半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法

1.本发明属于造纸技术领域，涉及造纸磨浆工艺，特别涉及一种半纤维素快速溶出 的低能耗磨浆方法。


背景技术：

2.制浆造纸工业中，化学机械法制浆(化机浆，chemical mechanical pulp，cmp) 由于具有原料利用率高、流程紧凑、纸浆适用范围广及产生废水的污染负荷小等优点， 在世界范围得到了迅速发展。
3.其中，碱性过氧化氢化学机械制浆法(alkaline peroxide mechanical pulp，apmp) 或进一步发展的p-rcapmp通过碱性过氧化氢溶液，将蒸煮和漂白在单一的化学预 处理过程中同时完成，降低了设备投资。
4.apmp制浆的流程主要包括：木片洗涤机
→
脱水螺旋
→
预蒸仓
→
一段预浸螺旋压 榨机
→
一段常压汽蒸仓
→
二段预浸螺旋压榨机
→
二段预浸螺旋
→
二段常压汽蒸仓
→ꢀ
一段盘磨
→
消潜池
→
螺旋脱水机
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二段盘磨
→
消潜池
→
筛选
→
浆池。其中一段预浸渍 固液比一般为1：3，二段预浸渍固液比一般为1：5，反应温度60℃～90℃。在整个 apmp制浆过程中，都伴随着制浆与漂白的发生，因此其废液的特征是浓度高、水温 高和生物毒性大，其中溶解的树脂酸和脂肪酸是导致废液毒性的主要原因，低分子可 溶性木素类物质是废液cod的主要来源；并且apmp纤维分离大部分发生在胞间层 (ml)，只有少部分发生在纤维细胞壁的初生壁p层和次生壁s1层，而次生壁s2 层厚度几乎占纤维总壁厚的70％，仍需要机械磨浆，存在磨浆能耗较高的问题。
5.纤维素、半纤维素和木质素共同构成了木质纤维原料细胞壁的主体结构。在木质 纤维原料中，由纤维素组成微细纤维构成纤维细胞壁的网状骨架，半纤维素和木质素 以“粘合剂”和“填充物”填充在纤维之间和微细纤维之间，形成类似于“钢筋混凝 土结构”的细胞壁结构。半纤维素和木质素之间存在着木质素碳水化合物复合体 (lignin-carbohydrate complexes，lcc)，以α-苯基醚键联接、肉桂酸和乙酰基之间的 酯键联接，以及纤维素之间大量的氢键联接等。想要通过化学预处理结合高浓磨浆技 术降低磨浆能耗以及溶出物污染负荷，合理设计能有效打断各种组分间联接键，尤其 是作为“粘合剂”的半纤维素组分的预处理条件极为关键。
6.碱处理可以使羟基肉桂酸(对香豆酸、阿魏酸、芥子酸)和木质素或半纤维素之 间酯键和醚键断裂，用冷碱法生产的本色化机浆在20世纪50年代广泛应用于抄造瓦 楞原纸，新闻纸等。该制浆法使用稀冷碱液在室温下对木片进行常压浸渍或加压浸渍， 然后再进行机械处理分离纤维。但在当时的条件下，其磨浆手段主要为磨石磨木浆等 较为古老的设备进行磨浆，且当时对于成品浆的一些指标，以及木材细胞壁中木质素 半纤维素间化学键合机制研究还不完善，随着20世纪80年代末apmp的出现，冷 碱法化机浆逐渐被淘汰，所以冷碱法制浆在当时没有被很好地体现。apmp制浆工艺 一般是化学和高温作用使木质素在玻璃化温度范围发生软化，再利用盘磨机械力使纤 维在细胞间层断裂分离出来，但细胞内木
质素、纤维素和半纤维素三种组分并没有彻 底解离。
7.近年来，国家环保政策逐步趋严，对制浆造纸行业的清洁生产提出了更高要求， 包括节能、环保、产业绿色化改造升级等。因此，分析细胞壁主要组分的相互作用机 制、细胞壁中木质素半纤维素间化学键合机制、以及细胞壁超微观结构等，并在此基 础上开发低预处理温度、低磨浆能耗、低污染负荷的化机浆制浆工艺，是本发明要解 决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种半纤维素快速溶出的低能耗磨 浆方法，该方法能够有效溶出细胞壁中作为“粘合剂”的半纤维素组分，破坏半纤维 素和木质素之间的lcc键，在磨浆时使纤维素与木质素层之间产生剪切应力，降低 原料的弹性模量；磨浆工艺无需高温环境，将冷碱浸渍与高浓磨浆技术相结合，在得 到优质成品浆的同时，产生更低的cod且消耗更少的能源，使制浆的过程更加清洁 环保，降低制浆成本，并且生产的浆料质量好。
9.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
10.一种半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
11.1)将磨浆原料依次通过剥皮、削片、筛选、洗涤、螺旋脱水得到木片，将木片 由木片泵输送进入螺旋挤压撕裂机，木片被撕裂为束状或丝团状，在螺旋挤压撕裂机 的出口处加入烧碱溶液，束状或丝团状的木片进入预浸器，经过压缩的蓬松木束或丝 团在减压过程中部分恢复原状并吸收烧碱溶液，形成木束和烧碱溶液混合物；
12.2)在预浸器中预浸渍的木束或丝团在反应仓中反应，并进入挤压机挤出废液至 混合物固含量为20％～40％；
13.3)将固含量为20％～40％的纤维束丝碱液混合物经强制喂料器送入高浓磨磨浆， 得到的浆料依次经消潜、筛选浓缩后得到优质成品浆。
14.而且，所述烧碱溶液的浓度为0.5％～5％，且所述束状或丝团状木片与烧碱溶液 的固液比为1：4～1：6，烧碱溶液用量以纸浆绝干质量计。
15.而且，所述螺旋挤压撕裂机的压缩比不小于4：1，所述反应仓内反应温度为0℃ ～50℃，反应时间为1～2h，所述盘磨机的磨浆压力为0.05mpa～0.5mpa。
16.本发明的优点和有益效果为：
17.1、本发明半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，螺旋挤压撕裂机可以将木片挤 压撕裂成束状或丝团状，比表面积增加6～10倍，在卸料口由于容积突然增大压力释 放，蓬松的木束或丝团迅速吸收从出口加入的烧碱溶液并被破碎输送至预浸器，与烧 碱溶液在预浸器中充分完成渗透作用，以便于磨浆，与常规cmp制浆方法相比，将 木片浸渍的被动吸收过程优化为主动吸收，使药液的浸渍作用更加充分。
18.2、本发明半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，预浸渍固液比为1：4～1：6， 比apmp的一段浸渍液比高一倍，有助于半纤维素组分的有效溶出，确保半纤维素 和木质素之间的lcc键断裂，降低原料的弹性模量；挤压机挤出多余废液至木束和 烧碱溶液混合物固含量为20％～40％，使下一段磨浆变为高浓磨浆，同时可以回收碱 液，循环使用。
19.3、本发明半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，与现有的化机浆工艺相比，该 方法省去了预处理的蒸煮或加压的过程，使工艺更简便；该方法得到的成品浆纸浆得 率：
85％～90％；纸浆打浆度：40
°
sr～60
°
sr；纸浆松厚度：2～4cm3/g；纸浆裂断 长：1～3km；浸渍废液cod为50～70mg/g绝干木片。
具体实施方式
20.下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限 定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
21.一种半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，所选用的制浆原料、化学药品和制浆 生产设备以及具体的制浆工艺参数分别描述如下：
22.一、制浆原料和设备
23.制浆中试生产采用商品杨木片由3～5年生的杨木经削片机削成。
24.烧碱采用氢氧化钠粉末，其物化特性为：白色半透明结晶状固体，极易溶于水， 溶解度随温度的升高而增大，溶解时能放出大量的热，水溶液呈强碱性，具备碱的一 切通性。
25.烧碱需要事先在水介质中配制成烧碱溶液，在工艺流程中的螺旋挤压撕裂机出口 处加入到纸浆体系中，固液比为1:5(以绝干质量计)。烧碱溶液的配制方法如下：首 先向容积为3000l的溶解罐内通入2000kg清水，开启罐内搅拌器(搅拌器为双层叶 片，搅拌速度为50-100rpm)，连续将80kg氢氧化钠固体粉末加入溶解罐，继续搅 拌10分钟然后开启罐外循环泵，配制出浓度约为4％的烧碱溶液。
26.二、制浆工艺的具体流程
27.1)将原木剥皮，然后通过削片机、筛选、再碎机、输送机并进入料仓；
28.2)木片经木片洗涤器、木片泵、脱水螺旋后进入螺旋挤压撕裂机；
29.3)在螺旋挤压撕裂机的出口处加入烧碱溶液，束状或丝团状的木片进入预浸器， 木片经受机械挤压、浸渍吸收烧碱溶液；
30.4)被浸渍的木片在反应仓中反应，并进入挤压机挤出废液至木束和烧碱溶液混 合物的固含量为30％，经强制喂料器送入高浓磨磨浆；
31.5)出磨浆机的纤维物料通过消潜池消除纸浆纤维的卷曲扭结的潜态，通过压力 筛的筛选、多圆盘浓缩机的脱水浓缩后得到优质成品浆，经中浓泵输送至贮浆塔，备 用。
32.三、具体的制浆工艺参数
33.主要操作单元的工艺参数如下：
34.螺旋挤压撕裂机：压缩比4：1；
35.反应仓：温度10℃，反应时间2h；
36.磨浆浓度为30％，磨浆压力为0.5mpa；
37.消潜池：纸浆纤维浓度5％，温度约为80℃；
38.压力筛：进浆浓度约为5％；
39.贮浆塔：纸浆纤维浓度约为20％；
40.由本实施例所生产的高得率纸浆质量特性为：
41.木片弹性模量
42.烧碱预处理前后木片的弹性模量，通过万能力学试验机测定得到：预处理前7199 mpa；预处理后6532mpa，较预处理前木片弹性模量下降约9.27％；
43.挤出机挤出废液中半纤维素总量
44.利用配备示差检测器(rid)和二极管阵列检测器(dad)的高效液相色谱仪， 对废液中的糖进行定量分析。半纤维素溶出量31.51mg/g绝干木片；
45.废液cod、ss
46.根据国标gb11914-89标准方法测定化学需氧量cod为56.9mg/g绝干木片，固 形物ss为0.08mg/g绝干木片；
47.打浆度
48.根据gb/t 3332-2004肖伯尔-瑞格勒法测定纸浆打浆度，47
°
sr；
49.手抄片质量特性
50.将制得的高得率浆按照gb/t 24326-2009抄造手抄片，按照gb/t 10739-2002在 恒温恒湿条件下贮存备用；手抄片定量66g/m2条件下，松厚度为3cm3/g；裂断长1.37 km，浆料质量良好。
51.尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不 脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因 此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。

技术特征：
1.一种半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，其特征在于：所述方法的步骤为：1)将磨浆原料依次通过剥皮、削片、筛选、洗涤、螺旋脱水得到木片，将木片由木片泵输送进入螺旋挤压撕裂机，木片被撕裂为束状或丝团状，在螺旋挤压撕裂机的出口处加入烧碱溶液，被撕裂成为束状或丝团状的木片进入预浸器，经过压缩的蓬松木束或丝团在减压过程中部分恢复原状并吸收烧碱溶液形成木束和烧碱溶液混合物；2)在预浸器中预浸渍的木束或丝团在反应仓中反应，并进入挤压机挤出废液至混合物固含量为20％～40％；3)将固含量为20％～40％的纤维束丝碱液混合物经强制喂料器送入高浓磨磨浆，得到的浆料依次经消潜、筛选浓缩后得到优质成品浆。2.根据权利要求1所述的半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，其特征在于：所述烧碱溶液的浓度为0.5％～5％，且所述束状或丝团状木片与烧碱溶液的固液比为1：4～1：6，烧碱溶液用量以纸浆绝干质量计。3.根据权利要求1所述的半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，其特征在于：所述螺旋挤压撕裂机的压缩比不小于4：1，所述反应仓内反应温度为0℃～50℃，反应时间为1～2h，所述盘磨机的磨浆压力为0.05mpa～0.5mpa。

技术总结
本发明涉及一种半纤维素快速溶出的低能耗磨浆方法，能够将木片浸渍的被动吸收过程优化为主动吸收，使药液的浸渍作用更加充分，有助于半纤维素组分的有效溶出，确保半纤维素和木质素之间的LCC键断裂，降低原料的弹性模量；同时可以回收碱液，循环使用。与现有的化机浆工艺相比，该方法省去了预处理的蒸煮或加压的过程，使工艺更简便；该方法得到的成品浆纸浆纤维打浆度更高、品质更好、产生COD更低。产生COD更低。


技术研发人员：李群 刘蓉蓉 孙玉帅 孟凡盛 何爽 王越平
受保护的技术使用者：天津科技大学
技术研发日：2021.08.10
技术公布日：2022/3/8