打篩模式在造紙法再造煙葉生產(chǎn)中的應用實踐

李 龍 林曉林 張大坤

（上海煙草集團太倉海煙煙草薄片有限公司，江蘇太倉，215433）

“三分抄造，七分打漿”，抄造用漿料質(zhì)量對紙張品質(zhì)的影響顯著[1-3]。煙草原料纖維組分較少、薄壁細胞和雜細胞較多[4-5]，盡管煙草原料與傳統(tǒng)造紙行業(yè)原料的結(jié)構(gòu)差異較大，但漿料處理方式卻一直延用造紙行業(yè)的磨漿機處理模式，存在較為顯著的矛盾問題。若煙草漿料打漿度高、濕重低，則細小組分多、基片勻度好，但可能會造成基片吸收性差，且抄造流失嚴重；若煙草漿料打漿度低、濕重高，則細小組分少、基片吸收性好，但可能導致不規(guī)則梗皮數(shù)量偏多，造成基片勻度差，影響抄造穩(wěn)定性[6-8]。如何在保證基片勻度的基礎(chǔ)上有效改善基片的吸收性，是再造煙葉行業(yè)一直探索和追求的目標。再造煙葉行業(yè)內(nèi)已對高濃制漿、低濃制漿、煙梗及煙末分開制漿與混合制漿工藝等[9-10]，及打漿的關(guān)鍵設備（磨漿機、解纖機）[11-14]、控制參數(shù)（流量、濃度、頻率、功率、壓力等）開展了相關(guān)的摸索和實踐，但均無法有效解決基片吸收性與勻度之間的矛盾[15-17]。

目前，再造煙葉行業(yè)對中濃壓力篩應用和研究主要圍繞壓力篩運行調(diào)控[18]、漿料纖維分布及常規(guī)物理指標（松厚度、抗張強度等）變化規(guī)律開展，并未對漿料關(guān)鍵指標（打漿度和濕重）以及產(chǎn)品吸收性開展調(diào)控研究[19-21]。因此，為實現(xiàn)煙草漿料“低打漿度，高濕重”有效處理，需系統(tǒng)優(yōu)化中濃壓力篩在漿料制備工藝中的作用，聯(lián)合磨漿機協(xié)同弱化對漿料的處理強度，同時避免大尺寸梗皮進入成品漿料。本課題提出“打篩結(jié)合”的漿料處理模式（以下簡稱打篩模式），實現(xiàn)有效的“低打漿度，高濕重”處理，兼顧基片的勻度和吸收性等質(zhì)量指標，對于煙草薄片質(zhì)量的進一步提升具有十分重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)磨漿機處理模式下，為保證漿料的勻度，需利用機械方式對漿料進行高強度的處理，這會造成漿料中組分的大量破碎，整體形態(tài)細小，不利于基片吸收性的改善。在打篩模式下，即采用“先粗打，后篩勻”的思路，其工藝流程如圖1所示，實現(xiàn)對煙草漿料（煙漿）纖維進行選擇性的調(diào)控?！跋却执颉保傅氖钦w下調(diào)漿料纖維受到的機械做功水平，采用輕處理的方式保持纖維長度，確保漿料“夠粗”；“后篩勻”，一方面指依托中濃壓力篩的選擇性篩選功能對粗渣進行有效攔截，被截留的粗渣回流后重新磨漿，通過篩縫的勻漿則作為良漿進入后道工序使用；另一方面是結(jié)合回流立管的“短流程瞬時摻配”功能，及時穩(wěn)量將粗渣進行回流混配，避免回流渣漿對中間漿罐內(nèi)物料的干擾和影響，進一步保障篩選后良漿的穩(wěn)定性。綜上措施結(jié)合必要的中濃壓力篩篩縫選型，最終實現(xiàn)煙草漿料的“既粗又勻”處理預期。

圖1 打篩模式工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of refining-screening mode

1 實 驗

1.1 實驗原料

再造煙葉漿料（梗片比5∶5）、煙草薄片基片，基片定量（58±2）g/m2，均取自太倉海煙煙草薄片公司。

1.2 儀器和設備

雙盤磨漿機（DD500，山東晨鐘機械股份有限公司），外流式中濃壓力篩（WS81J，鄭州運達造紙設備有限公司，篩鼓篩寬0.55 mm，棒條寬度3.2 mm，開孔率15.4%），肖伯爾式打漿度儀（SR/P，巴西REGMED公司），紙張勻度測試儀（2D LAB，法國Techpap公司），質(zhì)構(gòu)儀（TA.XT PLUS，英國STA?BLE MICRO公司），透氣度測定儀（58-27-00-0002，美國TMI公司），接觸角測量儀（DSA100，德國KRUSS公司）。

1.3 實驗方法

將待測基片在溫度（22±2）℃、相對濕度（65±5）%條件下平衡48 h備用。

1.3.1 透氣性檢測

隨機取10張基片，用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用透氣度測試儀，逐一對10張樣品進行自動檢測，以10個檢測值的算術(shù)平均值作為透氣度的檢測結(jié)果。

1.3.2 勻度測定

隨機取10張基片，用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用紙張勻度測試儀，逐一對10張樣品進行自動檢測，以10個檢測值的算數(shù)平均值作為勻度的檢測結(jié)果。

1.3.3 表面摩擦力測定

隨機取樣5張，用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用質(zhì)構(gòu)儀，設置參數(shù)為：實驗速度2.50 mm/s，拉力100.0 N，實驗距離80.0 mm；逐一對5張樣品進行自動檢測，以5個檢測值的算數(shù)平均值作為表面摩擦力的檢測結(jié)果。

1.3.4 吸收性測定

隨機取樣，用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用接觸角測量儀，接觸角測量范圍0°~180°，分辨率±0.1°，光學放大倍數(shù)7倍，攝像系統(tǒng)50幀，吸收試劑為蒸餾水，步進體積0.5 mL，檢測樣品的吸收性。

2 結(jié)果與討論

2.1 中濃壓力篩生產(chǎn)運行調(diào)試參數(shù)

結(jié)合上海煙草集團太倉海煙煙草薄片公司實際生產(chǎn)運行需要，通過對壓力篩篩縫、篩選壓力、篩選濃度、篩選回流比等參數(shù)的不斷優(yōu)化，研究得到表1所示中濃壓力篩正常運轉(zhuǎn)的基本工藝參數(shù)，后述涉及的磨漿功率與磨漿機臺數(shù)的調(diào)整均基于此中濃壓力篩參數(shù)。

表1 中濃壓力篩關(guān)鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of medium concentration pressure screen

2.2 打篩模式下磨漿機工藝調(diào)整優(yōu)化

2.2.1 磨漿機功率優(yōu)化

表2為功率調(diào)整前后磨漿機關(guān)鍵工藝參數(shù)對比結(jié)果。在傳統(tǒng)打漿模式下，為避免漿料中不規(guī)則梗皮數(shù)量過多，需采用1臺一級磨漿機，2臺二級磨漿機串聯(lián)的組合形式保持功率穩(wěn)定，開展磨漿作業(yè)，各磨漿機功率均穩(wěn)定控制在（126.0±3.0）kW范圍內(nèi)。采用打篩模式，在兼顧磨漿機有效運行的前提下，保持磨漿機數(shù)量不變，可將磨漿機功率下調(diào)至（117.0±3.0）kW范圍內(nèi)（降幅7.0%），漿料處理強度有效降低，其余參數(shù)變化詳見表2。

表2 功率調(diào)整前后磨漿機關(guān)鍵工藝參數(shù)對比Table 2 Comparison of key process parameters of refiner before and after power adjustment

表3為漿料過程指標對比結(jié)果。由表3可知，經(jīng)過中濃壓力篩的選擇性篩選，壓力篩出口良漿相比傳統(tǒng)成品煙漿，細小纖維比例和打漿度基本持平（降幅分別為3.4%和2.0%），濕重提升1.4 g（增幅50.0%）。表明僅降低磨漿功率，可在一定程度上避免纖維切斷，保留長度，但由于細小纖維會優(yōu)先通過篩縫進入壓力篩出口良漿中，而打漿度主要受細小纖維比例影響，故壓力篩出口良漿的打漿度會反彈提升，與傳統(tǒng)成品煙漿持平。濕重提升主要是由于輕打工藝降低了磨漿功率，磨漿強度降低，壓力篩入口漿料纖維變得粗長，此時的濕重5.5 g相對于傳統(tǒng)打漿模式下濕重2.8 g提升明顯，壓力篩篩漿后仍保持較高水平。

表3 漿料過程指標對比Table 3 Comparison of processing indicators of pulp

綜上所述，在打篩模式的基礎(chǔ)上降低磨漿功率，可以在穩(wěn)定打漿度水平的前提下提升濕重指標。

2.2.2 磨漿機臺數(shù)優(yōu)化

基于中濃壓力篩對大尺寸梗皮的有效篩選作用，打篩模式下大膽嘗試在保持功率一致的基礎(chǔ)上減少磨漿機臺數(shù)，具體參數(shù)如表4所示。不同階段漿料指標變化見表5。由表5可知，傳統(tǒng)成品煙漿打漿度均值46°SR，濕重均值為3.1 g。打篩模式下壓力篩出口良漿打漿度相比傳統(tǒng)成品煙漿下降12°SR（降幅26.0%）；壓力篩出口良漿濕重均值相比傳統(tǒng)成品煙漿提高1.0 g（增幅32.0%）。主要原因是磨漿機臺數(shù)減少后，漿料與磨盤接觸的次數(shù)顯著下降，漿料被機械反復搓揉的次數(shù)減少，細小纖維比例大幅降低（降幅47.6%），纖維平均長度變長（增幅15.0%）及大尺寸（>2 mm）纖維比例顯著增大（增幅164.2%），經(jīng)過中濃壓力篩的篩選，雖然細小纖維組分優(yōu)先通過篩縫，導致打漿度有所回升，但整體依然保持在預期水平。

表4 磨漿機臺數(shù)調(diào)整前后關(guān)鍵工藝參數(shù)對比Table 4 Comparison of key process parameters before and after adjusting the number of refiner

從穩(wěn)定性上來看，傳統(tǒng)成品煙漿的打漿度變異系數(shù)6.8%，濕重變異系數(shù)為6.0%，在保持功率前提下減少磨漿機臺數(shù)，漿料處理強度大幅下降，壓力篩入口煙漿打漿度變異系數(shù)大幅上升至11.4%，濕重變異系數(shù)大幅上升至14.7%，漿料處于非常不均勻的狀態(tài)。經(jīng)中濃壓力篩的選擇性篩選，壓力篩出口良漿打漿度變異系數(shù)下降至7.1%，與傳統(tǒng)成品煙漿基本持平；濕重變異系數(shù)大幅下降至4.8%（降幅21.0%）。

綜上，采用打篩模式，在保持磨漿功率前提下減少磨漿機臺數(shù)，可較好實現(xiàn)“低打漿度，高濕重”的漿料處理預期，且濕重穩(wěn)定性得到有效改善。

2.3 基片物理性能分析

2.3.1 透氣度分析

經(jīng)過對打篩模式的制漿工藝優(yōu)化，本研究基于表6的制漿參數(shù)生產(chǎn)制備了基片，并對不同打漿模式下得到的基片的物理性能進行對比分析。

表6 2種制漿模式下磨漿機關(guān)鍵參數(shù)對比Table 6 Comparison of key parameters of refiner under two pulping modes

基片的透氣度通過在單位時間、固定面積內(nèi)的空氣量進行衡量，透氣度越高，基片的孔隙率越大，對于涂布液的吸收和縱向遷移有一定的促進作用。圖2為2種制漿模式所得基片透氣度指標對比圖。由圖2可知，傳統(tǒng)打漿模式得到的基片透氣度為2300~2500 mL/min，而采用打篩模式得到的基片透氣度達4000~4200 mL/min，提升幅度達70.0%以上。結(jié)合表5分析，主要原因是打篩模式得到的漿料中細小纖維更少，均勻大尺寸纖維比例更高，抄造后所得基片纖維交織更加松散，孔隙中細小纖維減少，整體孔隙率提高。透氣度的顯著提升對于涂布液的滲透和吸收有較好的促進作用。

圖2 2種制漿模式所得基片的透氣度Fig.2 Air permeance of substrates prepared by two pulping modes

表5 不同階段漿料指標變化對比Table 5 Comparison of processing indicators of pulp

2.3.2 吸收性分析

圖3和圖4分別為接觸角檢測過程實拍圖和變化趨勢圖。由圖3可知，隨著時間的推移，液體逐步被基片吸收，液體與基片之間的內(nèi)夾角逐步減小并達到平衡狀態(tài)。由圖4可知，傳統(tǒng)打漿模式下基片的液體接觸角從95°降至50°，耗用時長16 s，變化速率2.8°/s；打篩模式下基片的液體接觸角從97°降至37°，耗用時長13 s，變化速率4.6°/s。相比傳統(tǒng)打漿模式，打篩模式所得基片的接觸角下降了26.0%，接觸角變化速率提升了64.3%，表明打篩模式得到的基片表面親水性更好，更有利于液體的潤濕與吸收。

圖3 接觸角檢測過程實拍圖Fig.3 Real-time shot of contact angle during detection pro?cess

圖4 接觸角檢測過程變化趨勢Fig.4 Variation trend of contact angle during detection process

2.3.3 勻度分析

勻度以勻度指數(shù)來表征，勻度指數(shù)基于比周長和對比強度的比值關(guān)系計算得出，即紙張中絮團尺寸越小，絮團分布越均勻，紙張的整體勻度越好[22-23]。

圖5為基片勻度指數(shù)統(tǒng)計對比結(jié)果。由圖5可知，打篩模式得到的基片，在各細分尺寸區(qū)間（除3~6 mm）的勻度指數(shù)均大于傳統(tǒng)打漿模式，尤其是0~1 mm和10~16 mm的分布區(qū)間，明顯高于傳統(tǒng)打漿模式下的基片水平，且打篩模式下的基片總勻度指數(shù)為372，相比傳統(tǒng)模式的341提升了9.1%，表明纖維絮團分布的填充程度得到一定提升。結(jié)合表5分析，絮團分布情況變化的原因是，打篩模式下細小纖維通過篩縫的優(yōu)先級較高，通過篩縫的小組分纖維比例提高，形成的絮團尺寸也相對較小，數(shù)量較多；“先粗打”的理念提高了漿料的大尺寸纖維比例，基片在脫水過程中形成了更多大尺寸絮團結(jié)構(gòu)，但大尺寸勻度指數(shù)較低，對總體影響不大?？傮w來看，打篩模式基片中的絮團尺寸更小，數(shù)量更多，對基片的填充效果更加充分均勻，基片整體勻度得到一定提升。

圖5 基片勻度指數(shù)統(tǒng)計對比Fig.5 Statistical comparison of uniformity index of substrate

2.3.4 表面摩擦力分析

2種制漿模式下所得基片的動摩擦力變化規(guī)律如圖6所示。從圖6可以看出，打篩模式下基片的動摩擦力顯著高于傳統(tǒng)打漿模式下基片的動摩擦力，間接反映出基片表面粗糙程度有所提升。表7為正、反面基片摩擦力的檢測結(jié)果。由表7可知，相比傳統(tǒng)打漿模式，打篩模式基片正面靜摩擦力可提升20.4%，動摩擦力提升18.0%；反面靜摩擦力提升11.0%，動摩擦力提升5.5%。主要原因是打篩模式的打漿度相比傳統(tǒng)打漿模式下降30.0%以上，漿料處理強度大幅下降，大尺寸纖維保留較多，纖維交織的孔隙率增加，暴露在基片表面的大尺寸纖維結(jié)構(gòu)增多，有效地提升了基片表面的粗糙程度和摩擦力。

圖6 2種制漿模式所得基片動摩擦力指標對比Fig.6 Comparison of dynamic friction index of substrates under two pulping modes

表7 摩擦力檢測對比Table 7 Comparison of friction detection

2.4 漿料處理成本分析

采用打篩模式的制漿能耗成本降低情況詳見表8。

表8 2種制漿模式能耗成本統(tǒng)計Table 8 Statistical data of energy consumption cost under two pulping modes

表8中制漿總功率、單日實際產(chǎn)量、年總生產(chǎn)日和年度制漿能耗成本的計算詳見式（1）~式（4）。

式中，P表示制漿總功率，kW；N1表示磨漿機臺數(shù)，臺；P1表示磨漿機平均功率，kW；N2表示中濃壓力篩臺數(shù)，臺；P2表示中濃壓力篩平均功率，kW；T表示單日實際產(chǎn)量，t；S表示紙機車速，m/min；N表示紙機幅寬，m；M表示基片定量，g/m2；L表示薄片含水率，%；D表示年總生產(chǎn)日，天；W表示年產(chǎn)量，t；Y表示年度制漿能耗成本，萬元。

通過表8及式（1）~式（4）的計算分析可知，按照年產(chǎn)量7500 t計算，采用打篩模式開展?jié){料制備，相比傳統(tǒng)打漿模式，其可降低能耗成本36.41萬元/a。

3 結(jié) 論

3.1 在“先粗打，后篩勻”的漿料處理模式下，優(yōu)化調(diào)整了磨漿機功率和臺數(shù)，壓力篩出口良漿打漿度從46°SR降至34°SR，降幅26.1%，濕重從3.1 g提升至4.1 g，升幅32.3%，實現(xiàn)了“低打漿度，高濕重”的預期目標。

3.2 與傳統(tǒng)打漿模式下的基片相比，打篩模式下基片正面靜摩擦力從93 N提升至112 N，提升幅度為20.4%，透氣度從2300~2500 mL/min提升至4000~4200 mL/min，提升幅度超過70.0%，接觸角變化速率從2.8°/s提升至4.6°/s，提升幅度為64.3%，勻度指數(shù)從342提升至371，提升幅度為9.1%，這為進一步系統(tǒng)提升再造煙葉產(chǎn)品品質(zhì)奠定良好技術(shù)基礎(chǔ)。

3.3 按照7500 t的年產(chǎn)量計算，打篩模式相比傳統(tǒng)打漿模式，漿料制備能耗成本每年可降低36.41萬元，有力推動降本增效水平的提升。