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    淺述我國制漿科學技術學科現(xiàn)狀與發(fā)展

    2011-02-13 22:23:20詹懷宇付時雨李海龍
    中國造紙 2011年2期
    關鍵詞:黑液木漿紙業(yè)

    詹懷宇 付時雨 李海龍

    (華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

    淺述我國制漿科學技術學科現(xiàn)狀與發(fā)展

    詹懷宇 付時雨 李海龍

    (華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室,廣東廣州,510640)

    本文概述了我國制漿科學技術學科的現(xiàn)狀與發(fā)展以及制漿科學技術在生產發(fā)展中的作用,并就制漿科學技術學科的發(fā)展提出幾點建議。

    制漿科學技術;現(xiàn)狀;發(fā)展

    制漿是利用化學或機械、或兩者結合的方法,使植物纖維原料離解,變成本色紙漿或漂白紙漿的生產過程。制漿的主要作用是為造紙和其他纖維加工業(yè)提供優(yōu)質的紙漿。制漿技術與資源消耗、產品品質、環(huán)境影響和企業(yè)效益密切相關。制漿科學技術學科涉及化學、化工、材料、生物、環(huán)保、機械、控制等多學科的知識,其基本任務是研究不同纖維原料的特性、各種制漿方法的技術與原理以及制漿過程廢棄資源的回收利用技術與原理,為科學合理地利用植物纖維資源和開發(fā)新工藝、新技術、新產品提供科學與技術依據(jù)。

    1 制漿科學技術學科發(fā)展現(xiàn)狀

    近年來,制漿科學技術的進步和發(fā)展迅速,在節(jié)約資源、保護環(huán)境、提高質量、增加效益等方面均取得長足的進步,正朝著高效率、高質量、高效益、低消耗、低排放的現(xiàn)代化大工業(yè)方向持續(xù)發(fā)展。

    1.1 木材原料化學法制漿科學技術

    化學法制漿的主要目的是利用化學方法盡可能脫除纖維原料中的木素,同時盡可能保護碳水化合物,使其少受損傷,以提高紙漿的得率和強度。我國木材原料化學法制漿,幾乎都采用硫酸鹽法蒸煮。近年來,國內根據(jù)使用的各種木材原料,深入地開展深度脫木素的改良硫酸鹽法蒸煮技術與理論的研究。大多木漿廠 (尤其是新建和擴建的木漿廠)將深度脫木素、提高蒸煮脫木素選擇性的四個基本原則應用于木漿生產中,即:①蒸煮過程中的堿液濃度盡量保持均勻;②蒸煮初期蒸煮液中的 HS-濃度應盡可能高;③蒸煮過程 (尤其蒸煮后期)蒸煮液中溶出物的濃度應盡可能低;④采用盡可能低的蒸煮最高溫度。具體運用的工藝技術包括 20世紀 90年代的 RDH(快速置換加熱,或低能耗間歇蒸煮)、EMCC(深度脫木素改良連續(xù)蒸煮)、ITC(等溫蒸煮),取得較好的節(jié)能降耗、提高得率和紙漿質量的效果。近年,則采用更加高效、節(jié)能的 DDS(置換蒸煮系統(tǒng))、Lo-Solids(低固形物蒸煮)和 Compact Cooking(緊湊蒸煮)新技術。

    DDS(Displacement Digester System)是在 RDH技術的基礎上研發(fā)出的一種新型制漿技術。DDS蒸煮時,蒸煮液的連續(xù)置換有利于蒸煮液的浸透作用,保證蒸煮的均勻性,并提高最初蒸煮的溫度而減少總的蒸煮時間,較高的液比也有利于藥液的均勻浸透;先進的控制技術很好地解決了偏流、放鍋過程堵塞和槽區(qū)液位預測等問題;更有效地利用溫、熱黑液的熱能及其浸透與置換作用,顯著地降低了能耗,提高了紙漿得率,得到低卡伯值、高強度的紙漿。廣東鼎豐紙業(yè)、廣西賀達紙業(yè)采用 DDS技術對原間歇蒸煮系統(tǒng)進行改造;湖南泰格林紙湘江紙業(yè)、山東博匯紙業(yè)新建的DDS蒸煮系統(tǒng),均已投入運行,取得很好的經濟效益和環(huán)境效益[1]。

    低固形物蒸煮 (Lo-Solids)是在 EMCC技術的基礎上研發(fā)出的一種現(xiàn)代連續(xù)蒸煮技術,其主要特點是最大限度地降低各蒸煮區(qū)內蒸煮液中固形物的濃度,而蒸煮白液分多處加入,使蒸煮過程有效堿濃度分布更加均勻,脫木素選擇性進一步提高。與 EMCC相比,蒸煮過程中白液濃度、蒸煮溫度更加均勻,得到的紙漿篩渣率很低、得率高、黏度和強度高。云南云景林紙 10萬 t/a漂白硫酸鹽木漿生產線、湖南泰格林紙懷化駿泰漿紙 40萬 t/a化學木漿生產線均采用Lo-Solids蒸煮新技術,實現(xiàn)了高效、節(jié)能、清潔生產[2][3]。

    緊湊蒸煮 (Compact Cooking)是一種新的連續(xù)蒸煮技術。緊湊蒸煮系統(tǒng)主要包括緊湊型喂料系統(tǒng)、預浸器和蒸煮器等。主要特點是:采用黑液預浸漬,優(yōu)化蒸煮過程藥液濃度并采用低溫蒸煮。蒸煮桉木時的最高溫度為 140~150℃,蒸煮段堿濃分布更均勻,降解條件更溫和,更好地保護了碳水化合物,提高了紙漿的得率和黏度,同時提高了紙漿的可漂性。海南金海漿紙公司 100萬 t/a漂白闊葉木漿生產線,采用G1型緊湊蒸煮,桉木漿得率達到 50%,噸漿蒸煮汽耗降到 500 kg以下。在第一代緊湊蒸煮基礎上進行改進而開發(fā)的第二代緊湊蒸煮 (Compact Cooking G2)工藝中,預浸溫度更低,約 100℃,而預浸時間更長;蒸煮溫度更低,針葉木可降至 150℃,闊葉木可降到 140℃;較低的預浸和蒸煮溫度可最大限度地減少半纖維素的溶出,提高漿料得率。山東日照亞太森博漿紙公司 100萬 t/a闊葉木漿生產線采用了 G2型緊湊蒸煮[4],并已投入運行。

    硫酸鹽木漿的洗滌和黑液的提取技術也有長足的進步。普通的真空洗漿機、壓力洗漿機和水平帶式真空洗漿機已逐漸淘汰,代之以新型的平面閥波紋面真空洗漿機、鼓式置換洗漿機 (Drum Displacement Washer—DD Washer)和雙輥置換擠漿機 (或稱緊湊洗滌壓榨,Compact Press)等高效節(jié)能的洗滌和提取設備。國產真空洗漿機的設備性能和規(guī)格能力也有很大改進和提高,目前最大的真空洗漿機轉鼓面積已達120 m2,可配套 20萬 t/a硫酸鹽木漿項目。近年建設的大型連續(xù)蒸煮硫酸鹽木漿廠都采用蒸煮鍋內洗滌,再配DD洗漿機或雙輥置換擠漿機進行置換逆流洗滌,洗滌效果好,黑液的提取率高。例如,海南金海漿紙采用 2~3段雙輥置換擠漿機逆流洗滌闊葉木硫酸鹽漿,湖南懷化駿泰漿紙采用 DD洗漿機洗滌紙漿和提取黑液,對闊葉木漿采用 2段逆流洗滌,針葉木漿則用 3段逆流洗滌,稀釋因子一般為 2.5,黑液提取率可達 99%,提取的黑液濃度達 15%以上,洗滌損失小于 8 kg COD/t漿[5]。

    化學木漿的篩選由開放式向封閉式,由低濃到相對高濃的方向發(fā)展。早期的 A型篩和 B型離心篩篩選濃度不到 1%,目前最新型的壓力篩濃度可提高到4%,既大大節(jié)約了用水和減少了排放的廢水,又大大地減少了篩選過程輸送的漿料量,泵送漿料的電能可節(jié)省 50%以上??p篩的出現(xiàn)以及縫篩與孔篩的結合使用,提高了篩選效率。各種波形篩板或縫棒式篩鼓的出現(xiàn),寬作用面旋翼、多葉式旋翼或鼓泡旋翼等新型轉子的采用,顯著地提高了篩選濃度、生產能力和紙漿質量??p篩的精密程度越來越高,最細的篩縫可以做到 0.15 mm。漂白漿的后精選已經可以用縫篩代替錐形除渣器。由于縫篩的進漿濃度比錐形除渣器高,進漿壓力又比錐形除渣器低,泵送漿料的能耗顯著降低。國內近年新建的硫酸鹽木漿廠都采用封閉篩選技術。海南金海漿紙采用壓力除節(jié)機和兩段壓力篩,封閉篩選闊葉木硫酸鹽漿。湖南懷化駿泰漿紙采用除節(jié)精選聯(lián)合篩 (上部為除節(jié)孔篩,下部為精選縫篩)以及兩段壓力縫篩篩選未漂針葉木漿或闊葉木漿,都達到了高效、清潔、節(jié)能、高質之效果。

    1.2 非木材原料化學制漿科學技術

    我國具有豐富的非木材纖維資源。竹子、麥(稻)草、蘆葦、蔗渣是我國用于造紙的主要非木材纖維原料。我國是世界上用非木材纖維制漿造紙歷史悠久的國家,也是目前世界上非木漿產量最大的國家。

    非木材纖維 (尤其是草類纖維)的纖維形態(tài)、化學組成和木素結構與木材纖維有明顯的差異。因此,其制漿原理與技術與木材原料有顯著的不同。傳統(tǒng)的非木材制漿沿用木材原料的制漿技術,紙漿得率低、質量差、對環(huán)境的污染嚴重。20世紀 90年代以來,根據(jù)國家環(huán)境保護的相關政策,一批規(guī)模小、技術裝備落后、污染嚴重的小型非木漿廠被關閉,尚存或新建的非木漿廠通過現(xiàn)代化、規(guī)?;纳壐脑旎蚪ㄔO,使我國非木材纖維制漿技術裝備和清潔生產水平大大提高,而非木材 (尤其是草類原料)制漿理論的深入研究促進了非木材纖維制漿的技術進步,逐漸向低污染、高效率、規(guī)模化、清潔化的方向發(fā)展。

    竹子主要分布在南方的福建、四川、廣西、廣東、貴州、云南、浙江等省,具有明顯的地帶性和區(qū)域性。竹子屬于中長纖維原料,且長寬比大,纖維素含量高,灰分含量較低,是一種優(yōu)良的造紙纖維原料。近年來,傳統(tǒng)的采用蒸球和普通立式蒸煮鍋的間歇蒸煮技術已逐步被新型節(jié)能、高效的蒸煮技術所取代。繼廣東鼎豐紙業(yè)將 RDH蒸煮系統(tǒng)升級改造為DDS置換蒸煮系統(tǒng),用于竹子蒸煮,取得良好的節(jié)能降耗效果之后,世界第一條全竹子 DDS置換蒸煮生產線已在四川永豐紙業(yè)成功運行。針對竹子結構緊密,竹片干燥后導管中封存有空氣,蒸煮液不易滲透的問題,對蒸煮各階段的用堿量、溫度和時間進行調整和優(yōu)化,使竹材的蒸煮得率達到 52%~53%,提高了約 2%~3%,而且堿耗降低,紙漿的強度和白度提高。重慶理文紙業(yè)、廣東韶能珠璣紙業(yè)、江西贛州華勁紙業(yè)等竹漿企業(yè)也已采用或正在建設 DDS蒸煮系統(tǒng)[2]。我國最大的竹漿廠——貴州赤天化紙業(yè)20萬 t/a漂白竹漿生產線采用目前世界上最先進的G2型緊湊連續(xù)蒸煮,噸漿耗汽 0.5~0.55 t,煮后卡伯值 16左右,得率≥50%,達到了低能耗、低卡伯值、高得率之目的[6]。近年來,循環(huán)用水逆流洗滌及壓力封閉篩選技術已在我國竹漿廠廣泛使用。洗滌和篩選組合在一起,選用新型壓力篩進行封閉熱篩選。如貴州赤天化紙業(yè),將洗滌、篩選、氧脫木素和漂白整條生產線統(tǒng)一起來設計和組織生產,清水(熱水)從 TCF漂白的 PO/OP段進入,逆流進入氧脫木素段,再逆流至紙漿置換洗滌,黑液提取率>99%[6]。

    禾草類原料 (主要為麥草)是目前我國最主要的非木材纖維原料。近年來,國內廣泛而較深入地開展草類制漿的理論和技術研究。李忠正的研究結果表明,禾草類原料的鞘、葉、穗中含有大量薄壁細胞和細小纖維,這些組分在制漿過程中消耗的堿量多,但脫木素速率低,成漿較困難,且紙漿得率只有莖稈的2/3左右。薄壁細胞和細小纖維對草漿濾水性有顯著的影響。草漿濾水性差是草類制漿造紙的致命弱點,它不但造成草漿黑液提取率低,漿料洗滌困難,廢水污染負荷高,而且造成紙機車速低,紙漿脫水慢,紙幅斷頭多等一系列抄造困難。因此,應該在原料進入制漿前盡可能將有害無益的組分除去。強化禾草類秸稈的備料過程,除去灰分、草葉、鞘、穗,是獲得漿料濾水性能好、黑液黏度低的關鍵[7]。目前國內較多采用的草類備料流程和裝置為:原草——刀輥切草機——輥式除塵器——雙錐除塵篩——輸送皮帶——濕法備料——連蒸 /蒸球或立鍋。山東泉林紙業(yè)為達到麥草清潔制漿的目的,研制出麥草清潔備料流程。麥草經過粉碎機粉碎分絲,再經過旋風除塵器風選除去輕塵,經過圓筒篩除去重質的細小沙石、碎秸和細碎的草葉,得到潔凈合格的草片,除塵、除雜率達到23%~28%;配合其高硬度置換蒸煮系統(tǒng),黑液黏度下降 50%,黑液提取率達到 90%~92%[8]。李忠正總結了多年研究草類纖維制漿造紙所得到的規(guī)律,提出草類纖維制漿的最佳工藝應該是在蒸煮過程中除去85%左右的木素,然后氧脫木素制漿[7]。針對草類原料堿法常規(guī)蒸煮存在的能耗高,用汽不均,成漿不勻,紙漿質量不好,得率偏低,濾水性差,黑液黏度高等問題,根據(jù)草類纖維制漿理論,國內草漿廠采用多種技術措施:提高蒸煮液比,采用冷噴放技術;采用低溫快速均勻蒸煮工藝和干濕法備料 +橫管連續(xù)蒸煮技術;采用兩級蒸煮,如山東泉林紙業(yè)參考木漿RDH蒸煮技術的基礎上開發(fā)的大液比蒸煮鍋麥草高硬度置換蒸煮技術,采用鍋內高溫洗滌和冷噴放技術,提高了紙漿質量,降低了黑液黏度,實現(xiàn)了黑液的循環(huán)使用和高黑液提取率[8]。草漿的洗滌和篩選也已逐步由普通真空洗滌機組洗滌和低濃常壓開式篩選向置換逆流洗滌和壓力封閉篩選轉變。目前國內行之有效并已得到推廣應用的麥草漿黑液提取與篩選系統(tǒng)是:擠壓——置換洗滌——封閉篩選組合,即采用雙輥、螺旋或轉鼓擠漿機 +新一代平面閥波紋板真空洗漿機 (4+1或 3+1)逆流洗滌流程 +封閉篩選系統(tǒng)。例如,河南新鄉(xiāng)新亞紙業(yè),采用轉鼓高濃擠漿機與 (3+1)或 (4+1)真空洗漿機組的組合,麥草漿黑液提取率分別達到 90.8%和 94.6%[9]。

    蔗渣是甘蔗糖廠的副產物,其量較大且較集中。蔗渣中除含有纖維細胞外,還有 30%左右的由松軟、粗而短的薄壁細胞組成的蔗髓及 5%左右的非纖維表皮細胞,所以蔗渣備料的關鍵是除髓。除髓的方法有半濕法、干法和濕法除髓。目前國內幾乎所有蔗渣漿廠都采用濕法儲存蔗渣,使用前進行濕法除髓。廣西貴糖集團開發(fā)一種蔗渣洗滌設備,該設備由洗滌機、耙齒輸送機、壓榨機三部分組成,洗滌和除髓效果好。目前,廣西已有多家蔗渣漿廠采用這種設備,有效地降低了制漿和堿回收成本,保證了成漿質量。蔗渣制漿除少數(shù)采用亞硫酸鹽法外,都采用燒堿法或燒堿-蒽醌法蒸煮。通過蔗渣蒸煮脫木素原理及技術研究,提出了低溫快速的堿法制漿工藝。制漿性能好,堿耗和能耗均較低。蒸煮設備以前多用蒸球,近年新建蔗渣漿廠多采用橫管連續(xù)蒸煮器,以提高效率,均衡用汽,降低能耗,改進質量。廣西東亞紙業(yè)、冠桂紙業(yè)、永凱糖紙等采用國產橫管連續(xù)蒸煮器,蒸煮時間短,單位能耗低,紙漿質量好。蔗渣漿的洗滌篩選正朝著逆流置換洗滌和封閉篩選的方向發(fā)展。廣西貴糖集團新建的 10萬 t/a蔗渣漿生產線采用先進的外流式中濃壓力篩,取代原有的低濃壓力篩和 CX篩,噸漿水耗、電耗大幅下降,細漿質量也顯著提高[10]。

    蘆葦主要產區(qū)有湖南、湖北、遼寧、新疆、內蒙古等省區(qū),重點產區(qū)是湖南洞庭湖、遼寧盤錦地區(qū)和新疆博斯騰湖等地。如同麥草、蔗渣等非木材纖維制漿,蘆葦制漿經歷了技術變革和演進。早期建設的葦漿廠采用亞硫酸鹽法制漿,后建的葦漿廠則采用燒堿法或硫酸鹽法制漿,蒸煮設備多為蒸煮鍋,部分葦漿廠采用橫管連續(xù)蒸煮器。蒸煮技術不斷改進,多采用低溫快速的蒸煮工藝,減少了碳水化合物的損傷,降低了能耗,提高了紙漿的得率和質量。擠壓-擴散置換洗滌-封閉熱篩選等的集成工藝技術已在大型葦漿廠中應用[11],黑液提取率達到 90%,提取的黑液溫度和濃度分別達到 80℃和 10°Bé。泰格林紙沅江紙業(yè)、鎮(zhèn)江金河紙業(yè)、新疆博湖葦業(yè)等均已采用逆流洗滌和壓力縫篩進行封閉篩選。

    1.3 化學機械法制漿科學技術

    高得率制漿是指得率高的制漿方法。發(fā)展高得率制漿,可完全合理地利用纖維原料,紙漿能滿足某些產品 (如新聞紙、多層紙板、生活用紙等)的性能要求,可降低生產成本,減少制漿廢液的污染,對造紙工業(yè)的持續(xù)發(fā)展有重要的意義。隨著對產品質量要求的提高以及環(huán)境保護、節(jié)能減排要求的日益嚴格,高得率制漿正朝著高強度、高白度、低能耗、低污染的方向發(fā)展。

    化學機械法制漿是采用化學預處理和機械磨解相結合的制漿方法。近年發(fā)展較快、應用較廣的化學機械漿主要有 CT MP(化學熱磨機械漿)、BCT MP(漂白化學熱磨機械漿)、APMP(堿性過氧化氫機械漿)和 PRC APMP(溫和的化學預處理加盤磨化學處理的堿性過氧化氫機械漿)。自 1987年至今,我國先后建成了 28條化學機械漿生產線,其中 CT MP和 BCT MP生產線 9條,APMP生產線 5條,PRC APMP生產線13條,另有 1條 SCMP(磺化化學機械漿)生產線,單條生產線生產能力為 50~900 t/d(風干)。這些生產線的工藝和設備的適用范圍很廣,其主體設備——盤磨機中,有世界上最大最先進的壓力平面單盤磨和壓力錐體單盤磨,還有最大最先進的壓力雙盤磨。生產的工藝方法和技術條件多種多樣,適用的樹種范圍很廣,其中針葉木類有北方的云杉、冷杉,南方的馬尾松、濕地松、云南松;闊葉木類有北方的楊木、樺木、楓木、櫸木,南方的意大利楊、桉木和混合闊葉木,還可用竹子[5]。工藝和原料的多樣性帶來了產品的多樣性和產品性能的多樣性,既可用于配抄新聞紙、超級壓光紙、輕涂紙、輕型紙以及白紙板、白卡紙、液體飲料包裝紙板,還可用于配抄雙膠紙、復印紙、銅版原紙以及生產衛(wèi)生紙、衛(wèi)生巾等。

    近年來,我國 CT MP/BCT MP發(fā)展較迅速。博匯紙業(yè)、晨鳴紙業(yè)、華泰紙業(yè)的楊木 CT MP生產線相繼投產,用于生產白紙板和新聞紙[5]。CT MP結合了化學漿和機械漿各自的優(yōu)點,既有很高的得率,又有較好的柔軟性和強度。由于木片經過化學處理,即使在高游離度下,篩渣的含量也很少,長纖維級分比熱磨機械漿多;與漂白硫酸鹽漿等化學漿比,它能在高松厚度下達到較高的強度,有利于改善產品的某些性能,如紙板的良好松厚度、衛(wèi)生紙的高吸水性、印刷紙的挺度等。

    近年我國發(fā)展更快的化學機械法制漿是 PRC APMP。PRC APMP是在 AP MP基礎上發(fā)展起來的一種高得率制漿工藝。相對 APMP工藝,PRC APMP工藝有兩個重要特點:①木片在預浸漬段只經過 40~50℃溫和的化學處理;②主要的漂白反應在一段磨及其后的高濃反應塔中進行,紙漿漂白代替了木片漂白。PRC APMP工藝調控靈敏,漿料游離度可在較大范圍內調節(jié)。加強化學作用,漿料向高強度、高白度方向發(fā)展;加強機械作用,漿料向高松厚度、高光散射系數(shù)方向發(fā)展。湖南泰格林紙岳陽紙業(yè)率先在我國,也是在全世界,建成了第一條 PRC APMP生產線[12]。山東泉林紙業(yè)、晨鳴紙業(yè)、中茂圣源紙業(yè)、太陽紙業(yè)、河南焦作瑞豐紙業(yè)、濮陽龍豐紙業(yè)、新鄉(xiāng)新亞紙業(yè)、寧夏美利紙業(yè)等相繼建成了 PRC APMP生產線,還有幾條生產線在建設中[5]。據(jù)資料統(tǒng)計,世界上 90%的 PRC APMP現(xiàn)代化生產線建設在中國。生產實踐表明,PRC APMP工藝特別適用于闊葉木生產高得率、高質量的化學機械漿。湖南岳陽紙業(yè)以意大利楊為原料,生產 PRC APMP漿料的打漿度高(游離度低)、強度好。成漿打漿度可在 55~80°SR(CSF 80~150 mL)范圍內調節(jié);裂斷長平均 3200 m以上,最高達 6000 m;白度穩(wěn)定在 78%~80%,最高達 82%;光散射系數(shù)平均 45 m2/kg,最高達 54 m2/kg;在高裂斷長情況下,保持高的松厚度,平均達 2.2 cm3/g,最高達 3.0 cm3/g;纖維束含量少,平均為 0.1%,很多情況下接近零。廣西金桂紙業(yè)、金浪紙業(yè)則以桉木為原料,采用 AP MP/PRC APMP工藝,根據(jù)市場需要生產不同白度的化機漿,最高白度可達 85%。

    岳金權等進行了楊木擠壓法漂白化學機械漿的研究與實踐。該法以動態(tài)擠壓磨漿理論為依據(jù),以雙輥磨為主體工藝設備,在 30%~40%的高濃下磨漿,磨區(qū)溫度可達 90~105℃,壓力達 7~8 MPa,物料在高濃度下受到揉搓作用,纖維疏解分離,而切斷作用小,最大限度地保留了纖維長度。該楊木擠壓法漂白化機漿磨漿比能耗低 (≤800 kWh/t),制漿水耗低(≤10 m3/t),漿產品質量指標可滿足中高檔文化用紙配抄要求[13]。

    1.4 廢紙制漿科學技術

    廢紙資源的利用是我國造紙工業(yè)發(fā)展的一大特色,廢紙造紙的興起推動了我國造紙工業(yè)的發(fā)展。廢紙漿主要用于新聞紙、包裝紙和紙板 (如瓦楞原紙、箱紙板、白紙板)等產品的生產,廢紙脫墨漿也已用于印刷書寫紙、生活用紙等的生產。近年來,許多現(xiàn)代化的廢紙制漿生產線落戶中國,例如東莞玖龍紙業(yè)、理文紙業(yè)的以 OCC為主要原料的大型廢紙制漿生產線;廣東廣州、山東華泰、晨鳴紙業(yè) 40~50萬t/a新聞紙的廢紙脫墨漿生產線,均為目前世界上規(guī)模最大、設備和技術最先進的廢紙制漿生產線。不僅使我國廢紙漿產能大幅增加,也大大提高了廢紙漿的質量,在節(jié)能減排和降耗增效方面也取得顯著成效,噸脫墨漿水耗已降至 2~3 m3,電耗降至 350 kWh。這些生產線的建設和運行極大地推動了我國造紙工業(yè)向規(guī)?;F(xiàn)代化的方向邁進。

    近年來,國內科技工作者,結合我國廢紙循環(huán)回用的需要,在廢紙再生過程中性質的變化及纖維衰變的機理、廢紙離解與凈化原理與工藝、廢紙脫墨原理與方法、膠黏物障礙的產生機理與控制機制以及廢紙再生新技術等方面進行了較為深入的研究,推進了廢紙制漿理論與技術的進步。何北海等[14]分析了二次纖維回用過程衰變機理;陳嘉翔對廢紙回用過程中的 “夏季效應”、廢紙脫墨工藝、脫墨化學品及其作用以及浮選柱脫墨新工藝進行了較全面的分析研究,比較了廢紙強堿性與弱堿性浮選脫墨效果及漂白性能[15],分析了單體多級浮選槽浮選時各種組分去除或流失的影響因素[16],研究了水基油墨印刷紙的可脫墨性,并利用制漿造紙工程國家重點實驗室建立的浮選柱裝置進行浮選柱脫墨工藝的研究[17]。李銀河等[18]將弱堿性脫墨工藝應用于山東華泰紙業(yè)脫墨系統(tǒng)中,與傳統(tǒng)的堿性脫墨漿相比,白度提高,殘余油墨量和排放廢水 CODCr減少,且成本降低。

    廢紙的酶法脫墨原理與技術是近年國內的研究熱點。復合纖維素酶用于新聞紙脫墨已進行了多年的研究并已有工業(yè)化應用的實踐。近年對漆酶、脂肪酶、淀粉酶、復合酶等用于廢紙脫墨的研究方興未艾。徐清華等[19]進行了舊報紙漆酶 /介體系統(tǒng)脫墨工藝和機理以及漆酶與纖維素酶協(xié)同脫墨的研究。結果表明,漆酶用量是影響脫墨效果的重要因素,加入漆酶后脫墨漿的白度下降,但改善其后的過氧化氫漂白性能;漆酶脫墨漿的強度有明顯的提高,其中撕裂指數(shù)隨漆酶用量的增加而增加。尤紀雪等進行了混合辦公廢紙漆酶脫墨的研究,發(fā)現(xiàn)漆酶具有催化氧化酚類及芳胺類化合物的能力,能降解混合辦公廢紙中苯胺類印刷油墨及酚醛樹脂等連接料,從而達到脫墨的目的。此外,還進行了混合辦公廢紙漆酶 /淀粉酶協(xié)同脫墨的研究,達到了較好的脫墨效果[20]。以脂肪酶為主要組分的生物酶已成功應用于廢文化用紙生產脫墨漿[21],用于配抄文化紙、涂布白紙板和白面??垺?/p>

    1.5 紙漿漂白科學技術

    漂白的主要目的是提高紙漿的白度,改善紙漿的物理化學性質。隨著環(huán)境保護要求的日益嚴格以及人們對含氯漂白廢水中有機氯化物的危害的日益關注,氯和次氯酸鹽漂白在我國正越來越受到限制,越來越多的造紙廠采用氧、過氧化氫、二氧化氯等無污染/少污染漂白劑,紙漿漂白正朝著無元素氯 (ECF)和全無氯 (TCF)漂白的方向發(fā)展。

    氧脫木素是紙漿漂白的一項重要技術進步,其相對溫和的反應條件,有選擇性地溶出未漂漿中的木素,而較好地保持了紙漿的黏度和強度,其廢液中不含氯,可用于粗漿洗滌且洗滌液可送到堿回收系統(tǒng)處理和燃燒。氧脫木素是化學漿 TCF漂白不可缺少的重要組成部分,也是大多數(shù) ECF漂白的重要組成部分。近年來,我國廣泛地開展了氧脫木素原理和技術的研究,探討了氧脫木素過程中氧與木素和碳水化合物的反應機理,明確了各種自由基的產生、作用及調控機制[22],為氧脫木素的應用提供理論和技術依據(jù)。近年我國擴建或改建的化學漿廠幾乎都采用氧脫木素技術,可脫除未漂漿中 50%左右的木素,有效地降低后續(xù)漂白的化學品用量,減少了漂白廢水對環(huán)境的污染。

    化學木漿的漂白由少氯向無元素氯的方向發(fā)展。20世紀 90年代建成的化學木漿廠,如廣西賀達造紙廠、南寧鳳凰紙業(yè)、日照森博漿紙公司一期工程在氧脫木素后采用 D/C-EO-D或 D/C-EO-D1-D2流程,漂白木漿白度提高到 88%以上,漂白廢水的 CODCr可降低至 28 kg/t漿,AOX則取決于 D/C段 Cl2與 Cl O2的比例,約為 0.5到 2.0 kg/t漿。近期新建的化學木漿廠都采用對環(huán)境友好的 ECF漂白。海南金海漿紙公司采用OO-DHT-EO-D1-D2漂白流程;湖南懷化駿泰紙業(yè)則采用 OO-DO/Q-EOP/PO-D1-PO的 ECF或較少二氧化氯用量的輕 ECF漂序,白度達到 90%[4]。日照亞太森博漿紙公司二期工程采用 OO-DHT-EOP-D-P的輕 ECF漂白流程,是目前國內已經和即將建成的全漂闊葉木硫酸鹽漿漂白中二氧化氯用量最少的。在保證漿的白度達到 90%時,漂白廢水中的 CODCr為25 kg/t漿 ,AOX < 0.35 kg/t漿[5]。

    竹漿漂白已由傳統(tǒng)的含氯漂白向 ECF和 TCF漂白的方向發(fā)展。以前用得較多的竹漿漂白流程是 OD/C-EO-D,漂白漿白度穩(wěn)定在 85%~87%,漂白廢水污染物排放量為 CODCr34~60 kg/t漿,AOX 0.9~1.7 kg/t漿。目前,部分竹漿廠已取消元素氯的加入,將 D/C段改為 D0段,并在 EO段加入少量的過氧化氫 (即改為 EOP段),采用此 ECF漂白流程 OD0-EOP-D,紙漿白度≥87%,漂白廢水污染物排放量 CODCr<30 kg/t漿,AOX <0.4 kg/t漿。四川永豐紙業(yè)采用 O-Q-PO漂白流程,是國內第一條竹漿 TCF漂白生產線,紙漿白度在 80%左右。由于 TCF漂白成本較高,紙漿白度不夠高且不穩(wěn)定,該廠已改為ECF漂白。貴州赤天化紙業(yè)采用輕 ECF和 TCF兩種互換的漂白流程,即 OO-Q-OP-D-PO和 OO-Q-OP-QPO,紙漿白度≥88%;更為良好的封閉水循環(huán)系統(tǒng)使漂白廢水污染物排放量大幅度降低。輕 ECF漂白廢水排放的 CODCr降至 22 kg/t漿,AOX也進一步降低;TCF漂白廢水排放的 CODCr<17 kg/t漿[6]。

    麥草漿、蔗渣漿和蘆葦漿的漂白經歷了緩慢的發(fā)展過程,漂白方法幾乎一直沿用低濃度次氯酸鹽單段漂和 CEH三段漂,用水量大,化學品用量高,漂白漿白度和強度低,廢水污染物濃度高。由于大多數(shù)麥草漿廠規(guī)模較小,采用 CEH漂白運行成本低,白度可達到 80%左右,從經濟上考慮,企業(yè)大多數(shù)選擇了 CEH或減少用氯量的 CEHP或 C-EP-H漂序。隨著國家環(huán)保要求的日益嚴格,元素氯的禁止使用,草漿的漂白技術正逐漸向 ECF和 TCF推進。新疆博湖葦業(yè)的新葦漿生產線采用兩段氧脫木素的 OO-H-M-P(M為助劑)漂白流程,白度達到 85%。與 CEH相比,該流程漂白廢水排放量和排放的 COD減少70%,AOX降低 80%[23]。全麥草漿中濃短序 O-QPO清潔漂白生產線已在河南內鄉(xiāng)仙鶴紙業(yè)成功投運,漂白漿白度達到 80%以上,裂斷長達到 7.0 km以上。此漂白工藝的漂白廢水排放量為 30 m3/t漿,比傳統(tǒng) CEH漂白廢水排放量減少 60%[24]。泰格林紙沅江紙業(yè)新建 10萬 t/a葦漿生產線采用 O-D-EOP-D漂序的 ECF漂白,白度達到 85%以上,紙漿質量顯著提高,排放的污染物大大減少[25]。廣西南寧蒲廟紙業(yè)、永凱糖紙采用 D-EP-D漂序,白度也達到 85%以上。

    化學機械漿和廢紙脫墨漿的漂白幾乎都采用過氧化氫單段或兩段漂白,或過氧化氫與連二亞硫酸鹽或甲脒亞磺酸組成的 PY、YP、PF等組合漂序。

    生物技術在紙漿漂白中的應用是紙漿漂白技術進步的重要體現(xiàn),陳嘉川等將木聚糖酶用于麥草漿漂白[26],在達到相同白度的情況下,可減少其后漂白劑的用量,實現(xiàn)了草漿的少氯漂白,并改善草漿的性能,成果獲國家科技進步二等獎。木聚糖酶用于硫酸鹽針葉木漿和闊葉木漿的輔助漂白生產試驗也已成功[27]。

    木素降解酶 (木素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶)的漂白研究一直是國內漂白研究的熱點。付時雨等從真菌中產生漆酶并將漆酶/介體系統(tǒng)(LMS)用于硫酸鹽木漿和竹漿的漂白,并研究漆酶的作用機理[28]。吳淑芳等[29]進行了馬尾松硫酸鹽漿的漆酶-木聚糖酶協(xié)同漂白的研究。研究結果表明,高活性漆酶的規(guī)?;a和高效廉價的介體的制備,是漆酶/介體系統(tǒng)實現(xiàn)工業(yè)化應用的關鍵。

    國內也進行了化學漿電化學漂白和光催化漂白的研究[30-31],有效地降低了紙漿的卡伯值,提高了白度,但存在介體或光敏劑成本較高、紙漿濃度低、電耗較高等問題。

    2 制漿科學技術在生產發(fā)展中的作用

    制漿科學技術的進步促進了我國制漿生產的發(fā)展,提高了纖維資源的利用率和紙漿產品的品質,降低了制漿過程中水耗和能耗,減少了污染物的排放及其對環(huán)境的影響,并正向技術現(xiàn)代化、生產清潔化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化的綠色制漿工業(yè)方向發(fā)展。

    2.1 制漿科學技術的發(fā)展促進了制漿工業(yè)的技術進步

    科學研究與生產實踐的結合促進了制漿理論的發(fā)展和制漿技術的進步。山東泉林紙業(yè)與南京林業(yè)大學、美國北卡羅來納州立大學等院校緊密合作,對草類原料高效凈化、置換蒸煮、氧脫木素和廢液利用等方面進行系統(tǒng)的研究,在快速置換加熱 (RDH)的基礎上,結合麥草原料的特點,開發(fā)出麥草大液比高硬度置換蒸煮技術,采用鍋內高溫洗滌和冷噴放技術,提高了紙漿質量,降低了黑液黏度,實現(xiàn)了黑液的循環(huán)使用和高黑液提取率,形成了有中國特色的麥草漿清潔化生產技術,并產生了良好的經濟效益和環(huán)境效益[8]。山東華泰紙業(yè)與中國制漿造紙研究院、山東輕工業(yè)學院、南京林業(yè)大學等單位合作,進行了廢紙制漿技術與廢紙漿抄造技術的工程化研究,利用100%廢紙,生產出低定量高級彩印新聞紙,成果曾獲國家科學技術進步獎。華南理工大學與新疆博湖葦業(yè)、牡丹江恒豐紙業(yè)等企業(yè)密切合作,成功地將紙漿清潔漂白技術應用于工業(yè)生產中,提高了漂白漿的質量,減少了漂白廢水對環(huán)境的污染,成果曾獲國家科學技術發(fā)明獎。廣州造紙公司與華南理工大學、廣東輕工職業(yè)技術學院進行桉木化機漿研制及其廢水脫色、廢紙制漿技術、膠黏物生物控制及全廢紙脫墨漿抄造低定量膠印新聞紙等多方面的合作,促進了企業(yè)的技術水平和競爭能力的提升。

    2.2 制漿科學技術的發(fā)展促進了制漿工業(yè)技術水平和裝備水平的提高

    近年來,隨著制漿科學技術的發(fā)展,通過現(xiàn)代化大型制漿生產線的引進及制漿關鍵技術與裝備的自主研發(fā),大大地提升了我國制漿工業(yè)的技術水平和裝備水平。湖南懷化駿泰紙業(yè)遵循 “循環(huán)經濟、環(huán)境友好、資源節(jié)約”的科學發(fā)展觀,高標準地建設 40萬t/a漂白硫酸鹽木漿林漿紙一體化項目,采用目前世界上最先進的備料、低固形物蒸煮、氧脫木素、逆流洗滌和封閉篩選、ECF和輕 ECF漂白、漿板抄造、堿回收和廢水處理工藝和設備,是世界上工藝技術、裝備水平、自控程度、環(huán)保設施最先進的現(xiàn)代化漿廠之一[3]。成漿白度達到 90%,纖維原料消耗 2.20 t/t漿,水耗≤45 m3/t漿,黑液提取率 >99%,堿回收率達 98%,水重復利用率 >90%,單位產品綜合能耗 <120 kg標準煤,各項指標達到國際先進水平。貴州赤天化紙業(yè)采用目前世界最先進 G2型緊湊蒸煮、氧脫木素、置換洗滌和封閉篩選、TCF或輕 ECF漂白,是當今世界上工藝技術最先進、單系列產量最大的竹漿生產線[32]。近年來,國內制漿設備制造廠與院校和科研設計單位密切合作,開發(fā)了一批具有自主知識產權的工藝技術和裝備,例如汶瑞機械 (山東)有限公司開發(fā)的紙漿洗選漂清潔生產集成工藝技術及裝備、福建輕機公司開發(fā)的 ZNS系列雙壓區(qū)雙網擠漿機、鄭州運達公司研制的廢紙干式散包除渣機。這些設備技術先進,性能優(yōu)良,投資較省,其推廣應用有利于提高我國制漿造紙企業(yè) (尤其是中小型企業(yè))的技術和裝備水平。

    2.3 制漿科學技術的發(fā)展推進了制漿工業(yè)節(jié)能降耗與減污增效的實現(xiàn)

    隨著制漿科學技術的發(fā)展,制漿企業(yè)技術水平和裝備水平的提高,清潔生產和循環(huán)經濟的實施,我國紙漿生產的能耗、水耗、物耗及污染物排放逐年減少。近年來,制漿節(jié)能降耗與減污增效的成果更為顯著。在節(jié)能方面,由于重視過程節(jié)能與熱能回收,單位紙漿能耗已達到或接近國際先進水平。例如,近年新建的化學木漿生產線,新型連續(xù)蒸煮配以先進的洗選漂工藝流程,未漂漿的能耗為 0.092 t標準煤/t漿,漂白漿能耗為 0.12 t標準煤 /t漿,在世界上也屬于先進的水平?;瘜W機械法制漿由于需要大功率的高濃盤磨機和木片擠壓疏解機,電耗較高,但在磨漿過程,大部分電耗轉化為熱能,如加強了熱能的回收利用,則總的能耗會大幅降低。目前,我國的 PRC APMP需要熱能 1.324 GJ/t漿和電能 1870 kWh/t漿,總能耗折合為 0.656標準煤 /t漿,與歐洲的 CT MP能耗相當[33]。廣州造紙集團南沙環(huán)保造紙基地一期工程 (40萬 t/a高檔新聞紙項目),按節(jié)能減排、環(huán)境保護的高標準規(guī)劃建設,采用了世界上最先進的廢紙制漿、廢水處理等工藝技術,并采用國際先進的脫墨污泥焚燒技術,減少了工業(yè)固體廢棄物排放且回收熱能。該生產線的脫墨漿水耗為 2~3 m3/t漿,電耗約350 kWh/t漿,汽耗 0.3 t/t漿;噸新聞紙 (含制漿造紙)綜合能耗為 0.616 t標準煤,水循環(huán)利用率達90%以上,噸產品耗新鮮水量已降至 9 m3,遠低于國家標準;該工程配套了先進的廢水厭氧-好氧-氣浮三級處理系統(tǒng),連續(xù)運行數(shù)據(jù)表明,出水 CODCr<90 mg/L(大多為 60~70 mg/L),BOD5<10 mg/L,SS<12 mg/L,色度為 20倍左右,均達到國際先進水平[34]。

    3 制漿科學技術學科發(fā)展的思路與建議

    由于纖維資源的短缺,能源和水資源的匱乏,而環(huán)境保護要求日益嚴格,國際競爭不斷加劇,我國制漿造紙工業(yè)將面臨嚴峻的壓力和挑戰(zhàn)。因此,必須加強制漿造紙科學研究和技術開發(fā),跟蹤研究國際前沿技術,發(fā)展自主創(chuàng)新的先進技術,加快制漿造紙科技進步的步伐,產學研緊密結合,努力實現(xiàn)工藝最優(yōu)化、生產清潔化、資源節(jié)約化、環(huán)境友好化,才能促進我國制漿造紙工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。結合我國造紙原料的特點和制漿科學技術學科及制漿工業(yè)的現(xiàn)狀,建議重點開展以下幾個方面的制漿科學研究和技術開發(fā):

    3.1 植物纖維資源化學以及新型分離轉化技術的研究與應用

    針對我國造紙工業(yè)纖維原料需求量大、原料品種多、結構復雜的特點,對不同纖維原料的形態(tài)特征、化學結構和制漿性能進行系統(tǒng)的分析研究,開發(fā)利用新的造紙纖維原料,尋求高效、低耗、少污染的纖維資源分離轉化新技術,提高纖維資源的利用價值。

    3.2 制漿新技術新理論的研究與應用

    根據(jù)速生材、非木材和廢紙原料的纖維特征和品質缺陷,研究開發(fā)資源利用率高、各種消耗低、產品品質好的制漿關鍵技術及其原理,包括高效節(jié)能的深度脫木素改良蒸煮技術,速生材高得率漿高值化利用技術,非木材原料的清潔制漿和漂白技術,廢紙高效再生利用和品質改善技術,以及制漿過程清潔生產集成技術[35]。

    3.3 制漿過程節(jié)能節(jié)水及廢棄物資源化利用新技術

    堅持“資源開發(fā)與節(jié)約并重、把節(jié)約放在首位”的原則,在制漿過程的各個環(huán)節(jié),包括備料、蒸煮、磨漿、洗滌、篩選、漂白、堿回收,大力節(jié)能、節(jié)水、降耗、減排。包括進一步開發(fā)蒸煮過程節(jié)能與熱能回收、高得率制漿過程節(jié)能與熱能回收以及洗篩漂過程節(jié)能的新工藝、新技術;開發(fā)制漿過程節(jié)約用水、提高水循環(huán)利用率的工藝與技術;開發(fā)制漿過程廢棄物資源化利用、降污減排的新方法新技術。

    3.4 制漿漂白生物技術的研究與應用

    隨著生物科學技術的發(fā)展,生物技術在制漿過程的應用將會越來越多。因此,制漿工業(yè)應跟上生物科學技術的發(fā)展步伐,將更先進更合適的生物技術應用于制漿過程的各個環(huán)節(jié),包括生物化學制漿、生物高得率制漿、紙漿生物漂白、廢紙的酶法脫墨與纖維酶法改性、以及廢紙回用過程膠黏物的生物控制,以達到提高效率,改善品質,節(jié)水節(jié)能,降污減排的目的。

    3.5 生物質精煉的探索與循環(huán)經濟的實施

    根據(jù)我國纖維資源實情,進一步進行結合制漿造紙的生物質精煉的研究開發(fā),包括纖維原料的高效預處理方法與技術,半纖維素的有效分離和高效利用技術,木素的高值化利用途徑與技術,以充分合理利用植物纖維原料中的各種組分,提高其利用價值。注重研發(fā)減量化、再利用和資源化的新技術,為實施循環(huán)經濟提供技術支持。

    發(fā)展制漿科學技術和綠色制漿工業(yè),必須貫徹落實科學發(fā)展觀,遵照技術創(chuàng)新、資源節(jié)約、環(huán)境保護和循環(huán)經濟的基本原則,加強科學研究,加大自主創(chuàng)新,解決科學問題,突破應用瓶頸,提高制漿科學技術水平,促進制漿產業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

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    (責任編輯:常 青)

    Status and Development of Pulping Science and Technology in Chi na

    ZHAN Huai-yu FU Shi-yu L IHai-long
    (State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
    (E-mail:pphyzhan@scut.edu.cn)

    The status and advances of pulping science and technology in China,as well as the effects of pulping science and technology in the development of production are reviewed in this paper.Some suggestions for the development of pulping science and technology discipline are put for ward.

    pulping science and technology;status;development

    TS74

    A

    0254-508X(2011)02-0049-09

    詹懷宇先生,博士,教授;主要從事制漿造紙技術的研究工作。

    2010-01-13(修改稿)

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