高得率制浆.ppt

第三章高得率制浆 本章主要内容 磨石磨木浆原理木片机械磨木浆热磨木片磨木浆半化学浆化学机械浆 第一节磨石磨木浆 SGW StoneGroundWood 磨石磨木浆的磨浆原理磨木操作及影响因素 一磨石磨木浆的磨浆原理 一 磨木的过程 如图 装在磨木机料箱内的原木送料机构 工作链条 以很大的压力把原木紧压在快速回转的磨石上面磨成浆 可分为三个阶段 第一阶段 由于机械作用产生的热能引起胞间层木素塑化 第二阶段 自木材结构上将纤维分离下来 第三阶段 分离下来的纤维和纤维束的复磨和精磨 此三阶段不能截然划分 他们密切相关 相互影响 二 磨浆过程中的能量传递 可以设想 磨木是将电动机发出的能量通过回转的磨石表面传递给木材的过程 1 一部分变成摩擦能 切向摩擦产生的能量 摩擦能的大小取决于磨石的表面结构 即磨石的表面露出来的磨料粒度的平均值 也与磨碎面积有关 2 一部分变为振动能 径向振动产生的能量 磨石表面的刻纹在运转过程中越过木材结构的某一点时 就会使表面压力出现一次压力脉冲 或者说在木材表面上受到交替的压缩 膨胀作用 因此 能量又会部分的以脉冲形式通过振动传给木材 三 切向摩擦力和径向振动力两者的能量分布对磨木过程的关系 由于木材的弹性和塑性 压力 松弛脉冲会被木材吸收并转化为热 使温度升高 引起木材性质上的变化 木素较纤维素更易软化 而胞间层木素浓度最高 当切向摩擦力升高到木材破裂所必须的力以前 如温度已升高到木素的软化温度 则纤维沿胞间层分离 反之如木素未达到软化 摩擦力已高达引起木材破裂的程度 则木材会在细胞壁任意处破裂 导致木屑和大小不一的木块产生 或是产生了破损的纤维和粉状的细料 由此可见 切向摩擦力和径向振动力的能量的分布是磨木过程的关键 四 影响切向摩擦力和径向振动力的因素 在同一输出功率下 摩擦系数越大 切向作用越大 摩擦系数越小 径向作用越大 而摩擦系数随峰谷上升到峰顶的水量增加而降低 这一水量取决于磨石表面谷部的水量 峰侧的弧度 把水抛向木材的离心力及木材对它的阻力 振动能的大小 取决于磨石表面的磨粒峰部施于木材的压力以及压力脉冲的间歇时间 即振动的频率 而后者与磨石表面的线速 磨石表面峰部和谷部的分布情况有关 即与磨石磨层材料性能和刻石情况有关 五 磨石过程中纤维离解进程 1 比磨碎时间磨石转动一个磨纹间距的时间 即ts a vnts 比磨碎时间 s a 相邻两磨纹间距 mm vn 磨石圆周速度 mm s 2 比磨层厚度 ds 指在比磨碎时间内的喂料厚度 设喂料速度为vH 则ds vH ts vH a vn 3 纤维的离解过程以及与喂料速度及圆周速度的关系当喂料速度 磨石圆周速度及磨石刻纹间距在极限值以内时 ds介于0 07 0 2 m之间 而云杉管胞直径为20 40 m 则磨石转动一个刻纹间距木材向磨石喂送的料层厚度 只有一根纤维直径的1 600 1 100 换言之 要使喂料的厚度达到一根纤维的直径 则磨石要转动100 600个刻纹间距的距离 即一根纤维要受到100 600个刻纹的作用 已知ts 5 10 2 20 10 2ms时 则一根纤维从木材结构上分离的延续时间为 5 10 2 100 20 10 2 600 ms 即5 120ms或0 005 0 12s当喂料速度vH提高7倍 如 由10mm min提高到70mm min 时 ds也增加7倍 即纤维离解加快 获得的浆粗糙 细纤维化程度不大的较长纤维 当磨石圆周速度vn减少6倍 如30m s减少到5m s时 由ts a vn知 ts增加6倍 而ds ts vH也增加6倍 即磨石转速变慢 磨出的浆质量较粗 纤维束多 二 磨木操作及影响因素 磨木浆的生产操作要求在保证浆料质量前提下 尽可能降低能量消耗 提高每台磨木机的生产能力 所以 必须根据原木的质量掌握刻石操作 稳定工艺条件 以达到稳定磨木浆质量的目的 一 原木材种和质量 原木的材种我国适于生产磨木浆的材料 北方多用白松 杨木 南方多用马尾松 冷杉 这些材料色泽较好 材质较松 纤维较长 各材种必须分别选择相应的磨碎条件 以得到最好的结果 白松 冷杉生产的磨木浆强度高 白度好 单位能耗低 马尾松树节多 动力消耗较高 树脂含量较大 纸浆白度稍差 但是密度大 得率高 也能满足新闻纸的要求 杨木单位能耗较少 但是浆强度低 可以与白松配用我国对马尾松的磨木经验是 采用高负荷 钝石面 高温低浓磨浆 杨木磨浆则一般采用低负荷钝石面磨浆 原木质量原木质量包括木材的比重 水分 树节 弯曲和腐朽等 其中以水分影响最大 水分低于30 的木材 磨浆时产量低 质量差 动力消耗大 原木含水量以40 45 为最适宜 水分超过50 也会使产量下降 已经开始腐朽的原木材质较轻 在同样磨浆条件下 得到的浆料较粗 纤维束含量多 对此应该轻刻石 用较钝的磨石磨碎 并相应延长刻石周期 水上贮存的沉水木 材质较好 在生产中应相应的增大负荷 勤刻石 以使浆料质量稳定 二 刻石操作 刻石时 应首先检查石面是否平整 否则先找平 除去卡在长型挡板处的木片 检查刻石刀型号是否合适 安装是否牢固水平 在同一台机前后使用不同型号的刻石刀时 先将原有刻纹打平 打平后再刻石 三 磨木漿质量的控制 磨石表面的状态磨木比压磨石线速度磨石弧长浆坑的温度和浓度磨石浸渍深度粗渣再磨 磨石表面的状态 1 磨木过程中磨石表面状态的变化及其影响 磨石的表面状态影响磨浆的性能 刚刻石时候 纹锋锐利 因此以切割纤维为主 产量高 但磨出的纸浆多短硬纤维和粉状细料 经过一段时间磨浆后 磨料粒子变成钝圆 获得质量适宜的浆 但磨石进一步变钝 粗糙度进一步减小 产量下降 打浆度升高 又需进行刻石提高其鋭度 在一个刻石周期内 磨石的工作阶段和纸浆产 质量的变化如下表所示 各工作阶段时间的分配大致为 自动磨钝阶段占刻石周期的 主要磨浆阶段占 其余为缓慢下降阶段 生产中采用刻石去锋 就是为了缩短自动磨钝阶段 适当提高这一阶段的质量 为了稳定磨木浆质量 除需稳定其他操作因素外 还应尽量减少磨石表面状态的改变 这就要求采用强度大的磨石 延长刻石周期 并稳定刻石操作 磨料粒子粒度的影响 粗粒度的磨石生产的浆较粗 含有较多的纤维束 滤水性能高 产量大而动力消耗低 细粒度的磨石 纸浆质量比较好 纤维较细长 细纤维化比较好 滤水性能降低 产量较低 动力消耗较高 粒度的均匀性好的磨石 得到纸浆的质量较好 动力消耗较低 磨料粒子平均粒度的选择主要取决于所要求的浆的质量 纤维的粗细 磨木机的磨木弧长和磨石的比压 磨木刻纹粗细深浅的影响 一般来说 刻纹细而浅 磨出的浆料具有较细小的纤维 刻纹粗而深 则磨出的浆料粗大纤维多 细粒度的磨石多用刀号高的刻石刀 粗粒度的磨石采用刀号低的刻石刀 粗粒度的磨石 在刻石较浅时 也可以得到质量较好的漿料 如细粒度的磨石刻石过深 也会引起质量恶化 原木水分高时 刻石不宜太深 原木水分低则刻石较深 磨木比压 1 比压的计算 磨木比压是影响磨木过程的重要因素 它表示每单位磨碎面积上所受的压力 在磨木过程中 原木与磨石的接触面积是不断变化的 因而比压在一个很大的范围内变化 由于木材与磨石的几何面积不可能完全接触 因此 磨料粒子对木材的实际压力要更高一些 生产中磨木压力以平均压力表示 机械加压式磨木机的比压 按消耗的功率计算 P0 102Ne 98 04 ueFev kpa 式中 Ne 磨木时的有效功率 KW ue 摩擦系数 通常为0 15 0 25Fe 有效磨碎面积 cm2 v 磨石线速 m s 而Fe B1bL式中 B1 磨木工作面的有效利用系数 0 75 0 95b 磨木长度 cm L 磨木弧长 cm 链式磨木机的比压范围 大型链式普通链式274 353kpa176 246kpa 2 比压对磨木浆的影响 当其他条件不变时 增加比压可以提高磨木机的生产能力 单位电耗略有下降 适当增加比压 可以改善纸浆质量 但如比压太大 产量虽然增加 但浆中粗大纤维增多 细纤维含量减少 筛选尾浆加大 强度反而降低 磨木比压与装料操作有密切关系 装料应紧实 整齐 大小搭配 卡边木材应选择单根整原木 防止跑链和卡木 为了保持磨木机电机负荷稳定 磨木比压和磨石锐度配合原则是 钝石面 高比压 锐石面 低比压 如前所述 磨木机装有自动控制装置自动调节装置 自动调节进料速度 以保持磨木机的负荷稳定 磨石线速度 在一定比压下 磨石线速度提高可以使磨出来的纤维细长而富有弹性 使磨木浆质量提高 磨木机的生产能力和动力消耗也随之增加 但在一定范围内 由于产量的增加速度高于动力消耗的增长速度 单位能耗却相对减少 提高磨石线速度是磨木机生产技术发展趋势之一 旧式磨木机线速度仅为18m s 现代磨木机线速度可达28 31m s 但线速的增加要受磨石机械强度的限制 在磨石运转中 由于磨石不断变小 磨石线速相应降低 为稳定磨木浆的产量和质量 要处理好进料速度和磨石线速之间的关系 磨石弧长 磨木弧长是料箱前后壁之间的磨石圆弧长度 磨木弧长增加可提高产量 并增加纤维复磨与精磨的路程 对提高纸浆质量有利 但弧长过大则造成过度复磨 反而使纤维磨碎 另外 较大的磨木弧长会增加动力消耗 磨木的弧长一般随磨木机规格的增加而增大 但有一定限度 一方面要考虑原木不会被卡进料箱与磨石的空间 另一方面要避免纤维受到过度的复磨作用 链式磨木机弧长一般为840 1700毫米 对于磨木弧长很大的磨木机可以使用稍粗一点的磨石或适当的增加比压 以抵消一部分复磨作用 使纸浆不致磨得太细 浆坑的温度和浓度 1 浆坑温度与浓度的调节 在磨浆时 磨碎区产生的热量 除部分散发外 其余均由磨石和浆料带入浆坑中以加热浆料 因此浆坑温度与磨碎区产生的热量有直接关系 但也与白水温度和用量有关 磨浆温度应该是指磨碎区的温度 但生产上往往把浆坑温度作为磨浆温度 在同样的磨浆条件下 改变白水的温度和用量 可以调节浆坑的温度和浓度 有些磨石机装有温度自动调节控制器 2 磨浆温度对磨浆的影响 磨木时按磨浆温度可分为冷磨法和热磨法两种 浆坑温度低于50 C为冷磨法 在温度为70 95 C的为热磨法 目前冷磨法已经淘汰 改变磨浆温度 可以影响纸浆的滤水性 强度以及磨木机的生产能力和单位动力消耗 提高磨浆温度对磨木起显著作用的是对纸浆质量的影响 随着磨浆温度的提高 纸浆纤维的分离更为完全 可以生产出强度高 滤水性能较低的细浆 因此浆坑温度宜高些 3 浆坑浓度对磨浆的影响 浆料浓度对磨浆的影响与温度的相反 提高浆坑浓度 虽然在固定的白水温度下 将提高磨浆温度 从而降低了动力消耗 然而高浓不但降低磨木机的生产能力 造成大量的浆料复磨 而且浆料质量降低 故在磨浆中高浓并不是所期望的 高于2 0 2 5 为高浓 低于此为低浓 低浓磨浆的优点是 由于浆坑中浓度较低 磨石浸渍深度小 磨石表面比较干净 减少了多复磨作用和石面糊浆现象 从而降低了细小纤维的含量 提高浆料强度和磨木机的生产能力 并降低单位电耗 4 高温低浓是较理想的磨浆条件 为了达到高温低浓 生产中一般将白水温度控制在合理的范围内 以利于提高磨碎区温度 同时适当调节喷水量 保持一定的浆坑浓度 若白水温度过低 则用蒸汽加热 目前各厂的浆坑温度多保持在70 85 C范围内 浆坑温度较白水温度高10 C左右 浓度控制在2 0 左右或以下 磨石浸渍深度 将磨石浸入浆内可以清洗磨石表面 同时使磨石得到均匀的冷却 磨石浸渍深度是以浆坑档板高度调节的 浆坑浓度越大 则磨石的浸渍深度也应越大 当磨浆温度和浆坑浓度不变而增加浸渍深度时 则磨木机的生产能力下降 单位电耗高 但漿料质量有所改善 如裂断长提高及细小纤维含量略有增加 粗渣再磨 多年来我国新闻纸厂都将磨木浆的平筛粗渣送回磨木机再磨 这样不单影响磨木机的能力的发挥 而且磨出來的浆纤维束多 影响质量的提高 而精选机的粗渣使用老式再磨机处理效果也很差 为此不少工厂都改革生产流程 如有的工厂使用经改造的 915双盘磨在高浓下处理筛渣 浆的质量明显提高 第二节木片机械磨木浆 RMP 及热磨木片磨木浆 TMP 木片机械磨木浆及热磨木片磨木浆的概述木片磨木浆以及热磨木片磨木浆的生产方法 一 木片机械磨木浆及热磨木片磨木浆的概述 这是30多年来发展起来的一种机械制浆法 不用化学药品 采用盘磨机来分离和精磨纤维 根据不同的制浆工艺过程分为RMP和TMP两种 近年来 这种制浆方法有了迅速发展 特别是TMP 可以看做是由RMP发展来更由发展前途的方法 优点 1 使用原料范围广 木材利用率高 过去磨石磨木机不宜使用的制材厂的边材 刨花 锯末都可用作原料 枝桠材及一部分阔叶树种也可以使用 2 生产能力大 占地面积小 自动化程度高 大大的提高了劳动生产率 3 RMP和TMP的强度较相同打浆度的GWP高 抄纸性能好 不透明度和印刷性能也好 可减少新闻纸中化学浆的配比 4 操作稳定 控制方便 质量适应性范围大 改变磨盘齿型和磨盘间隙及生产条件 可得到不同质量纸浆 在磨浆前对木片预处理 可提高纸浆质量 5 可以减少对环境的污染 缺点 1 RMP和TMP的单位电耗要比GMP高50 以上 针叶木的动力消耗为1500 2000千瓦时 吨浆 2 盘磨机磨盘使用寿命短 设备维修费用高 维修工作量大 3 成纸平滑度较低 白度稍差 二 木片磨木浆以及热磨木片磨木浆的生产方法 一 木片磨木浆 RMP RefineMechanicalPulp 磨浆过程磨浆时木片进入两个高速相对运动的磨盘之间 在磨盘的破碎区木片先被破碎成火柴杆状 然后进入磨碎区 这时木杆一部分受磨齿的机械作用 更主要靠木杆之间的摩擦 撕裂作用 被磨成木丝 之后在精磨区被分离成纤维并细纤维化 在磨碎中由于很高的摩擦作用而产生高温 使木片加热 因而纤维能在比较不受损伤的情况下分离 因此而木片磨木浆较磨石磨木浆的长纤维组分含量高 强度也较高 但不透明度稍低 磨浆过程基本上可分为两个阶段 首先将木片磨成单根纤维而尽可能不降低纤维长度生成碎片 因此在此阶段浓度要高 磨盘间隙要大一些 使木片与木片相互摩擦而离解 其次是将纤维进一步细纤维化 因而要求纤维受到较多机械作用 在此阶段磨盘间隙要小 浓度稍低 在盘磨机磨浆中 从木片到制成质量符合要求的纸浆 要想在一次处理中完成比较困难 必须用分段磨浆 二 热磨木片磨木浆 TMP ThermoMechanicalPulp 原料木片经短时间高温预汽蒸后 在压力下用盘磨机磨碎所得得纸浆 叫热磨木片磨木浆 TMP 1 热磨木片磨木浆的工艺条件 1 预热的温度 压力和时间 预汽蒸和磨浆的温度 应不超过木素的玻璃态转化温度120 135 C 当磨漿温度高于木素玻璃态转化温度时 由于木素已经充分软化 纤维的分离发生在木素含量高的胞间层和初生壁之间 虽纤维较易离解 但软化了的木素附在纤维上 当一段磨浆后的浆料温度一降低 木素就凝固为玻璃状的覆盖层 防碍分离出的纤维在二段磨浆时的进一步细纤维化 磨浆需要更多的动力 打浆度上升少而白度显著降低 当磨浆温度在接近于木素的转化温度时 木素大部分还没有充分软化 纤维主要在次生壁外层和初生壁之间分离 纤维易于细纤维化 此时由于温度亦较高 纤维易于分离 一段磨浆所需要的动力较少 同时长纤维含量较多 纸浆强度高 总的动力消耗比普通木片磨木浆的动力消耗少 而白度并不怎么降低 实际生产经验证明 在98 294Kpa压力下 汽蒸1 2min 木片预热的时间已经足够 如压力超过294Kpa 纸浆的白度和不透明度会明显下降 而动力消耗增加 但如蒸气的压力低于98Kpa 纤维束含量将增加 纸浆特性无任何改善 在上述压力范围内改善预热木片的温度 压力 在一定程度上能调节纸浆的质量 通常生产纸板用的浆 压力偏高一些 生产文化印刷用纸的浆压力多在196Kpa以下 以获得较好的光学性能 2 磨浆浓度 高浓磨浆是TMP的质量关键 应在20 30 的范围内 第一段目的在于离解纤维 为避免纤维切断 主要依靠木片间相互摩擦作用来分离纤维 浆浓度应高一些 一般在25 左右 第二段主要在于发展强度 故要求产生细纤维化作用 磨浆浓度不应太高 一般在20 左右 3 能量分配 研究表明 第一段的磨浆的动力消耗是一个重要的操作因素 为制得打浆度相同的浆料 增加压力磨浆段的动力输入 可以减少磨浆的总动力消耗 但所得的浆纤维长度小 物理强度较低 碎片含量多 据研究 TMP第一段压力磨浆的能量消耗占总动力消耗的50 时 可以获得最高的强度 2 热磨木片磨木浆质量 TMP有如下特点 1 长纤维组分含量高 纤维束含量少 2 各项强度比普通木片磨木浆高 特别是撕裂度更高 3 虽然经过预热 但白度降低少 TMP具有其他磨木浆的优点 而且有其本身的特点 当它成为各种纸张的一个组分时 可以大大减少或不需用化学木浆 并为扩大使用阔叶木创造条件 因而具有广阔的前景 三种磨木漿的质量比较 第三节半化学浆和化学机械浆 中性亚硫酸盐半化学浆化学机械浆 一 中性亚硫酸盐半化学浆 即所谓NSSC浆 NeutralSulfiteSemi Chemical 蒸煮液主要成分Na2SO3及缓冲剂Na2CO3 NaHCO3等 在适当高温下 150 190 C 蒸煮后 再用盘磨机磨解 一 蒸煮时各成分的反应和变化 木素 主要限于木素中的酚型结构单元 磺化速度很慢 反应不完全 半纤维素 虽然不易水解 但通过中和易于除去的乙酰基和其他酸基及LCC的水解 有一定数量溶出 但很少降解 由于 法对半纤维素的温和作用 浆容易打浆 漂白后能抄造紧度大 强度高的纸张 纤维素 降解极少 二 蒸煮参变数 1 原料品种 木素含量超过30 且抗拒性大时 制半化浆有困难 因此 针叶木不宜 阔叶木较好 阔叶木中比重小的易于渗透 最适于NSSC浆如桦木 白杨等 而山毛榉稍差 栎木最差 2 药液的组成 大多使用Na2SO3 使用 NH4 2SO3蒸煮 蒸煮速度变快 但浆的颜色暗 强度差 缓冲剂是用来中和蒸煮初期形成的有机酸 用量取决于产生酸的多少及性质 一般为木材绝干重量的1 5 3 0 以Na2O计 缓冲剂还能影响浆的白度 使用NaHCO3能获得白度高的浆 3 液比低的液比 蒸汽消耗低 药液浓度高 一般在保证均匀渗透的前提下 使用较低的液比 一般为1 5 1 4 1 4 药品用量直接影响蒸煮的程度和得率 增加药品用量 会降低得率 但能增加强度 因此考虑到原料情况及浆的质量要求 5 温度增加温度能增加反应速度 升高10 C的温度系数为2 3 由于本法的 中性 特点 温度应高一些 一般在160 185 C 6 时间以已消耗90 95 的药品加入量为终点 三 蒸煮的设备 可以使用蒸球等间歇设备 更适用于连续蒸煮设备 如 M D型斜管式蒸煮器 汤佩拉BC连续蒸煮器 四 半化浆的机械处理 同木片磨木浆 用盘磨机磨碎 离解及细纤维化 二 化学机械浆 一 CMP ChemicalMechanicalPulp 在常温或在一定温度 压力 下 用化学药品处理木片 草片 然后在磨浆机里磨解成浆 此法已有较长的历史 最早于1947年出现第一次研究的报道 最先使用的是冷碱法 ColdSodaCMP 此法至今仍在CMP领域中占主要地位 又出现在一定温度 压力 下进行化学处理 并使用Na2SO3 1 流程 2 设备包括 1 木片分选设备 2 化学预处理设备 蒸球 蒸煮锅 斜式和横管式连续蒸煮器 压力浸渍器等 3 螺旋压榨机 用于预离解及回收废液 4 盘磨机 5 筛选及净化设备 6 漂白设备3 CMP的纤维离解原理化学处理的润胀差异使胞间层及纤维的体积增加不同 而胞腔体积大大减少 这便产生了应力 而这种应力在磨浆时在胞间层 初生壁及次生壁之间产生了破裂 并暴露出微纤维 显微镜观察CMP可发现大量的未被破坏的暴露出次生壁及微纤维的纤维 4 CMP的化学成分变化以杨木 aspen 的CMP为研究对象的报告中指出 浆的损失随碱耗的增加而增加 溶出物主要为半纤维素 当浆的得率为90 93 时 有5 10 的木素及碳水化合物溶出 其中主要为半纤维素 溶出的木素很少 大量是乙酰基 最近的研究指出 溶出的半纤维素主要是木糖 Xylan 5 CMP的漂白漂白方法 同磨木浆漂白剂 亚氯酸钠 过氧化物 钠或氯 亚硫酸钠漂白程度 可从40 50 漂至60 70 6 废液的回收及排放化学处理后的废液可以补充化学药品后再次使用 洗浆后的废液可以回用做磨浆机 筛选和净化稀释水 很明显 反应产物随白水排走或者由浆带走 如果工厂的产量不大 其环境污染的影响可以忽略 如果工厂的产量很大 可以和工厂的碱回收系统交叉回收 二 CTMP ChemicalThermo MechanicalPulp CTMP的发展不是突然出现的 是长期进行基础研究的结果 CTMP是强化处理的CMP 也是TMP的改进 CTMP是TMP的热软化作用与CMP的化学软化作用的相加 使纸浆的强度提高 采用加热和化学药品处理的改良法 能使采用的材料扩大 质量提高 并使纸浆用途增大