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