竹材制漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陳 彬

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

竹材制漿技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

陳 彬

(中國制漿造紙研究院,北京,100020)

重點分析了我國發(fā)展竹材制漿的意義和可行性;概述了竹材制漿造紙的歷史和竹材制漿特性;總結(jié)了我國竹材制漿技術(shù)現(xiàn)狀和相關(guān)研究情況,簡單介紹了竹漿漂白技術(shù),同時對發(fā)展我國竹材林基地建設(shè)提出建議。

竹材;制漿;漂白

2009 年,我國紙和紙板總產(chǎn)量達(dá)到 8640萬 t/a,消費量達(dá)到 8569萬 t/a[1],我國已經(jīng)成為名副其實的紙和紙板的生產(chǎn)和消費大國。但是目前,我國紙漿總產(chǎn)量僅 6674萬 t/a,且其中的 74%為廢紙漿,原生漿只有 1735萬 t/a。2009年,我國紙漿總消費量達(dá)7980萬 t,其中進(jìn)口原生木漿超過 1315萬 t,同時進(jìn)口廢紙 2750萬 t,折合廢紙漿為 2200萬 t[1]。我國造紙工業(yè)原料的對外依存度較高,原生漿的對外依存度達(dá) 75.8%,即我國優(yōu)質(zhì)漿料主要依賴進(jìn)口,這將給我國造紙工業(yè)良性和穩(wěn)定的發(fā)展帶來隱患。因此,加快我國紙漿尤其是優(yōu)質(zhì)原生漿的生產(chǎn)步伐,提高我國紙漿的自給率將有利于保障我國造紙工業(yè)穩(wěn)定快速發(fā)展。然而隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)健高速發(fā)展,我國的家具業(yè)和板材業(yè)等木材資源消耗的大戶行業(yè)也迅速崛起,導(dǎo)致我國木材需求量與日俱增。同時,我國森林資源又極度貧乏,可用于工業(yè)生產(chǎn)的木材蓄積量有限,而其中可用于制漿造紙的木材資源更是日趨緊張。我國“第六次全國森林資源清查及森林資源狀況”顯示:我國森林覆蓋率只有 18.2%,人均森林面積為 0.132 hm2,不到世界平均水平的 1/4,我國人均森林蓄積量僅為 9.421 m3,不足世界平均水平的 1/6[2],是世界人均森林蓄積量最低的國家之一;我國森林資源還存在分布不均,質(zhì)量不高及經(jīng)營管理水平落后的現(xiàn)象[2]。

與此相反的是,我國竹林面積位居世界第二,竹林產(chǎn)量位居世界第一,世界竹林總面積約 1400萬hm2,而我國竹林面積達(dá) 500萬 hm2以上,占世界竹林面積的 1/3以上[3-5]。全世界的竹類植物約有 70余屬,超過 1000多種,我國擁有其中的 40余屬,500多種。因此,充分利用我國豐富的竹材資源,針對性地進(jìn)行制漿造紙開發(fā)利用,將有利于緩解我國造紙工業(yè)用纖維原料不足的緊張局勢,進(jìn)而降低我國造紙工業(yè)對外依存度,符合我國國情。

1 竹材作為造紙原料的發(fā)展

竹材是一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)業(yè)資源,具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和生態(tài)價值[6]。在我國,竹材主要分布于北緯 18°～38°和東經(jīng) 92°～122°的區(qū)域內(nèi)[7]。

我國是最早用竹材制漿造紙的國家,始于晉朝。至元明時期,竹材造紙已經(jīng)十分興盛;到 15世紀(jì),當(dāng)時南方各省的竹產(chǎn)地幾乎都有竹紙的生產(chǎn);到了清朝,竹材造紙得到了更進(jìn)一步的發(fā)展,竹材已經(jīng)成了當(dāng)時制漿造紙的主要原料[8]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步,造紙原料逐漸多元化。機(jī)制紙誕生后,因木材原料易得,更適宜規(guī)模化生產(chǎn)等諸多因素,木材造紙原料占據(jù)了主要的地位,竹材不再是制漿造紙最主要的原料。但我國竹產(chǎn)區(qū)的制漿造紙企業(yè)始終以竹材作為其唯一或主要的制漿原料。而隨著造紙產(chǎn)能的增長,林木資源日趨緊張,屬短周期材的竹材用于制漿造紙又引起了人們的高度關(guān)注。目前,我國以竹材作為主要制漿原料的規(guī)模以上企業(yè)有:四川永豐紙業(yè)有限公司、四川金安漿業(yè)有限公司、廣西柳江造紙廠、廣東廣寧鼎豐紙業(yè)有限公司、貴州赤天化紙業(yè)公司、福建邵武竹漿廠等。規(guī)劃建設(shè)的竹材制漿造紙項目有:重慶龍璋紙業(yè)有限公司,瀘州市納溪區(qū)擬建年產(chǎn) 40萬 t以上竹漿廠,瀘州江門造紙有限責(zé)任公司項目,云南景洪市竹漿紙廠項目等[9-10]。

2 竹材制漿造紙?zhí)匦?/h2>

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步,各種分析手段和儀器設(shè)備的完善,我國對竹材資源及其特性的研究更為全面和深入。研究發(fā)現(xiàn),竹材的纖維素含量在 40%～60%[11],其性能可與部分木材纖維媲美。部分針葉木、竹材和闊葉木的纖維長度和寬度見表1[12]。

表1 部分針葉木、竹材和闊葉木的纖維長度和寬度

從表1可以看出,竹材纖維的平均長度介于針葉木纖維和闊葉木纖維之間,平均寬度與部分闊葉木纖維相當(dāng)。許多造紙工作者的研究結(jié)果也印證了這一點:朱惠方等曾對我國的 33種竹材的纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的研究,其研究結(jié)果表明,竹材纖維長寬比大,纖維長度介于針葉木纖維和闊葉木纖維之間,且更近進(jìn)于針葉木纖維[13];徐萃聲則對數(shù)種叢生竹材的纖維形態(tài)和化學(xué)組成進(jìn)行了較為細(xì)致的研究,認(rèn)為叢生竹材造紙性能優(yōu)良,是比較理想的非木材造紙纖維原料,除纖維長度介于針葉木纖維和闊葉木纖維之間外,竹材還適應(yīng)于同其他闊葉木進(jìn)行混合蒸煮制漿,竹子較長的纖維使得混合漿料的強(qiáng)度增加,并提高了混合黑液的燃燒性能,減少了硅干撓[14];中國制漿造紙研究院也曾對產(chǎn)自我國云南、貴州、重慶和四川及福建等省市的多種竹材資源進(jìn)行了纖維形態(tài)和化學(xué)組成分析及制漿特性的研究,研究結(jié)果證實,竹材是優(yōu)良的造紙用材,其材種不同,造紙?zhí)匦月杂胁町?但竹材密度較大,通常在 (0.6～0.8)×103kg/m3間,竹材纖維的細(xì)胞壁較厚,其紙漿在使用過程中應(yīng)因材而用。

3 竹材制漿、漂白技術(shù)

3.1 竹材制漿技術(shù)

由于原料適應(yīng)廣,黑液處理技術(shù)成熟,成漿性能優(yōu)良,生產(chǎn)成本低,硫酸鹽法制漿是竹材制漿中使用最為廣泛的制漿方法[15]。對竹材的其他制漿方法也曾有過相關(guān)研究:李萍等對竹材的化學(xué)機(jī)械法制漿進(jìn)行了研究[4];夏新興等對竹材的磺化化機(jī)漿進(jìn)行了相關(guān)研究[16];中國制漿造紙研究院曾對竹材的燒堿半化學(xué)法和 CT MP制漿方法進(jìn)行了大量的研究。

目前,竹材的制漿蒸煮技術(shù)主要有傳統(tǒng)的蒸球蒸煮、快速置換蒸煮 (RDH)、新型快速置換蒸煮技術(shù)(DDS)、改良的連續(xù)蒸煮技術(shù) (MCC、EMCC、ITC和Lo-Solids Cooking)以及橫管連續(xù)蒸煮技術(shù)等[15,17-19]。隨著我國環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)和制漿企業(yè)的規(guī)?；约吧疃让撃舅丶夹g(shù)的普及,竹材制漿的蒸煮技術(shù)逐漸向環(huán)境友好性強(qiáng)、能耗低、紙漿質(zhì)量穩(wěn)定、適應(yīng)規(guī)?；a(chǎn)的先進(jìn)蒸煮技術(shù)發(fā)展,其中,DDS蒸煮技術(shù)備受推崇[15,17]。DDS蒸煮技術(shù)是由美國CabTec公司在原 Beloit公司的低能耗 RDH間歇蒸煮技術(shù)基礎(chǔ)上研制開發(fā)的一種新的制漿技術(shù)。DDS技術(shù)除秉承了 RDH的優(yōu)點,同時又對原 RDH技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展與升級:DDS技術(shù)原料適應(yīng)性強(qiáng),尤其適宜于竹材原料;制漿結(jié)束不再需要設(shè)置噴放熱回收系統(tǒng);更徹底的蒸煮過程減少了粗渣率;漿料的深度脫木素減少了漂白工序的藥品消耗量與能耗;溫和的蒸煮過程在降低成漿卡伯值的同時盡可能地保持了紙漿的高強(qiáng)度[15,17-19]。正由于上述的諸多優(yōu)點,DDS蒸煮技術(shù)已成為我國以竹材為主要原料的生產(chǎn)企業(yè)的首選制漿技術(shù)。廣東廣寧鼎豐紙業(yè)有限公司、四川金安漿業(yè)有限公司、重慶理文造紙有限公司、四川永豐紙業(yè)有限公司和廣東韶能集團(tuán)珠璣紙業(yè)公司及江西贛州華勁紙業(yè)有限公司均采用了 DDS蒸煮技術(shù)[20]。

3.2 竹漿漂白技術(shù)

與我國竹材制漿技術(shù)相比,竹材化學(xué)漿料的漂白技術(shù)發(fā)展則更為迅速。竹漿的漂白技術(shù)大致經(jīng)過了由最初的次氯酸鹽單段漂白 (H)到經(jīng)典的 CEH三段漂白,進(jìn)一步發(fā)展至現(xiàn)在的無元素氯 (ECF)和全無氯 (TCF)多段漂白技術(shù)的演變過程[15]。目前,為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境,降低漂白廢水的污染負(fù)荷和漂白廢水中 AOX的含量,傳統(tǒng)的氯氣和次氯酸鹽漂劑已逐漸被淘汰,漂白流程中使用了更高效的二氧化氯(D)漂劑,以二氧化氯為主要漂劑的多段漂白流程也逐漸取代了經(jīng)典的 CEH漂白流程[13,15]。為了進(jìn)一步減少漂劑的用量,更多地脫除漿料中的殘余木素,降低漂白前漿料的卡伯值,保證漿料得率,氧脫木素技術(shù) (O)也被廣泛運用于漿料漂白前工段。為進(jìn)一步降低漂白流程中有效氯用量,提高漿料白度,污染程度更低、環(huán)境友好型的壓力過氧化氫漂白技術(shù)(PO)得到了較快發(fā)展,并被成功應(yīng)用[15]。曾經(jīng)被認(rèn)為成本高、產(chǎn)業(yè)化困難的臭氧漂白技術(shù) (Z)在推崇無氯漂劑的今天也逐漸成為研究的熱點[15,21]。在我國造紙工作者的努力下,相信不久的將來,臭氧漂白技術(shù)同氧脫木素技術(shù)一樣可以成功運用于竹漿的漂白生產(chǎn)中。

提高我國紙漿漂白技術(shù)水平,使我國紙漿生產(chǎn)工藝更環(huán)保是造紙工作者的目標(biāo)。近年,我國造紙工作者針對 ECF和 TCF漂白工藝技術(shù)做了大量的研究工作。徐萃聲曾對硫酸鹽竹漿的CEH、CEPH、(C+D)(E/O)HD和 O(C/D)EOD漂白流程進(jìn)行了對比研究,研究表明,采用 CEPH、(C+D)(E/O)HD和O(C/D)EOD漂白代替 CEH漂白后,在保持相同紙漿白度的情況下,漂白過程的用氯量尤其是次氯酸鹽的用量減少,而成漿黏度明顯提高[14]。徐莉莉等對硫酸鹽竹漿進(jìn)行了 DEOPD漂白流程的研究,漿料最終白度達(dá)到 84.1%,黏度保持在 922 mL/g,返黃值只有 0.89,紙漿具有很好的強(qiáng)度[22]。勞嘉葆采用聚木糖酶對預(yù)處理后的硫酸鹽竹漿進(jìn)行 CDEHD漂白,認(rèn)為酶的使用可以降低 24%的有效氯用量,降低紙漿返黃程度,增加紙漿強(qiáng)度[23]。黃六蓮等對中小徑竹材硫酸鹽漿進(jìn)行了 OD1EOD2、OD1EOPD2和 OXD1EOPD2流程的 ECF漂白研究,指出,經(jīng)過優(yōu)化上述各流程均能夠得到白度大于 85%、黏度超過 800 mL/g的漂白竹漿[24]。詹懷宇等對取自四川永豐紙業(yè)有限公司的未漂竹漿 (黏度 1131 mL/g、白度 39.7%、卡伯值 10.5)進(jìn)行了 DQP流程的漂白研究,結(jié)果證明,采用 DQP流程漂白能夠得到黏度 899 mL/g、白度 83.7%、漿張裂斷長 7.1 km、撕裂指數(shù) 14.3 mN·m2/g、耐破指數(shù) 6.1 kPa·m2/g的漂白竹漿[25]。楊玲對硫酸鹽竹漿分別進(jìn)行了 OAQP和 OAQPO短流程的 TCF漂白研究,指出,硫酸鹽竹漿常規(guī) H2O2漂白采用OAQP短流程 TCF漂白可以得到黏度為 879 mL/g、用 SBD測得的白度為 75.2%、卡伯值 5.7的漂白竹漿;硫酸鹽竹漿氧加壓的 H2O2漂白采用OAQPO短流程 TCF漂白可以得到黏度為 890 mL/g、用 SBD測得的白度為 83.6%、卡伯值 4.2的漂白竹漿[26]。中國制漿造紙研究院也曾對多種竹材的硫酸鹽漿進(jìn)行了如 O1O2EOPDPO、O1O2QPO1DPO2和O1O2EOPAPOD流程的 ECF漂白工藝研究和 O1O2EOPAPO、O1O2EOPZPO、O1O2Q1PO1Q2PO2和 O1O2EOPAPO1PO2流程的 TCF漂白研究,為我國竹材及其他材種化學(xué)漿的漂白積累了經(jīng)驗。

隨著高效環(huán)保的制漿與漂白新技術(shù)的成熟以及我國造紙工業(yè)新排放標(biāo)準(zhǔn)的實施,我國竹材制漿造紙企業(yè)也開始使用新的制漿漂白技術(shù)或改進(jìn)了其原有的制漿漂白工藝,降低了污染,減少了廢水排放。四川永豐紙業(yè)有限公司、廣西柳江造紙廠、廣東廣寧鼎豐紙業(yè)有限公司和四川金安漿業(yè)有限公司 (原雅安中竹紙業(yè)有限責(zé)任公司)及福建邵武竹漿廠等相繼使用了二氧化氯代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氯氣進(jìn)行漂白生產(chǎn)[11,13,27],實現(xiàn)了紙漿的 ECF漂白;新建的重慶理文造紙有限公司則采用了OODEOPD的漂白流程;我國規(guī)模最大的竹漿企業(yè)貴州赤天化紙業(yè)公司設(shè)計時就采用了 LECF技術(shù),其二氧化氯用量僅有 0.005 t/t漿,漂白廢水排放量≤7 m3/t漿[28],同時為進(jìn)一步減排降耗,該企業(yè)正在嘗試使用漂白流程為OOQ1OPQ2PO的 TCF漂白技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。企業(yè)的參與進(jìn)一步加速了我國科研成果的產(chǎn)業(yè)化步伐,進(jìn)而推動了我國紙漿漂白技術(shù)的更快發(fā)展。

4 竹材林基地建設(shè)的建議

以竹材作為生產(chǎn)原料的企業(yè)需要重視原料基地的建設(shè)和管理,因為竹材不同于木材或其他禾草類原料,竹材通常為叢生,竹材的生長特性決定了竹林基地的建設(shè)模式與木材或其他禾草類的不同。筆者認(rèn)為,竹林基地的建設(shè)不宜采用純粹的“公司加農(nóng)戶”的方式,更不建議像麥草一樣進(jìn)行散收。多年以前,筆者親歷了種植竹材、砍伐竹材和銷售竹材的全過程,對竹材的種植、砍伐運輸和出售各個環(huán)節(jié)都有較為深刻的體會,以下體會供同仁參考:①竹材的種植。竹材的種植管理是一個技術(shù)活,需要管理者盡職盡責(zé)。竹材發(fā)筍通常是從根部的側(cè)上部出來,所以竹材種植時需要深埋其根部,而且需要年年堆土堆肥,才可以保障竹材的高出筍率和竹筍的高成活率及成竹的粗壯高大、高產(chǎn)。②竹材的砍伐。竹材的砍伐不像麥草、稻草、棉稈和蘆葦?shù)确悄静睦w維原料的收割,竹材的砍伐具有任意性,選擇性[29]。因此,竹材的砍伐要求采伐人員具有一定的專業(yè)知識和敬業(yè)精神,能夠做到間伐的同時不對未砍伐的成材、嫩竹、竹筍等造成破壞。③竹材的收購。竹材的收購是對進(jìn)廠原料的把關(guān),將直接關(guān)系到生產(chǎn)原料的純度和品質(zhì)。然而從竹農(nóng)手里散收的竹材原料往往混有較大比例的嫩竹和未熟材及過熟材,有時還會混雜有變質(zhì)材或其他非竹類原料,甚至可能存在其他非纖維性物質(zhì),而生產(chǎn)原料的較大差異將影響制漿過程及成漿質(zhì)量,并導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。

目前,竹材的種植和采伐運輸及收購各個環(huán)節(jié)都存在不規(guī)范的地方。為了保證原料的高品質(zhì)和原料的穩(wěn)定供給,降低原料環(huán)節(jié)成本,保障生產(chǎn),建議企業(yè)通過相應(yīng)的方式進(jìn)行規(guī)范化操作,并招用專業(yè)人員管理竹林基地和采伐竹材,不輕易散收民間竹材原料。

5 結(jié) 語

我國紙漿尤其是原生漿主要依賴進(jìn)口,發(fā)展自制漿可以降低我國紙漿的對外依存度。然而,我國木材纖維資源匱乏,大力發(fā)展木材資源制漿造紙條件不成熟。我國擁有豐富的、造紙性能良好的竹材資源,科學(xué)合理地將我國的竹材資源用于制漿造紙可以緩解我國制漿原料短缺的局面,進(jìn)而提高我國紙漿的自給率,符合我國國情和我國造紙工業(yè)的產(chǎn)業(yè)政策。

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Current Status and Development of Bamboo Pulp ing&Papermak ing Technology

CHEN Bin
(China National Pulp and Paper Research Institute,Beijing,100020)

The significance and the feasibility of pulping&papermaking with bamboo were introduced in this paper.The features and the technologies of bamboo pulping&papermakingwere reviewed.The oxygen delignification and ozone bleaching technologies of bamboo kraft pulp were involved in this article.This paper also refers to the advice for building the bamboo forest.

bamboo;pulping;bleaching

TS721+.2

A

0254-508X(2010)12-0062-04

陳 彬先生,工程師;主要從事制漿、漂白及相關(guān)技術(shù)的研究。

(E-mail:apmp@163.com)

2010-08-23(修改稿)

(責(zé)任編輯:陳麗卿)