造纸工业中的蒸汽爆破技术.docx
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造纸工业中的蒸汽爆破技术
5.9造纸工业
5.9.1木材纤维蒸汽爆破制浆
蒸汽爆破法制浆是把经预浸处理后的木片装入蒸煮锅中、通入蒸汽在高温高压下蒸煮,使其软化、然后瞬时降压使浆喷出。
爆破法制浆的流程如下:
影响蒸汽爆破法制浆性质的主要是预浸条件、蒸汽压力及温度。
预浸使纤维发生一定的润胀,纤维变得柔软,有利于爆破时不受或少受机械损伤。
汽蒸时的高压饱和蒸汽使润胀加速。
爆破时、润胀的木片撞击在集料的罐壁上、导致纤维内部细纤维化和部分解离。
因此可以生产出柔韧的纤维、有利于磨浆能耗的降低和纸页抗张强度的提高。
预浸渍的条件和所用化学药品对浆的性质有很大影响。
一般是在室温、真空条件下进行的。
常用的化学药品是Na2SO3和NaOH,Na2SO3既起抗氧化剂的作用,又使纤维表面的亲水基团数目增加,有利于纸页强度的提高。
氢氧化钠是极好的润滑剂。
Na2SO3中加入少量NaOH使纸页的强度明显提高,磨浆能耗大大减少,但白度、不透明度降低。
蒸煮温度和爆破压力的提高有与延长保压时间相同的效果。
压力越高,爆破时纤维受损机会越大,对纸浆强度不利,故蒸煮温度与爆破压力并不是越高越好。
Law和Bi对爆破机理进行了较为深入的研究,采用原料为黑云杉,制成木片规格为:
纵向×弦向×径向=0.5cm×0.5cm×2.0cm,蒸煮温度分别为170℃、190℃、200℃。
通过外部观察,用亚硫酸钠处理的木片,在170℃爆破后无明显分离现象,190℃时仅发生部分纤维分离,只有在200℃爆破后纤维分离才较为明显。
显微镜观察表明,爆破释放料引起的纤维分离主要发生在胞间层,纤维本身几乎没有遭受损失。
为提高纤维的解离和纤维内部细纤维化的可能性,必须采用化学药品,同时要有足够高的温度。
研究还发现,黑云杉木片在上述条件下并没有发生所谓的“爆米花”现象,这是由于木材是由多孔的纤维构成。
纤维壁由纹孔贯穿,它允许液体或气体通过。
事实上,纹孔对化学预浸过程甚为重要。
蒸煮器因达到一定蒸汽压力后,通过纹孔,在木材内部压力达到平衡。
因此,木片中的纤维几乎不受到压缩,由蒸汽压力所引起的纤维破裂事实上是很小的。
发生在汽相蒸煮结束后的瞬时减压,纤维内的压力通过纹孔而释放,并没有爆裂那些纤维。
但突然减压对减弱胞间层确实有一些作用。
在另一些研究中也观察到,爆破制浆纤维主要在胞间层。
爆破后,纤维细胞壁急剧膨胀,把细胞腔压得非常狭窄,细胞壁显得较疏松,次生壁内外层部分发生分离,这些变化有利于提高纤维的柔软性和可塑性。
木片的比表面积有限,只是煮很短时间,如10min,药液难于浸透。
但细胞孔隙中流量增加,汽含率下降,爆破功率下降,因此爆得物较粗,颜色稍浅,手感较为柔软。
设法使药液将物料完全浸透后再行汽蒸爆破,爆得了柔软纤细的不亚于硫酸盐化学浆的白浆(估计白度不低于50度)。
当蒸煮的化学药品用量相近时,爆破法浆的磨浆单位能耗至少要比相近得率(90%)和离子含量180mmol/kg的CTMP低50%,而纸页强度增加50%。
PunyaB.Chaudhari的研究发现,当游离度达到400CSF,CTMP需要能耗约1600kW.h/t。
而蒸汽爆破制浆,其总能耗包括蒸煮能耗和磨浆能耗两部分,所需的能耗降到300-400kW.h/t,即平均能耗为450kW.h/t。
纤维的性能比较发现,爆破法制浆的纤维平均长度比CTMP长。
从而可以看出,爆破制浆纤维受到的破坏较小且纤维的柔顺性、可塑性好。
这是由于二者的本质区别在于前者是强烈微观热软化效应的产物,纤维自身强度和弹性好,经受相同的磨浆作用时,纤维切断少且更容易分丝帚化。
纸浆干强性能的比较发现,由于蒸汽爆破浆纤维长,柔顺性好,规整性好,使得其所抄造的纸页的裂断长、耐破指数较CMP、CTMP高,其顺序为:
蒸汽爆破制浆>CTMP>CMP。
爆破物易于打浆。
用vellay打浆,打浆20~30分钟即可达到45—50oSR,经抄片测定:
裂断长可达5280m;耐破指数达3.67kPam2.g;撕裂指数达6.07mNm2/g,均接近或超过CTMP浆,当然,蒸汽爆破法制浆也有其不足之处,其白度和透明度低,有待进一步解决,桉木爆破法制浆、CMP、CTMP的比较见表,蒸汽爆破法制浆在得率相同情况下,电耗比CMP、CTMP低得多,所得浆料、其纸页强度比CMP、CTMP高。
表4.9.1桉木爆破法制浆、CMP、CTMP的比较
制浆方法
爆破浆
CMP
CTMP
温度/℃
190
150
128
时间t/min
4
30
10
ω(总离子)/(mmol/kg)
210
201.4
195.4
ω(亚钠)/%
8
8
8
ω(NaOH)/%
1
1
1
液比
3
3
3
得率/%
88.2
92.1
95.7
白度/%
60.1
58.9
63.1
S-因子/mI
642
648
660
L-因子/%
56.4
51.8
50.4
不透明度/%
93.0
92.8
93.2
光散射系数/(cm2/g)
432
471
539
注:
L为因子,保留在28目和48目上纤维百分数
为了进一步解决制浆废液的污染,国际上对蒸汽爆破法制浆废液的综合利用做了大量的工作。
加拿大StakeTechnology公司用蒸汽爆破法高得率非木材浆的废液做为动物饲料的添加剂,生产高质量饲料的研究工作已取得很大进展。
目前已在饲料工业中推广使用。
北美的饲料中通常要加入“植物糖浆”做为动物的能量饲料——Molasses,这种“植物糖浆”一般均是对纤维原料进行蒸煮抽提出来的液体,由于液体中含有高比例的多种转化糖,故热量高,口感好。
爆破法制浆方法黑液生产的糖蜜已经获得美国FDA批准作为饲料用糖蜜(Molasses),其产品的成分分析如下:
固形物浓度:
>50%
转化糖浆:
>26%
木素衍生物:
20%
S0.74%
Na2.1%
Ca0.02%
K0.07%
Fe:
<0.01%
氧化镁:
<0.01%
Cl:
<0.01%
Ni:
<0.01%
Si:
<0.01%
Z:
<0.01%
P:
<0.01%
蒸汽爆破法制浆产生的废液其成份含有大量的糖份,与商品Molasses的能量结构基本相同。
主要的差别就是在制浆过程中NaOH的加入量多少对Na离子的含量有影响。
根据有关研究资料和实践应用证明,饲料中含有一定的Na离子,对动物的电解质平衡、消化和代谢极有好处。
据美国俄勒冈州安德森饲料公司的试验证明,该种糖蜜是相当好的动物能量饲料。
棚桥等拟通过爆破法来进行木质生化悬浮物的综合利用,所提出的流程如图,蒸汽爆破法制浆加入0.5~5%的NaOH时,产生的废液用于动物饲料的添加剂是可以接受的。
这为蒸汽爆破法制浆工艺不需碱回收而彻底解决污染提供了很好的途径爆破处理法在综合利用方面也有广阔前景。
图4.9.1汽爆制浆过程中原料的综合利用
5.9.2非木材纤维爆破法制浆
我国造纸工业的原料结构是非木材原料比重很高(中国的草浆产量占全世界的90%以上)、高档纸的生产主要依赖进口纸浆。
对于中低档包装纸的生产,由于我国可大量使用廉价的植物秸杆作为原料生产合格的包装纸,国外的同类产品很难在价格上与我们竞争。
有专家认为:
我国进入WTO之后,包装纸的生产不会受到冲击,市场潜力反而增加,很有可能成为我国出口创汇的重要支柱行业。
我国建国初期制定的“以草为主”的产业发展方略,造就了一万多家造纸厂,形成了年产一千多万吨的生产能力,同时也造成了产品结构的不合理。
草类原料化学浆的生产是造成我国造纸工业环境污染的一个主要原因,在短时间内,我国还难以改变“以草为主”的局面。
因此,业内人士都认为:
只有对传统的蒸球进行革命性的变革,才能保证我国民经济可持续发展,才能保持我国在本色纸生产上的优势。
据1995年统计,造纸排放废水量23.9亿吨,占工业废水排放量10.6%,居第三位。
废水中化学需氧量(COD)3214万吨,占总排为水量41.8%,居第一位。
造纸企业所排出的污染物中90%以上来自化学制浆车间所产生的黑液,国家对造纸工业目前的污染状况十分重视。
《中国跨世界绿色工程计划》笫六章“重点行业环境保护项目计划”中对造纸行业大力推进在合理经济规模(年产1.7万吨以上)的碱法化学浆企业要求配置碱回收,或者集中制浆,集中治污;对缺乏治理技术和经济能力的中小型企业(年产1.7万吨以下)实行关、停、并、转。
由于中小纸厂是地方财政的主要来源和利税大户,并能吸纳劳动力。
这就是为什么国家三令五申,严令关、停、并、转的中小纸厂总是屡禁不止的原因所在。
爆破制浆技术给中小纸厂带来了福音,既能广泛利用资源,又能提高浆得率,关键是较好地解决了环境问题,因而具有很强的生命力和广阔的市场前景。
爆破技术的出现将使我国草类原料的制浆走上高得率、无污染的新阶段。
利用这种方法进行纸浆生产,在给国家创造巨额财富的同时将不会造成环境污染,不会给我国资源和环境增加承载力,还可以在全球树立起综台利用农作物秸杆,为子孙万代造福新兴的造纸行业的旗帜。
爆破制浆属于高得率制浆技术,其基本原理为:
具有细胞结构的造纸原料,在饱和水蒸汽的作用下,纤维被蒸汽所润胀,细胞孔隙中充满蒸汽,高温条件下木素软化、可塑性提高,纤维间连结消弱,当充满一定压力蒸汽的物料突然减压时,由于介质的急速膨胀作用,纤维细胞就会解离。
通过控制一定的工艺参数,可获得质量优良的纸浆。
目前非木材原料的蒸汽爆破,通常采用压力17~25kg/cm2、温度190~2l0℃,停留时间为l~4分钟的操作条件。
爆破制浆与传统化学制浆比较,其优点是:
(1)污染负荷低,制浆过程可不加化学药品或只加入极少量的化学药品,不含硫污染,废水中无机物的成分很少,洗浆废水pH值呈中性,整个制浆造纸过程所产生的污染负荷只相当于半化学浆的1/2-1/3左右,且易于处理。
如果流程中有废液提取设备则可基本消除污染。
例如以爆破法制浆加入0.5%NaOH为例,其废水中的污染物负荷与亚钠化机浆废水的污染负荷的比较情况如表
表4.9.2爆破法制浆与亚钠法化机浆的废水污染负荷情况
项目
pH
COD(kg/t)
BOD5(kg/t)
SS(kg/t)
爆破法制浆
7.0~7.5
150~185
70~105
50~65
亚钠法化机浆
7.3~7.7
450~510
170~230
63~87
蒸汽爆破法制浆技术对纸浆种类的适应范围较广,不但可生产高得率浆、也可生产低KP值漂白浆。
在相同纸浆特性条件所使用的化学品量可大大降低详见表
表4.9.3不同汽爆浆得率和性能评价
项目
高得率未漂浆
高得率可漂浆(漂后)
低卡伯值漂白浆(漂后)
得率(%)
70~25
60~70
50~55
NaOH用量(%)
0~3
4~9
10~12
评价
高得率,无需碱回收
纸浆强度好,化学品用量低
高强度,化学品用量低
注:
1.基于非木材原料的试验;2.系采用H2O2漂白
(2)浆得率高:
不同的一年生草类纤维原料,均可达到65-75%,比化学制浆提高15-30%。
在相同得率和打浆度的条件下,蒸汽爆破法制浆可获得较高质量的纸浆。
通过不同原料的试验和工业化生产,均得出相同的结论。
美国惠好公司采用Stake公司的蒸汽爆破法制浆技术和设备,不加任何化学药品,生产高得率麦草浆,替代40%OCC,生产牛皮卡纸,(配比:
50%硫酸盐木浆,30%OCC,20%高得率麦草浆),其质量完全符合美国高档牛皮卡纸的质量标准。
对于高得率浆来说,增加少量的化学药品,可有效地提高纸浆的各项质量指标。
例如增加1%的NaOH,纸浆的裂断长约提高30%,而耐破度约提高60%,撕裂度约提高40%。
在相同化学品用量的条件下,工艺操作条件对成浆的
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