Раздел 6. Перспективные технологии

Раздел 6 Перспективные технологии

В разделе 6 приводится описание технологий для целлюлозно-бумажного производства, находящихся на стадии научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ, опытно-промышленного внедрения, а также зарубежных технологий, не получивших в настоящее время широкого внедрения на территории Российской Федерации.

Перечень Перспективных технологий приведен в Приложении Е.

6.1 Перспективные технологии в производстве первичных волокон

Описание перспективных технологий для российских производств сульфатной целлюлозы (ПТ-1)

ПТ-1.1. Отбелка озоном

Описание технологии

За 18 лет, минувших с появления первой промышленной установки отбелки целлюлозы, включающей в свой состав озоновую ступень (получившую позднее название легкая ЕСF отбелка), такие системы действуют не менее, чем на 22-х предприятиях на всех континентах фактически во всех ведущих в области ЦБП странах (в том числе четыре завода отбеливают хвойную целлюлозу наряду с лиственной).

Современная озоновая отбелка при высокой концентрации массы чаще всего реализуется по технологии Ze-Trac и в одноименной установке фирмы Metso Paper Inc., предложенной промышленности на стыке тысячелетий. В этих установках осуществляется заметно модифицированный процесс озонирования, если сравнивать его с тем же процессом, носившим название C-Free. При этом, наряду с рядом технических упрощений, были реализованы и вполне принципиальные изменения, связанные с быстрой сменой рН массы от сильно кислых значений (2,5-3,5), требуемых для реакции озонирования, к щелочным (10-11), необходимым для извлечения из волокна продуктов окислительной деструкции лигнина.

Совершенствование ступени озонирования при отбелке массы средней концентрации в основном свелось к модернизации и улучшению конструкции смесителей массы и кислородно-озоновой смеси, от их работы главным образом и зависит конечный результат, достигаемый на этой ступени отбелки. Один из основных производителей таких смесителей - фирма Andritz OY.

Работа над улучшением их конструкции позволила фирме повысить эффективность этих смесителей (смесители АМZ) за счет обеспечения дальнейшей минимизации размера пузырьков газа без их существенного увеличения в процессе смешения с массой, за счет оптимизации уровня турбулентности при взаимодействии сред и мягкого воздействия ротора и других внутренних компонентов конструкции смесителя на волокно. В совокупности это позволило получать еще более однородную систему, сохраняющую свои свойства в процессе озоновой отбелки, которая в основном и завершается в смесителе, а также улучшить результаты отбелки без заметного снижения прочностных свойств волокна.

По мнению автора, фирменные материалы и опыт работы предприятий последних 8-10 лет позволяют сделать вывод, что в целом результаты отбелки с озоновой ступенью при высокой концентрации массы по доминирующему сегодня способу Ze_Trac несколько лучше, чем при средней концентрации. Тем не менее, на долю отбелки озоном при средней концентрации массы также приходится вполне сопоставимая величина - 42 %. Однако озонирование при высокой концентрации массы требует несколько более высоких капиталовложений, что сказывается, соответственно, на сроке окупаемости у предприятий небольшой мощности.

Совершенствование технологии и аппаратурного оформления озоновой отбелки в совокупности с химическими исследованиями и исследованиями на предприятиях, где она была реализована, продолжавшиеся все годы с момента ее внедрения в промышленность, а также значительные успехи АСУ ТП, достигнутые на основе электроники, развивающейся беспрецедентными темпами, позволили на сегодняшний день полностью снять вопрос об адекватности прочностных свойств целлюлозы, получаемой легкой ЕСF отбелкой с озоновой ступенью, и обычной ЕСF отбелкой.

Степень проработки

Данная технология находится в РФ на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и может быть освоена как на новых, так и на действующих предприятиях ЦБП. За рубежом озоновая ступень отбелки используется уже более 20 лет.

Достигаемые экологические преимущества

Способ Ze Trac позволяет снизить расход диоксида хлора с 35 до 10 кг/т в.с. целлюлозы по активному хлору при расходе озона - 6 кг/т в.с. целлюлозы и суммарном снижении расходов на отбелку 32 %. При этом примерно на 25 % снижаются расход воды на отбелку и, соответственно, количество сточных вод; на 30-40 % - показатели ХПК и БПК; в 24 раза - показатель АОХ сточных вод и ОХ целлюлозы; на 60-65 % - цветность сточных вод.

Экономические аспекты внедрения:

- исключение применения (использования) ПАВ для ликвидации "смоляных затруднений";

- исключение ступени кисловки при отбелке целлюлозы из всех пород древесины кроме эвкалипта, где наличие Ahot (горячая кисловка при температуре 80-900 °С) считается целесообразной;

- исключение из схем легкой ECF-отбелки (с озоном) ступени хелатирования (при TCF-отбелке эта ступень является необходимой);

- применение озона в технологии ECF-отбелки позволяет обеспечить целлюлозе тот же комплекс бумагообразующих свойств, что и при использовании схем отбелки без применения озона;

- на заводах, использующих TCF-отбелку, применение озона и прочих, не содержащих хлор, отбельных химикатов делает менее сложным процесс замыкания потоков фильтратов от ступеней промывки.

Справочные материалы:

1 Метэ, А., Осташи, Ж.-К. Легкая ЕСF отбелка. Почему практика "зеленой отбелки" является реальным плюсом при производстве целлюлозы.//Целлюлоза. Бумага. Картон. - 2010. - N 8. - С. 78-84.

2 Метэ, А., Гермер, Э.И. Использование отбелки озоном - весьма эффективный путь снижения затрат при выборе наиболее экологичных вариантов отбелки целлюлозы. Междунар. научно практич. конф. "Лучшее в технологии, оборудовании и экологии при производстве целлюлозы и других волокнистых полуфабрикатов". - СПб НТО Бумдревпром - СПб ГЛТА. - СПб. - 2010. - Сборник материалов. - С. 33-37.

ПТ-1.2. Увеличение производства электроэнергии на основе продуктов биомассы и утилизация избыточного тепла

Описание технологии

В мире наблюдается тенденция увеличения использования древесной биомассы (БМ) в системах централизованного теплоснабжения. Станции централизованного теплоснабжения, сжигающие древесную щепу, создаются с целью замещения станций, работающих на мазуте или угле, соединенных с существующими теплосетями, или как новые станции и теплосети (так называемые "урбанизационные" проекты). Котлы для сжигания древесной щепы на станциях централизованного теплоснабжения проектируются для производства тепла в диапазоне мощности от 1 до 10 МВт со средним значением 3,5 МВт.

На тепловых станциях конденсационного типа зачастую не требуется дополнительного оборудования для очистки продуктов сгорания.

Котельные установки, сжигающие древесную БМ, могут использоваться для отопления отдельных зданий или группы зданий, а также функционировать на промышленных предприятиях для выработки тепла и технологического пара. Типичная котельная для сжигания древесной щепы строится вокруг твердотопливного котла. Системы котельной являются высокоавтоматизированными. Например, загрузка топлива из хранилища на решетку осуществляется посредством управляемого компьютером крана.

Все системы имеют следующие основные компоненты:

- хранилище древесной биомассы;

- транспортно-погрузочное и дозирующее оборудование для обращения с БМ;

- топка и котел;

- система очистки дымовых газов;

- система конденсации дымовых газов.

Степень проработки

Технология реализуется на ряде предприятий.

Достигаемые экологические преимущества

Уровень эмиссии загрязняющих веществ при сжигании древесной щепы на европейских станциях составляет: SО ₂ - 60 мг/МДж, NO ₂ - 90 мг/МДж, твердых частиц - 300 мг/нм ³ (после очистки в мультициклоне) и 40 мг/нм ³ - при использовании системы конденсации продуктов сгорания, СО < 0,05 об. %.

Уровень эмиссии СО и N О поддерживается в допустимых рамках за счет соответствующего контроля за процессом горения. Для достижения допустимых концентраций твердых частиц в основном используются мультициклоны, для более тщательной очистки - рукавные и электростатические фильтры.

Экономические аспекты внедрения

За последние годы стоимость ископаемых видов топлива резко возросла, что существенно сказалось на уровне использования БМ для производства тепла. Цена древесных отходов на европейском рынке зависит от его качества и в первую очередь - от влажности и зольности. Стоимость топлива определяется видом топлива в пересчете на единицу теплоты сгорания.

Капитальные затраты тепловых станций, работающих на БМ, составляют около 320 $/кВт, включая стоимость здания, котла и системы конденсации продуктов сгорания. С учетом стоимости строительства тепловой сети удельные капитальные затраты составляют порядка 530 $/кВт.

Для обслуживания тепловой станции мощностью 1,5-5,0 МВт требуется 1-2 человека, для станций мощностью более 5,0 МВт - 2-3 человека.

ПТ-1.3. Селективное некаталитическое восстановление в регенерационных котлах

Описание технологии

Процесс "Удаление NO _x" (NO _x OUT-process) - один из нескольких существующих процессов, использующих принцип селективного некаталитического восстановления (СНВ или СНКВ) для сокращения выбросов NO _x. Его сущность заключается в термическом восстановлении оксидов азота до азота с помощью аммиака в соответствии со следующими уравнениями реакций:

2NO + 2NH ₃ + 1/2 O ₂ 2N ₂ + 3H ₂O

3NO ₂ + 4NH ₃ 7/2 N ₂ + 6H ₂O

При использовании мочевины происходит следующая первичная реакция, в результате которой образуется аммиак:

(NH ₂) ₂CO + H ₂O 2NH ₃ + CO ₂

В полномасштабных испытаниях, проведённых в Швеции, в качестве восстановителя использовался водный раствор мочевины со специальными добавками. Процесс происходит в топке котла, играющей роль химического реактора, и не требует какого-либо дополнительного оборудования в нижней части котла. Реакция обычно проходит в узком температурном диапазоне в районе 1000 °С. Если температура слишком велика, образуется больше оксидов азота, если слишком низкая - образование аммиака идет по нежелательным побочным реакциям. В процессе "Удаление NO _x" температурный диапазон расширен, а специальные химические добавки подавляют образование аммиака по побочным реакциям. Аммиак, образующийся по нежелательным побочным реакциям, и расход химикатов - главные параметры для оптимизации процесса "Удаление NO _x".

Степень проработки

Шведская компания по производству сульфатной целлюлозы провела всестороннее испытание запатентованного процесса "Удаление NO _x" в одном из ее регенерационных котлов. В течение испытания котел работал с нагрузкой между 95 и 105 % от паспортной. Инжекторы, через которые подавались химикаты, были установлены на нескольких уровнях. Проект показал, что термическое восстановление оксидов азота, используемое процессом "Удаление NO _x", может быть успешно применено в содорегенерационных котлах.

Достигаемые экологические преимущества

Анализ, допускающий стехиометрию 1:1, отражает следующие результаты процесса "Удаление NO _x":

- средний уровень NO _x (без использования процесса "Удаление NO _x") - 80 мг/нм ³ (сухой газ с 3 % О ₂);

- средний уровень NO _x (с использованием процесса "Удаление NO _x") - около 55 мг/нм ³ (т.е. снижение примерно на 30 %);

- незначительное увеличение аммиака - примерно 3-4 мг/нм ³ (стехиометрия 1:1).

В зависимости от стехиометрии достижимо сокращение NO _x до 50 % (при стехиометрии 2:1), несмотря на низкий уровень концентрации оксидов азота даже без обработки (но при этом будет наблюдаться некоторое увеличение эмиссии аммиака). В процессе всесторонних испытаний способа не было установлено никаких нарушений или негативных эффектов в работе регенерационного котла и в цикле регенерации химикатов. Общие эксплуатационные затраты сравнительно низки. Требуемые изменения в регенерационном котле могут быть произведены в течение его обычной остановки для технического обслуживания.

Использование мочевины в процессах селективного некаталитического восстановления может быть причиной коррозии в результате возможного образования корродирующих побочных продуктов.

Экономические аспекты внедрения

Единовременные затраты по реализации процесса "Удаление NO _x" на регенерационном котле составляют примерно 2,2-2,8 млн. евро. Эксплуатационные затраты на обслуживание системы включают затраты на химикаты (мочевина и химические добавки), электричество, тепло, используемое для конденсации дополнительного количества пара от инжектированной воды, и труд. Среди указанных статей расходов наиболее важный фактор - цена мочевины. Трудно дать точную оценку эксплуатационных затрат ввиду различий в ценах в разных частях мира. Тем не менее, в Швеции в процессе испытаний способа затраты на мочевину составили 154 евро/т, а общие эксплуатационные затраты, рассчитанные для данного регенерационного котла, колебались в пределах между 1,0 и 1,4 евро/кг восстановленного NO _x.

ПТ-1.4. Фильтрация зеленого щелока через керамические мембраны

Описание технологии

В статье [Rohan Bandekar and all the others Crossflow filtration of green liquor for increased pulp production, improved green liquor quality, and energy savings Фильтрация зеленого щелока через керамические мембраны для увеличения производства целлюлозы, улучшения качества зеленого щелока и снижения энергозатрат/OCTOBER TAPPI JOURNAL 2020, VOL. 19 N 10 p. 527-538] показано, что с помощью микрофильтрации удаляют почти все взвешенные частицы из зеленого щелока: от 3 000 мг/л до < 6 мг/л. Эффективное удаление непроцессных веществ максимально снижает себестоимость производства целлюлозы и сокращает количества удаляемых отходов.

Запатентованная система CleanFlow - это технология, созданная для увеличения производительности цеха каустизации картонного завода. Керамические мембраны Crossflow используются для очистки части зеленого щелока, устранения узких мест существующих фильтров отстойников зеленого щелока. Качество щелока улучшается за счет снижения образования НПЭ. CleanFlow также может использоваться для очистки белого щелока, как для всего потока для улучшения качества целлюлозы, так и ее части, при подготовке окисленного белого щелока для кислородно-щелочной делигнификации после варки или в скруббере для очистки газов от отбельного цеха.

Щелок для варочных котлов производится в процессе рекаустизации. Зеленый щелок от бака-растворителя очищают для того, чтобы удалить шлам и нерастворимые вещества. Чистый зеленый щелок каустизируется с помощью извести (CaO), чтобы превратить карбонат натрия (Na ₂CO ₃) в гидроксид натрия (NaOH), в соответствии с реакциями гашения и каустизации:

Гашение: CaO (s) + H ₂O (aq) => Ca(OH) ₂(s).

Каустизация: Na ₂CO ₃ (aq) + Ca(OH) ₂ (s) <=> 2NaOH (aq) + CaCO ₃ (s).

Каустический щелок, известный как белый щелок, в основном содержит NaOH, сульфид натрия (Na ₂S), Na ₂CO ₃ и оседаемый карбонат кальция (CaCO ₃, шлам извести), который впоследствии отделяется при очистке/фильтрации. Очищенный/фильтрованный белый щелок подается в варочный котел для варки. После разделения шлам извести промывается и затем подвергается обезвоживанию на намывном фильтре. Промывная вода (слабый белый щелок) возвращается в бак-растворитель на растворение плава, в результате образуется зеленый щелок. Загустевший шлам высушивают, нагревают и обжигают в известерегенерационной печи для производства извести, которая повторно направляется в гаситель извести. Реакция обжига:

Обжиг: CaCO ₃ (s) => CaO (s) + CO ₂(g)

Непроцессные элементы

Непроцессные элементы (НПЭ) обычно попадают в процесс каустизации с древесиной, водой и используемыми химическими реагентами. Они бывают двух видов - растворимые и нерастворимые. Технологические изменения, произошедшие за последние годы, такие как улучшение промывки массы, частичное или полное использование стоков от отбелки и технологии очистки отходящих газов СРК от пыли на электрофильтрах для селективного удаления хлоридов и калия, значительно сократили потери химикатов в целлюлозном производстве. Это привело к появлению непроцессных элементов, инертных компонентов и тяжелых металлов в цикле регенерации щелоков. Появление непроцессных элементов в цикле каустизации обычно сопровождается следующими явлениями:

- Промывкой/очисткой грязного шлама;

- Потерей эффективности каустизации %;

- Плохим оседанием шлама извести;

- Увеличением пыли в печи и образованием колец;

- Увеличением расхода топлива ИРП;

- Снижением качества извести (доступности);

- Повышенной мутностью белого щелока;

- Уменьшением жизненного цикла огнеупорного кирпича в ИРП %;

- Увеличением расхода привозной извести;

- Плохими условиями варки;

- Увеличением накипи в котле;

- Увеличением расхода химикатов на отбелку;

- Снижением белизны целлюлозы;

- Увеличением накипи в цехе каустизации;

- Увеличением содержания металлов в массе, что негативно влияет на качество целлюлозы.

Степень проработки

Была установлена, смонтирована и запущена на целлюлозном заводе Ence в городе Понтеведра, Испания. Установка микрофильтрации была разработана в сотрудничестве с KTH Королевским Институтом Технологии в Стокгольме, Швеция.

Достигаемые экологические преимущества

С помощью микрофильтрации удаляют почти все взвешенные частицы из зеленого щелока: от 3 000 мг/л до < 6 мг/л и сокращают количество удаляемых отходов.

Микрофильтрация белого щелока дает возможность предприятиям оптимизировать контроль химикатов вместе с эффективным удалением частиц металлов, что ведет к почти нулевой концентрации металлов в массе и к высокому качеству как целлюлозы для бумаги, так и растворимой целлюлозы. Микрофильтрация дает дополнительную производительность фильтрационных процессов, которые могут быть использованы для нужд предприятия. Система микрофильтрации может быть эффективно применена для увеличения производительности цеха каустизации вместе с увеличением качества зеленого и белого щелока, обеспечив отделение взвешенных веществ от жидкости.

Экономические аспекты внедрения

Эффективное удаление непроцессных веществ максимально снижает себестоимость производства целлюлозы и сокращает количество удаляемых отходов.

Чистота щелока способствует более низкому расходу химикатов на восполнение потерь или низкой концентрации инертных веществ при одинаковом расходе химикатов. Снижение концентрации инертных веществ сокращает расход извести, улучшает процесс обезвоживания извести и снижает расход энергии.

ПТ-1.5. Использование побочных продуктов сульфатной варки в качестве "зеленого" топлива

Описание технологии

Некоторые побочные продукты, полученные при варке и переработке черного щелока для использования в качестве источников жидкого или твердого топлива для ИРП, нужно предварительно подготовить. Такими продуктами являются талловое масло и продукт его дистилляции, такой как талловый пек, а также метанол, скипидар и лигнин.

Талловое масло (получается из сульфатного мыла, снятого с черного щелока и разложенного серной кислотой) и скипидар имеют высокую стоимость на рынке, как сырье для химической переработки. Другой побочный продукт - метанол, который собирают, чтобы достичь стандартных требований по вредным выбросам в атмосферу, установленным для целлюлозных комбинатов. Часто для метанола требуется дополнительная переработка или очистка, чтобы его можно было использовать в качестве топлива для ИРП. Другой побочный продукт, полученный от варки/регенерации, используемый в качестве топлива для ИРП, - лигнин. Лигнин можно отделять от черного щелока и сжигать в виде порошка в специальной горелке для твердого топлива. Требуется серьезная подготовка лигнина, чтобы получить из него готовое "зеленое" топливо. К сожалению, системы сжигания лигнина являются взрывоопасными и должны проектироваться, исходя из принципа, что безопасность - главный приоритет.

Степень проработки

Используется на некоторых предприятиях в России как дополнительное топливо.

Достигаемые экологические преимущества

На предприятиях по производству сульфатной целлюлозы самым крупным потребителем минерального топлива является известерегенерационная печь (ИРП). В статье Peter W. Hart Alternative "green" lime kiln fuels: Part I - Pulping/recovery byproducts Альтернативное "зеленое" топливо для ИРП: Часть I - побочные продукты варки/регенерации/Journal Tappi, Vol 19, N 5, May 2020, p. 263-269 описана возможность использования скипидара для замены минерального топлива на 10 %, метанола, чтобы заменить 20 % минерального топлива, тогда как использование сырого таллового масла (СТМ), таллового пека (ТП) и лигнина позволит осуществить более высокую степень замещения минерального топлива, чтобы снизить углеродный след при обжиге извести.

Экономические аспекты внедрения

Замещение покупного минерального топлива на побочные продукты варки/регенерации.

ПТ-1.6. Производство экологически чистого топлива взамен ископаемого на предприятиях ЦБП

Описание технологии

В статье (Katja Kuparinen, Satu , and Esa Vakkilainen Can carbon capture be a new revenue opportunity for the pulp and paper sector? - Могут ли предприятия целлюлозно-бумажной промышленности получать доход от улавливания углерода?/Journal Tappi, Vol. 20, N 8, August 2021, p. 527-539), указано, что переход к углеродной нейтральности потребует применения углерод-отрицательных технологий. Это создает новые возможности для отрасли в ближайшем будущем. Целлюлозно-бумажная промышленность уже перерабатывает огромное количество биомассы и производит большое количество биогенного диоксида углерода. Отрасль хорошо подготовлена к использованию биоэнергетики с улавливанием и хранением углерода, которая считается одной из ключевых технологий с отрицательным выбросом углерода. Если улавливаемый углекислый газ можно будет использовать для производства экологически чистого топлива взамен ископаемого, то это создаст огромный дополнительный рынок, на передней линии которого находятся целлюлозно-бумажные комбинаты.

Экологически чистое производство водорода

Электролизеры для разложения воды разлагают воду на водород и кислород при помощи электричества. Если источник электроэнергии возобновляемый, то производится зеленый водород. Щелочной электролиз является наиболее зрелой технологией электролиза [3] и в этом исследовании он выбран в качестве эталонного метода.

Производство экологически чистого транспортного топлива

Наиболее широко предлагаемое использование уловленного биогенного CO ₂ заключается в производстве синтетических углеводородов с использованием зеленого водорода. Затем можно производить электротопливо (класс углеродно-нейтрального топлива), если электроэнергия является возобновляемой, а источник CO ₂ из биомассы. Синтез метанола (MeOH) был выбран здесь в качестве эталонной технологии зеленого топлива, потому что это более зрелая технология, чем многие другие процессы синтеза на основе диоксида углерода. Метанол также имеет большие рынки сбыта, поскольку помимо использования в качестве топлива, он широко используется в химической промышленности для получения многих других продуктов, таких как формальдегид, метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и уксусная кислота. Преобладающим методом производства метанола является каталитическая конверсия синтез-газа, полученного в основном из природного газа.

Метанол может быть получен непосредственно из CO ₂ с помощью процесса гидрирования [4]. Реакция является экзотермической и может обеспечить около трети тепла, необходимого для процесса улавливания углерода. Исходя из уровня теплоты сгорания водорода и метанола, эффективность синтеза составляет 83 % [5]. Если КПД для щелочного электролиза на основе теплоты сгорания водорода составляет 67 %, то общий КПД от воды до получения метанола составляет 56 %.

Степень проработки

Данная технология в России не применяется, на зарубежных предприятиях находится в опытно-промышленной проработке.

Достигаемые экологические преимущества

Целлюлозная промышленность может внести значительный вклад в сокращение выбросов CO ₂ как в качестве крупного потребителя, в частности, биоэнергии, так и в связи со значительными выбросами CO ₂ из ископаемых источников и биотоплива. Это приводит к вопросу о выборе методов снижения этих выбросов. Этот вопрос должен быть интересен как промышленным операторам, так и политикам.

Экономические аспекты внедрения

Цель расчетов затрат состоит в оценке возможных вариантов возмещения затрат на улавливание углерода и производство экологически чистого топлива. Техническая оценка улавливания углерода, электролиза и метанирования основана на описаниях процессов, представленных в соответствующих предыдущих разделах. Было изучено влияние следующих факторов на себестоимость продукции с применением биоэнергетики, улавливания СО ₂/биоэнергетики и использования углерода:

- цена системы торговли квотами на выбросы;

- кредит на отрицательные выбросы;

- стоимость электроэнергии для электролиза;

- экономические показатели комбината (хорошие/средние/низкие);

- скорость улавливания углерода.

Справочные материалы:

1 Lehtonen, J., Alakurtti, S., Arasto, A., et al., "The carbon reuse economy - Transforming СО ₂ from a pollutant into a resource", VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland, 2019.

2 European Commission, "In-depth analysis in support of the COM(2018) 773: A Clean Planet for all - A European long-term strategic vision for a prosperous, modern, competitive and climate neutral economy," European Commission, Brussels, 2018.

3 Lehner, M., Tichler, R., Steinmuller, H., et al., Power-to-Gas: Technology and Business Models, Springer, Heidelberg, 2014.

https://doi.org/10.1007/978-3-319-03995-4

4 Van-Dal, E.S. and Bouallou, C.J. Cleaner Prod. 57: 38 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.06.008.

5. Hurskainen, M. "Economic feasibility of CO2 utilization - Case pulp mill", Final Seminar of the BIOCO_2 project, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo, Finland, 2018.

Описание перспективных технологий для российских производств сульфитной и нейтрально-сульфитной целлюлозы (ПТ-2)

ПТ-2.1. Отбелка озоном (см. ПТ-1.1)

ПТ-2.2. Технология бесхлорной отбелки - TCF

Описание технологии

TCF-отбелка представляет собой отбелку целлюлозы без использования химикатов, содержащих соединения хлора. Этот процесс довольно быстро развивается, хотя его использование требует, как правило, более существенных изменений в технологическом процессе. При TCF-отбелке обычно используется пероксид водорода, озон (Z) или перуксусная кислота (PA). В том случае, если целлюлоза имеет достаточно низкое число Каппа после продленной варки и кислородно-щелочной делигнификации, и если переходные металлы (например, Mn ²⁺) удаляются на необходимой хелатной ступени (Q-ступени), то в принципе существует возможность добиться достаточно высокой белизны целлюлозы, соответствующей требованиям рынка, с использованием пероксида водорода в качестве единственного отбеливающего химиката. Расход Н ₂О ₂ при этом, как правило, довольно высок. Одним из возможных вариантов снижения расхода Н ₂О ₂ является введение озонирования до ступени обработки пероксидом (ZQP или ЗХП). Недостатком применения озона является то, что при значительных его количествах, недостаточном перемешивании газа с массой или при несоответствующем аппаратурном оформлении и режиме он имеет склонность деструктирующе воздействовать на целлюлозные волокна.

Использование в качестве отбеливающего химиката перуксусной кислоты на ступени, предшествующей отбелке пероксидом водорода, позволяет с успехом замещать озон. Высокой белизны можно достичь даже в том случае, когда число Каппа небеленой целлюлозы не является предельно низким. Недостаток применения перуксусной кислоты заключается в ее достаточно высокой стоимости.

Примеры различных схем TCF-отбелки представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Схемы TCF-отбелки

TCF-отбелка хвойной целлюлозы	TCF-отбелка лиственной целлюлозы
Q(EP)(EP)(EP)	QPZP
Q(OP)(ZQ)(PO)	Q(OP)(ZQ)(PO)
Q(EOP)Q(PO)	Q(EOP)Q(PO)
Q(OP)ZQ(PO)	Q(OP)ZQ(PO)
Примечание: Q - слабокислая ступень, в которой для удаления металлов используются хелатирующие реагенты ЭДТК и ДТПК; EP - ступень щелочной экстракции, на которой используется гидроксид натрия (NaOH) с добавлением раствора Н 2О 2 для усиления процесса за счет окисления; ЕОР - щелочная экстракция с добавлением кислорода и Н 2О 2 для усиления процесса за счет окисления; ЕО - ступень экстракции, в которой используется гидроксид натрия и газообразный кислород в качестве; Р - обработка Н 2О 2 в щелочной среде; Z - озоновая ступень, где используется газообразный озон (О 3) в составе смеси О 2 - О 3; РО - отбелка Н 2О 2 под давлением кислорода.

В настоящее время TCF-отбелка является хорошо освоенной технологией. Многие заводы в Европе имеют гибкие схемы отбелки, позволяющие производить или TCF-, или ЕСF-отбелку. Некоторые заводы производят только ЕСF-целлюлозу, т.к. при TCF-отбелке труднее достичь высокой белизны. Доля TCF-целлюлозы в мире в последние годы не превышает 5-7 % от всей беленой целлюлозы, хотя в Скандинавии ее доля составляет около 25 %.

Степень проработки

Данная технология находится в РФ на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и может быть освоена как на новых, так и на действующих предприятиях ЦБП.

При переходе от ECF- на TCF-отбелку необходимы: хелатная ступень, новая кислородная ступень и дополнительное промывное оборудование. В случае, когда применяется ступень обработки пероксидом водорода или озоном, необходимы две новые отбельные башни, а также модернизация промывных фильтров, отбельного цеха. При отбелке озоном необходимо наличие генераторов озона и реактора для отбелки массы озоном. Для отбелки перуксусной кислотой также необходима одна отбельная башня.

Достигаемые экологические преимущества

При TCF-отбелке не происходит образование АОХ, диоксинов, хлорфенолов; полное исключение АОХ в сточных водах отбельного цеха.

Экономические аспекты внедрения

Капиталовложения на реализацию отбелки Н ₂О ₂ на новых заводах с производственной мощностью в 1 500 т в.с.ц./сут. составляют 7-8 млн евро; на действующих заводах - 2-5 млн евро, в зависимости от материала, из которого изготовлено существующее отбельное оборудование. Если материал устойчив к Н ₂О ₂, то расходы будут составлять 2-3 млн евро. Эксплуатационные расходы при отбелке пероксидом водорода значительно выше, чем при ECF-отбелке, из-за более высоких расходов, преимущественно на Н ₂О ₂, и составляют 1,8-2,1 млн евро/год.

ПТ-2.3. Удаление хелатирующих реагентов путем биологической очистки при невысокой щелочности или с использованием "промышленных почек"

Повышенные концентрации хелатирующих агентов (Q) обнаруживаются в сточных водах от производства TCF и ECF-целлюлозы, если в схеме есть пероксидные ступени и, следовательно, предшествующая им Q-ступень. При анализе сточных вод завода, использующего для отбелки целлюлозы TCF-технологии, в них было обнаружено 25-40 % Q от их общей загрузки. Это соответствует содержанию в сточных водах 10-15 мг Q/л при загрузке 2 кг Q/т целлюлозы.

Для снижения потребления и сброса Q, применяемых до ступени отбелки пероксидом водорода, используют так называемые "промышленные почки". На шведском заводе фирмы MoDo в г. Думшье была введена в эксплуатацию технология Kemira NetFloc для утилизации ЭДТК из стоков от Q-ступени. На этом предприятии, применяющем TCF-технологию отбелки, потребление ЭДТК было снижено на 65 %. Система Kemira NetFloc проявила себя как очень эффективное средство для удаления из фильтратов целлюлозно-бумажного производства таких проблемных веществ, как экстрактивные вещества и тяжелые металлы.

При реализации этой технологии повышают рН фильтратов и добавляют углекислую соль для осаждения. Металлы, связанные с ЭДТК (или ДТПК), при этом освобождаются из состава комплекса и осаждаются. Для флокуляции в отобранный фильтрат добавляют полиэтиленоксид (ПЭО) с высоким молекулярным весом, водный раствор которого производят на установке для приготовления полимера и вводят в трубу для фильтрата. Реакция флокуляции между оксидом полиэтилена и экстрактивными веществами завершается до того, как фильтрат покидает трубу. В последнее время было обнаружено, что хлопья ПЭО-смолы собирают любые нерастворенные соединения в фильтрате. Это означает, что осажденные соли металлов (например, гидроксиды, сульфаты) и другие нерастворимые вещества переходят в смоляной шлам. Окончательная операция заключается в отделении смоляного шлама от фильтрата, например, во флотационной установке. Очищенный фильтрат с регенерированным Q повторно используется в технологическом процессе; смоляной шлам либо подается на фильтр для отделения и промывки шлама зеленого щелока, либо сжигается, например, в корьевом котле сразу или после обезвоживания в прессе.

Снижение количества металлов, поступающих на отбельную установку, позволяет уменьшить расход хелатирующих реагентов перед ступенью отбелки пероксидом водорода. Кроме того, регенерация Q сама по себе снижает расход этих реагентов. Ожидаемая степень удаления из системы кальция, марганца и железа, а также экстрактивных веществ, составляет свыше 80 %. Данная система позволяет также регенерировать до 75 % Q и сократить расход свежей воды на отбелку до 5-8 м ³/т в.с. целлюлозы.

Степень проработки

Технология Kemira NetFloc для регенерации ЭДТК в сточных водах отбельной установки уже используется на предприятиях некоторых стран.

Способность к очистке сточных вод от отбельной установки, содержащих ЭДТК, на очистных сооружениях с использованием активного ила в умеренных щелочных условиях была подтверждена как лабораторными исследованиями [C.G. van Ginkel, 1997 a+b], так и на заводской установке биологической очистки сточных вод.

Достигаемые экологические преимущества

На заводской установке по биологической очистке сточных вод при невысокой щелочности (рН = 8-9) было получено среднее снижение количества ЭДТК в сточных водах на 50 % (примерно 10 % при рН = 7). Результаты также указывают на то, что увеличение рН до 8-9 оксидом кальция (дозировка примерно 90 мг CaO/л) не мешает нормальной работе биологической очистки активным илом. Концентрации ЭДТК в образцах с ускоренной биодеградацией остались относительно постоянным (2-4 мг/л). Биодеградация ЭДТК увеличивает выход азота. Следовательно, увеличенная деградация ЭДТК в установках активного ила выгодна не только по природоохранным причинам, но также и как способ повышения уровня питательного азота, который обычно недостаточен в сточных водах ЦБК.

Экономические аспекты внедрения

Дополнительные расходы на биодеградацию ЭДТК в установках активного ила при щелочных условиях главным образом определяются потреблением CaO.

Данных по экономическим показателям применения системы Kemira NetFloc не представлено.

ПТ-2.4. Увеличение производства электроэнергии на основе продуктов биомассы и утилизация избыточного тепла (см. ПТ-1.2)

ПТ-2.5. Делигнификация перекисью водорода в присутствии катализатора в кислой среде

Описание технологии

Метод позволяет проводить глубокую делигнификацию после промывки как сульфатной, так и сульфитной небелёной целлюлозы. Содержание остаточного лигнина после кислой перекисной обработки сравнимо с содержанием лигнина после ступени хлорирования или первой ступени двуокиси хлора.

Степень проработки

Стадия опытно-промышленных испытаний.

Достигаемые экологические преимущества

Фильтрат от промывки целлюлозы после кислой перекисной делигнификации может направляться в противоточную промывку небелёной целлюлозы, что позволяет значительно снизить расход химикатов на отбелку, образование АОХ в отбелке, содержание органических соединений в сточных водах отбельного цеха. Гидравлическая нагрузка на выпарную станцию не увеличивается, что ведет к снижению удельного расхода тепла на единицу продукции.

Экономические аспекты внедрения

Экономия химических реагентов на отбелку.

Описание перспективных технологий для российских производств механической (древесной) массы (ПТ-3)

ПТ-3.1. Отбелка механической массы пероксидом водорода

Описание технологии

Процесс отбелки механической массы в принципе отличается от процесса отбелки химической целлюлозы, так как в его основе лежит принцип сохранения лигнина, а не его удаление, как при варке или отбелке целлюлозы. Отбелка древесной массы реализуется путем перевода хромофорных групп лигнина в бесцветную форму. Таким образом, при повышении белизны снижение выхода волокна минимально. Процесс отбелки с сохранением лигнина происходит в 1-2 этапа, в зависимости от того, какая степень белизны должна быть достигнута. Процессы отбелки механической массы различаются в зависимости от вида используемого реагента.

Снижение выхода продукции при отбелке пероксидом составляет приблизительно 2 %. Это происходит в основном из-за щелочной среды, сохраняемой в процессе отбелки и приводящей к возрастанию количества растворимого органического вещества древесины, что приводит к увеличению нагрузки на очистные сооружения.

Степень проработки

Технология внедрена на ряде предприятий.

Достигаемые экологические преимущества

Использование ступени промывки небеленой массы перед ее отбелкой является эффективным методом снижения в ней содержания металлов и, таким образом, позволяет снизить расход дорогостоящих хелатов. Современный процесс отбелки пероксидом проходит при концентрации массы 25-35 %.

Экономические аспекты внедрения

Отбелка пероксидом влияет на свойства массы - кроме большей белизны, повышается прочность целлюлозы, при этом содержание экстрагируемых веществ снижается и водный баланс улучшается. Если использовать максимально допустимое с экономической точки зрения количество пероксида, то можно повысить белизну на 20 единиц - до 78-84 % ISO. При наличии в системе ионов тяжелых металлов в результате отбелки получают механическую массу с меньшей белизной, при этом требуется более высокий расход пероксида вследствие его частичного разложения. Поэтому до отбелки добавляют хелаты (например, ЭДТК, ДТПК), чтобы образовать стабильные комплексы с тяжелыми металлами (Fe, Mn, Cu, Cr). Это позволяет избежать снижения белизны массы и деструкции пероксида. ЭДТК и ДТПК содержат азот, который в их составе появляется в сточной воде.

ПТ-3.2. Процесс Thermopulp

Описание технологии

В этом процессе на первой ступени размола имеют место относительно низкие температура (120° - 125 °С) и величина УРЭ 500-600 /т. Давление и температура повышаются перед второй ступенью размола, которые достигают очень высоких значений - до 700 кПа и 170 °С. По имеющимся данным использование процесса позволяет экономить 10-20 % энергии. При данной технологии уменьшение расхода энергии может сопровождаться незначительным снижением сопротивления раздиранию (примерно на 5-6 %) и белизны (60 % ИСО вместо 62 %).

Основными особенностями технологии RTS по сравнению с традиционной технологией является сокращенная продолжительность гидротермической обработки щепы, но при более высокой температуре, превышающей температуру стеклования лигнина, а также в 1,7-2 раза более высокая скорость вращения дисков рафинера на первой ступени размола.

Особенностями технологии Thermopulp являются относительно низкая температура щепы и малоинтенсивный размол на первой ступени при высоких значениях давления и температуры на второй ступени размола.

Технология APMP (ЩПММ) производства беленой ХТММ с использованием пероксидной отбелки в щелочной среде и ее модификация - технология РRC-APMP - отличаются наличием одной-трех ступеней интенсивной пропитки щепы щелочным раствором пероксида водорода путем предварительного вытеснения из нее воздуха и воды посредством интенсивного механического сжатия в специальных аппаратах импресфайнерах. Размол в две ступени ведется при атмосферном давлении с промывкой массы между ступенями размола. Отбелка осуществляется по мере движения массы по технологическому потоку при отсутствии отбельных башен. В способе PRC-APMP часть отбельных химикатов вводится в рафинер первой ступени, вследствие чего повышается эффективность использования энергии и химикатов. Кроме того, после рафинера первой ступени установлен бассейн массы высокой концентрации для более полного завершения процесса отбелки.

Основные и побочные технологические эффекты

Если основным эффектом при реализации способов RTS и Thermopulp является значительное снижение расхода энергии на размол, то в качестве побочных эффектов можно указать повышение прочностных характеристик массы (на 6-11 %), снижение количества отходов и особенно грубых волокон и костры, уменьшение количества экстрактивных веществ. В способе ЩПММ основные эффекты - возможность обойтись без башен отбелки и низкий расход энергии на собственно размол. Побочные положительные эффекты - более высокая белимость волокна, гибкость процесса за счет варьирования расходом каустика и пероксида. Однако имеются и отрицательные побочные эффекты - повышенный расход химикатов на отбелку, возможность появления отложений на рабочих поверхностях рафинеров в результате использования силиката натрия, повышенный расход энергии в импресфайнерах и их ускоренный износ.

Степень проработки

Технология внедрена на европейских предприятиях.

Экологические аспекты

Несколько более высокий выход, снижение количества отходов приводят к меньшим потерям волокна со сточными водами, а также к снижению их ХПК. При технологии ЩПММ выход повышается также за счет большего сохранения лигнина, что также снижает ХПК сточных вод. Использование только окислительной отбелки пероксидом исключает наличие в сточных водах соединений серы.

Снижение расхода электроэнергии опосредствованно приводит к сжиганию меньшего количества топлива при получении электричества и тем самым к снижению эмиссий в атмосферу углекислого газа, NO _x, а также золы в виде твердых отходов.

Экологические аспекты

Снижение расхода электроэнергии на размол на 15-25 %, снижение капитальных и эксплуатационных затрат (в способе ЩПММ на 25 % ниже, главным образом за счет отсутствия отбельных башен), повышение конкурентоспособности продукции на рынке вследствие улучшения ее показателей.

Мотивация для внедрения технологий

Основной мотивацией для внедрения этих технологий является снижение расхода энергии, снижение капитальных и эксплуатационных затрат, улучшение качества массы, повышение выхода, улучшение экологических показателей сточных вод.

ПТ-3.3. Внедрение технологии получения ТММ-ХТММ из хвойной щепы по методу RTS (см. 4.3.3)

ПТ-3.4. Внедрение технологии получения ХТММ из лиственной щепы по щелочно-перекисному способу (см. 4.3.4)

ПТ-3.5. Внедрение технологии получения ТММ из хвойной древесины по методу по щелочно-перекисному методу (см. 4.3.4)

ПТ-3.6. Удаление хелатирующих реагентов путем биологической очистки при невысокой щелочности или с использованием "промышленных почек" (см. ПТ-2.3)

ПТ-3.7. Биосорбция на избыточном активном иле

Описание технологии

Метод разработан компанией KWI.

Избыточный активный ил сооружений биологической очистки сточных вод обладает хорошей сорбционной способностью по отношению к трудноокисляемым высокомолекулярным органическим соединениям. Метод хорошо работает как локальная очистка сточных вод ДПЦ, ступени щелочения после первой ступени отбелки, концентрированных сточных вод ХТММ. Наилучшим применением метода является сочетание биосорбции с флотацией. В этом случае коагуляция и флотация может проводиться без использования химикатов (коагулянтов и флокулянтов).

Степень проработки

Опытно-промышленные испытания.

Достигаемые экологические преимущества

Эффективность по снижению ХПК достигает 50 %. При этом наиболее высокий эффект наблюдается по отношению к трудноокисляемой биологическими методами органике. Абсорбированная на иле органика после совместной флотации, за счёт образования капилляров из мелких пузырьков воздуха, обезвоживается легче, чем после отстаивания.

Значительное снижение поступления органических соединений в систему биологической очистки, что значительно повышает общую эффективность очистных сооружений по снижению БПК и ХПК.

Экономические аспекты внедрения

Снижение нагрузки на биологическую очистку позволяет повышать производительность основного производства без реконструкции сооружений биологической очистки. Применение технологии в качестве локальной очистки высококонцентрированных сточных вод позволяет значительно повысить степень водооборота за счет использования очищенной сточной воды вместо свежей.

6.2 Перспективные технологии в производстве макулатурной массы

ПТ-4.1. Сухой размол макулатурного сырья

Описание технологии

Сухой размол - альтернативный способ роспуска макулатуры с применением различного оборудования, шаровые или молотковые мельницы аэродинамический диспергатор и т.п. Сухой способ получения волокон актуален для переработки в первую очередь марок макулатуры, содержащих Tetra Pak и др. влагопрочные виды бумаги и картона. Наиболее эффективны схемы с аэродинамическим диспергатором, в котором одновременно проходят процессы сушки, измельчения, инерционной сепарации материалов до заданной влажности и гранулометрического состава. Принцип действия основан на ударном воздействии ротора на материалы при интенсивном массовоздухообмене, обеспечивающем сушку. Вращающийся ротор с радиальными лопатками создает в аппарате вихревое движение воздуха. Отбор готового продукта осуществляется из центра аппарата под действием вакуума, подключаемого к каналу отбора измельченной массы. Происходит наложение радиального и вихревого движений воздуха. При определенном соотношении скоростей вращения ротора и продува воздухом осуществляется сепарация готового продукта, при этом крупные и влажные частицы не будут выноситься из аппарата, т.к. обладают большей инерцией, чем мелкие и сухие. Скорость движения частиц отличается от скорости движения ротора, что обеспечивает энергию, необходимую для измельчения материала. Дополнительно осуществляется сушка материала, которая обеспечивается интенсивным массовоздухообменом. Применение аэродинамического диспергатора позволяет в большей степени сохранить длину и свойства волокна. Сухой размол в шаровых и молотковых мельницах имеет ряд недостатков: волокна сильнее измельчаются с потерей бумагообразующих свойств, нет разделения по фракциям, измельчается и бумага, и полимерные пленки и металлическая фольга. Требуется дополнительная очистка от полимерной пленки и металла.

Степень проработки

Данная технология находится в РФ на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и может быть освоена как на новых, так и на действующих предприятиях ЦБП. В настоящее время сухой размол в аэродинамических сушилках - диспергаторах применяется для роспуска макулатуры на предприятиях России и за рубежом для получения теплоизоляционных материалов (эковата) и сорбента нефтепродуктов. Есть положительные примеры апробации сухого размола на предприятия ЦБП в России с добавкой волокна, полученного сухим роспуском, в композицию бумаги и картона. Нет примеров практической реализации и внедрения сухого размола влагопрочной макулатуры на предприятиях переработчиках макулатуры, производящих бумагу, картон или формованные изделия.

Экологические аспекты

Процесс привлекателен с точки зрения резкого снижения водопотребления и как правило уменьшения объемом образующихся стоков. Сухой размол позволит увеличить объемы рециклинга трудно перерабатываемой макулатуры, как следствие снизить объемы отправляемой на свалку трудно перерабатываемой макулатуры.

Экономические аспекты внедрения

Сухой способ получения волокон обладает рядом преимуществ, а именно снижением расхода воды, энергии, необходимой на транспортировку и очистку массы и отходов, сокращением количества и объемом емкостного и другого оборудования для переработки макулатуры, как следствие меньшими металлоемкостью и капитальными затратами. Сухой размол можно рассматривать как наилучшую альтернативу классическому процессу гидродинамического роспуска макулатурного сырья, содержащего Tetra Pak и влагопрочные виды бумаги и картона. Рекомендуется к применению производителям формованных изделий, бумаги или картона из макулатуры.

ПТ-4.2. Термодиспергирование макулатурного сырья в производстве картона

Описание технологии

В настоящее время термодиспергирование широко распространено в схемах переработки белых марок макулатуры и не применяется у производителей макулатурного картона. Распространение технологии полноцветной печати на коричневых видах бумаги и картона приводит к увеличению загрязнений макулатурного сырья. Повышение конкуренции среди производителей и рост требований к качеству макулатурных картонов свидетельствует о возможности применения термодиспергирования в схемах подготовки макулатурного сырья в производстве коричневых видов картона и бумаги из макулатуры. Технология широко известна и описана в п. 2.6.6. Термодисперсионная обработка (ТДО) массы базируется на общем свойстве загрязнений (битум, воски, парафины, латекс, смолы и печатные краски) пластифицироваться (плавиться) и диспергироваться (измельчаться) в условиях повышенных температур и проводится как для повышения степени разволокнения, так и для равномерного диспергирования загрязнений в массе до размеров, которые не окажут отрицательного влияния на внешний вид бумаги и картона.

Степень проработки

В России не применяется на предприятиях, производящих коричневые тароупаковочные виды бумаги и картона, и может быть освоена как на новых, так и на действующих предприятиях ЦБП.

Экологические аспекты

Процесс не сопровождается образованием дополнительного количества отходов, т.к. загрязнения измельчаются и выводятся с готовой продукцией. Не происходит ухудшения качества сточных вод, нет дополнительной нагрузки на очистные сооружения.

Экономические аспекты внедрения

Внедрение в схему подготовки макулатурного сырья термодисперсионной обработки позволит улучшить внешний вид продукции.

ПТ-4.3. Комплексные линии очистки сточных вод для замыкания системы водооборота

Описание технологии

Предлагаемое техническое решение базируется на применении уникального реактора reVODA.

reVODA представляет из себя реактор замкнутого электромагнитного поля, работающего на принципе магнитно-кавитационной обработки стоков. Внутри реактора reVODA находятся игольчатые элементы, выступающие в качестве кавитаторов. За счет схлопывания воздушных пузырьков на границе разделения газ-жидкость обрабатываемых стоков образуется ударная волна (кавитационный эффект), которая способствует механическому разрушению органики и механическому уничтожению патогенной микрофлоры в обрабатываемых стоках. Реактор reVODA не имеет аналогов в мире.

Степень проработки

Технология внедрена весной 2021 года на одном из предприятий РФ по переработке макулатуры, и очищенная вода в качестве оборотной воды возвращается на производство.

Экологические аспекты

Полностью уничтожаются запахи, патогенная микрофлора, нейтрализуются тяжелые металлы. Устраняются хлорные соединения, кислоты, соли и нефтепродукты.

Линии очистки не чувствительны к залповым сбросам и простоям.

Экономические аспекты внедрения

Имеет высокую производительность при малых размерах. Имеет низкие эксплуатационные затраты.

6.3 Перспективные технологии в производстве бумаги и картона

Описание перспективных технологий для производства бумаги и картона (ПТ-5)

ПТ-5.1. Снижение расхода воды и удельных сбросов при организации максимально возможного замкнутого цикла использования оборотной воды

Описание технологии

В статье Martin Fairbank Close the loop to reduce cost - Замкнутый водооборот снижает затраты/Pulp & Paper CANADA, 2018, Vol. 119, N 4. - p. 12 на основе аналитических данных PaperWeek Canada показано, что с целью сокращения расхода свежей воды и снижения сбрасываемых сточных вод удаляемую из бумажной массы в процессе формования полотна на БДМ или КДМ воду используют как оборотную на стадии роспуска волокнистых полуфабрикатов при разбавлении бумажной массы перед сортированием и очисткой, регулировании концентрации бумажной массы.

В зависимости от места образования и содержания взвешенных и растворенных веществ оборотную воду разделяют на три потока (цикла).

Первый поток образует регистровая вода из зоны формования бумажного полотна сеточной части, обогащенная волокном, наполнителями. Эта вода без осветления направляется на разбавление в массоподготовительный отдел и в поток бумаго/картоноделательной машины.

Вода второго потока (из отсасывающих ящиков, гауч-вала, прессовой части, промывки сеток) содержит в два-три раза меньше взвешенных частиц, чем регистровая вода. Эта вода отправляется на локальную внутрицеховую очистку, после чего осветленную воду используют в технологическом процессе вместо свежей воды. Уловленное волокно от локальной очистки возвращается в поток.

Вода третьего потока содержит избыточную оборотную воду из вторичного цикла (от очистителей, сортировок и др.). Из-за высокой степени загрязненности ее, как сточную воду, направляют на химико-механическую и/или биологическую очистку на очистные сооружения предприятия.

Преимуществами использования такой технологии являются снижение потерь сырья и энергии, снижение объема сточных вод и потребления свежей воды.

Описанные технологии внедрены на многих европейских, североамериканских предприятиях по производству бумаги.

Степень проработки

Мероприятия по снижению потребления воды могут выполняться как на действующих, так и на вновь создаваемых предприятиях. Однако, разделение водных систем производств целлюлозы и бумаги на интегрированных предприятиях, или высокая степень замыкания водной системы - мероприятия более дорогостоящие для старых предприятий, так как для создания замкнутой системы водопользования, весьма вероятно, потребуется реконструкция системы трубопроводов и серьезная модернизация мокрой части БДМ.

Достигаемые экологические преимущества

В зависимости от начального технического состояния предприятия достижимые уровни потребления свежей воды для разных видов бумаги составляют:

- газетная бумага: 8-13 м ³/т;

- немелованная бумага высокого качества: 5-12 м ³/т;

- мелованная бумага высокого качества: 5-15 м ³/т;

- тонкая мелованная бумага: 10-15 м ³/т;

- суперкаландрированная бумага: 10-15 м ³/т;

- многослойный гофрокартон: 8-15 м ³/т (из первичного волокна);

- флютинг (бумага для гофрирования): 4-10 м ³/т (из первичного волокна);

- санитарно-гигиенические виды бумаги: 10-15 м ³/т (из первичного волокна; продукты с большой массой 1 м ² или низшие сорта); 15-25 м ³/т (из первичного волокна; продукты с малой массой 1 м ² или высшие сорта).

Экономические аспекты внедрения

Общей информации о структуре расходов для создания замкнутой системы водооборота нет, поскольку каждое предприятие представляет собой отдельный случай в этом отношении. Затраты зависят в основном от технических характеристик предприятия и местных условий. Стоимость этих мероприятий зависит в каждом конкретном случае от степени реконструкции основного и вспомогательного оборудования.

ПТ-5.2. Проклейка бумаги и картона

Описание технологии

В мировой практике сложился следующий набор наилучших технологий проклейки бумаги и картона:

- псевдонейтральная технология проклейки с использованием дисперсий канифольных продуктов;

- нейтральная проклейка с использованием дисперсий алкил кетен димеров (АКД);

- нейтральная проклейка с использованием эмульсий алкенилянтарных ангидридов (АСА).

Степень проработки

В России в настоящее время реализуются все три варианта указанных технологий.

Для реализации псевдонейтральной проклейки используются преимущественно дисперсии укрепленной канифоли под названием Сакоцелл 309 производства фирмы Кемира. Псевдонейтральная технология пришла на смену традиционной кислой технологии. Оборудование для дозирования клея Сакоцелл - простейшее: расходная емкость и дозировочный насос с расходомером.

Для реализации проклейки АКД используют дисперсии АКД следующих компаний: Геркулес, Кемира, Акзо-Нобель. В последние 2 года в России компанией "СКИФ" организовано производство дисперсий АКД, по своим качествам не уступающей мировым аналогам. Продукты этой фирмы под названием Ультрасайз в настоящее время медленно вытесняют продукты указанных выше компаний. Оборудование для дозирования дисперсий АКД простейшее: расходная емкость и дозировочный стандартный насос с расходомером.

Экологические аспекты

Псевдонейтральная проклейка позволила, прежде всего, минимизировать расход сульфата алюминия. Если на обычной канифольной проклейке предприятия расходовали на 1 т бумаги 25-40 кг сульфата алюминия, то с переходом на псевдонейтральную - 7-21 кг/т. Снизился и расход самого канифольного продукта с 9-25 кг/т до 6-16 кг/т. Кроме того, предприятия стали производить продукцию при рН 5,5-6.5, вместо 4,3-5,5. Следовательно, уменьшилась концентрация сульфат ионов в процессной и сточной воде.

Экономические аспекты внедрения

Проклейка с помощью АКД многовариантна, но наиболее распространенный вариант включает следующую комбинацию химикатов: катионный крахмал средней степени замещения, который дозируют в густую бумажную массу в количестве 5-7 кг/т, затем дозируют карбонат кальция, далее вводят дисперсию АКД и, наконец, перед смесительным насосом в оборотную воду вводят либо силиказоль 1-4 кг/т, либо бентонит 1-4 кг/т. В оборотную воду иногда вводят полиалюминий хлорид в количестве до 1 кг/т. Оборудование для обеспечения данной технологии:

- автоматический джет-кукер, который производит варку крахмала в автоматическом режиме по заданной программе. Джет-кукеры изготавливают многие компании (например, BVG, Германия, Valmet-Raisio, Финляндия, Cerestar (Германия) и др. В России джет-кукеры не производятся;

- емкости с мешалками и насосы для приготовления суспензии карбоната кальция и подачи его в массу;

- расходная емкость и дозировочный насос для подачи АКД в массу;

- расходная емкость и дозировочный насос для подачи силиказоля в массу;

- автоматическая установка для приготовления суспензии бентонита и подачи его в массу;

- расходная емкость и дозировочный насос для подачи полиалюминий хлорида в массу.

Основные преимущества проклейки АКД вместо канифольной:

- бумага изготавливается в слабощелочной среде, что очень способствует повышению устойчивости бумаги к старению;

- бумагу можно производить с большим содержанием наполнителя, при этом можно отказаться от каолина и перейти на более дешевый и оказывающий меньшее влияние на прочность бумаги карбонат кальция;

- расход дисперсии АКД существенно ниже (2-4 кг/т), чем расход канифольного клея, а применение сульфата алюминия не требуется;

- технология исключительно экологически дружественна, так как сточные воды содержат лишь взвешенные вещества.

Этот метод проклейки на крупных предприятиях постепенно замещается проклейкой АСА, как еще более экономичной.

Для реализации проклейки АСА используют АСА-масла различных компаний: Кемира, Акзо-Нобель и др. Данная технология довольно уверенно распространяется на предприятия России, так как она позволяет получать требуемые показатели впитываемости при расходах АСА масла 1,0-1,5 кг/т. Она дешевле, чем проклейка дисперсиями АКД. Однако использование АСА требует комбинации специального оборудования:

- кукера для приготовления специализированного катионного крахмала для эмульгирования АСА;

- эмульгатора, в котором с помощью раствора крахмала АСА - масло переводят в очень тонкую эмульсию, которую немедленно направляют к точке дозировки. Технология может быть отнесена к наилучшим технологиям проклейки по своей наиболее высокой экономичности (АСА дешевле, чем АКД; приготовление эмульсии АСА на предприятии дешевле, чем приготовление дисперсии АКД у изготовителя) и экологической безопасности. По всем другим параметрам данная технология мало отличается от проклейки АКД.

ПТ-5.3. Регулирование удержания компонентов бумажной массы на сетке БДМ

Описание технологии

Для удержания компонентов бумажной массы при формовании бумажного полотна на сеточном столе используются следующие наиболее прогрессивные варианты удерживающих систем:

- система Композил (комбинация катионного крахмала и силиказоля);

- система, в которой комбинируются катионный крахмал и анионный бентонит;

- система, в которой комбинируются катионный полиакриламид и бентонит.

Система Композил предусматривает обработку массы последовательным введением катионного крахмала и силиказоля. Оборудование для реализации этой системы простейшее, за исключением джет-кукера для варки катионного крахмала. Эта система в России в основном внедрена специалистами компании Ека-Нобель.

Система, комбинирующая катионный крахмала и суспензию бентонита, предусматривает последовательное введение в массу сначала раствора крахмала, а затем бентонита. Эта система имеет очевидное преимущество над системой Композил. Бентонитовый порошок привозят на предприятие сухим, что особенно важно для России, где минусовые температуры (недопустимые для водных дисперсий силиказоля) являются обычным делом. Для варианта наилучшей технологии для данного случая необходимы джет-кукер для варки крахмала и автоматическая установка для приготовления суспензии бентонита. Такая система реализуется, например, на предприятии Монди Сыктывкар. Система очень компактна, предельно легка в управлении, требует минимального внимания, надежна в эксплуатации. Такая система может работать годами без ремонта. Используя данную технологию, можно получать весьма высокий уровень удержания (до 82 %) при минимальных затратах на химикаты.

Степень проработки

Все эти системы удержания освоены главным образом на крупных предприятиях. На мелких и средних предприятиях используются либо более простые однокомпонентные системы, либо многокомпонентные на основе полиакриламидов (Кемира).

Система, комбинирующая катионный полиакриламид и бентонит, находится в стадии опытно-промышленных исследований. В отличие от системы катионный крахмал-бентонит, эта система требует, кроме джет-кукера, еще автоматической установки для приготовления раствора полиакриламида. Такие установки поставляют компании Кемира, Налко и др.

Экологические аспекты

За счет повышения удержания компонентов бумажной массы в сеточной части БДМ/КДМ снижается содержание взвешенных веществ в подсеточной воде и соответственно снижается нагрузка на очистные сооружения.

Экономические аспекты внедрения

Увеличение скорости обезвоживания бумажного полотна в сеточной части. Увеличение удержания мелкого волокна и наполнителей снижает нагрузку на очистные сооружения и тем самым экономится энергия на перекачку меньших объемов сточных вод на очистку.

Описание перспективных биотехнологий, технологий, основанных на новых физико-химических методах (ПТ-6)

ПТ-6.1. Биоотбеливание сульфатной небеленой целлюлозы

Описание технологии

При предварительной обработке сульфатной небеленой целлюлозы ксиланазами, процесс отбеливания проходит заметно интенсивнее. Это позволяет разработать технологию отбеливания, которая дает возможность вовсе отказаться от применения элементарного хлора и полностью перейти на отбеливание двуокисью хлора и пероксидом водорода (или технология отбеливания, в которой потребление двуокиси хлора меньше на 15-20 %, а каустика - на 10-15 %). Ксиланазы эффективны и при кислородно-щелочной отбелке. Все это привело к резкому снижению диоксиновой опасности. В настоящее время заводы в Финляндии, производящие сульфатную небеленую целлюлозу, используют ферменты ксиланазы и не используют элементарный хлор. Расход фермента ксиланазы составляет 100-300 г/т целлюлозы в зависимости от эффективности фермента и подготовленности целлюлозного потока для данной технологии.

Сущность технологии в следующем.

В целлюлозу после промывки и сгущения вводят небольшие количества кислоты для регулирования рН до необходимого уровня и затем вводят ксиланазу в количестве 100-300 г/т целлюлозы. Далее в отдельной башне в течение 30-90 минут при температуре 50-70 °С проводят ферментацию и далее, не отделяя продуктов расщепления, направляют массу на процесс отбеливания двуокисью хлора. Дозировка ферментного препарата позволяет обходиться самым простейшим набором оборудования.

Степень проработки

В настоящее время ксиланазы для отбеливания целлюлозы производит множество компаний. Ферменты производят из культуральных жидкостей в основном грибов и бактерий. Эффективность ферментного препарата сильно зависит от технологии изготовления препарата и присутствия других ферментов. В Финляндии и др. странах ксиланазы находят применение при отбеливании как лиственной сульфатной небеленой целлюлозы, так и хвойной главным образом по экологическим соображениям.

Процесс биоотбеливания постепенно распространяется по странам мира. В настоящее время, кроме Финляндии, этот процесс освоен на некоторых предприятиях Канады, США, Швеции и других стран.

В России технология биоотбелки опытно-промышленных масштабах внедрена на двух заводах: Ксиланазы для отбеливания поставляет компания Банмарк. Расход ферментов на тонну целлюлозы - до 300 г.

Экологические аспекты

Технология с применением ксиланаз позволяет сэкономить 15-20 % дорогостоящей двуокиси хлора, расход каустика на 10-15 % и практически избежать образования хлорлигнинов, которые, попадая в сточные воды, служат источником опаснейших ядов диоксинового типа.

Экономические аспекты внедрения

Применение ксиланаз снижает расход двуокиси хлора на 15-20 % и позволяет отказаться от применения элементарного хлора и таким образом резко повысить уровень безопасность технологии отбеливания и экологическую безопасность сточных вод от отбельного производства.

Оборудование, используемое для дозировки ферментов, простейшее: к контейнеру на 1 м ³ подключен дозировочный микронасос с расходомером.

ПТ-6.2. Биодеинкинг (производство бумаги/картона из макулатуры)

Описание технологии

Деинкинг - это процесс удаления печатной краски из макулатуры в процессе ее переработки на волокнистую массу. В стандартной технологии деинкинга используют: 1-3 % каустика, 1-3 % силиката натрия, 0,5-1 % перекиси водорода и около 0,5 % поверхностно-активных веществ на 1 т полученного волокна. Обработка макулатуры такой системой приводит к сильному загрязнению и минерализации процессной воды, очистка которой требует немалых затрат. Кроме того, классическая система деинкинга малоэффективна при переработке офисной макулатуры, в которой тонер глубоко проникает в толщу бумаги и даже отдельных волокон. Более того, у классического процесса деинкинга есть довольно слабое место - это измельчение частиц краски в процессе механического воздействия на волокнистую массу. В результате возрастает доля очень дисперсных частиц краски, которые плохо поддаются процессу пенной флотации и плохо удаляются из волокнистой массы.

Использование целлюлаз интенсифицирует процесс отделения краски от поверхности волокон в отсутствии других химикатов при мягком механическом воздействии на отделяемую печатную краску и особенно тонер. Исследования показали, что если подобрать условия, благоприятные для гидролитического воздействия ферментов целлюлаз на волокнистую матрицу, то возможет хороший деинкинг с использованием одних ферментов без добавления щелочи и других химикатов.

Степень проработки

В настоящее время процесс биодеинкинга в ряде случае доведен до практической реализации и его можно рассматривать как наилучшую альтернативу классическому процессу деинкинга.

Экологические аспекты

Процесс привлекателен с точки зрения резкого снижения ресурсоемкости процесса деинкинга и резкого уменьшения минерализации процессной воды. Особенно важно то, что процесс можно проводить совершенно без применения традиционных сильно щелочных химикатов: силиката натрия и каустика.

Экономические аспекты внедрения

Биодеинкинг не требует какого-либо сложного и дорогого оборудования. Процесс можно осуществлять в обычных емкостях при слабом перемешивании. Сущность процесса биодеинкинга: в волокнистую массу с максимальной концентрацией (6-15 %) и температурой 40-60 °С водят 300-500 г/т целлюлазы и ферментируют при мягком перемешивании 30-90 минут. Затем массу разбавляют до требуемой концентрации и направляют на флотацию. Исследования показали, что биодеинкинг вполне может конкурировать с классическим деинкингом в части удаления краски, а по экологической и экономической эффективности его превосходит. Поскольку дозировка фермента невелика, для хранения и дозирования фермента не требуется специального оборудования. Ферментный препарат поставляется в емкости на 1 м ³ и устанавливается в удобном месте поблизости от места дозирования. Для дозирования используют стандартный дозировочный микронасос с расходомером.

Технология биодеинкинга позволяет снизить потери волокна с флотационной пеной, отказаться от использования большого количества экологически недружественных химикатов (20-40 кг/т), получить продукт с меньшей себестоимостью. Используемый же ферментный препарат на основе целлюлаз является абсолютно безвредным биологически разлагаемым продуктом.

В настоящее время целлюлазы для биодеинкинга производят многие фирмы.

В России биодеинкинг пока не используется прежде всего потому, что деинкинг как таковой практически отсутствует (работает лишь небольшой цех на Каменногорской бумажной фабрике). Однако в ближайшие 4-5 лет развитие деинкинга неизбежно. Следовательно, найдут применение и целлюлазы.

ПТ-6.3. Ферментативное расщепление крахмала при приготовлении клеильных растворов для клеильных прессов

Описание технологии

Для поверхностной проклейки упаковочных материалов, а также печатных видов бумаги и офисной бумаги в массовом количестве используют модифицированные крахмалы. Модификация направлена на снижение вязкости клеильных растворов и улучшение связующего потенциала крахмального покрытия.

Существуют следующие схемы реализации процесса получения модифицированного крахмала для приготовления клеильного раствора:

- модифицированный крахмал закупается у изготовителя модифицированного крахмала в бумажных мешках по 20-25 кг; этот крахмал подвергается варке в кукере периодического или непрерывного типа (джет-кукер), и полученный раствор направляют на клеильный пресс;

- нативный крахмал подвергают окислительной варке непосредственно на предприятии (окисление гипохлоритом или персульфатом аммония) и полученный раствор крахмала направляют на клеильный пресс;

- нативный крахмал подвергают ферментативному расщеплению с помощью фермента альфа амилазы в специальном аппарате, где это процесс производится автоматически по специально разработанной программе.

Практика показала, что наилучшая технология - это автоматическая технология получения крахмального раствора с помощью гидролитического расщепления альфа амилазами. Эта технология имеет следующие преимущества перед другими имеющимися:

- расход альфа амилазы ничтожен (первые сотни граммов на 1 т), что обуславливает дешевизну модификации;

- альфа амилаза абсолютно безвредный бесхлорный продукт и не представляет никакой потенциальной опасности (в отличие от гипохлорита натрия);

- автоматическое проведение процесса по установленной программе гарантирует получение раствора со стабильными свойствами и минимальные потери крахмала (менее 0,5 %).

Когда мы говорим о наилучшей технологии биорасщепления крахмала для получения клеильного раствора для клеильного пресса, то мы имеем в виду комбинацию следующих наилучших элементов:

- альфа амилазы;

- оборудования (установки) для реализации процесса расщепления;

- программного обеспечения процесса;

- технологической и экологической безопасности процесса и оборудования.

Степень проработки

В настоящее время установки и технологию для ферментативного расщепления крахмала предлагает несколько компаний, в том числе Metso Paper, Ciba-Raisio, Cerestar, BVG и др.

В России технология ферментативного расщепления крахмала для поверхностной обработки используется пока на двух предприятиях: на заводе Интернешнл Пэйпа и Монди Сыктывкар.

Экологические аспекты

Крахмальные растворы легко комбинируются с гидрофобизирующими дисперсиями, и это позволяет в ряде случаев вообще отказаться от проклейки (гидрофобизации) в массе. Особенно это важно для предприятий, на которых волокнистая масса сильно загрязнена анионными веществами и проклейка в массе, а также использование катионных крахмалов в массу практически не дают экономически приемлемых результатов.

Экономические аспекты внедрения

Технология поверхностной проклейки, при которой приготовленный крахмальный раствор комбинируют с небольшим количеством гидрофобизирующего агента, очень экономична. Действительно, если проклеивать сильно загрязненную бумажную массу "в массе", то для получения показателя впитываемости не более 30 г/м ² потребуется 15-16 кг канифольных продуктов и применения сульфата алюминия 18-22 кг/т, в то время как поверхностная проклейка с добавлением в состав гидрофобизирующего агента позволяет обеспечить показатель впитываемости 23-27 г/м ² при расходе гидрофобизирующего агента всего 1,5-2,0 кг/т.

ПТ-6.4. Вторичная или биологическая очистка аэробным способом

Описание технологии

В основном применяется для предприятий, использующих вторичное волокно. Возможно комбинировать биологическую ступень с озонной очисткой или мембранной фильтрацией. Эффективность очистки достигается системами активного ила с низкой нагрузкой, в зависимости использования оборудования (биофильтров, реакторов с подвижным биослоем, реакторами с подвижными питателями, погружным фильтрами). Соотношение ХПК/БПК в отфильтрованных пробах сточной воды после биологической очистки от 4 до 7 или от 7 до 10.

Степень проработки

Частичное внедрение.

Достигаемые экологические преимущества

Система активного ила с высокой нагрузкой потребляет 0,3-0,5 кг О ₂/кг удаленного БПК ₅. Система активного ила с низкой нагрузкой требуют 1,5-2. Удельное энергопотребление на разложение (удаление) 1 кг БПК ₅ составляет 0,3-3,0 .

Экономические аспекты внедрения

Затраты (по опыту работы бумажной фабрики Франции для системы очистки активного или в производстве печатных видов бумаги мощностью 300 тонн бумаги в сутки - 3 млн евро, гофрированной бумаги (100 т/сутки) -1,5 млн евро.

ПТ-6.5. Физико-химическая очистка сточных вод ДПЦ

Описание технологии

В процессе подготовки сырья: от окорочных барабанов, размораживающего конвейера, короотжимных прессов образуются сточные воды, содержащие большое количество трудно окисляемых органических соединений. После грубой механической очистки на барабанных решётках, где удаляются крупные включения, сточные воды поступают в приёмный резервуар, куда подаются реагенты (коагулянт и флокулянт) или избыточный активный ил, который хорошо адсорбирует на себя высокомолекулярные органические соединения. Из приемной камеры сточные воды подаются в смеситель, где смешиваются с циркулирующей водой, насыщенной воздухом, и поступают во флотатор. Растворённый в циркулирующей воде под давлением воздух при смешении со сточными водами выделяется в виде мельчайших пузырьков, которые прилипают к скоагулированным органическим загрязнениям, в результате чего они всплывают и в сгущённом виде удаляются с поверхности флотатора.

Степень проработки

Проводятся опытно-промышленные работы по внедрению способа.

Достигаемые экологические преимущества.

Сточные воды древесно-подготовительного цеха содержат большое количество трудно окисляемых органических соединений и для полного окисления требуют значительно более долгой биологической обработки, чем это происходит на традиционных сооружениях биологической очистки. Кроме того, при разбавлении в общем объеме сточных вод концентрация таких загрязнений снижается, что так же приводит к снижению эффективности очистки. Удаление значительного количества трудно окисляемых органических соединений физико-химическим способом позволяет заметно снизить нагрузку на сооружения биологической очистки и объём прироста активного ила, что положительно сказывается на его дальнейшей утилизации.

Экономические аспекты внедрения

Традиционно сточные воды древесно-подготовительного производства подвергаются механической очистке от крупных включений и сбрасываются в общезаводскую канализацию. Очищенные сточные воды можно использовать повторно, что снижает общее потребление воды и уменьшает гидравлическую нагрузку на очистные сооружения.

Снижение на 20-30 % трудно окисляемых органических загрязнений, сбрасываемых на очистные сооружения от цеха подготовки древесного сырья.

ПТ-6.6. Очистка сточных вод

Описание технологии

Наилучшими технологиями при очистке сточных вод являются:

- организация раздельного обезвоживания осадков первичных отстойников и избыточного активного ила;

- устранение условий образования вторичных загрязнений (застойные зоны, подача уловленных на последних ступенях загрязнений на вход очистки и т.п.);

- применение физико-химических методов (флотация) уплотнения избыточного и циркулирующего активного ила. Это позволяет избежать содержания активного ила в анаэробных условиях и снизить гидравлическую нагрузку на сооружения биологической очистки;

- применение флотофильтров для доочистки сточных вод после ступени биологической очистки;

- применение биосорбции с использованием избыточного активного ила с последующим физико-химическим методом удаления взвешенных веществ из сточных вод перед подачей на биологическую очистку;

- применение в качестве оборудования для обезвоживания избыточного активного ила аппаратов, не допускающих попадания в фильтрат мелкодисперсной части ила;

- применение локальных физико-химических систем очистки особо загрязнённых сточных вод производства;

- организация отдельного потока сточных вод, не содержащих органические соединения (например, сточные воды с повышенным солесодержанием от продувки барабанов котлов) в обход системы биологической очистки.

Степень проработки

Внедрено частично.

Достигаемые экологические преимущества

Снижение загрязнений в сточных водах за счет избирательной системы очистки.

Увеличение количества неутилизируемых отходов, увеличение площадей для размещения шламов от физико-химической очистки.

Экономические аспекты внедрения

Снижение расхода воды за счет комбинированного использования водооборота.

Увеличение расходов на химикаты.

ПТ-6.7. Водный пиролиз органических отходов

Описание технологии

Обработка органических отходов в водной среде при сверхкритических параметрах. Смесь органических отходов (опилки, осадки, ил и т.п.) с водой - реакционная смесь, обрабатывается при высокой температуре под давлением.

При высоких температурах происходит термическое разложение органических веществ, сходное с пиролизом. Вода играет роль теплоносителя с хорошим коэффициентом теплопередачи. После проведения разложения смесь поступает в теплообменник, в котором основная часть тепла возвращается в процесс для предварительного нагрева реакционной смеси. Таким образом, в процесс возвращается значительное количество тепла, которое безвозвратно теряется при обычном пиролизе. Охлаждённая смесь поступает на сепарирование, а вода возвращается в процесс.

Использование последовательной каталитической обработки горячей реакционной смеси позволит из продуктов разложения органических соединений синтезировать нерастворимые в воде или легко летучие органические соединения, которые легко отделить от воды, и которые могут использоваться в качестве топлива.

Степень проработки

На стадии экспериментальных исследований.

Достигаемые экологические преимущества

Утилизация древесных отходов для получения альтернативного вида топлива.

Экономические аспекты внедрения

Вовлечение отходов основного производства для получения энергоресурсов и возможности использования для других целей.

ПТ-6.8. Пропитка щепы перед варкой

Описание технологии

Противоточная пропитка проводится в пропиточной колонне, устанавливаемой перед варочным котлом непрерывного действия способствует улучшению пропитки щепы перед варкой и равномерности ее провара.

Горячий щелок из зоны отбора крепкого щелока поступает в нижнюю часть пропиточной колонны и двигается навстречу столбу щепы, загружаемой в верхнюю часть пропиточной колонны. При этом щепа по мере движения сверху вниз пропитывается, нагревается. Остаточная активная щелочность частично расходуется на омыление легкоомыляемых компонентов (органических, жирных и смоляных кислот), которые выводятся вместе со щелоком из верхней части пропиточной колонны.

Противоточная пропитка позволяет лучше использовать остаточную щелочность и тепло щелока, отбираемого из котла. При этом сокращается удельный расход белого щёлока на варку, а также расход тепла на нагрев щепы в котле до температуры варки.

Улучшается равномерность провара щепы. Снижается удельная гидравлическая нагрузка на выпарную станцию. Улучшается степень провара, повышаются выход и механическая прочность целлюлозы. Снижаются количество отходов сортирования и расход реагентов на отбелку.

Степень проработки

Проводятся опытно-промышленные работы по внедрению способа.

Достигаемые экологические преимущества

Улучшение равномерности провара щепы снижает удельный вынос органических веществ в отбелку, снижает удельный расход химикатов на отбелку и количество органических соединений в сточных водах отбельного цеха.

Экономические аспекты внедрения

За счет увеличения выхода полуфабриката снижаются удельные расходы сырья и химикатов на варку.

ПТ-6.9. Альтернативное "зеленое" топливо для ИРП: часть II - древесная биомасса, биомасла, газификация

Описание технологии

В статье, Peter W. Hart "Alternative "green" lime kiln fuels": Part II - Woody biomass, bio-oils, gasification, and hydrogen" "Альтернативное "зеленое" топливо для ИРП: часть II - древесная биомасса, биомасла, газификация" Journal Tappi, Vol 19, N 5, May 2020, p. 271-279 рассматривается применение различных видов топлива на ИРП.

Для того, чтобы сократить количество непроцессных элементов в цикле регенерации извести, некоторые предприятия начали газификацию древесной биомассы, чтобы полученный синтез-газ (иначе называемый рабочим газом) использовать для сжигания в ИРП. Это не новая технология, и стационарные газификаторы, работающие на остатках древесины, использовались в Швеции во время Второй мировой войны. В Южной Африке использовали угольные газификаторы, а некоторые предприятия в Европе использовали газификацию древесины и коры в 1980-х, по меньшей мере два таких предприятия все еще используют эту технологию. В последнее время поставщики оборудования предлагали технологию газификации с циркулирующим кипящим слоем для производства синтез-газа в комплекте с ИРП. Исторически существует три основных типа газификаторов, используемых в подаче синтетического газа в ИРП: с восходящим потоком, с нисходящим потоком и устройства с кипящим слоем. Из всех вариантов древесина - самый распространенный источник топлива для газификационной установки, интегрированной с ИРП, а уголь (минеральное топливо) - на втором месте.

Степень проработки

Самая стандартная газификационная установка, интегрированная с ИРП, - это система с кипящим слоем. Первая такая установка была запущена в 1983 году на предприятии W Schauman в Пиетарсаари, Финляндия. Эта установка работает практически без проблем в течение многих лет.

Достигаемые экологические преимущества

При сжигании древесных отходов выбросы SO ₂ значительно ниже, чем при сжигании мазута. Снижение использования ископаемого топлива снижает выбросы парниковых газов при производстве.

Экономические аспекты внедрения

Применение в качестве топлива сжигаемого в форсунках мазута требует наличия сложной и дорогой системы приемки, разгрузки, хранения, постоянного подогрева и циркуляции. Стоимость единицы тепла, полученной от сжигания мазута, значительно превышает стоимость тепла, полученного от сжигания древесных отходов.

ПТ-6.10. Переработка осадков сточных вод (кек - уплотненный или высушенный ил и осадок) методом сверхкритических технологий (СКТ)

Описание технологии

Процесс СКТ заключается в обработке (в проточном режиме) углеродсодержащей биомассы около 90 % влажности (сгущенного ила и осадка, кека) без доступа воздуха при температурах 300-500 °С и давлении 220-250 атм., что формирует условия при которых отсутствует процесс образования канцерогенов (фуранов и диоксинов).

После СКТ процесса получаются технически чистая вода, минеральный остаток и газообразная составляющая с последующей ее утилизацией в различные виды энергоносителей.

Степень проработки

На стадии опытных работ.

Экологические аспекты

СКТ обеспечивает низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду в расчете на объем производимой продукции сульфатной целлюлозы.

Дополнительно эта технология позволяет исключить стадии уплотнения и механического обезвоживания с добавлением флокулянтов, снизить объемы потребления воды и сократить затраты на утилизацию осадков сточных вод на 20-30 %.

Экономические аспекты внедрения

Капитальные затраты в 25 раз ниже затрат на сжигание осадка и в 10 раз ниже затрат на термическую сушку осадка, эксплуатационные расходы в 3 раза ниже затрат при сжигании осадка и в 1,3 ниже эксплуатационных затрат при термической сушке осадка.

ПТ-6.11. Композитные материалы при совместном измельчении минералы/микрофибриллированная целлюлоза: макулатурные волокна, искусственные минералы и новые формы продукции

Описание технологии

Использование микрофибриллированной целлюлозы (МФЦ) для упрочнения бумажного полотна известно более 20 лет, но значительные затраты на ее производство не позволили МФЦ широко использовать в промышленности. Однако появилась новая промышленная технология производства МФЦ, по которой она получается при совместном размоле целлюлозы с минералами. Минерал действует как дополнительное дефибриллирующее средство, добавляемое к размалываемой целлюлозе, что обеспечивает экономически эффективное производство композитного материала минерал/микрофибриллированная целлюлоза (МФЦ). Для этой обработки используется существующее размольное оборудование. Полученные композиты можно использовать во многих областях, в том числе в качестве добавок, повышающих прочность полотна во влажном и сухом состоянии, при производстве бумаги и картона с сопутствующими возможностями для экономии затрат, улучшения механических свойств или улучшения качества продукции.

Было показано, что композиты минералы/МФЦ, изготовленные из переработанного макулатурного сырья, обеспечивают, по крайней мере, эквивалентные характеристики повышения прочности по сравнению с композитами, изготовленными с использованием первичных волокон.

Выбор минерала и волокна позволяет получать композиты минералы/МФЦ с рядом свойств. Например, было показано, что вязкость таких составов контролируется фактором формы выбранного минерала, были приготовлены эффективные барьерные составы, а также были приготовлены композиты минералы/МФЦ с графитом в качестве минерала.

Гели - композиты с высоким содержанием минералов/МФЦ были получены с содержанием 75 % общего количества твердых веществ (при содержании 37,5 % целлюлозных волокон). При повторном получении геля и его использовании в производстве бумаги эти композиты с высоким содержанием твердых частиц обеспечивали эквивалентную производительность продукции, аналогичную композитам, которые ранее не подвергались сушке.

Степень проработки

Существует множество способов использования композитов минерал/МФЦ в производстве бумаги и картона, которые позволяют увеличить количество наполнителя, получить улучшенные сорта как для печати/письма, так и для упаковки, а также разработать совершенно новые виды упаковки, в которых для барьерных свойств используются композиты из минерального сырья/МФЦ.

Экологические аспекты

Использование композитов минералы/МФЦ с сопутствующим увеличением количества наполнителя в композиции бумажной массы способствует удержанию мелкого волокна и наполнителей в сеточной части БДМ. Ускоряются процессы образования межволоконных связей, что способствует более эффективному структурированию, уплотнению бумажного полотна и снижению "провала" в подсеточные воды мелких волокон, наполнителей на 15-20 %, тем самым снижает нагрузку на очистные сооружения.

Экономические аспекты внедрения

Было показано, что композиты минералы/МФЦ улучшают механические свойства бумажного полотна как во влажном, так и сухом состоянии. Как правило, при этом увеличивается количество наполнителя и наблюдается стабильность характеристик полотна, минимальное влияние на химический состав мокрой части, общее положительное влияние на обезвоживание, улучшение непрозрачности. Образуется гораздо более плотный лист (уменьшенная пористость), улучшается стойкость покрытия и улучшается гладкость. Сохранение объема полотна при замене волокна наполнителем с более высоким удельным весом является сложной задачей, но и эта задача решается.

Перечень перспективных технологий приведен в Приложении Е.