О.А. Федяева
Промышленная экология
Конспект лекций. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 145 c.

Глава 5. Экологическая характеристика производств

5.23. Охрана окружающей среды в целлюлозно-бумажной промышленности

Целлюлозно-бумажная промышленность относится к ведущим отраслям народного хозяйства, так  как  Россия  располагает  огромными  лесосырьевыми ресурсами. Кроме того, велика потребность в продукции этой отрасли, как в России, так и за рубежом, и это определяет большой объём выпускаемой продукции. Продукцией целлюлозно-бумажной промышленности являются  различные виды волокнистых полуфабрикатов (в т.ч. сульфитная и сульфатная  целлюлоза), бумага, картон и изделия из них. Побочные продукты  отрасли: кормовые дрожжи, канифоль, скипидар, жирные кислоты и др.

Выработка целлюлозы коренным образом отличается от бумажного производства и  представляет собой химический процесс с довольно сложной системой регенерации химикатов. В противоположность этому производство бумаги является в основном механическим процессом с сопутствующими ему физико-химическими, главным образом, сорбционными явлениями. Вследствие такого различия именно производство целлюлозы является основным загрязнителем атмосферного воздуха и водоёмов. Производство бумаги и картона, за редким исключением воздух не загрязняет, но загрязняет водоёмы стоками, содержащими преимущественно взвешенные вещества - волокно и наполнители. Кроме того, в состав ЦБК входит ТЭЦ, сжигающая природное топливо и также загрязняющая атмосферу и водоёмы.

Для производства целлюлозы применяют в основном два способа - сульфатный и сульфитный. В обоих случаях сваренная в котлах периодического или непрерывного действия целлюлоза проходит промывной и очистной отделы, затем (если в этом есть необходимость) подвергается отбелке химическими реагентами и, наконец, поступает на машины, вырабатывающие товарную целлюлозу. Однако реагенты, используемые в двух названных способах, и пути возврата их в производство совершено различны.

В сульфатном способе для варки целлюлозы применяют так называемый белый щёлок, представляющий собой раствор едкого натра и сульфида натрия. После варки образуется черный щелок, в состав которого входят извлеченные из древесины вещества. Его упаривают и сжигают в содорегенерационных котлоагрегатах, возвращая при этом в производство соединения натрия и серы. Полученный в результате сжигания органических веществ зеленый щелок переводят в пригодный для варки белый щелок обработкой известью, а саму известь регенерируют обжигом в известерегенерационных печах. Технологические потери натрия и серы восполняют добавлением сульфата натрия к черному щёлоку перёд его сжиганием.

В сульфитном способе для варки целлюлозы используют сернистую кислоту и ее соли. Отработанные щелока, как правило, не сжигают, а подвергают переработке.

Предприятия лесопромышленного комплекса представляют собой значительный источник загрязнения атмосферного воздуха. Общеотраслевой выброс в атмосферу загрязняющих веществ исчисляется тысячами тонн. Наиболее характерными загрязняющими веществами для данной отрасли являются твердые вещества, оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, толуол, сероводород, ацетон, ксилол, бутил.

Больше всего загрязняют атмосферный воздух предприятия, производящие целлюлозу по сульфатному способу, имеющему наибольшие возможности производства полуфабрикатов для выработки различных видов бумаги для технических целей и картона и получившему в настоящее время преимущественное распространение.

Основная причина выделения вредных газовых соединений при этом способе производства целлюлозы - использование в технологическом процессе сульфида натрия, что приводит к образованию серосодержащих соединений: сероводорода, метилмеркаптана, диметилсульфида, диметилдисульфида.

Газы, содержащие сернистые соединения, образуются на многих участках производства. Среди них необходимо в первую очередь назвать содорегенерационный котлоагрегат, в котором производят сжигание черного щелока - вторичного продукта, образующегося в результате варки целлюлозы. Кроме перечисленных серосодержащих соединений, в отходящих газах содорегенерационного котлоагрегата содержатся сернистый и серный ангидриды.

Следующий по величине источник загрязнения – самоварочно-промывной цех, где производится варка и промывка целлюлозы. Затем идут выпарной цех и производства по получению побочных продуктов: скипидара, таловой канифоли, пега, флотационного масла и др.

Наконец, все эти соединения, входящие в так называемый «сульфатный букет запаха», выделяются через неплотности из большего количества аппаратов, баков, ёмкостей, служащих для переработки и хранения белого, черного, зеленого, щелоков. Через вентиляционные трубы эти соединения выбрасываются в атмосферу. Основными источниками загрязнения атмосферы пылью (аэрозолями) являются содорегенерационные котлоагрегаты, с отходящими газами которых за час уносится из топок 1,5-3,0 т пыли, состоящей в основном из сульфата натрия, и известерегенерационные печи, из которых вместе с газами уносится 0,5-1,0 т. пыли в час.

Сульфитно-целлюлозное производство загрязняет атмосферу заметно меньше, чем сульфатно-целлюлозное, но оно характеризуется более интенсивным загрязнением водоемов. Главным загрязнителем атмосферы при сульфитном способе производства целлюлозы является сернистый ангидрид, который используется для приготовления варочной кислоты и в определенных количествах может выбрасываться в атмосферу при сдувках и выдувках в варочном цехе. Кроме того, сернистый ангидрид проникает в атмосферу с «хвостовыми» газа из башен или аппаратов приготовления варочной кислоты.

С загрязнением атмосферы связаны процессы отбелки как сульфитной, так и сульфатной целлюлозы. Причина загрязнения атмосферы применение для отбелки целлюлозы газообразного хлора и двуокиси хлора. К тому же при получении хлора и двуокиси хлора образуются такие токсичные соединения, как хлористый водород, пары ртути, сернистый ангидрид, щелочные аэрозоли. Хлор и двуокись хлора, а также другие вредные их спутники, обычно содержатся в вентиляционных выбросах.

Газовые выбросы, характерные для отбельного цеха, могут быть и на бумажных фабриках, осуществляющих побелку привозной целлюлозы.

Газопылевые выбросы целлюлозно-бумажных предприятий, загрязняя атмосферу, оказывают неблагоприятное влияние на здоровье людей и окружающую среду. Производство сульфатной целлюлозы сопровождается специфическим неприятны и очень стойким запахом, который ощущается в направлении ветра на многие километры от предприятия несмотря на то, что количество серосодержащих соединений, продуцирующих этот аромат, относительно невелико. Так, например, с отходящими газами содорегенерационного котлоагрегата уносится метилмеркаптана 10-20 кг в час. Однако порог обонятельного ощущения метилмеркаптана, имеющего очень сильный и неприятный запах (гнилого лука или гнилой капусты), составляет 0,000023 мг/м³, что и определяет распространение «меркаптанового запаха» на большие расстояния.

Газовые выбросы не только отрицательно влияют на самочувствие и настроение людей, но могут также быть причиной более высокой заболеваемости населения, проживающего в районах, прилегающих к целлюлозно-бумажным предприятиям. При загрязнении атмосферы серой и её соединениями возрастает частота заболеваний органов дыхания.

Губительное воздействие газопылевые выбросы могут оказывать и на леса, вызывая усыхание деревьев, ослабление процессов роста и развития деревьев, нарушение фотосинтеза. Из хвойных пород больше всего подавляется рост лиственницы, из лиственных - осины.

Пылевые выбросы, оседающие на землю, увеличивают кислотность почвы и обедняют микрофлору. В результате биохимическая активность почвы снижается. Загрязнение почвы приводит, в свою очередь, к загрязнению грунтовых вод и водных источников.

В целлюлозно-бумажной промышленности имеется достаточный выбор эффективных жидких поглотителей, что определило широкое применение метода абсорбции для очистки выбрасываемых газов от газообразных примесей. К применяемым поглотителям относятся, в частности, черный и белый щелока сульфатно-целлюлозного производства.

Для очистки газов от сернистого ангидрида, сероводорода и метилмеркаптана используется способность этих газов нейтрализоваться раствором щелочи, в результате чего получается соль и вода.

Незначительные концентрации примесей (не более 1 % по объему) позволили применить для очистки газов компактные прямоточные абсорбционные аппараты. Например, для поглощения серосодержащих компонентов из газов содорегенерационных котлоагрегатов эффективным считается применение струйных газопромывателей, орошаемых по ступеням черным и белым щёлоками.

При абсорбции примесей в случаях очистки не очень больших количеств газов (не более 15-25 тыс. м³/ч) применяются насадочные и барботажные абсорберы, например для поглощения «хвостовых» газов при производстве сернистого ангидрида на сульфитно-целлюлозных предприятиях.

Наряду с жидкими поглотителями также могут быть применены твёрдые поглотители. К ним относят различные марки активных углей, силикагель, алюмогель, цеолиты.

В последнее время для удаления из газового потока газов с полярными молекулами стали применяться иониты. Процессы очистки газов адсорбентами осуществляют в адсорберах, периодического или непрерывного действия.

И, наконец, для очистки газового потока могут быть использованы сухие и мокрые окислительные процессы, а также процессы каталитического превращения. В частности, для обезвреживания серосодержащих газов сульфатно-целлюлозного производства, например газов варочного и выпарного цехов, используют каталитическое окисление. Этот процесс проводится при температуре 500-600 °С на катализаторе, в состав которого входят окислы алюминия, меди, ванадия и других металлов. Сераорганические вещества и сероводород окисляются до менее вредного соединения - сернистого ангидрида.

Для очистки газов и воздуха от пыли в целлюлозно-бумажной промышленности применяются электрофильтры, скрубберы Вентури, струйные газопромыватели, сухие и мокрые одиночные и батарейные циклоны, тканевые рукавные фильтры, пылевые камеры.

Целлюлозно-бумажная промышленность потребляет громадное количество водных ресурсов, поэтому наиболее сильное воздействие предприятия деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности оказывают и на состояние поверхностных вод. На долю комплекса приходится свыше 20% сброса загрязненных сточных вод промышленностью Российской Федерации. Главный источник образования загрязненных сточных вод в отрасли - производство целлюлозы, основанное на сульфатном и сульфитном способах варки древесины и отбелке полуфабриката с применением продуктов хлора.

Загрязненные сточные воды предприятий отрасли характеризуются наличием в них таких вредных веществ, как сульфаты, хлориды, нефтепродукты, и прочее и естественно, что водные объекты в местах расположения предприятий отрасли подвергаются отрицательному воздействию. Значительный объём загрязненных сточных вод в поверхностные водоемы сбрасывают: Братский, Котласский и Архангельский целлюлозно-бумажные комбинаты.

Наиболее рациональными решениями проблемы охраны водных объектов от загрязнения сточными водами целлюлозно-бумажных предприятий являются замена используемых водоемких процессов маловодными, внедрение замкнутых систем водоснабжения с повторным использованием очищенных оборотных, если позволяет качество вырабатываемого продукта. Воду  очищают от волокон, наполнителей, клейких веществ и остаточных химикатов. Для очистки воды применяют фильтрацию, отстаивание, флотацию, реагентные и биологические методы.

Очень остро стоит в настоящее время проблема отходности целлюлозно-бумажных комбинатов. Многотонные отходы этих предприятий (лингин, шламы) складируются, занимая большие площади и отрицательно воздействуя на окружающую среду.

Основными методами борьбы с отходами являются их сжигание либо переработка с   целью получения полезных продуктов. Факторами, ограничивающими возможность термической утилизации отходов, являются высокая загрязнённость, низкая температура плавления некоторых  отходов, наличие крупногабаритных включений и значительных колебаний насыпной плотности сжигаемых отходов. К приемлемым технологиям сжигания относят колосниковое сжигание и  сжигание  в кипящем слое. Основным  достоинством же термических методов является их относительно низкая стоимость. Переработка   отходов бумажных фабрик эффективна сточки зрения экологии, но убыточна по экономическим показателям. С другой стороны из отходов отрасли можно получить много ценных и полезных продуктов. 

Многотоннажные отходы целлюлозно-бумажной промышленности в последнее время всё чаще привлекают внимание исследователей и производственников. Имея  в своём составе целлюлозу и каолин, эти отходы  (при некоторой модификации химическими добавками) могут быть использованы для изготовления теплоизоляционных, отделочных и  конструктивно-теплоизоляционных  материалов и деталей.

Лигнин (конечный продукт растительного метаболизма) используют при выращивании съедобных грибов, в качестве сорбента азот-фиксирующих бактерий, а также в качестве компоста в сельском хозяйстве. Различные виды лигнинов в почве под воздействием почвенных бактерий постепенно превращаются в гумусовые вещества, которые способствуют увеличению плодородия почвы.

Отходы целлюлозно-бумажного производства активно используются в гидролизной промышленности. Гидролиз использует отходы лесопиления, целлюлозно-бумажной промышленности и сельского хозяйства, производит спирт (хотя использование нефти эффективней), кормовые дрожжи, фурфурол и глюкозу. В соответствии с характером используемого сырья размещение гидролиза сочетается с лесопилением (Север, Поволжье, Сибирь) и целлюлозно-бумажной промышленностью (Урал, Северо-Запад, Сибирь).