制浆造纸原理与工程废纸制浆.ppt

第五章 废纸制浆,第一节 概述,一次纤维（原生纤维） Virgin fiber 二次纤维 Secondary fiber, Recycled fiber,一、废纸回收意义,造纸工业面临三大问题： 原料短缺 能源紧张 污染严重 我国造纸原料结构： 生产1t磨木浆 2m3木材 生产1t高白度化学浆 45 m3木材,废纸回收意义 节约原料，增加生产 减少污染，保护环境 节省能源，降低能耗，比磨木浆省，比化学浆省 节省投资，降低成本，只需化学浆厂25%30%,二、废纸的分类,英 11类 美 3大类 47种+7种（特殊等级） 法 4大类,国内常用的美国废纸,6旧报纸 由打包好的旧报纸组成，其他纸张含量5% 7特别旧报纸 经分拣、打包、新鲜干燥的旧报纸，未经日晒 8脱墨用的特种旧报纸 经分拣、打包、新鲜干燥的旧报纸，未经日晒，不含杂 志、白页、印刷厂过期报刊和其他废杂纸 10旧杂志 干的旧涂布杂志、目录和同类的印刷品，打包,11旧瓦楞纸箱 经打包旧瓦楞纸箱，其面层为仿箱纸板浆，麻浆或硫酸盐浆 37经拣选的办公废纸 打包、来自办公室未受潮的废纸，主要为白色或彩色不含机木浆的废纸，不含未漂纤维的计算机打印纸和传真纸。 42计算机打印纸 用于数据处理机的漂白亚硫酸盐或硫酸盐浆制的表格纸，打击式或非打击式（如激光）的计算机印刷纸。 43涂布书写纸 由漂白亚硫酸盐浆或硫酸盐浆制成的涂布纸废纸，印或未印过，允许含有一定量的 机木浆,国内废纸,国内尚无废纸分类的统一标准，通常分为： 白色废纸 纸浆代用品，为印刷厂的白纸边 书籍、杂志废纸 OMG（Old Magazine） 脱墨后可生产书写纸、卫生纸等，也可生产箱纸板，或在新闻纸中掺用 旧新闻纸 ONP（Old News Paper） 脱墨后主要用于配抄新闻纸或抄造生活用纸和一般文化用纸 纸箱与纸板废纸 OCC（Old Corrugated Container） 抄瓦楞原纸、箱纸板等，竹、木浆废纸可用于生产挂面纸板 纸袋纸废纸和牛皮纸废纸 可回抄仿纸袋纸，再生条纹包装纸，也可掺入木浆作箱纸板挂面浆 混合废纸 混合办公废纸 Mixed Office WasteMOW 一般混合废纸,三、废纸再生过程性质的变化,浆料制备湿部脱水干部干燥压光卷取后加工（涂布、印刷等） 角质化 hornification 胞腔塌陷 lumen collapse 不可逆变化 irreversible structuce changes,化学浆废纸再生过程中 性质的变化,对经打浆的化学浆 循环回用引起裂断长、耐破度 和耐折度 撕裂度、挺度、光散射系数 KP浆和SP浆，打或 未打浆，针叶木浆或阔叶 木浆，漂或未漂浆，回用 过程性质变化有异,机械浆废纸再生过程性质的变化,随着回用次数 紧 度、裂断长和耐破度 撕裂强度略 光散射系数,回用纤维衰变的影响因素,制浆方法 机械法和化机法，对再生纤维品质保持有利 化学法，抗张强度、纸页紧度 打浆工艺 一次纤维打浆越强烈，回用纤维抗张强度下降 越多；未经打浆化学浆，回用后抗张强度 压榨工艺 对化学浆，压榨影响回用纤维的润胀性 对机械浆，压榨对回用纤维润胀性影响甚微 干燥工艺 纤维一经干燥后，其胞腔塌陷，润胀程度，随着干 燥温度的提高和干燥程度的强烈，润胀,压光工艺 刚性压区，纸页强度损失 压光强度，对回用纤维品质负面影响 现代造纸技术采用软压光 抄造环境 未漂化学浆，酸性造纸，回用纤维润胀和强度， 中性或碱性造纸，润胀和强度 印刷加工 印刷油墨，使尘埃，白度 加工制纸箱胶粘剂，回用纤维表面自由能，阻碍了纤维的结合 消费者和收集者 废纸分类 废纸老化旧报纸存放时间，废纸浆强度,四、纤维回用的强度损失分析,Page 抗张强度方程（Pages tensile strength equation） T抗张强度 Z零距抗张强度 Zero-span tensile strength B纤维间的结合强度,纤维平均长度和零距裂断长 回用过程纤维平均长度降低不多，当灰分和细纤维在回用过 程流失较多时，纤维平均长度增加，不论是化学浆、机械 浆、化机浆，纤维回用次数对其零距抗张强度几乎没有影 响，因此，纤维品质的下降，并不主要由纤维长度的减少和 纤维本身强度的降低所致。 光散射系数和纤维结合强度 在一定条件下，纸页的光散射系数，纤维间结合越松散， 结合强度越低。 化学浆，回用后松厚度，光散射系数，纤维结合强度 机械浆，回用后光散射系数，层间结合强度,纤维衰变原因的探索,一、植物纤维的角质化 Hornification 国际共识：纤维角质化是纤维结合强度衰退的主要原因 纸浆脱水干燥 纤维细胞内壁两侧靠拢贴紧造成“细胞腔塌陷”(Lumen Collapse)不能完全恢复的 纤维素的部分游离羟基形成氢键结合，非结晶结构转变为结晶结构，产生不可逆的角质化，纤维变得挺硬，可塑性，吸水润胀，结合强度 一旦角质化形成，纤维润胀程度降低的现象是不能恢复或不能完全恢复。一般来说，打浆使纤维的润胀程度增加，保水值（WRV.Water Retention Value ），干燥使纤维的润胀程度 对废纸浆进行打浆，对角质化纤维的润胀程度进行有限的修复，是必要的。,二、化学组分变化的影响 回用纤维中聚戊糖和木质素的减少，是纤维化学衰变的主 要特征。其中聚戊糖的减少，尤其是聚木糖的减少是纤维 衰变的重要原因之一。 纤维微纤间的聚木糖，可防止纤维微纤在干燥时相互靠 近，有助于保留纤维弹性，从而延缓了回用纤维品质的 衰变 聚戊糖等半纤维素物质的存在，可减少纤维表面的水滴接 触角，增加纤维表面的亲水性，有助于回用纤维的重新润 湿（rewetting）,第二节 废纸的离解与废纸浆的净化与浓缩,一、 废纸的离解 （一）废纸的碎解 1. 目的：离解纤维而又最大限度地保护纤维和脱墨,2. 碎解设备,碎解设备,立式间歇水力碎浆机 低浓（6-8%），能耗大，无除绳索装置， 不适合于处理杂质多的废纸,立式连续水力碎浆机 连续，有绞索及除渣装置，适合多种废纸,卧式连续水力碎浆机（伏特式卧式水力碎浆机） 侧置的转子，圆槽下接一重渣物收集 器，有绞索装置，适合多种废纸， 浆浓2.53.5%,立式高浓水力碎浆机(Vertical HC Pulper) 螺旋钻头形叶轮，高浓浆料借螺旋作用由上而下，由外朝里，高浓下纤维间强力磨 擦，特别适合于废纸脱墨（油墨易分离）,圆筒式连续碎浆机（Drum Pulper）,结构简单，高效实用，动力省50%，药品省10%，蒸汽 省60% 前区高浓碎解区，浆浓15%20%，占2/3长 后区稀释筛选区，浆浓3%5%，占1/3长 圆筒内壁装有轴向隔板，把废纸带起、跌落，产生温和 的剪切力和磨擦力； 对新闻纸、杂志纸离解效果好，现也可处理OCC、牛 皮箱纸板（低湿强）直径2.54m，最长30m,圆筒式连续碎浆机（Drum Pulper）,3.碎解工艺,碎解温度 温度，废纸软化，利于重施胶废纸碎解和脱墨，废纸浆粘度，动力 消耗 温度一般由废纸种类和施胶轻重决定 旧新闻纸 55 重施胶纸 75-80或90以上（加湿强剂） 温度，化学反应，有利脱墨 碎解浓度 浆浓，废纸间摩擦，单位电耗，相应提高化学品浓度， 强化化学反应 碎解时间 视设备形式，废纸种类和纸浆质量而定 废纸种类 影响碎解主要因素是废纸吸水润胀能力和纤维的结合力，对湿强大纸张，加热，化学 处理 转子结构性能 浆浓，效率，电耗 转子线速 线速，碎解速度，电耗，一般9001100m/min,（二）废纸的疏解,1、意义 是碎解的继续，水力碎浆机离解率，目的是将纤维全部离解 而不损伤纤维 2、疏解机 齿盘式高频疏解机 阶梯式高频疏解机 锥形高频疏解机 孔板式高频疏解机 3、纤维分离机（疏解分离机） 基本功能：浆料二次疏解，轻杂质分离，重杂质分离 4、盘磨机疏解废纸 330 370单盘磨浆机,纤维分离机,二、废纸浆的净化,除渣 筛选,（一）废纸浆中的杂质,小而重的杂质：小石块、砂、铁屑、璃璃屑、钢针等 粗大而轻的杂质：塑料片、树脂、橡胶块、纤维束等,表1-5 废纸中各种废杂质及其特征,P-碎片，G-颗粒状，F-膜状，C-圆柱状，TR-软化点，TF-熔点,胶粘物是废纸处理过程中最复杂、最困难、最需要认真对待的问题，胶粘物会沉降并粘附于纸机的网、毛毯、压辊、吸水箱、烘缸上面，造成网、毛毯孔眼堵塞，脱水能力下降而被迫停机清洗，使纸张产生透光点或透明点，造成纸机断头，严重干扰生产的正常进行。,废纸中常见的胶粘物分类图,有机胶粘物,天然胶粘物,连接胶粘剂,丁苯橡胶 聚醋酸乙烯 聚异戊二烯 聚丁二烯 天然橡胶,原生胶粘物（Primary Stickies）：指原来就存在于废纸中的胶粘物。 再生胶粘物（二次胶粘物）（Secondary Stickies）：指在一定物理化学条件下，由熔融的颗粒重新凝聚而成的胶粘物 废纸浆的净化 除渣 除渣器 筛选 筛浆机,(二)废纸浆的除渣,利用杂质与纸浆相对密度不同的原理将废纸中的重杂质（石块、砂、金属等）或轻杂质（泡沫、树脂、塑料等）除去 1. 高浓除渣器 HC Cleaner 作用：除去相对密度较大的杂质（如石块、金属物）， 保护其后的设备 结构：上部为低压头泵叶，其下方为叶轮，下 部有集渣器 工艺：浆浓：3%6% 进浆压力 泵扬程20m 稀释水压 0.2MPa 定期排渣（自动或手动）,2正向除渣器（顺向除渣器） Forward Cleaner 结构参数 （1）内室直径：直径越小，效率越高，但若75mm,易堵，动力消耗 增 （2）内室长度：保证进浆在进入分离区前有足够的停留时间以形成 稳定的涡流 （3）锥角：减少锥角增加了除渣器长度和纸浆在器内的停留时间， 提高除渣器的净化效率 （4）涡旋定向管长度：应足够长以避免进浆向良浆短路，过长又增 加了压力降 （5）进浆口：应保证在尽量减少湍动和压力降损失的前提下回转速 度达到最大值，通常为矩形使整个浆流贴除渣器壁进入 （6）良浆出口径：过大会降低净化效率，过小会产生大量的再循 环，影响生产能力 （7）粗渣出口径：过小会使粗渣被良浆浆流带走，而使出口堵塞 过大会使纤维流失增加,正向除渣器,工作参数 （1）进浆浓度：一般不超过0.7%，过大，净化效率 明显下降 （2）进出浆压力差：有一最佳值以达到最大化效率 （3）纸浆游离度：高游离度的浆如OCC脱水较易，沿器壁 浓缩程度高，因而排渣量高，可适当减少 良浆和粗渣的压力差 （4）排渣率：过小会降低净化效率；过大会增加纤维损失， 须增加除渣段数；无排渣就无净化效果,2. 逆向除渣器 Reverse Cleaner 作用：除去比纤维轻的杂质（如苯乙烯、聚乙烯碎片、 蜡、模压塑料等） 工艺：进浆浓度0.51.2% 进浆压力 0.20.7MPa 轻杂质出口压力 0.05MPa 良浆出口压力 0 优点：操作方便 效果显著 缺点：压力降大 能耗增加 排渣量大（为进浆流量的4060%） 须多段除杂,3. 通流式除渣器 ThroughflowCleaner 特点：良浆和轻杂质都是同一方向在器底部排出 原理： 良浆出口处有一围绕着轻杂质排出管的环形 空间，使得加大良浆开口也不会扰动涡旋的 流动模型。 从器底向上伸出的排渣管在一定的准确位置 处以捕捉旋涡芯的轻杂质，使它在改变方向前 从轻杂质排出管排出。 较重的纤维则借离心力沿器壁向下移动到器 底加大空间处并从良浆管排出。,两种轻杂质除渣器的运行参数,(三)废纸浆的筛选,1. 振框式平筛 作用：筛除粗大的杂质如浆渣，塑料及较大的 砂、石、金属物等，国内中小厂有用 工艺：进浆浓度 11.5% 出浆浓度0.8%左右 筛 孔 35mm 或筛缝 0.51.0mm,2.压力筛,孔筛：除去长形、面积较大的扇形杂质 缝筛：除去小方块形及面积较小的扁平形杂质 新型筛板-波形筛板：筛选浓度提高，生产能力增大能耗低，效率高，纤维损失少，浆质好 压力筛的能力与效率取决于： （1）压力差 （2）浆流在筛板表面流动的状态及进入孔（缝）处的浆流 受力情况，即筛板的形状结构、开孔（缝）形式及转子（旋翼）的形状和作用。,波形筛板工作原理 （1）改变浆料流线，提高浆料在筛缝（孔）附近的涡流程度，利于筛选能力和效率的提高； （2）槽区产生的涡流剪切力破坏孔（缝）处的纤维絮聚，起冲刷孔（缝）作用 （3）通过改变浆料流线改善纤维取向，可降低筛板两侧压差，因而降低能耗,三、废纸浆的浓缩,低浓浓缩机：圆网浓缩机，侧压浓缩机， 斜网浓缩机 中、高浓浓缩机： 倾斜式螺旋浓缩机：既浓缩又输送，占地面积小，进浆浓23%，出浆浓1525% 夹网浓缩机，适于打浆度高的纸浆（如机械浆）。双长网相夹；长圆网相夹；双圆网相夹。出浆浓可达3335%,倾斜式螺旋浓缩机,夹网浓缩机,四、热熔物和其他特殊物质的处理,沥青、石蜡、热熔胶、胶粘剂、油脂等 把沥青或其他热熔物分散成肉眼看不见的微粒并均匀分布在纸浆中，而在最后的成品中不易察觉出来。 （一）沥青的分散处理 （Pitch） 来源：层压粘合剂，纸袋纸防水气层，防潮包 装等 处理：汽蒸加热（150，35min），使沥 青成溶融状态螺旋机械作用使之分散 于纸浆中。,（二）热熔胶的处理（Hot melt adhesive） 冷法处理：缝筛或/和逆向除渣器 热法处理：浆料浓缩至2535%干度 蒸汽加热 热分 散机 高浓纤维间的强烈磨擦，使热熔物与纤维分开，并分散成微 小颗粒，均匀分布在纤维中间,第三节 废纸脱墨（Waste Paper Deinking）,废纸脱墨：印刷过废纸除油墨白纸浆，使用价值 脱墨浆,一、脱墨过程与脱墨原理,脱墨过程三步骤： 疏解分离纤维 使油墨从纤维上分离 把脱除的油墨粒子从浆中除去,脱墨原理： 1.脱墨化学品使废纸上油墨表面张力降低从而产生润湿、渗透、乳化、分散等作用 2.机械、化学和热协同作用,二、脱墨剂,多种化学组分组成 单一组分是不可能达到最佳脱墨效果的 脱墨剂是降低废纸与印刷油墨的表面张力而产生皂化、润湿、渗透、乳化、分散和脱色等多种作用的综合体,1. 皂化剂 NaOH Na2CO3 Na2SiO3：特别适合含磨木浆较多的废纸 作用：使纤维润胀 使油墨中的油脂皂化 使纸张中的松香皂化 2. 湿润剂（也称清净剂） 肥皂、油酸钠皂、脂肪酸、烷基磺酸钠等， 作用：润湿颜料料子，使油脂乳化并溶出 3. 分散剂 硅酸钠、油酸钠、动物胶、表面活性剂等 作用：接收分离出来的油墨颜料粒子，并使其保持悬浮状态 4. 吸收剂 高岭土、粘土、皂土、硅藻土、瓷土等 作用：吸附颜料粒子和分散乳化的油脂（因其表面积较大） 5. 脱色剂和漂白剂 H2O2 Na2S2O4 甲脒亚磺酸（二氧化硫脲 formamidine sulphinic acid, NH2NHCSO2H） 作用：脱色、漂白,6. 表面活性剂 （Surface active agent, Surfactant） 表征表面活性剂的一个方法 HLB(Hydrophilic-Lypophilic Balance)值，即结构中亲 水基团与疏水基团的质量比 HLB值对脱墨效率有影响 在其他条件相同时，HLB，新闻纸脱墨浆白度 浊点与温度有关的现象（Cloud point），温度升高 分子就越来越靠近而开始缔合。若干表面活性分子的聚集 或缔合，在水中出现云斑或乳白色，故定名浊点 当温度刚好在浊点以下时，表面活性剂是最有效的，脱 墨效果最好,7. 浮选促集剂 如脂肪酸皂（为硬脂酸、油酸、棕榈酸等的混合物） 作用：将碎浆时分离的油墨粒子聚集在一起，然后由 气泡带走 注意：脂肪酸钠必须转化为钙盐，才能起浮选促集剂 作用，故必须在脱墨系统中加钙离子。 来源：涂料或填料中的CaCO3，或在浮选槽中加 CaCL2 分散促集剂（Displector）：兼有分散剂和促集剂作 用，适合于浮选和洗涤相结合的脱墨系统，为非离子 表面活性剂。,8. 粘着物去除剂 粘着物 Stickies 热熔物 Hot melt 化学去除办法： 无机物（滑石和锆化合物） 滑石涂盖在大的粘着物表面上，也可提高白度， 锆化物，钝化或涂盖在粘着物表面 分散剂/钝化剂 改性聚丙烯细纤维 有很高的分支和很大的表面积， 将粘着物包覆,三、废纸脱墨方法,洗涤法 除去：油墨粒子、浆中填料和 细纤维油墨粒子在1-10um之 间，洗涤效果最好 浮选法 利用纤维、填料及油墨等组成 的可湿性不同而分离，油粒大 小一定且疏水，靠气泡捕集。 浆浓0.8% 1.2%，粒径 10100um,浮选法和洗涤法的比较 洗涤法： 优点：脱墨较干净，白度较高，灰分含量 较低，操作方便，工艺稳定，设备费用少 缺点：用水量大，纤维流失率高（1520%） 浮选法 ： 优点：纤维流失少（5-10%）化学品与用 水量较少、污染少 缺点：白度较低，设备费用较高，工艺要 求严格，动力消耗较大 总：省时、省水、省汽、省化学品、得率高 最佳粒子大小： 筛选净化 浮选洗涤 一个完整的废纸脱墨系统往往是筛选、净 化、浮选和洗涤的结合,四、废纸脱墨流程与工艺,（一）流程 （二）工艺,洗涤法废纸脱墨基本流程,旧报纸洗涤法脱墨流程,浮选法废纸脱墨基本流程,五、废纸脱墨的影响因素,1. 废纸种类：新闻纸、杂志纸、混合办公废纸 存放时间 2. 加料顺序： 先加药品后加废纸，药更均匀与油墨反应 若先加废纸后加药，油墨粒子有可能进入纤维内部 3. 脱墨温度 适当提高温度可促进油墨软化、分散加快反应，但温度过高，含机械浆 纸，纸浆返黄，白度 中低温脱墨 40-60 旧报纸或机浆多的纸 高温脱墨 80-90 油墨中含沥青的书纸 4. 脱墨时间 主要根据废纸种类、脱墨剂及温度等而定 温度，时间 脱墨剂化学作用，时间在水力碎浆机碎解和脱墨，每池20-40min 时间过长，动力，蒸汽，产量，油墨粒子有可能“回转”，纤维重 新染色等,废纸脱墨的影响因素,5. 碎解浓度 趋向高浓度 12-15% 浓度，脱墨剂有效浓度，纤维间摩擦、剪切、搓揉 6油墨性质 油墨 脱墨难易最主要取决于连结料的性质 天然树脂、醇酸油脂、干性油等连结料易除 沥青、纤维素衍生物、合成胶乳等连结料难除 要根据连结料性质确定脱墨剂配方与脱墨工艺 7、脱墨pH值 一般废纸脱墨多为碱性脱墨剂pH911；处理湿强纸，采用较低pH和高温 8、废纸疏解 疏解愈充分油墨愈易从纤维分离，脱墨效果 9、浆料洗涤 脱墨后浆料迅速及时洗涤,六、废纸脱墨设备,（一）浮选脱墨设备 总的发展趋势 （1）设备形式 平流卧式旋流立式 （2）机体结构 方箱形圆柱式 开启式密闭式 （3）气泡形式 压缩空气或机械搅拌 文丘里抽气或专用气体发生器 （4）浮渣排除 自然溢流或机械刮板 正压吹风或负压抽吸,1、Swemac 立式圆柱形浮选机 70年代开发 不需搅拌器 浆料由泵送入底部喷射混合器，使浆、空气与脱墨剂均混合后沿切线方向喷入槽底，浆作旋转运动 油墨（泡沫）从溢流口入槽中心空心管，从槽下方排出 处理浆浓1.2%-1.5% 可2-3个重迭安装 2、Lamort 对流式浮选机 上大下小的两段圆柱体 文丘里浆气混合器 特点：两次充气、两次浮选、真空吸墨 在外层圆筒第二次充气，进行第二次浮选 浆浓0.8-1.5% 3、Escher Wyss 阶梯扩散式浮选机 浆料用泵送入布气元件，通过阶梯扩散器吸入空气与 浆位用液位箱控制 可单台水平安装，也可多台迭装 浆浓0.8-1.5%,4、Voith多喷射器椭圆形浮选机 椭