淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用及淀粉蒸汽噴射蒸煮工藝與設(shè)備的進展

黃鴻 湖南省造紙研究所 湖南 湘潭(411104）

戴拓 長沙水澤加熱設(shè)備制造有限公司 湖南 長沙(410100）

淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用及淀粉蒸汽噴射蒸煮工藝與設(shè)備的進展

黃鴻 湖南省造紙研究所 湖南 湘潭(411104）

戴拓 長沙水澤加熱設(shè)備制造有限公司 湖南 長沙(410100）

介紹了淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用及淀粉蒸汽噴射蒸煮工藝及設(shè)備；介紹了水熱器的結(jié)構(gòu)、原理、節(jié)能效果及水熱器在淀粉蒸煮工藝中的應(yīng)用與進展。

造紙淀粉；淀粉蒸煮工藝；噴射加熱設(shè)備；水熱器；節(jié)能降耗

1 淀粉在造紙工業(yè)中的應(yīng)用

目前，世界淀粉總產(chǎn)量已達2000多萬噸，廣泛應(yīng)用于造紙、食品、紡織、醫(yī)藥、化工等方面，其中造紙工業(yè)用量最大。造紙用淀粉在美國占總產(chǎn)量的63%，在歐盟占58.5%，食品占28%。

淀粉最主要的來源是馬鈴薯、玉米、小麥和木薯等農(nóng)作物。在淀粉原料的選擇上，一般根據(jù)各國的國情和應(yīng)用的需要來決定，如美國主要選用玉米淀粉、荷蘭主要選用馬鈴薯淀粉、泰國以木薯淀粉為主、我國以玉米淀粉為主（占80%），其次是木薯淀粉。天然的淀粉因為粘度較高而且流動性較差，所以呈凝膠狀，一旦用水稀釋之后，便會發(fā)生沉淀反應(yīng)，容易老化，不能直接滿足造紙工業(yè)需要。為解決上述問題，需要將淀粉進行改性處理。

變性淀粉是造紙工業(yè)的重要化學(xué)品，在造紙精細化學(xué)品中以重量計占80%-90%。以造紙原料消耗計，淀粉居纖維、填料之后占第三位。美國造紙工業(yè)年用變性淀粉130多萬噸，日本達25萬噸，而中國目前僅5萬噸左右，按發(fā)達國家的應(yīng)用水平，估計變性淀粉年需求量應(yīng)在50萬噸以上，市場潛力很大。

1.1 變性淀粉對造紙工業(yè)具有明顯的經(jīng)濟效益、社會效益以及實用性，體現(xiàn)在以下幾方面：

1）能明顯提高紙張的各種物理強度，提高質(zhì)量和檔次，降低木漿配比。

2）能提高細小纖維、填料的留著。

3）能改善施膠效果，節(jié)約施膠劑用量。

4）能明顯改善印刷適性，不掉毛、掉粉、糊版。

5）可代替干酪素、丁苯膠乳、丙苯膠乳作涂布粘合劑，降低涂布加工紙涂料成本。

6）使用安全、方便，制作簡單，適應(yīng)范圍廣。

1.2 造紙用變性淀粉及性能特征

造紙上常用的變性淀粉按離子特性可分為五類：非離子淀粉、陰離子淀粉、兩性及多元的變性淀粉、陽離子淀粉以及其它變性淀粉。按照淀粉的制備方法可分為氧化淀粉、酸變性淀粉、酯化淀粉、交聯(lián)淀粉、醚化淀粉。造紙淀粉按使用方法可分為四大類：1）、漿內(nèi)添加淀粉。2）、層間噴霧淀粉。3）、表面施膠淀粉。4）、紙張涂布淀粉。下面是幾種常用變性淀粉的介紹。

1.2.1 陰離子淀粉

1.2.1.1 磷酸酯淀粉

磷酸酯淀粉是陰離子衍生物，與原淀粉比較，糊液的粘度、透明度及穩(wěn)定性均有明顯的提高，即使很低的酯化程度，糊液的性質(zhì)也改變很大。當取代度在0.07時，產(chǎn)品遇冷水膨脹，膨脹的程度與水的硬度有關(guān)。鹽的加入會引起粘滯狀糊液變稀。磷酸酯淀粉在造紙上主要用作助留、助濾劑和增強劑。經(jīng)特殊工藝加工處理的還可用做涂布粘合劑和層間增強劑。

1.2.1.2 羧甲基淀粉

羧甲基淀粉（CMS）屬醚類淀粉，是一種水溶性陰離子高分子化合物。由于CMS膠液透明、細膩、粘度高，粘結(jié)力大，流動性、溶解性好，具有較好的乳化性、穩(wěn)定性和滲透性，不易腐敗霉變。在造紙上用作濕部添加為主，作為紙張增強劑。低取代度、低粘度產(chǎn)品可用作表面施膠劑，并能與PVC合用形成抗油性及水不溶性的薄膜。

1.2.2 陽離子淀粉

造紙上所用陽離子淀粉取代度一般為0.01～0.07。盡管取代度不高，但原淀粉的性質(zhì)已大大改變，主要表現(xiàn)在以下：

1）、膠化溫度大大下降。

2）、Zeta電位升為陽性。

3）、隨著取代度的提高，糊液的粘度、透明度和穩(wěn)定性明顯提高。

陽離子淀粉在造紙工業(yè)中應(yīng)用主要優(yōu)點有：

1）、能改善紙的耐破度、抗張力、耐折度、抗掉毛性等物理性質(zhì)。

2）、提高松香、礬土的施膠效果。

3）、提高紙漿濾水性能和抄造速度。

4）、能提高各種染料和填料的保留率，從而減低造紙成本。

5）、作為膠乳、合成樹脂等的固定劑和乳化劑，以及中性施膠劑的分散劑，也同樣顯出良好的效果。

6）、減少廢水污染的程度，有益于降低污染。1.2.3兩性及多元變性淀粉

這一類淀粉是在同一淀粉分子中分別接上了陽離子和陰離子或其它取代基，其離子性為中性或微陽性，膠化溫度比原淀粉低。由于分子中各基團的相互協(xié)調(diào)作用，使其性能更優(yōu)異，應(yīng)用效果更突出，專用性更強，主要用作造紙濕部添加，起增強、助留、助濾等作用。

1.2.4 非離子淀粉

非離子淀粉主要為羥烷基淀粉，是由淀粉在堿性水溶液中與環(huán)氧乙烷或環(huán)氧丙烷反應(yīng)而制成。由于環(huán)氧乙烷沸點低，易揮發(fā)，與空氣混合又可能引起爆炸，故目前造紙上傾向于選擇用羥丙基淀粉。羥烷基淀粉是理想的表面施膠劑和涂布粘合劑，能有效地改善紙張的物理性能。

1.3 濕部添加淀粉應(yīng)用機理及技術(shù)。

濕部化學(xué)是造紙工業(yè)的專用名詞，用以描述紙張在抄造過程中各種不同造紙原輔材料在水介質(zhì)中的相互影響。造紙濕部化學(xué)是一個極其復(fù)雜的體系。長期以來，造紙工作者一直為紙張質(zhì)量不穩(wěn)定、達不到設(shè)計要求而困惑。盡管嚴格控制了工藝參數(shù)和操作規(guī)程，但周期性運行的問題仍十分突出，不得不用定期停機清洗來解決。究其原因，是因為濕部化學(xué)體系中某些組分過量聚集，影響了濕部化學(xué)平衡所致。

經(jīng)過多年的探索實踐，已從復(fù)雜的濕部化學(xué)體系中找到一條規(guī)律：即紙機的抄造性能與成紙質(zhì)量與濕部的電位密切相關(guān)，通過控制造紙濕部的Zeta電位，可以控制濕部化學(xué)組分的平衡，通過添加變性淀粉等化學(xué)助劑，可以優(yōu)化濕部化學(xué)，有效地控制濕部Zeta電位。

纖維帶負電荷，大多數(shù)填料也帶負電荷，圖1為纖維和填料的截面在水溶液中的電位示意圖。

圖1 纖維和填料在水溶液中的電位示意圖

根據(jù)電位理論，在固液界面形成一雙電層;一層是鄰近固體表面的薄離子層，稱為固定層；另一層為擴散層。當加入陽離子淀粉時，靜電引力使之進入固定層，使帶負電的固體粒子電位下降，甚至逆轉(zhuǎn)，從而改善了紙張物理強度和細小纖維、填料的留著。加入的陽離子助劑越多，Zeta電位下降越大。Zeta電位趨向（0+/_5）mV時，紙機運轉(zhuǎn)較正常。電荷理論-絮凝理論：

陽離子淀粉是最重要的濕部添加劑，分子結(jié)構(gòu)與纖維素相似，由于它帶有陽電荷，極易與帶陰電荷的纖維填料靠靜電引力相互吸附，降低紙漿的Zeta負電位，并產(chǎn)生絮凝作用將細小纖維、填料包裹在微絮團內(nèi)，提高細小纖維與填料的留著率，見圖2。

圖2 陽離子淀粉作用機理

圖3 陰離子淀粉作用機理

陰離子淀粉（如磷酸酯淀粉）由于本身帶負電菏，無法直接與帶負電荷的纖維、填料相互吸引，因此必須加入1%的明礬作為“架橋劑”，見圖3

濕部用變性淀粉主要功能

1.4 層間噴霧淀粉的應(yīng)用機理和技術(shù)

噴霧淀粉就是利用噴霧的方法進行添加的淀粉。將比例高達紙重5%的未蒸煮淀粉，以霧狀噴淋在長網(wǎng)紙機的網(wǎng)部或圓網(wǎng)紙機多層紙板的層間。噴霧淀粉是上世紀70年代初才發(fā)展起來的，最初是為提高紙板層間結(jié)合力而開發(fā)的，但近年發(fā)展迅速，己不再局限于提高層間結(jié)合力，還廣泛用來提高挺度、環(huán)壓強度及表面強度。對雜離子含量較高的紙漿（如磨木漿、廢紙漿、草漿等），其增強效果明顯優(yōu)于濕部添加。筆者曾研制和推廣了一種瓦楞原紙環(huán)壓增強劑，采用淀粉、填料、增強劑三合一配方現(xiàn)場配制，利用噴霧的方法添加到多層紙板的層間，使用效果能降低成本、明顯提高瓦楞原紙環(huán)壓強度。見圖4、圖5.

圖4 層間噴霧淀粉

圖5 層間噴霧淀粉工藝流程

1.5 表面施膠淀粉的使用.

表面施膠就是把施膠劑施加到紙的表面，并在紙面附著形成一層近乎連續(xù)的膜的方法。常用的施膠劑是淀粉及生物、羧甲基纖維素（CMC）、聚乙烯醇（PVA）等。施膠不只是增加紙張抗水性，增加紙張表面強度，還能提高耐破度、耐折度環(huán)壓強度等紙張物理強度指標。(見圖6、圖7）

圖6 斜列式表面施膠

圖7 豎式表面施膠

1.6 淀粉在涂布粘合中的應(yīng)用

涂布和表面施膠都是將化學(xué)品涂在紙的表面上，但兩者的區(qū)別在于：

1）表面施膠只用膠粘劑，而涂布既用膠粘劑又用顏料。

2）涂布的顏料只涂在紙的表面，表面施膠的膠料滲入紙頁內(nèi)。

變性淀粉是涂布配方的重要組分，主要用作膠粘劑。

2 傳統(tǒng)淀粉蒸煮工藝與設(shè)備

造紙廠使用的淀粉，75%以上使用已經(jīng)將天然淀粉經(jīng)過物理或化學(xué)變性的變性淀粉，在使用前均需對淀粉進行蒸煮將淀粉糊化，只有少量濕部噴淋淀粉不需蒸煮糊化就直接使用。近來一些造紙企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，也自己生產(chǎn)變性淀粉如氧化淀粉和酶轉(zhuǎn)化淀粉。

2.1 淀粉間歇式蒸煮工藝與設(shè)備

在傳統(tǒng)造紙工業(yè)中，通常使用間歇式蒸煮工藝與設(shè)備。

在蒸煮鍋中加入定量的清水，人工投入淀粉，攪拌均勻后通蒸汽加熱，升溫到90-98℃，保溫，使淀粉完全糊化，加入冷卻水稀釋、冷卻到60-65℃，將料放入儲存罐中備用。

間歇式蒸煮設(shè)備優(yōu)點在于流程簡單，操作靈活，國內(nèi)大部分老生產(chǎn)線仍在使用。缺點是蒸汽耗量高、工作強度大、工人每班要完成11-12鍋的任務(wù)、產(chǎn)量低、不適合高速大型紙機生產(chǎn)線使用。

2.2 淀粉連續(xù)式蒸煮設(shè)備

現(xiàn)代化大型高速紙機大都采用連續(xù)蒸煮設(shè)備，特點是生產(chǎn)能力大、質(zhì)量穩(wěn)定、自動化程度高、勞動強度低。蒸煮器控制由安裝在控制柜內(nèi)的可視觸摸屏來實現(xiàn)。大包淀粉用行車吊起投入料倉，料倉的容量可滿足一天的淀粉用量。在料倉底部裝有料斗振動器以方便下料。在料倉下方設(shè)淀粉溶解系統(tǒng)，由可調(diào)速的螺旋輸送器將淀粉送入淀粉溶解槽中，加入清水攪拌，清水的添加由浮球閥控制，并安裝電磁流量計提供檢測信號給喂料螺旋。溶解后淀粉泵送到蒸煮罐，用蒸汽噴射加熱器將淀粉液加熱到125℃，完成淀粉的糊化。在蒸煮罐的末端安裝另一個蒸汽噴射加熱器以提升背壓，稀釋水通過流量計和控制閥在此加入。稀釋后送入連續(xù)式蒸煮淀粉儲備罐備用，見圖8。

2.3 淀粉以生物酶轉(zhuǎn)化的蒸煮系統(tǒng)

以生物酶轉(zhuǎn)化的蒸煮系統(tǒng)中，直接以原淀粉為原料生產(chǎn)酶轉(zhuǎn)化淀粉，原淀粉在生產(chǎn)過程中被生物酶降解到工藝所需的要求，能顯著降低產(chǎn)品成本。生產(chǎn)過程由電腦控制全自動運行。溶解好并加入生物酶的淀粉漿泵送到酶轉(zhuǎn)化器里，在蒸汽噴射加熱器中，淀粉漿被迅速加熱到65-85℃，淀粉在轉(zhuǎn)化器里被糊化到所需的粘度。為達到較好的轉(zhuǎn)化效果，轉(zhuǎn)化器里安裝有攪拌器提供穩(wěn)定的紊流，利用生物酶將淀粉降解到工藝所需的粘度。保溫30min后，泵入失活槽中，淀粉漿被加熱到100-125℃以除去生物酶的活性，再送入儲存罐，經(jīng)閃蒸分離掉蒸汽，再經(jīng)稀釋后備用，見圖9。

圖8 淀粉連續(xù)式蒸煮系統(tǒng)

圖9 淀粉酶轉(zhuǎn)化蒸煮系統(tǒng)

山東某大型紙廠表面施膠膠料成功實現(xiàn)采用BVG蒸汽噴射加熱器、使用表面施膠酶連續(xù)處理表面施膠原淀粉(木薯或玉米原淀粉)，實現(xiàn)表面施膠由原淀粉向氧化淀粉或氧化陽離子淀粉的轉(zhuǎn)變，減少了原淀粉氧化和氧化陽離子化的過程。以81g/m2涂布原紙為例，在保證施膠質(zhì)量的基礎(chǔ)上，表面施膠膠料成本下降了86.4元/t紙，下降幅度達42.1%。

使用的表面施膠酶－Aquazym 240屬于NovozymesRα-淀粉酶。用于處理表面施膠原淀粉比較常見的NovozymesRα-淀粉酶有Fungamyl、Aquazym、BAN、Termamyl等四種產(chǎn)品。其中Fungamyl適合于處理反應(yīng)溫度和p H值均要求較低的原淀粉；Aquazym和BAN適合于處理反應(yīng)溫度和p H值均要求適中的原淀粉；Termamyl適合于處理反應(yīng)溫度和pH值均要求稍高的原淀粉。

將表面施膠原淀粉稀釋到30%,儲存在儲存罐中，然后連續(xù)轉(zhuǎn)移到表面施膠酶反應(yīng)罐中，并通過蒸汽聯(lián)鎖將其加熱到65～75℃，對表面施膠酶進行活化，在連續(xù)轉(zhuǎn)移淀粉液過程中按每噸絕干原淀粉聯(lián)鎖加入150～300g表面施膠酶，根據(jù)最終要求的黏度確定加入表面施膠酶的用量，再通過一臺專門的淀粉連續(xù)蒸煮器加熱到120～130℃，對表面施膠酶連續(xù)滅活和對淀粉液進行連續(xù)蒸煮，然后用溫水稀釋到需要的膠料濃度儲存?zhèn)溆谩?/p>

2.4 淀粉半自動蒸煮系統(tǒng)

流程前段淀粉的加入和配制系統(tǒng)由人工間歇操作，流程后段蒸煮糊化系統(tǒng)由蒸汽噴射加熱器系統(tǒng)自動連續(xù)運行，一經(jīng)調(diào)試好后，不需人工操作。淀粉糊化均勻透徹，無生淀粉小顆粒存在；質(zhì)量穩(wěn)定可靠；完全消除汽錘和震動；溫度控制精確，可達+/-0.25度；水熱器將蒸汽、淀粉液完全混合、剪切、攪拌、加熱，創(chuàng)造完美的淀粉蒸煮效果；而且能顯著節(jié)約蒸汽用量。用蒸汽噴射加熱器蒸煮淀粉，是造紙工業(yè)淀粉蒸煮系統(tǒng)的發(fā)展方向，見圖10。

圖10 淀粉半自動蒸煮系統(tǒng)

3 淀粉蒸汽噴射蒸煮關(guān)鍵的設(shè)備-水熱器

3.1 蒸汽噴射加熱器-水熱器

以上介紹的淀粉蒸煮整套設(shè)備中，關(guān)鍵的蒸煮設(shè)備是蒸汽噴射加熱器，噴射器也稱水熱器，能夠瞬間均勻穩(wěn)定地加熱淀粉。其原理和系統(tǒng)設(shè)置見圖11、圖12。

圖11 水熱器蒸煮淀粉原理

圖12 用于表面施膠的酶轉(zhuǎn)化淀粉水熱器連續(xù)蒸煮系統(tǒng)

造紙工業(yè)目前采用進口的噴射加熱器主要有美國HYDROHEATER水熱器和德國BVG水熱器，國內(nèi)也有很多廠家生產(chǎn)蒸汽噴射加熱器，如上海兆光、安徽天長、長沙水澤等。國內(nèi)產(chǎn)品多采用“以料帶汽”的蒸汽噴射加熱方式;國外產(chǎn)品多采用“以汽帶料”的蒸汽噴射加熱方式，長沙水澤生產(chǎn)的SZE型專利產(chǎn)品綜合了國內(nèi)“以料帶汽”和國外“以汽帶料”兩種蒸汽噴射加熱方式，進一步增加了蒸汽與料液的接觸，強化了微湍流，使加熱更加快捷、均勻、徹底。

圖13和圖14分別是國產(chǎn)和美國的水熱器構(gòu)造圖。

圖13 國產(chǎn)水熱器構(gòu)造

3.1.1 美國HYDROHEATER水熱器的結(jié)構(gòu)

圖14 美國HYDROHEATER水熱器的結(jié)構(gòu)

美國HYDROHEATER內(nèi)控式水熱器的結(jié)構(gòu) (見圖12)：水熱器裝有一蒸汽噴嘴，蒸汽噴嘴內(nèi)有一高精確度棒針，可前后位移以改變噴嘴面積，能精確控制蒸汽流量、從而控制流出液料的溫度。因控制點與加熱點接近，蒸汽分壓可保持不變，確保了噴射器在較廣范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。在一般條件下，噴射器可將出流液料的溫度控制在±0.25℃之內(nèi)。與一般的直接加熱設(shè)備比較，噴射器溫控反應(yīng)快，溫控較準確且較穩(wěn)定。

協(xié)調(diào)管是噴射器特有的裝置，其作用是對入流的液料提供可控制的機械剪切,提供加熱區(qū)的攪拌功能。液料必須通過協(xié)調(diào)菅與蒸汽噴嘴間的環(huán)狀區(qū)才能進入加熱區(qū)與蒸汽混合。環(huán)狀套管造成液料以環(huán)帶狀高速湍流的方式流入加熱區(qū)。

3.2 水熱器的工作原理

圖15顯示加熱處理淀粉液料時，半關(guān)閉協(xié)調(diào)管，液流受限，液流成環(huán)帶狀進入，并形成跨加熱區(qū)的壓力降。這個壓力降提供了加熱區(qū)的機械剪切和強力攪拌。

圖15 水熱器的工作原理

由于協(xié)調(diào)管的作用使液料以環(huán)帶狀湍流的方式高速（30m/min）流入加熱區(qū)，而蒸汽以音速（＞300m/s）噴出噴嘴，撞擊在氣相/液相界面，使得界面的淀粉液料形成霧滴狀，每一滴霧狀液料被懸浮于蒸汽之中與蒸汽充分接觸、迅速混合凝結(jié)，完全以單相熱液料的形態(tài)迅速流出，整個過程在瞬間完成。每一滴液料在加熱區(qū)都經(jīng)過同樣的高速剪切、攪拌、霧化、加熱，徹底地完成淀粉液料蒸煮加熱過程。

進口的水熱器價格十分昂貴，目前國產(chǎn)化產(chǎn)品還不是很成熟，性能較進口的差；水熱器及其

全自動程序設(shè)計均需國產(chǎn)化和進一步提高。

4 結(jié)語

直接蒸汽噴射加熱技術(shù)已在全球包括制漿造紙、生物乙醇、淀粉糖、淀粉深加工等行業(yè)成功運用。水熱器不僅能透徹的蒸煮淀粉，其最大的優(yōu)點是節(jié)能。采用水熱器代替普通噴槍，可節(jié)約蒸汽35%，若代替普通罐式加熱，節(jié)能降耗效果更顯著。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)測試，蒸汽耗量僅為原來的12.86%。

為加快推廣先進節(jié)能技術(shù)，提高能源利用效率，實現(xiàn)“十二五”期間單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗降低16%的約束性指標，財政部、國家發(fā)展改革委采取“以獎代補”的方式，對企業(yè)實施節(jié)能技術(shù)改造給予適當支持和獎勵，東部地區(qū)根據(jù)項目完工后實現(xiàn)的年節(jié)能量按240元/t標準煤，中、西部地區(qū)按300元/t標準煤給予一次性獎勵。在節(jié)能降耗上，能耗大戶造紙工業(yè)確實還有很多文章可做。從長遠考慮，大型制漿造紙成套設(shè)備和一些先進的基礎(chǔ)設(shè)備如水熱器，不能長期全部從國外進口、被國際公司壟斷。今后應(yīng)在引進、消化、吸收的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢，增強自主創(chuàng)新能力、實施趕超戰(zhàn)略。通過發(fā)展高新技術(shù)，推進水熱器國產(chǎn)化，逐步為大中型制漿造紙企業(yè)提供世界一流的技術(shù)裝備。

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黃鴻：高級工程師，畢業(yè)于華南理工大學(xué)制漿造紙工程專業(yè)，先后發(fā)表論文與報告30余篇，有多項科研成果獲獎。戴拓:長沙水澤加熱設(shè)備制造有限公司經(jīng)理，工程師，從事蒸汽噴射加熱設(shè)備的研究，并曾獲國家發(fā)明專利。

2012-10-15