki vode. Celotna zahteva po vodi se je po meritvah čistejše proizvodnje zmanjšala iz 200 – 300 m3/t celuloze leta 1970, precej pod 50 m3/t, v nekaterih obratih celo pod 10 m3/t. Njihova poraba vode lahko resno škoduje habitatom v bližini obratov (zmanjšanje porabe vode je bilo potrebno zaradi spremembe temperature vode, kar je kritičnega pomena za ribe). Stopnja obdelave odpadnih voda variira in je odvisna od politike posameznih obratov, politike podjetja in državne zakonodaje. Vendar so nekatera področja, ki jih je mogoče identificirati na način, ki je opisan v nadaljevanju. Najpogostejša organska onesnaževala v odplakah so neraztopljene trdne snovi (SS – suspended solids), npr. izgubljena celulozna vlakna, raztopljene organske komponente kot so raztopljene komponente lignina, ogljikovi hidrati, škrob in hemiceluloza (BPK/KPK). Komponente kislin so predvsem naravne kisline, smole. Zaradi uporabe elementarnega klora pri beljenju, odpadne vode vsebujejo klorirane organske produkte (AOX), ki so nastali pri reakciji elementarnega klora z lesnimi izdelki. Tok odpadne vode iz tradicionalnega obrata celuloze in papirja predstavlja 160 – 230 m3/t papirja. Trdni odpadki Pri proizvodnji papirja nastanejo velike količine trdnih odpadkov. Na začetku, tekom odstranjevanja skorje in sekanja, se pogosto sekanci ali vlakna umažejo ali pridejo v stik s peskom, ko padajo iz tekočih trakov. To naredi vlakna neuporabna za izdelavo papirja. Lubje je prav tako okuženo s peskom ali umazanijo. V procesu regeneracije pa je recikliranje papirnih vlaken omejeno preden postanejo prekratka ali prešibka za uporabo v proizvodnji visoko kvalitetnega papirja. Prekinjena, manj kvalitetna vlakna se odstranijo in postanejo del odpadnega blata. Vsa črnila, barvila, premazi, pigmenti, sponke in »stickies« (trak, plastične folije, itd.) se sperejo iz recikliranih vlaken in se pridružijo trdnim odpadkom. Energija Industrija papirja in celuloze uporablja 84 % energije goriva celotne industrije gozdnih proizvodov. So eni izmed največjih proizvajalcev emisij toplogrednih plinov (GHG). V zadnjih nekaj letih je industrija papirja in celuloze znatno zmanjšala emisije toplogrednih plinov z uvedbo projektov ohranjanja energije in s povečanjem uporabe biomase, kot vira energije. Sodoben obrat kraft celuloze je samozadostna glede energije. Edini potrošnik olja je peč, kjer pa se lahko olje zamenja z biogorivom. 5 Obrat papirja zahteva med 400 in 1000 kWh električne energije/t papirja in 4 – 8 GJ toplotne/t pri sušenju papirja. V integriranih obratih papirja in celuloze se ta energija zagotovi s kotlom, ki se uporablja za recikliranje. Beljenje Glede na uporabo kemikalij pri beljenju, lahko tokovi odpadnih voda vsebujejo komponente klora in organske snovi. Mešanica kemikalij lahko tvori številne toksične snovi (kot so dioksini, furani in klorirane organske spojine). Čeprav se ta odpadna voda spušča v obrate obdelave odpadnih voda, gredo zgoraj naštete kemikalije samo »skozi« obrat (npr. obdelava vode ne zniža dovolj koncentracijo teh onesnaževal), zato se kopičijo v rekah, jezerih in oceanih. Emisije Regulirani odpadki in emisije iz industrije papirja in celuloze vključujejo tekoče in trdne odpadke, emisije zraka in odpadno vodo. Emisije zraka iz kemijskih obratov celuloze so v prvi vrsti sestavljeni iz delcev vodikovega sulfida, žveplovih in dušikovih oksidov. Mikro onesnaževala vsebujejo kloroform, dioksine, furane in druge klorirane in hlapne organske snovi. Emisije iz obratov kraft tudi vsebujejo zmanjšane količine žveplenih plinov, kot metil merkaptan, dimetil sulfid, dimetil sulfid skupaj z vodikom. Obrati papirja proizvajajo tudi trdne odpadke, ki niso nevarne, kot je blato, ki nastane pri operacijah beljenja in razvlaknjevanja. 4. Ukrepi čistejše proizvodnje Povečanje učinkovitosti pranja rjave celuloze Po kuhanju je potrebno rjavkasto celulozo skrbno oprati. Od vse preostale tekočine kuhanja se lahko poveča poraba kemikalij v poznejših fazah. Prav tako je izredno pomembna regeneracija prekuhanih kemikalij in raztopljenih organskih snovi. Pranje rjave celuloze se vrši v številnih protitočnih fazah. Filtrat iz teh faz je črna tekočina, ki se pošlje v sistem kemijske regeneracije. Učinkovito pranje je ključnega pomena za povečanje vračanja kuhalne tekočine k regeneriranju kemikalij in za zmanjšanje prenosa te tekočine (znana tudi kot izguba pri pranju rjave celuloze) k beljenju, ker presežek prekuhane tekočine poveča porabo kemikalij za beljenje. Najpogostejša tehnologija pranja je rotacijsko vakuumsko pranje, ki deluje postopno v dveh ali štirih pralnih enotah. Ostale tehnike pranja pa lahko vključujejo difuzijske, tlačno rotacijske pralne stroje, horizontalne pasne filtre, pralne stiskalnice in razredčene/ekstrakcijske pralne stroje. 6 Slika 1: Primeri zaporedij beljenja. Kemikalije za beljenje si elementarni klor (C), natrijev hipoklorit (H), klorov dioksid (D), ozon (Z) in vodikov peroksid (P). Kovine se odstranijo z uporabo kompleksnega sredstva (Q), kot je EDTA ali DTPA [prirejeno po Miljöinfo från Skogsindustrierna, 1995] Ponovna uporaba vode iz uparjalnikov Obrat z uparjalniki je vedno eden največjih porabnikov pare. Črna tekočina iz obraza kuhanja z vsebnostjo 14 – 18 % trdnih snovi se koncentrira običajno na 65 – 75 % pred sežigom v kotlu regeneracije. Moderni obrati z uparjalniki lahko delujejo do vsebnosti okoli 80 % trdnih snovi. Za zmanjšanje primarne porabe pare, so uvedli uporabo večstopenjskega uparjanja s 5 do 7 prekati. Odvzemanje umazanega kondenzata iz prekatov je potrebno iz okoljskih razlogov, to je potrebno storiti tudi v primeru, ko se kondenzat ponovno uporabi v obratu (namesto sveže vode). Kolono, v kateri potega odvzemanje, bi bilo potrebno toplotno povezati z obratom uparjanja. Uparjanje običajno zahteva 6 – 9 t vode/ADMT (air dry metric ton). Do razlike v zahtevah toplote različnih obratov z enakim številom efektov v serijah, pride zaradi različnih vsebnosti trdnih snovi na vtoku (šibka črna tekočina). V obratu z uparjalniki se črna šibka tekočina , ki priteka iz pralnega dela procesa, maksimalno skoncentrira. Recikliranje materiala Odpadno vodo po procesu pregleda še obdelajo preden jo dajo v izpust. V zaprti zanki sobe z zaslonom, se odpadna voda iz procesa ponovno uporabi v drugih operacijah razvlaknjevanja in na koncu vstopi v sistem regeneriranja kemikalij. Centrifugalno čiščenje (znano tudi kot tekočinski ciklon, vodni ciklon) se uporablja po pregledu za ločevanje relativno gostih onesnaževalcev, kot na primer peska in umazanije od vlaken materiala. 7 Recikliranje trdnih odpadkov Zavrnitve v procesu pregleda se bodisi vrnejo v proces razvlaknjevanja ali se odstranijo kot trdni odpadki. Pregled celuloze, odstranitev preostalih prevelikih delcev kot so fragmenti lubja, preveliki sekanci in ne kuhani sekanci. Filozofija selektivnega pregleda obravnava odstranjevanje nezaželenih delcev iz celuloze. Optimalna rešitev se doseže z integriranjem pregleda v sodobne procese vlaken. Eden od načinov uporabe blata je širjenje po zemljiščih; ta metoda odstranjevanja blata je pomembno področje, ker njegove sestavine niso točno opredeljene, v različnih obratih variirajo in učinki komponent blata na zemljišča še niso popolnoma raziskana. Glavne skrbi glede tega sta možna kontaminacija tal s težkimi kovinami in organska mikro onesnaževala. Dobro zasnovani, ločeno spremljani pilotni projekti, katerih trajanje je pomembno, so potrebni preden se ta praksa razširi. Beljenje Beljenje je definirano kot kateri koli postopek, ki kemično povzroči povečanje svetlosti celuloze. Tipično so izgube celuloze pri reakciji beljenja 4 – 8 %. Pri beljenju poteče reakcija med belilnim sredstvom in komponentami lesa in hemicelulozo, pri čemer izgube lahko narastejo do 18 %. Pomembni ukrepi čistejše proizvodnje vključujejo: Izogibati se je potrebno beljenju s klorom. Pri procesu kemičnega beljenja celuloze se vršijo spremembe že od začetka 1960 let. V tem čas je skoraj vsak obrat uporabljal elementarni klor za beljenje (Cl2). Najprej so zamenjali elementarni klor v nekaterih fazah beljenja z natrijevim hipokloritom (NaClO) in klorovim dioksidom (ClO2). Okoljske skrbi so bile močna gonilna sila za razvoj novih tehnologij beljenja kot je tehnologija beljenja brez elementarnega klora (ECF) in tehnologija beljenja popolnoma brez klora (TCF). Z vidika okolja so najpomembnejše spremembe v tehnologiji beljenja bile uvedba delignifikacije s kisikom in uporaba 100 % ogljikovega dioksida v fazi pred beljenjem. Ker ogljikov dioksid deluje pretežno kot oksidant, nastane manjša količina kloriranega lignina, nizko molekularnih fenolov in kislin. Hkrati pa se je zmanjšala količina nastalih kloriranih dioksinov in dibenzofuranov, tako v produktih kot v odpadni vodi, pod mejo detekcije. Zaradi različnih mehanizmov reakcije se uporabljajo različne kemikalije za beljenje. Kislinske in bazične stopnje se uporabljajo za medsebojno dopolnjevanje. Beljenje s peroksidom je relativno počasno in zahteva dolge reakcijske čase, zato so potrebni večji volumni reaktorjev ali pa takšni, ki so skladni s količino celuloze. Povečan tlak omogoča potek reakcije pri višjih temperaturah, kar pa zmanjša reakcijski čas ali izboljša rezultat beljenja. Za preprečitev razgradnje vodikovega peroksida je potrebna odstranitev kovinskih ionov z uporabo kovinsko kompleksnih sredstev (npr. EDTA ali DTPA) ali pa s kislinskim pranjem. Do končne rešitve še niso prišli pri nobenem od teh pristopov. Preostale naloge vključujejo: Nadaljevanje raziskav o biotehnološkem beljenju in elektrokemičnem beljenju: raziskave morajo še raziskati te procese s sintezo izboljšanih mediatorjev, z izboljšanim beljenjem en- 8 cimov in optimiranjem elektrokemijskih procesov za beljenje celuloze. Ta raziskava lahko privede do novih, stroškovno učinkovitih strategij beljenja, ki so okolju prijazni. Naprave za upravljanje emisij v zrak. Zagotavljanje zadrževanja razlitja in zbirnih sistemov. Proizvodnja papirja Zaloge celuloze se segrejejo in zmešajo. Nekaj različnih kemikalij in polnil kot so aluminij, glina, škrob se dodajo tej zalogi celuloze za izboljšanje nekaterih lastnosti papirja. Nato se suspenzija celuloze enakomerno porazdeli po potujočem preglednem traku in se prenese na valje. Del vode, ki jo vsebuje suspenzija celuloze, gre skozi »screen« s pomočjo vakuumskih škatel in pritisne med valje. Plast vlaken se prenese v sistem tiskanja in ogrevanih valjev, tu poteče odstranjevanje vode do vsebnosti 50 %. Potem papir sušijo z zrakom v parno ogrevani sekciji. Po sušenju površino lista še obdelajo in proces je končan. Precejšen del finih vlaken in nekaterih polnil gre z vodo skozi »screen wire«. Zaradi barve vode, se ta odpadna voda imenuje »bela voda«. Glavni vir odpadne vode iz obratov papirja so papirnih strojev. Pomembni ukrepi čistejše proizvodnje vključujejo: Čiščenje valja papirnih strojev z namenom preprečitve ustavitve proizvodne linije. Ta ukrep je priložnost za izboljšanje gospodarjenja in za zmanjšanje lomljenja papirja. Ker pa ni potrebe po nobeni spremembi procesa, ga je mogoče enostavno izvesti. Prilagoditev rezalnika roba za zmanjšanje izgub pri obrezovanju. Ta ukrep se nanaša na nadzor procesa in lahko koristi pri zmanjševanju obremenitev okolja z zmanjšanjem izgub pri obrezovanju papirja in zmanjšanjem količin papirja, ki nastane pri obrezovanju, za ponovno obdelavo. Uporaba mehke vode kot vhodna voda iz kotla. To je prav tako možnost za boljši nadzor procesa, ki lahko zmanjša emisije v zrak, tako da se zmanjša skaliranje cevi kotla in poveča učinkovitost in kapaciteto kotla; Reciklirana voda se je uparila v procesu barvanja s kondenzacijo. Optimizacija toplotnih vplivov na uporabo vode v papirnih strojih in v območju priprave zalog. Zagotavljanje shranjevanja diska za vse papirne stroje. Ponovno razvlaknjevanje je zavrnilo papir v načinu zaprte zanke. Slika 2: Količina organskih odpadkov na odlagališčih, ki so nastali v SCA Forest Products, obrat celuloze v Östrand-u [Roine Morin, okoljki menedžer SCA Graphic Sundsvall AB]. 9 Zmanjšanje izpustov vode Dramatično zmanjšanje porabe vode v proizvodnji celuloze je povzročilo manjše izpuste v odpadne vode. To je prikazano na sliki 3A, razvoj tokov odpadne vode iz sodobnega obrata celuloze, SCA izdelki iz gozdov, obrat celuloze Östrand na Švedskem. Prav tako je vsebnost materialov, ki porabljajo kisik, večinoma vlakna, zmanjšala zaradi uporabe sit in veliko boljših tehnologij. Slika 3B prikazuje razvoj emisij KPK od leta 1980 v obratu celuloze Östrand. Zmanjšanja so bila dosežena z aplikacijo meritev čistejše proizvodnje in obdelavo odpadnih voda. Spremenjena tehnologija za beljenje je uporabljala manj klora in klorovih plinov. Kot rezultat te tehnologije se je zmanjšala količina emisij kloriranih organskih snovi. Slika 3C prikazuje emisije adsorbiranih (to so biološko problematični) organskih halogenov (večinoma klor) kot je AOX. Z okoljskega vidika gledano je to eden najpomembnejših dosežkov v papirni industriji. Slika 3: A) Tokovi odpadne vode, skupni volumen iz SCA Forest Products, obrat celuloze v Östrand-u. B) KPK v odpadni vodi. C) AOX v odpadni vodi. 10 VIR http://www.sca.com/pulp/ LITERATURA Mazgaj, M., Yaramenka, K.,Malovana, O.,Cherre, E. and Ibraimova, L. Poročilo projekta, Cleaner Production Measures for Pulp and Paper Industry. Royal Institute of Technology, Section of Industrial Ecology, Švedska, 2006. Lennart Nilsson, Per Olof Persson, Lars Rydén, Siarhei Darozhka and Audrone Zaliauskiene, Cleaner Production, Technologies and Tools for Resource Efficient Production, Book 2 in a series on Environmental Management, The Baltic University Press © 2007, Printed by Nina Tryckeri, Uppsala 2007, ISBN 91-975526-1-5 11