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制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 摘要 随着社会生产力和科学技术的发展，我国造纸工业也取得了极大的进 展，但是近年来，能源的价格逐渐提高，能源成本与纤维原料、废水处理费 用等一起构成了制浆造纸工厂运行成本的主要部分。我国造纸综合能耗远高 于国际一般水平，能耗高、污染物排放量大已成为制约我国造纸工业发展的 难题。因此用先进的能量分析方法改造造纸等传统产业，合理利用能量，研 发高效制浆技术，既是提高经济效益和环境质量，又是降低其单位能耗的重 要途径。 本论文在研究热喷放过程能量转换机理的基础上，根据常规蒸煮压力容 器的设计方法，结合纸浆的流体力学特性，设计并加工了一套纸浆膨胀一阻 尼器。由于“热喷放 过程纸浆强度降低的主要原因是纤维细胞内可汽化介 质的闪蒸所引起，所以，研究纸浆加热过程液体膨胀汽化速率与纤维强度之 间的关系，寻找“热喷放”时不发生闪蒸的方法，就能保证纸浆的纤维强度。 本论文用火甩分析法来计算蒸煮过程火甩效率与火用损失，以此来评价传统间歇蒸 煮设备在热力学方面的完善程度，通过分析发现传统过程大量高品位的能量 完全没有利用；所以根据能量守恒定律，只要利用了喷放过程大部分能量， 就有可能避免闪蒸。 由于喷放过程浆料的闪蒸能量是由原来的静压能和热能转换而来，而且 喷放过程浆料的湍流运动使纤维受到相互摩擦力和机械剪切力的作用，从而 有可能改变其形态参数。本文实验利用所设计的膨胀一阻尼器模拟热喷放过 程，并利用其中能量之后，对实验纸浆抄样，对其主要性能参数进行了检测， 并利用扫描电镜对纤维形态进行了观察，研究了热喷放能量转换过程对纤维 形态的影响程度，并分析了产生影响的原因。 全压喷放时，就纤维网络的单根纤维而言，更多的是受与之相邻的纤维 间的巨大内摩擦力而被相互挤压、揉搓、扭曲、纵向撕裂乃至进一步内、外 细纤维化；这种细纤维化提高了纸页强度和柔韧性。这说明，适度湍流运动 ( 全压喷放，0 8 m p a ) 对纸浆纤维的固有强度不会造成大的损伤，在这种 较强的内摩擦力作用下，纤维的切断作用很少，而主要是使纤维发生细胞壁 的位移和分层，发生内、外细纤维化作用，纤维变得柔软而富有润胀性，其 结合作用增强，因而纸浆的使用品质不会受到影响。 热喷放对纸浆纤维强度的影响较为明显。热喷放受到的阻尼作用越大， 闪蒸对于纤维的破坏越小，压力造成的分丝帚化现象也越明显。从纸浆抄纸 的抗张强度、撕裂度和耐破度来看，较大阻尼作用时所测各项指数均接近于 未经过实验处理所得到的纸浆抄纸的数据。对纸浆来说，带有阻尼的喷放能 避免闪蒸，及其所带来的对纸浆性能的不利影响。 关键词：全压喷放，能量转换，火用分析，纤维强度 r e s e a r c ho nm e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o n o fe n e r g yl c o v e r y a b s t r a c t s i g n i f i c a n td e v e l o p m e n t sh a v eb e e nm a d ei np a p e ri n d u s t r yw i t ht h er a p i d l y p r o g r e s s i n gs o c i e t y ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b u ti nr e c e n ty e a r s ，t h ep r i c eo f e n e r g yi sm u c hh i g h e rt h a nt h ep a s td a ya f t e rd a y t h er u n n i n gc o s to ft h e p a p e r m a k i n gp l a n t si n c l u d e st h ee n e r g yc o s t ，f i b e rr a wm a t e r i a l sa n dw a s t ew a t e r t r e a t i n gc o s t t h es y n t h e t i c a le n e r g yc o n s u m p t i o no fc h i n e s ep a p e ri n d u s t r y o u t c l a s s e st h e a v e r a g ec o n s u m p t i o no fo t h e r c o u n t r i e s t h e h i 曲e n e r g y c o n s u m p t i o na n dm u c hc o n t a m i n a n th a v eb e c o m et h eb i g g e s tp u z z l eo fo u r p a p e r m a k i n gi n d u s t r y t h u st h ea d v a n c e dm e t h o d o l o g i e so fe n e r g ya n a l y s i s s h o u l db ei n t r o d u c e dt om a n yt r a d i t i o n a li n d u s t r i e sl i k et h i s a tt h es a m et i m eu s e t h ee n e r g ye f f i c i e n t l y ，s t u d ya n dd e s i g nt h ep u l p i n gt e c h n o l o g y ，c o u l de i t h e r i m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ，a n dt h ee n v i r o m e n tq u a l i t y ，o rd e c r e a s et h e e n e r g yc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nb yr u l e su s e di np r e s s u r ev e s s e l s ，t h i sn o v e li s b a s e do nt h er e s e a r c ho fm e c h a n i s mo fe n e r g yc o n v e r s i o ni nb l o w i n gp r o c e s s ， a n dc o m b i n et h ec h a r a c t e r i s t i ch y d r o d y n a m i co f p a p e rp u l p ，a n dt h e nac o u p l eo f d a m p e ra n de x p a n d e rh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e s s i n c et h ed e c r e a s i n g o fp u l ps t r e n g t hw i t h i nh o tb l o w i n gi sd u et ot h ef l a s hv a p o r i z a t i o no f s t e a m i n g m e d i a t o ri nf i b e rc e l l s ，i fw es t u d yt h er e l a t i o n s h i po fs t e a m i n gr a t eo f1 i q u i d e x p a n s i o na n df i b e rs t r e n g t hd u r i n gp u l ph e a t i n gp r o c e s s ，a n df i n dt h ew a yt o a v o i df l a s hv a p o r i z a t i o nd u i n gh o tb l o w i n g ，w ec a na s s u r et h ef i b e rs t r e n g t ho f p u l p i nt h i st h e s i sw eu s ee x e r g ya n a l y s i sm e t h o dt oc a l c u l a t e t h ee x e r g y e f f i c i e n c ya n de x e r g yl o s sr a t ew h e nc o o k i n g ，t oe l a v a l u t et h et r a d i t i o n a lb a t c h c o o k i n ge q u i p m e n t si nt h e r m o d y n a m i c s t h r o u g ha n a l y s i sal o to fh i g hg r a d e e n e r g yw h i c hh a s n tb e e nu s e d ，a c c o r d i n gt ot h ee n e r g yc o n s e r v a t i o nl a w ，f l a s h v a p o r i z a t i o nc a nb ea v o i d e db yu s i n gal o to fe n e r g yd u r i n gh o tb l o w i n g a st h ee n e r g yo ff l a s hv a p o r z i a t i o ni sf r o ms t a t i cp r e s s u r ee n e r g ya n d t h e r m a le n e r g y ，a n dt h ef i b e ra c t e db ym e c h a n i c a ls h e a ra n df r i c t i o na m o n gt h e m t h u st h es h a p ep a r a m e t e r sc h a n g e s i nt h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n ts i m u l a t e sh o t i i i b l o w i n gp r o c e s s w i t ht h e d a m p e r a n d e x p a n d e r ，m a k e sp a p e r w i t ht h e e x p e r i m e n t a lp u l p m a i np a p e rp r o p e r t i e sa n dt h ef i b e rs h a p ea r ee x a m i n e d ，a n d t h ed i f f e r e n c eo ff i b e r ss h a p ei ss t u d i e d ，a tl a s tt h er e a s o n sa r ed e s c r i b e d m a i n l yb e c a u s eo fh u g ei n t e r n a lf r i c t i o n ，w h e nb l o w i n g a tf u l lp r e s s u r et o s i n g l ef i b e ri nt h ef i b e r 酊d ，p u l pi sp r i m a r i l ys u b je c t e dt of r i c t i o na c t i o n s b e t w e e nf i b e r s ，a n dt h e ya r ef l e x e da n db e n d e dr e p e a t e d l y ，w h i c hi n d u c e sp u l p f i b e r st oi n t e r n a ld e l a m i n n a t i o na n de x t e r n a lf i b r i l l a t i o n t h ep u l pf i b e r sa r e s q u e e z e d ，r u b e d ，w a r p e da n dt o r ni nl o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n t h e nt h ep a p e r s t r e n g t ha n df l e x i b i l i t ya r ee n h a n c e d i ti m p l i e st h ep r o p e rt u r b u l e n c ew o u l d n t d a m a g et h eo r i g i n a ls t r e n g t ho fp a p e r ，i nt h es t r o n g e ri n t e m a lf r i c t i o n ，af e w f i b e r si sc u t ，t h ef r i c t i o nm a k e st h ec e l lw a l lm o v ea n dl a m i n a t e ，a n ds ot h e i n t e r n a ld e l a m i n n a t i o na n de x t e r n a lf i b r i l l a t i o na r eh a p p e n e d t h ef i b e r sb e c o m e s o f ta n dm o i s t u r ee x p a n s i b l e ，a n dt h e ya r eb o n d e ds t r o n g l yt o g e t h e r s ot h e p a p e rc a n b eu s e dw i t h o u ta n yi n f l u e n c e i ti so b v i o u st h a th o tb l o w i n gh a sl i t t l ei n f l u e n c et op u l pf i b e rs t r e n g t h t h e s t r o n g e rt h ed a m p ，t h el e s st h ed a m a g eo ft h ef i b e r ，a n dt h em o r eo b v i o u s d e v i l l i c a t i o ni s t h et e n s i l es t r e n g t h ，t e a r i n gs t r e n g t ha n db u r s t i n gs t r e n g t hh a v e n o tb e e nd e c r e a s e do b v i o u s l yc o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lp a p e r f i n a l l y ，i ti s c o n c l u d e dt h a tb l o w i n gw i t hd a m pc o u l da v o i df l a s hv a p o r i z a t i o n ，a n dt h e u n w a n t e di n f l u e n c eo fp u l p k e yw o r d s ：f u l lp r e s s u r eb l o w i n g ，e n e r g yc o n s e r v a t i o n ，e x e r g ya n a l y s i s ， f i b e rs t r e n g t h i v 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丕亟递 e i 期：2 q q 翌生尘旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学 位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供 信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三陋师签名：1 鱼坞童日期：至q q2 生! 旦 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 1 绪论 1 1 制浆造纸工业能量利用现状 近年来，能源的价格逐渐提高，能源成本与纤维原料、废水处理费用等一起构成了 制浆造纸工厂运行成本的主要部分。造纸工业不仅是技术密集、投资密集的部门，而且 是国内外公认的物耗和能耗都比较高的行业，而我国造纸综合能耗远高于国际一般水平， 据2 0 0 4 年统计，我国造纸工业吨纸水耗高达l o o m ，以上，吨浆纸综合水耗高达3 0 0 m 3 以上； 而国外纸厂吨纸水耗仅为l o , - 2 0 m 3 ，吨浆纸综合水耗为3 5 5 0 m 3 ，是我国水耗的5 一1 0 ： 我国每吨纸和纸板的综合能耗为1 5 5 t 标准煤，而世界造纸最先进消耗水平吨纸和纸板的 综合能耗约为0 8 t 标煤，是我国吨纸综合能耗的1 2 t 2 】。能耗高、污染物排放量大已成为 制约我国造纸工业发展的难题。 造成我国造纸工业能耗较高的原因是多方面的，如原料和产品价格，生产管理水平， 工艺装置的技术水平等，但能量系统的综合利用水平比较低，能量使用的优化程度比较 差是其重要的原因；而另一方面，这种高能耗不仅导致了生产过程的低效益，而且造成 了严重的环境污染问题。这种情况不仅表明我国造纸工业的节能存在着巨大潜力，同时 也说明我国在造纸工业节能技术( 包括单元设备节能技术和系统节能技术) 和节能理论研 究方面亟待加强。 1 2 制浆方法综述 制浆是指将木材( 或其他纤维原料) 转化为纤维物质的任何工艺过程，基本上是有系 统的破坏木材结构内部联系的一种手段。这项任务可通过机械的、加热的、化学的、或 上述综合的方法加以完成。现有已工业化的工艺，大致分为机械、化学或半化学三大类。 1 2 1 传统制浆技术 a 机械制浆 制浆工艺：备料、磨浆和净化是此法的重要工艺过程。机械浆在磨解成浆后，一般 均含有未完全离解的纤维素、少量木材碎片以及砂尘等杂质，一般需经过筛选、沉淀和 水力旋流器等加以净化。分离出的粗纤维或碎片可以进入磨解设备进行再磨解。机械浆 的白度一般均低于6 0 ，为了配抄白度要求较高的纸张，也可以进行漂白。由于机械浆 含木素很高，漂白剂一般使用价格较贵的过氧化氢( 9 2 氧水) 和连二亚硫酸钠( 保险粉) 。 经过两段漂白可以获得白度达8 0 左右的漂白机械浆。 b 化学制浆 用化学药剂对原料进行处理而制造纸浆的方法。 制浆工艺：化学法制浆包括备料、蒸煮和净化三个基本工艺过程，及辅助工艺过程。 陕西科技大学硕士学位论文 表1 - 1 制浆方法分类 t a b l e1 - 1t r a d i t i o n a lp u l p i n gm e t h o d s 1 ) 备料：将木材剥皮并削成木片或将草类茎杆切成草段，再经过筛选除杂，使原料 比较洁净，大小规格比较整齐均一，以利于下一步蒸煮过程中物理化学反应的顺利进行。 2 ) 蒸煮：使原料转变成为化学纸浆的基本过程。将合格的料片或料段和适量的化学 药剂装入蒸煮器中，按严格控制的温度、压力、时间与药液组成，使药液渗入原料并与 原料中的木素发生化学反应，从而使单个纤维疏松分离成为纸浆，蒸煮所成纸浆称为粗 浆。在多数情况下纤维细胞的初生壁也被破坏，在较强烈的蒸煮反应情况下，也有一部分 木素从纤维的次生壁中被溶出，其他碳水化合物、树脂、无机盐类等组分也被部分除去， 因而化学法所制得的纸浆，通常纤维素含量较高。 3 ) 净化：经蒸煮制成的粗浆，经过适当净化才能成为可用的纸浆。纸浆的净化一般 包括洗涤、筛选、漂白等过程。 4 ) 辅助工艺：包括蒸煮液制备、制浆蒸煮废液的化学品及热能回收等工艺。 1 ) 碱法制浆 一种应用碱性溶液蒸煮植物纤维原料的化学制浆方法。包括硫酸盐法、烧碱法、石 灰法、氧碱法和氨法制浆。后三种方法的应用较少，故碱法制浆通常是指前两种。 拯繁涵嘲鼍聚缓( 软木) t |煞豳收藏统一热力_ 一纸浆筛选系统 | i i t 台格朦科片蒸煮器一喷敖装置- 洗浆与臻液提取系统 ：|i 缓蕴装铲 蒸徽鹤液一碱回收系统 图1 - 1 碱法制浆流程 f i g u r e1 - 1a l c a l i n ep u l p i n gf l o wd i a g r a m 2 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 2 _ ) 亚硫酸盐法制浆 利用不同p h 值的亚硫酸盐蒸煮液处理植物纤维原料，制取纸浆的化学制浆方法。 此法最主要特点在于：蒸煮液的p h 值有较宽的选择范围，由强酸性到强碱性，可以适 应于生产许多性质不同的纸浆品种。 表1 - 2 亚硫酸盐法制浆分类 t a b l e1 - 2m e t h o d so fs u l f i t ep u l p i n g 名称 蒸煮液组成蚕翥蓄 纸浆特性 纸浆主要用途适应原料 酸性登酸盐h 2 s 0 3 + x 脚， ，。 篡募誓霪竽嘉言高鬻然蓁杉类木材 亚硫酸氢盐法x h s 。， 2 6 藿簟鼻嘉委窑茎囊篙书写印刷纸类夺爰釜粪 中性登酸盐( 器淼x 0 0 3 r o 6 母 鸾毳警半纤维素含且纸板及包装纸类薯菱簇 法 ( 或部分 u 了 均较高纵仪巴衣钠失材及草类 c 化学机械法制浆 采用化学预处理和机械磨解后处理的制浆方法。 制浆工艺化学预处理及机械磨浆是化学机械法制浆的两个最基本的工艺过程。化 学预处理有常压预浸、加压预浸、加温加压预蒸煮等多种方式，并可采用烧碱、亚硫酸 钠、碳酸钠、亚硫酸铵和绿液等各种不同的化学药剂。磨浆也可采用常压或加压磨，以 及单段磨或双段磨等不同方式。使用不同的化学预处理方法以及不同的磨浆方式，可以 组成多种不同的工艺流程。 1 2 2 新型制浆工艺 a 溶剂法制浆 参阅近几年的研究情况，简要介绍几种接近工业化生产的有机溶剂制浆方法，如下： 1 ) m do r g a n o c e l l 法( m d 有机溶剂法) m do r g a n o c e l l 法蒸煮实在k a m y r 连续蒸煮器中进行的，所用原料是针叶木和阔叶 木的混合木片。 制浆工艺：第一段用5 0 ( 体积比) 的甲醇水溶液在1 9 0 c 抽提木片2 0 一5 0 m i n ，该段 完成后，约有2 0 的木素、大部分半纤维素和可抽提物进入蒸煮液；第二段可视为纯脱 木素段，根据所需浆的硬度加入不定量的碱，一般用1 8 一2 0 ( 对木片) 的n a o h 和 少量葸醌( a q ) 以及3 0 的甲醇在1 6 卜1 7 0 温度下抽提6 0 m i n s 左右。整个反应时间 约8 0 - - 1 2 0 m i n s 。第一段废液用降膜式蒸发器蒸发，蒸发出绝大部分甲醇后木素沉淀下 来，用离心分离机把沉淀下来的木素从含半纤维素和抽提物的水溶液中分离出来，第二 陕西科技大学硕士学位论文 段废液的回收，也是先回收有机溶剂，残液可以用碱回收或其他方法进行处理。所得浆 卡伯值为2 0 3 0 ，采用o d e d ( 氧漂、而氧化氯、碱处理、二氧化氯四段漂) 可达到较高 白度。 2 ) a s a m 法 a s a m 法碱性亚钠葸醌甲醇法。该制浆方法以亚硫酸钠为主剂，辅以碳酸钠、苛性 钠或两者并用，再加入葸醌做为催化剂，初步碎解木素，最后使用不等量的甲醇作为有 机溶剂将木素溶出。 3 ) a c e t o s o l v 法( 乙醇法) 9 3 纯度的醋酸和0 1 灿2 的盐酸( 催化剂) 作为萃取液，常压条件下，在1 4 0 保温，处理木片3 h 左右。反应完了，向所得浆中( 内含7 0 浓度的醋酸溶液) 加入 对木材量3 一5 的过氧化氢，在8 0 下，作用8 h 后即可得到性质优良的纸浆。反映 所用设备是一个旋转的抽提器。因为过氧化氢与醋酸化合而成的过氧化乙酸本身就是一 种强效的漂白剂，所以该浆不需要再加以漂白。 4 ) a i c e l l 法 工艺原理图： 水 - - - - - - - - - + 木素 - - - - - - - - - - - - - 脱木素黑夜 图卜2a l c e l l 法工艺原理 f i g u r e1 - 1t e c h n o l o g i c a lp r i n c i p l eo f a l c e l lp u l p i n g a l c e l l 法使用乙醇和水来溶解和分离纤维素中的非纤维素物质。大部分木素、抽 提物和半纤维素溶解于乙醇和水的混合液之后，纸浆被输送到洗浆机，洗浆之后再送漂 白和除渣工序进行处理，良浆泵送去抄纸。从植物纤维料片到纸浆的转变过程，发生在 一个高压( 3 0 m p a ) 、高温( 一般1 9 0 ) 的抽提器中，将木片抽提成浆后，处理所得黑 液，并回收木素、糠醛、醋酸和乙醇。乙醇回收后再循环用于蒸煮，经过处理，高纯度 不含硫的木素从黑液中分离出来。 5 ) 溶剂法制浆工艺参数比较 比较内容见表( 1 3 ) ： 4 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 b 速生杨制浆 1 ) 三倍体毛白杨制各普通化学浆 三倍体毛白杨制备普通化学浆虽然较化学机械浆的得率低，但对缺乏原料的化学浆 厂来说，它更适合现有的生产技术和设备条件，并且相对于草类原料，黑液更利于治理。 2 ) 三倍体毛白杨制各高得率浆 ( 1 ) 热磨机械磨木浆c t m p c t m p 是在t m p ( 热磨机械浆) 基础上发展起来的，在t m p 生产线前面增加一段化 学浸渍处理，即在预热木片后，利用化学药剂进行短时间浸渍，再按t m p 生产方式磨 解成浆。由于化学热磨制浆方法具有原料适应性强、木材利用率高、浆得率高、产品用 途广、工艺设备简单、建厂期短、环境污染小等优越性，近些年来，国内外发展极为迅 速。 ( 2 ) 碱性过氧化氢热磨机械浆a p m p 木片经h 2 0 2 药液和漂白助剂二段浸渍，常压磨浆，制浆和漂白同时进行，无须单独 的漂白设备，一次性投资费用比b c t m p 低2 5 ，磨浆能耗降低3 5 ，纸浆强度性能优 越。a p m p 作为制浆和漂白合二为一的高得率制浆工艺，保留了阔叶材木材白度优势， 降低了磨浆能耗，为阔叶材制高质量纸浆提供了新的工艺技术。a p m p 浆的优点是得率 高、成本低、白度好。缺点是返黄值高，干燥过程中纸页尺寸稳定性差，也限制了其在 高档纸方面的应用。 3 ) 蒸汽爆破法制浆 蒸汽爆破法制浆是把经预浸处理后的木片装入蒸煮锅中，装有木片的容器中通入蒸 汽，在尽量短的时间内达到较高压力，使木片软化，然后瞬时降压使浆喷出。靠木片中 陕西科技大学硕士学位论文 过热水瞬间蒸发外泄产生的力以及木片外泄时受到的摩擦力作用使木片裂解成浆。 ( 1 ) 蒸汽爆破法制浆的历史 1 9 2 6 年，w h m a s o n 发明了蒸汽爆破法工艺与设备，该技术使用7 8 m p a 的饱和 蒸汽作为工作介质进行爆破，对装备和操作控制的技术要求高，只在纤维板生产中应用 p 】。因爆破压力高，故难以推广。几十年来，围绕这项工艺进行了大量的研究与试验，爆 破压力由高压降为低压( 1 0 m p a - 2 0m p o ，二十世纪8 0 年代末，日本和中国内蒙古畜牧 科学院把蒸汽爆破法用于饲料加工上1 4 ，加拿大魁北克大学三河分校的k o k t a 教授把蒸 汽爆破用在了制浆上，主要是爆破木材制浆【5 】，在此基础上，加拿大s t a k e 技术公司研制 了连续爆破法制浆生产线。随后八十年代末中国华南理工大学的一些学者到加拿大学习， 回国后开始研究木材爆破法制浆【们，北京林业大学1 9 9 2 年开始研究爆破法制浆，1 9 9 3 年 进行了爆破法制浆技术小试鉴定7 】，1 9 9 6 年在江西九江进行了中试鉴定，1 9 9 7 年在河北 宁晋造纸厂首次工业化，年产6 0 0 0 t 纸浆，爆破原料为麦草。湖北武汉格润环保设备有限 公司1 9 9 7 年研制成功汽蒸爆破制浆技术装置，1 9 9 9 年完成工业化生产试验，2 0 0 1 年在 谷城县组建了谷城县格润爆破制浆纸业有限公司，建成年产万吨爆破浆生产线r l 】。随后河 南濮阳、华南理工大学、陕西商州的卢章文也进行了爆破法制浆工业化研究 9 - n 。这些研 究证实了蒸汽爆破制浆具有一些有价值的特点和潜在的优势：爆破法采用的是饱和蒸汽， 无直接电耗；高得率、高效率、高强度、低污染、低能耗、低投资和低成本等特点，适用 于多种原材料和生产规模。 ( 2 ) 蒸汽爆破法制浆原理研究 植物纤维在高温、高压和水蒸汽作用下，纤维素结晶度提高，聚合度下降，半纤维素 部分降解，木素软化，横向强度减弱，柔软可塑，当高压蒸汽骤然减压时，孔隙中的气体 急剧膨胀，产生“爆破 效果，使部分木素剥离，并将原料胀裂为细小纤维态。显然，介 质的膨胀功率愈大，则纤维的解离程度就愈静1 2 1 。k n l a w 等研究了爆破黑云杉木片纤 维的分离情况，认为爆破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【1 3 】。陈洪章等认为，爆破可分成汽相蒸煮和爆破过程两个阶段【1 4 1 。b g o t h 等人认为 蒸汽爆破过程可分为蒸汽扩散到物料中、组分的降解、纤维化、纤维素降解四步【t 5 】。廖 双泉认为蒸汽爆破是利用高温高压热蒸汽作用于纤维原料，并通过瞬间爆破过程实现其 类酸性水解、热降解、类机械断裂、氢键破坏和结构重排的综合作用，使纤维原料破碎 1 6 1 。罗鹏认为蒸汽爆破实质上是一个热机械化学过程7 】。研究还发现，对于废纸处理， 经蒸汽爆破处理后的纸浆强度与常规脱墨所得的纸浆强度没有什么区别f 1 8 】。 1 2 3 几种制浆方法的具体比较 a 几种制浆方法优点分类 6 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 表1 - 4 制浆方法优点分类 t a b l e1 - 4c l a s s i f i c a t i o no nm e r i t so f p u l p i n gm e t h o d s 项目 烧碱硫酸盐碱性亚裂器法乙醇乙二醇 蒸煮方法的选择性 56 66 纸浆得率 5 666 药品消耗：蒸煮 4 365 漂白 6 6 55 化学药品回收8 7 7 6 排污：固体 5566 液体 5666 气体4 556 需要能量：蒸煮 5576 碱回收 7774 投资费用：制浆线 6455 碱回收线 3 4 75 操作简易性 5556 工艺成熟状况8 663 设备技术状况8 845 得分总计84 8 3 i 8 0 l 8 0 上表所列各项指标得分按1 1 0 递增顺序给予。得分原则说明如下： ( 1 ) 制浆方法的选择性：木素的溶解选择性强于所期望的，得高分； ( 2 ) 纸浆得率：得率高者得高分； ( 3 ) 药品消耗：蒸煮和漂白中药品消耗低者得高分； ( 4 ) 药品回收：药品回收系统简单、投资少者得高分； ( 5 ) 废水：废水量少容易回收者得高分； ( 6 ) 操作简易性：工艺控制系统简单者得高分，使用危险化学品得低分； ( 7 ) 工艺技术状况：所制定方法已工业化者得高分； ( 8 ) 设备状况：需要复杂设备却尚未在现场通过全面试验者得低分。 b 浆的性能比较 7 陕西科技大学硕士学位论文 表1 - 5 浆的性能比较 t a b l e1 - 5c o m p a r i s o no f p u l pp e r f o r m a n c e 人物公司t e c h n o e e l l r e p a p p a r y o u n g b a t t e l l e 药品5 0 乙醇5 0 7 , g3 5 q 博3 3 l 酸4 0 苯酚 怒 辅助剂 n a o h 絮鬻 h c l 原料白杨白杨杨木白杨桦木杨木 得率 4 65 35 75 34 2 4 2 卡伯值 3 52 76 51 01 41 3 黏度 2 63 23 63 13 03 6 裂断长k m 7 8 07 2 09 2 07 1 07 8 07 3 0 撕裂指数 6 66 58 85 36 86 9 耐破指数 5 03 44 24 8 1 3 现代蒸煮技术发展 蒸煮技术的发展是围绕降低环境污染，提高纸浆得率，降低生产成本而进行的。其 中提高纸浆得率本身也减少了排放量，且降低后序工段漂白的消耗，降低了污染负荷。 1 3 1 蒸煮过程 制备化学浆或半化学浆时，将植物纤维原料( 木片、草片、蔗渣等) 装入密闭的蒸 煮设备中，加入适量的化学药品( 蒸煮药液) ，在适当温度及压力下保持一定的时间，使 纤维原料中的木素部分或大部分与化学药品发生反应而溶解于药液中，而纤维素得以解 离，从而制成所需质量的制浆。 a 蒸煮液对原料片的浸透作用 主要表现在两个方面：毛细管作用和扩散作用。 1 ) 毛细管作用 主要靠外加的压力和表面张力产生的压力作用浸透，通过导管、管胞、纤维的胞腔 进行。 2 ) 扩散作用 主要靠药液浓度差造成的离子浓度梯度的推动力使蒸煮液中的离子扩散浸透入原料 切片内部，通过导管、管胞、纤维的胞腔和细胞壁进行。 b 蒸煮过程中的脱木素和碳水化合物降解 脱木素作用导致： 1 ) 木素结构单元之间联结键断裂，木素大分子降解； 2 ) 木素分子内引进亲液基团，提高溶解性。 总的结果：木素脱除，纤维分离成浆； 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 纤维素与半纤维素降解作用导致：糖基之间的苷键断裂，大分子聚合度降低，纸浆 得率与强度降低。 c 蒸煮过程脱木素局部化学的研究 研究蒸煮过程纤维细胞中木素的脱除顺序，有助于进行蒸煮过程的脱木素反应历程 和动力学研究，对制定正确的蒸煮工艺条件有指导意义。 植物纤维的组织结构：m l ，p ，( m l + p = c m l ) ，s 1s 2s 3 ； 木素的分布：密度m l ( 胞间层) 最大；含量s 2 层最大； 据有关研究，目前认为脱木素顺序：硫酸盐法和酸性亚硫酸盐法：s 层先于m l 层； 中性亚硫酸盐法：m l 层先于s 层。 d 蒸煮过程脱木素化学反应动力学研究结果 影响碱法蒸煮的主要参数：蒸煮时间与蒸煮温度。 在一定范围内，提高温度可以缩短时间，温度降低则必须延长时间。即：一定范围 内温度和时间可以互为补偿。 1 9 5 7 年加拿大制浆造纸研究所k e v r o o m 提出了h f a c t o r 的概念，把蒸煮温度与 时间作为单一变数考虑，用以控制蒸煮终点，从而稳定蒸煮后纸浆的质量，促进蒸煮过 程的自动化控制( 建立数学模型) 。 日一因子( 日一f a c t o r ) = i k 卫( r ) d t 卜相对反应速率常数 对一定的原料，蒸煮后浆料中的残余木素含量( 与纸浆卡伯值成线性关系) 可由蒸 煮时的h 一因子控制( h - 因子增大，卡伯值降低) ，因此可以利用h 一因子确定蒸煮终点， 灵活调节生产( 根据蒸煮温度的波动调节蒸煮时间) ，减少卡伯值波动范围，稳定纸浆 质量( 卡伯值、得率、强度) 。 1 3 2 蒸煮技术进展 现代化学制浆科学研究的重点之一是在保证纤维强度的前提下，使蒸煮工序脱去尽 可能多的木素，并大幅度降低蒸煮工序中能量的消耗。化学制浆蒸煮工艺，从传统技术， 经历了k a m y r 连续蒸煮、m c c 、e m c c i t c 、r d h l o - - s o l i d 等阶段，逐步实现了深 度脱木素蒸煮。浆料的泄放也由“热喷放 逐步改为“冷喷放 。 a 传统蒸煮方法( 间歇蒸煮) 1 ) 碱法蒸煮 ( 1 ) 蒸煮操作 装料、送液； 升温、小放汽：升温时间宜稍长，均匀升温；升温到一定温度或压力时需进行小放 汽，以排除空气，避免假压；松木原料在小放汽时可以回收松节油； 9 陕西科技大学硕士学位论文 最高温( t 一) 下的保温视原料品种与浆料要求而定； 喷放：配合碱回收( 浆料温度与黑液浓度都要高) ； ( 2 ) 蒸煮工艺条件的确定( 间歇式蒸煮) 用碱量的确定根据：原料种类与质量、纸浆要求及残碱要求( 蒸煮终点p h 值不低 于1 2 ) ； 液比的确定：用碱量一定时，液比的大小影响：药液的浓度、药液与原料的混合、 蒸煮锅内药液的循环； 一般采用的液比：蒸球1 ：2 - - - 1 ：3 ；立锅1 ：4 - 1 ：5 。 硫化度的确定： 取决于原料种类( 木素含量、组织结构等) 和成浆要求( 卡伯值) 。 一般：针叶木2 5 - - 3 0 ；草类原料1 5 左右；阔叶木一般处于两者之间；深度脱 木素蒸煮的硫化度要提高一些； 升温时间：取决于原料种类( 木素含量、组织结构等) 和成浆要求( 卡伯值) 。 最高温度与保温时间：取决于原料种类( 木素含量、组织结构等) 和成浆要求( 卡 伯值) 。 2 ) 亚硫酸盐法蒸煮 ( 1 ) 装锅、送液 控制木片水分4 0 - - 4 5 ，有利于药液渗透和增加装锅量；采用蒸汽装锅器，提高木 片温度，使木片在锅内分布均匀，初步排除空气和挥发性树脂，有利于药液渗透和增加 装锅量。先装锅，后送液。装锅完毕盖上锅盖后，从锅体下部泵入蒸煮液，使药液中逸 出的s 0 2 气体为木片所吸收。在送液后期，将锅上部排出的气体导入气体回收系统( 含 较多s 0 2 ) ； ( 2 ) 第一段升温和第一段保温 连续而细微的小放汽，避免假压，回收s 0 2 。到达“临界温度 开始第一段保温， 使药液充分渗透到木片中去，有利于木素磺化，避免木素缩合。“临界温度 与原料品 种有关，据工厂经验，白松酸性亚硫酸钙蒸煮：1 0 5 一1 1 0 ； 马尾松酸性亚硫酸钙蒸 煮：1 1 7 左右； ( 3 ) 第二段升温与药液回收 在第一段浸透和磺化较充分的前提下，第二段升温可以加速进行，在升温到1 3 0 以前，回收多余的药液，继续升温到最高温度( 一般不超过1 5 0 ) ； ( 4 ) 最高温度下的保温 根据蒸煮终点确定保温时间。 ( 5 ) 大放汽和放锅 1 0 制浆蒸煮能量回收机理及应用研究 大放汽( 回收s 0 2 ) 至一定压力时喷放浆料。 b 间歇蒸煮的发展 1 ) r d h 蒸煮技术【1 9 2 0 r d h 蒸煮技术是美国b e l o i t 公司1 9 8 0 年研究开发的，目标是生产低硬度和低蒸汽 消耗的纸浆。这项技术很好地利用了原有的间歇蒸煮设备，其原理就是采用热置换的方法， 实现冷喷放和热量的回收。既提高了纸浆强度，又节约了能量消耗。但该技术需要精确的 控制系统和运行可靠的控制阀门。该技术已在美国、加拿大、芬兰和中国台湾一些纸厂 使用。我国的广宁竹浆厂采用了这项技术。 1 一喷放仓2 一稀黑液贮槽3 一空压机4 一蒸煮锅5 一蒸煮液加热器6 一皂化物罐7 一黑液 贮槽8 一黑液回收锅9 一白液预热器1 0 一白液贮槽 图1 3r d h 系统流程图 f i g u r e1 - 3f l o wd i a g r a mo fr d hs y s t e m 2 ) s u n d s c e l l e c o 蒸煮技术 s u n d s c e l l e c o 蒸煮技术是由瑞典的s u n d s 和c e l l e c o 公司在1 9 8 0 1 9 8 4 年共 同开发并在a s s i k a r l s b o r g 工厂完成试验的间歇蒸煮冷喷放系统。 3 ) 超级间歇蒸煮技术( s u p e r b a t c hc o o k i n g ) 酬 超级间歇蒸煮同r d h 法相比，最大的特点是在预浸后采用专利的热黑液处理工艺， 实现了高温快速脱木素，降低了浆的硬度，提高了浆的得率和撕裂度。总的来说，超级间歇 蒸煮较芬兰的r d h 蒸煮技术全面，工艺更加合理，而同复杂的美国r d h 相比，其工艺技术 更加简单实用。就目前来说，超级间歇蒸煮技术是间歇制浆方法中最先进的。 陕两科技大学硕士学位论文 l ，l淑：= = = ：= 1 一农闭甬羔 三喘汽e二i 咀创圈闺e 热水飞化物j p t t “l 液j ! 蒸发一 1 一蒸煮器2 一热黑液槽3 一次级热黑液槽4 一浸液罐5 一换热器6 一热白液槽7 一置 换液罐8 一喷放罐9 一卸料泵 图1 - 4超级间歇蒸煮工艺流程简图 f i g u r e1 - 4p r o c e s sf l o wd i a g r a mo fs u p e r - b a t c hc o o k i n g c 添加助剂的蒸煮技术 添加蒸煮助剂的目的为加速脱木素速率；减少纤维素和半纤维素降解。 1 ) 氧化性助剂： 氧化碳水化合物的还原性醛末端基，使之变成羧基从而避免剥皮反应。 无机氧化性助剂：多硫化钠n a 2 s n ，亚硫酸钠，通氧( 尚在研究中) ； 有机氧化性助剂：葸醌及其衍生物。 2 ) 还原性助剂： 无机还原性助剂：硼氢化钠，使碳水化合物的还原性醛末端基还原为羟基，从而避 免剥皮反应( 成本高) ； 有机还原性助剂：胺类化合物，促进脱木素作用，缩短蒸煮时间( 未工业化) 。 d 深度脱木素原理与技术 2 0 世纪8 0 年代之前投产的连续蒸煮器，不管是哪