利用三段逆流壓榨系統(tǒng)提取蔗渣漿黑液

謝雪金 李雙洋 黎振球

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042)

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·蔗渣漿黑液提取·

利用三段逆流壓榨系統(tǒng)提取蔗渣漿黑液

謝雪金 李雙洋 黎振球*

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院,山東青島,266042)

采用自行設(shè)計(jì)的三段逆流壓榨系統(tǒng)提取蔗渣漿黑液，該系統(tǒng)不使用濾網(wǎng)和濾孔,采用機(jī)械壓榨脫水的方式,提高黑液濃度。三段逆流壓榨系統(tǒng)分析表明，黑液提取率與原黑液濃度無關(guān),與外補(bǔ)水量和漿濃有關(guān)。結(jié)果表明,當(dāng)壓漿機(jī)的出漿濃度為33%、外補(bǔ)水量為3 t/t漿、噴放池漿濃為10%時(shí),三段逆流壓榨系統(tǒng)的黑液提取率為93.65%。

堿回收；蔗渣漿黑液；高濃度提??；機(jī)械壓榨；逆流壓榨

目前世界上先進(jìn)的木漿黑液提取率接近100%,而我國麥草漿黑液的提取率偏低,一般為80%～88%,甚至更低[1]。低的黑液提取率嚴(yán)重妨礙著草漿堿回收的發(fā)展,造成草漿堿回收成本高,二次污染嚴(yán)重的局面[2]。目前國內(nèi)用洗滌設(shè)備來提取黑液,木材制漿黑液提取采用鼓式真空洗漿機(jī)；麥草漿黑液提取設(shè)備的選用則走了很多彎路，從真空洗漿機(jī)到螺旋壓榨機(jī)、溝紋擠漿機(jī)、水平帶式擠漿機(jī)、雙輥擠壓機(jī)等均無明顯成效[3]。這些設(shè)備的特點(diǎn)是消耗大量的水來進(jìn)行稀釋和流送,使水的消耗量增大,同時(shí)黑液提取不夠完全。因此,提高草漿黑液提取率的工藝和設(shè)備的研發(fā)是當(dāng)務(wù)之急[4]。

傳統(tǒng)的洗漿方式遵循稀釋-混合-過濾的流程。用大量的水去置換紙漿中的廢液,利用濃度梯度,使紙漿中的黑液從高濃向低濃擴(kuò)散,給黑液高濃提取帶來困難。大量水的注入稀釋了黑液,纖維內(nèi)外濃度差逐漸減少，分子擴(kuò)散過程需要較長的時(shí)間。置換原理是：在外力的作用下,洗滌水透過紙漿形成的濾層,從纖維孔隙通道中穿過,把紙漿中的黑液帶出。置換原理利用了擴(kuò)散和過濾作用。置換洗滌可以示作是纖維過濾器的反洗,即纖維濾餅的洗滌。當(dāng)水進(jìn)入紙漿時(shí),水首先置換紙漿中黑液,然后在紙漿層中黏滯流動(dòng),最后穿過紙漿層[5]。不難發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散或是置換原理都是建立在外部水注入的基礎(chǔ)上。需要大量稀釋用水和較長的滲透時(shí)間來獲得黑液提取率的提高是它們共同的特點(diǎn)。由于蔗渣漿的特點(diǎn)是雜細(xì)胞多、泡沫嚴(yán)重、細(xì)小纖維多,在洗漿過程中容易糊網(wǎng),難于洗滌。目前采用鼓式真空洗滌設(shè)備來提取蔗渣漿黑液效果不太理想[6]。為改變老式網(wǎng)型、孔隙型提取設(shè)備易于糊網(wǎng)、塞孔,造成黑液提取率不高的問題，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種蔗渣漿黑液提取系統(tǒng),利用壓榨的方式來提取黑液。由于該系統(tǒng)避開了網(wǎng)和孔隙型的設(shè)計(jì),因此可以不用擔(dān)心因加大工作壓力造成網(wǎng)的損壞,同時(shí)避免了孔隙型設(shè)計(jì)的孔堵塞或漿料從孔隙流出造成的漿耗過大現(xiàn)象。把加壓、提濃和降低漿耗有機(jī)地結(jié)合在一起。從壓榨機(jī)的原理來說,黑液提取事實(shí)上是一個(gè)分離過程,分離是將混合物轉(zhuǎn)變成組成互不相同的兩種或幾種產(chǎn)品的操作[7]。壓榨是利用機(jī)械力從含有液體的固體物質(zhì)中榨出液體，即在外加壓力梯度的作用下強(qiáng)迫黑液流動(dòng)的趨勢。壓榨的機(jī)理是過濾和壓實(shí)，分離效果與壓力有關(guān),蔗渣漿干度與壓榨壓力的關(guān)系如表1所示。

表1 蔗渣漿干度與壓力間的關(guān)系

從表1中可以看出,物料受壓愈大,其干度會(huì)增加。但由于每種物料有其自身的體積,所以達(dá)到一定的干度后物料干度就很難再上升。

諾·邊爾對蔗渣漿的壓榨提出了經(jīng)驗(yàn)公式，見公式(1)。

P=7/(10C)6

(1)

式中,P為壓力,C為壓縮比,從式(1)中可以看出,壓力與壓縮比的6次方成反比,由于壓力不能無限增大,所以壓縮比會(huì)有一定的限制。因此壓縮過程中,物料的干度會(huì)保持在一定的范圍內(nèi)。

壓榨是造紙過程中常用的提高紙幅干度的手段。在衛(wèi)生紙?jiān)埳a(chǎn)中利用汽缸加壓托輥,在0.4～0.5 MPa的壓力下,可以使紙幅達(dá)到接近40%的干度。采用新式復(fù)合壓榨,紙幅干度可達(dá)48%～50%[8],用機(jī)械壓榨的方式容易使紙幅達(dá)到60%以上的干度[9]，因此采用壓榨脫水提取高濃黑液是有可能實(shí)現(xiàn)的。

1 黑液提取工藝

1.1 主要原料

蔗渣漿黑液取自南寧糖紙廠爐前黑液,濃度48%～49%，成分分析略。

1.2 提取原理

(1)利用壓榨方式使蔗渣漿體積變小。

圖1 蔗渣漿黑液提取工藝流程圖

(2)由于液體的不可壓縮性,漿料受壓后,黑液從紙漿層中析出，并流入下壓輥的溝紋,排向集液槽。蔗渣漿黑液的提取工藝流程如圖1所示。

(3)在系統(tǒng)中,設(shè)噴放倉漿濃為X0,黑液濃度為C0,壓漿機(jī)出漿濃度為X,各段提取的黑液濃度分別為C1、C2、C3；相應(yīng)的黑液量為V1、V2、V3。外加水量為W，以噸絕干漿為單位進(jìn)行運(yùn)算。由于提取過程中紙漿損失小,而且還可通過過濾回收絕大部分的紙漿,所以此處忽略不計(jì)。

假定圖1中C0=C1,

V1=1/X0-1/X

(2)

V2=V3=W

噸漿中液體量為1/X-1,令Y=1/X-1為紙漿中液體量,所以

V1=Y0-Y

(3)

對于二段壓漿機(jī)有：

YC1+V3C3=YC2+V2C2

YC0+WC3=YC2+WC2

(4)

對于三段壓漿機(jī)有：

YC2=YC3+WC3

(5)

聯(lián)立方程,解得：

C2=C0Y(W+Y)/[(Y+W)2-WY]

(6)

C3=C0Y2/[(Y+W)2-WY]

(7)

C2/C3=1+W/Y

(8)

設(shè)黑液提取率為E:

E=送堿回收固形物量/總固形物量

E=(V1C1+V2C2)/(C0V0)={(Y0-Y)C0+WC0Y(W+Y)/[(Y+W)2-WY]}/C0Y0

(9)

從式(9)中可知,黑液提取率與原黑液濃度無關(guān),只與外加水量和紙漿中液體量即漿濃有關(guān)。二段、三段的濃度比與外加水量和漿濃有關(guān)。

1.3 工藝參數(shù)設(shè)定

1.3.1 出漿濃度的設(shè)定

首先研究出漿濃度對黑液提取的影響問題,對于式(9),設(shè)立兩個(gè)條件：①外加水量為3 t；②噴放池漿濃為12%。然后改變壓漿機(jī)的出漿濃度,其對黑液提取率的影響如表2所示。

表2 出漿濃度與黑液提取率的關(guān)系

從表2可知,壓漿機(jī)出漿濃度越高越有利于黑液提取。但濃度過高會(huì)對壓漿機(jī)的設(shè)計(jì)要求過高,所以出漿濃度以30%～40%為宜。設(shè)定壓漿機(jī)的出漿濃度為33%。

1.3.2 噴放池漿濃的設(shè)定

噴放池漿濃也是影響黑液提取率的關(guān)鍵因素。表3為噴放池漿濃與黑液提取率的關(guān)系。

表3 噴放池漿濃與黑液提取率的關(guān)系

注 壓漿機(jī)出漿濃度為33%。

從表3中可以看出，噴放池漿濃在8%～12%的范圍內(nèi),黑液提取率變化不大,而這個(gè)濃度就是實(shí)際生產(chǎn)中的濃度。所以設(shè)定噴放池漿濃為10%。

1.3.3 外加水量的設(shè)定

外加水量W對黑液提取率的影響如表4所示。

表4 外加水量對黑液提取率的影響

注 噴放池漿濃10%,壓漿機(jī)出漿濃度為33%。

從表4中可以看出，每噸絕干漿外加水量在3 t時(shí),無論從黑液提取率還是從黑液提取量上均可以滿足生產(chǎn)要求。

考慮到工藝條件及經(jīng)濟(jì)性原則，設(shè)定壓漿機(jī)工藝參數(shù)為:出漿濃度33%,外加水量3 t/t漿,噴放池漿濃10%。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

黑液提取機(jī)采用自行設(shè)計(jì)的壓漿機(jī),圖2為示意圖。

壓漿機(jī)參數(shù)為：開口15 mm、最大開口25 mm、壓輥直徑300 mm；下輥為溝紋輥：溝寬1 mm、溝距3 mm、輥轉(zhuǎn)速11 r/min，配用電機(jī)4 kW,車速750 r/min，出漿濃度33%,產(chǎn)量3 t/h。

圖2 壓漿機(jī)示意圖

2 應(yīng)用效果與討論

2.1 壓漿機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在液比1∶2.6、14 m3蒸球裝鍋量為1600 kg(絕干)、燒堿為240 kg條件下蒸煮，蒸煮壓力在2 h升至0.65 MPa，保壓0.5 h后噴放。將蒸煮后的蔗渣漿(噴放漿)放入壓漿機(jī),調(diào)節(jié)上輥壓力使壓漿機(jī)出漿干度為33%,并按圖1工藝要求加入循環(huán)水,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 壓漿機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 黑液回用蒸煮結(jié)果

把二壓的黑液部分用于蒸煮,以降低蒸發(fā)站的負(fù)荷,同時(shí)減少蒸煮時(shí)配藥用的清水。這部分的液量一般占蒸煮配藥用水量的10%。此時(shí)因黑液回用而增加的蒸煮液固型物含量為74.24 kg/t漿,即9 g/L。黑液回用對蒸煮的影響見表6。

由表6可知,隨著蒸煮液固形物含量的增加，紙漿卡伯值和粗漿得率有小幅度增加,10%左右的黑液回用對制漿造紙不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

表6 黑液回用蒸煮實(shí)驗(yàn)

注 蒸煮液比1∶5,最高溫度165℃,保溫1.5 h,用堿量15%。

3 結(jié) 論

盡可能提高提取黑液和入爐黑液濃度是解決現(xiàn)行蔗渣漿黑液堿回收存在問題較為有利和直接的辦法。采用三段逆流壓榨提取蔗渣漿黑液時(shí)，黑液提取率與原黑液濃度無關(guān),與外加水量和紙漿中液體量即漿濃有關(guān)。壓漿機(jī)出漿濃度越高越有利于黑液提取,但濃度過高會(huì)對設(shè)計(jì)的要求過高,目前一般不超過35%。噴放池漿濃在8%～12%范圍內(nèi),黑液提取率變化不大,實(shí)際生產(chǎn)中就是采用這個(gè)濃度。利用自行設(shè)計(jì)的三段逆流循環(huán)壓漿系統(tǒng),可使蔗渣漿的出漿干度達(dá)到30%～35%,且可以提高黑液提取率,例如：出漿濃度設(shè)定為33%,每噸漿的外加水量為3 t,噸漿就能提取10 t黑液,此時(shí)黑液提取率為93.65%。

[1] ZHANG Nan. Alkali Recovery of Wood Pulping and Wheat Straw Pulping in China[J]. China Pulp & Paper, 2012, 31(4): 67.

張 楠. 我國的木漿和麥草漿黑液堿回收現(xiàn)狀[J]. 中國造紙, 2012, 31(4): 67.

[2] HU Jie, WANG Ping, ZHANG Ke. Alkali Recovery of Wheat Straw Pulping Black Liquor: Experiences and Problems[J]. China Pulp & Paper, 1997, 16(3): 51.

胡 杰, 汪 萍, 張 珂. 麥草漿黑液堿回收現(xiàn)狀及有關(guān)問題的探討[J]. 中國造紙, 1997, 16(3): 51.

[3] WANG Hong-wen. The New Equipment, New Technology and New Process for the Black Liquor Extraction in Wheat Straw Pulping Process[J]. Shanghai Papermaking, 2004(5): 19.

王泓文. 草漿黑液提取的新設(shè)備、 新技術(shù)、 新工藝[J]. 上海造紙, 2004(5): 19.

[4] Chen Jiaxiang. Pulping Principle and Engineering[M]. Beijing: Light Industry Press, 1990.

陳嘉翔. 制漿原理與工程[M]. 北京: 輕工出版社, 1990.

[5] Li Zhenqiu, Yang Rendan, Chen Kefu, et al. Concentrated Bagasse Black Liquor and Its Characteristics[J]. Transactions of China Pulp and Paper, 1999, 14(S1): 82.

黎振球, 楊仁黨, 陳克復(fù), 等. 蔗渣黑液高濃蒸發(fā)特性的研究[J]. 中國造紙學(xué)報(bào), 1999, 14(S1): 82.

[6] CHEN Kefu. Mid-high Consistancy Pulping Technology and Equipment[M]. Guangzhou: South China University of Technology Press, 1994.

陳克復(fù). 中高濃制漿技術(shù)與裝置[M]. 廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1994.

[7] C.Judson. King. Separation Process[M]. Beijing, Chemical Industry Press, 1987.

C.賈德森·金. 大連化工原理教研室譯. 分離過程[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1987.

[8] Long Yanquan. Pulp and Papermaking Precess (second volume) [M]. Beijing: China Light Industry Press, 1992.

隆言泉. 制漿造紙工藝學(xué)(下冊)[M]. 北京: 中國輕工出版社, 1992.

[9] Chen Kefu. Pulp and Papermaking Machinery and Equipment[M]. Beijing: China Light Industry Press, 1993.

陳克復(fù). 制漿造紙機(jī)械與設(shè)備[M]. 北京： 中國輕工出版社, 1993.

(責(zé)任編輯：劉振華)

Extraction of Bagasse Pulping Black Liquor by Using Three Stages Countercurrent Pressing System

XIE Xue-jin LI Shuang-yang LI Zhen-qiu*

(College of Chemical Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao, Shandong Province, 266042)(*E-mail: lizhenqiu@qust.edu.cn)

In order to improve the extraction rate of black liquor of bagasse pulp, the study analyzed the problem in bagasse pulp black liquor extraction, and used mechanical pressing to realize the extraction of bagasse pulping black liquor in higher concentration. Using the self-designed three stages washing system without filters, the extracted black liquor concentration increased. The system analysis showed that, the extraction rate of the black liquor had nothing to do with the concentration of the original black liquor, which was related to the liquid content of the pulp and the addition of water. On the other hand, by designing presser and presser parameters, the experimental results showed that the output pulp consistency was 33% and the supplementary water was 3 tons per ton of pulp. 10 tons of black liquor could be extracted from 1 ton of pulp, the extraction rate was 93.65%.

alkali recovery; bagasse pulp black liquor; high concentration extraction; mechanical press; countercurrent press

謝雪金先生，在讀碩士研究生；主要研究方向：生物質(zhì)精細(xì)化學(xué)品。

2016- 05-10(修改稿)

TS733+.5

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.10.003

*通信作者：黎振球先生，E-mail:lizhenqiu@qust.edu.cn。