木片篩余物高得率半化學法清潔制漿技術(shù)研究

張 偉 徐 峻，3，* 應廣東 曹衍軍 陳克復 臧子甲

（1.華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640；2.山東太陽紙業(yè)股份有限公司，山東濟寧，272100；3.廣東省植物資源生物煉制重點實驗室，廣東廣州，510006）

植物纖維原料是造紙工業(yè)的基礎(chǔ)，但由于我國木材資源一直以來都很緊缺，且需求行業(yè)多，可供造紙行業(yè)使用的木材非常有限。因此，我國造紙工業(yè)在新中國成立后半個多世紀的發(fā)展中，走了一條以草類纖維為主要原料的發(fā)展道路[1]，非木漿在很長一段時間內(nèi)占據(jù)造紙工業(yè)紙漿消耗的主導地位[2-3]。為了節(jié)省原料、降低原材料消耗，20 世紀六七十年代，我國還曾經(jīng)大力發(fā)展非木材化學法、半化學法、機械法等高得率制漿工藝[4]，許多蔗渣、高粱稈、稻麥草制漿造紙廠都進行了試產(chǎn)[5-6]，也取得了比較好的效果，當時的輕工業(yè)部還多次召開造紙工業(yè)增產(chǎn)節(jié)約座談會進行推廣[7-8]。但由于非木材原料大多數(shù)是一年生植物，纖維短、強度低、灰分和硅含量高，紙張抄造性能差，且制漿廢液處理和污染防治難度大，這些非木材高得率制漿均未能正常運轉(zhuǎn)下去，最終非木材纖維仍主要沿用木漿的制漿工藝生產(chǎn)漂白化學漿[9]。與此同時，國際上以木材為主的高得率制漿則得到快速發(fā)展[10-11]，20 世紀70年代出現(xiàn)化學熱磨機械漿（CTMP），到了20 世紀90年代又出現(xiàn)堿性過氧化氫機械法制漿（APMP），大幅度提升了高得率紙漿的品質(zhì)，且通過磨漿調(diào)節(jié)[12]，可滿足多個紙種的使用要求，已成為造紙工業(yè)重要的漿種[13-14]。

隨著我國造紙工業(yè)的高速發(fā)展，為了彌補原料不足和優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，2001年原國家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布《造紙工業(yè)“十五”規(guī)劃》，明確提出要“逐步實現(xiàn)以木材纖維為主，擴大廢紙回收利用，合理使用非木纖維”。之后，我國進口木片（木漿）和廢紙的數(shù)量迅速攀升，自2000年到2015年，木片進口量從0.12萬t躍升至981.54 萬t，凈增加980 多萬t；廢紙進口量則從371.36 萬t 躍升至2928.39 萬t，翻了近8 倍，凈增加約2600 萬t[2]；進口原料已占我國造紙工業(yè)紙漿消耗總量的43%[15]，原料供給風險陡增。更為嚴峻的是，為防范進口廢紙帶來的環(huán)境風險，2017年國辦印發(fā)《禁止洋垃圾入境推進固體廢物進口管理制度改革實施方案》要求禁止進口未經(jīng)分揀的廢紙，2020年四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于全面禁止進口固體廢物有關(guān)事項的公告》，指出從2021年開始全面禁止廢紙進口?！敖麖U令”的實施對行業(yè)發(fā)展造成巨大影響，進一步加劇了纖維原料供應的緊張形勢，缺口達3000萬t/a[16]，這勢必帶來原料結(jié)構(gòu)和紙漿生產(chǎn)方式的深刻變革[17-18]。由于進口廢紙主要是用于生產(chǎn)箱紙板、瓦楞原紙等包裝用紙，這類紙對環(huán)壓強度要求很高，而在各類紙漿生產(chǎn)方式中，高得率半化學漿的環(huán)壓強度尤佳[19-20]，非常適合用于本色包裝用紙的生產(chǎn)。

山東太陽紙業(yè)股份有限公司（以下簡稱太陽紙業(yè)）很早就開始布局多元化纖維原料供給，除在海外建立原料林基地外[21]，還充分挖掘國內(nèi)及廠內(nèi)纖維資源，大力發(fā)展化學機械法、半化學法等高得率制漿方式，將原料“吃干榨盡”。眾所周知，木片在進入化學法或化學機械法制漿系統(tǒng)前需先通過木片篩，通常會產(chǎn)生6%～10%尺寸規(guī)格較小的篩余物，這些碎料一般都是作為燃料進行焚燒處置或外售，附加值很低，能否利用這些碎料來制漿是一個嶄新的課題。通過對現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的比較分析，筆者團隊開發(fā)了篩余物半化學法制漿技術(shù)，并成功實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品指標滿足瓦楞原紙的生產(chǎn)需求，同時還利用自主開發(fā)的廢水零排放處理技術(shù)解決了半化學法制漿廢液污染大、難以達標處理的難題[22]。經(jīng)過多年的生產(chǎn)應用，產(chǎn)品各項生產(chǎn)指標穩(wěn)定，有效地保障了太陽紙業(yè)包裝用紙的原料供給。

1 試 驗

1.1 實驗室分析

1.1.1 纖維原料

篩余物原料來自太陽紙業(yè)備料車間木片篩選單元的碎料（見圖1），第三層篩板孔徑6 mm。經(jīng)除沙、除塵處理后，供實驗使用。

圖1 木片篩原理示意圖和篩余物外觀形貌Fig.1 Illustration of wood chip screening and appearance of rejects

1.1.2 化學預處理

篩余物的化學預處理采用15L ZQS-1 型回轉(zhuǎn)電熱蒸煮鍋進行，采用模擬連續(xù)蒸煮方法[23]，用堿量設(shè)定為8%和14%（相對絕干原料），預處理溫度150℃，蒸煮時間40 min，液比1∶6。反應完成后泄壓放料，得到的粗纖維不經(jīng)洗滌直接進行后續(xù)磨漿處理。

1.1.3 磨漿處理

采用KRK-2500II 型盤磨機進行磨漿實驗，磨漿濃度分別設(shè)定為22%、16%和10%。按同一濃度下1次和2次磨漿，以及高低濃組合磨漿進行實驗。磨漿能耗根據(jù)磨漿時間內(nèi)能耗表的數(shù)據(jù)進行測算。

1.1.4 分析與檢測

紙漿濃度、卡伯值、打漿度、纖維長度分別按GB/T 5399—2004、GB/T 1546—2004、GB/T 3332—2004、GB/T 10336—2002方法進行測定，紙漿得率按照文獻[24]中的方法進行計算。同時，利用抄片器抄造手抄片，定量150 g/m2，按標準GB/T 451.3—2002、GB/T 12914—2008、GB/T 2679 5—1995、GB/T 454—2002、GB/T 2679.8—2016 進行漿張緊度、裂斷長、耐折度、耐破度、環(huán)壓強度的計算與測試。

1.2 生產(chǎn)試驗

利用國產(chǎn)設(shè)備，筆者團隊設(shè)計了一條日產(chǎn)300 t的篩余物半化學法制漿生產(chǎn)線，該生產(chǎn)流程主要由橫管連續(xù)蒸煮系統(tǒng)（DN1500，Z3，Ve=20 m3）、高濃磨漿系統(tǒng)（Φ1300 mm，1700 kW/1400 kW）、封閉篩選系統(tǒng)、洗滌濃縮系統(tǒng)等組成，工藝流程簡圖如圖2所示。

圖2 篩余物半化學法制漿工藝流程簡圖Fig.2 Brief diagram of semi-chemical pulping process of woodchip rejects

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗分析

半化學漿和化學機械漿都是介于化學漿和純機械漿之間的兩段制漿法，但相對于化學機械漿（化機漿），半化學漿化學處理程度更高一些，需要用到單獨的蒸煮器，其得率也相對低一些，通常在65%～85%之間[25]。本實驗參照化機漿和半化學漿常用的用堿量，選定8%和14%的用堿量（相對于絕干漿，以下同）進行化學預處理，然后對所得粗纖維進行不同濃度的磨漿處理，所得結(jié)果見表1和表2。

表2 不同磨漿工藝下磨漿效果及磨漿能耗Table 2 Refining effect and energy consumption under different refining processes

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用8%的用堿量進行化學預處理，粗纖維得率達75%，卡伯值則高達150，殘堿僅為1.5 g/L，說明堿幾乎被消耗完；當用堿量提高到14%后，粗纖維得率下降到70%，卡伯值則減少為120，殘堿則增加至3.5 g/L。另外，從pH變化來看，當用堿量為8%時，由于殘堿量不足，pH值只有9.0，遠低于常規(guī)化學制漿蒸煮末期需所控制的pH 值＞12 的要求，這會導致溶出的木素重新沉積在纖維上，影響紙漿質(zhì)量；當用堿量增加到14%時，pH值剛好達到12以上，這將有助于提高紙漿性能。

表1 化學預處理后粗纖維及廢液特性Table 1 Characteristics of crude fibers and waste liquids after chemical pretreatment

從表2 磨漿情況來看，1#樣采用10%磨漿濃度磨漿2 次，雖然能耗只有49 kWh/t 漿，但由于打漿度太低，纖維無法成形；當把磨漿濃度提高到16%時，磨漿能耗升至116 kWh/t 漿，打漿度也提高約50%，達到17°SR，但纖維仍無法抄片；當把磨漿濃度調(diào)到22%時，漿樣能夠抄片，此時打漿度為29°SR，紙漿濕重為0.83 g。因此，2#直接采用漿濃22%的兩段高濃磨漿，所得漿料打漿度達36°SR，電耗相對1#有所下降，且紙漿濕重則從0.83 g 提高到1.50 g，顯示出更好的磨漿效果。基于此，對兩段22%高濃磨漿的1#和2#漿張進行物理性能檢測，所得結(jié)果列于表3中。

表3 不同工藝得到的半化學漿與OCC廢紙漿抄造漿張性能比較Table 3 Performance comparison between semi-chemical pulp obtained by different processes and OCC pulp

從表3 中1#漿張的物理性能可以看出，磨漿次數(shù)的增加有利于提高紙漿的性能，磨漿2次后，漿張裂斷長、耐破度和環(huán)壓強度都明顯提高，特別是環(huán)壓指數(shù)，從1 次磨漿的6.06 N·m/g 提高到8.13 N·m/g，高于GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原） 紙A 級優(yōu)等品（7.7 N·m/g）。在相同磨漿2 次的條件下，2#漿張的性能較1#漿張全面提升，其裂斷長、耐破指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)分別是1#漿張的1.9 倍、1.8 倍和1.2 倍，說明提高化學預處理的強度，對抄造漿張性能影響極大；且其緊度也達到0.52 g/cm3，超過GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A級優(yōu)等品（0.50 g/cm3）指標要求。

另外，從表3 中2#漿樣和OCC 廢紙漿不同級分長/中/短纖的紙張物理性能可以看出，篩余物半化學漿抄造漿張在裂斷長和環(huán)壓強度方面均超過廢紙漿，特別是環(huán)壓指數(shù)，半化學漿抄造漿張達9.76 N·m/g，超過了GB/T 13023—2008瓦楞芯（原）紙AA級優(yōu)等品（9.0 N·m/g）指標要求；但國內(nèi)OCC 廢紙長纖抄造漿張環(huán)壓強度僅為8.61 N·m/g，只能達到GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A 級（7.7 N·m/g）指標要求，可見國內(nèi)廢紙性能相對較低。

2.2 生產(chǎn)試驗分析

根據(jù)實驗結(jié)果，綜合考慮紙漿得率和性能，生產(chǎn)試驗化學預處理用堿量選用14%、溫度150℃、反應時間40 min、液比1∶2.3，得到的粗纖維再經(jīng)兩段22%高濃磨漿，然后對紙漿和抄造漿張性能進行檢測分析，連續(xù)生產(chǎn)結(jié)果見圖3。

圖3 生產(chǎn)試驗所得紙漿及抄造漿張的性能Fig.3 Properties of pulp samples from industrial trials

從圖3(a)可以看出，漿張卡伯值總體處于100～130 之間，平均為116；打漿度則在35°SR 上下，均與實驗室結(jié)果相吻合。另外，從圖3(b)中纖維長度和細小纖維含量來看，篩余物半化學漿纖維長度為0.6～0.7 mm，和一般化機漿相差不大；但細小纖維含量明顯比化機漿的要高，平均含量占60%左右，這與篩余物本身尺度較小密切相關(guān)。

當然，從圖3(c)和圖3(d)生產(chǎn)試驗所得漿張的強度指標來看，各項指標與實驗室紙漿性能相吻合，其中平均裂斷長為2.93 km，優(yōu)于實驗室2#漿張的2.89 km；耐破指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)分別為1.29 kPa·m2/g和8.69 N·m/g，略低于實驗室紙漿，但環(huán)壓指數(shù)仍超過GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A 級優(yōu)等品的要求；平均緊度則進一步提高到0.54 g/cm3，達到GB/T 13023—2008瓦楞芯（原）紙AA級優(yōu)等品（0.53 g/cm3）指標要求。

3 結(jié) 論

3.1 木片篩余物采用8%NaOH 和14%NaOH（相對絕干漿）低堿蒸煮化學預處理結(jié)合兩段漿濃22%的高濃磨漿，均能制備出得率在70%或以上的半化學漿，且14%用堿量下半化學漿性能明顯更優(yōu)，抄造漿張裂斷長和環(huán)壓指數(shù)高于現(xiàn)用OCC 廢紙漿抄造漿張。

3.2 采用優(yōu)化工藝進行連續(xù)生產(chǎn)試驗，所得漿張平均緊度、裂斷長、耐破指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)分別為0.54 g/cm3、2.93 km、1.29 kPa·m2/g和8.69 N·m/g，滿足生產(chǎn)高強瓦楞原紙的要求，實現(xiàn)了篩余物的高效高值化利用。