利用三段逆流壓榨系統提取蔗渣漿黑液

謝雪金 李雙洋 黎振球

(青島科技大學化工學院,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提取蔗渣漿黑液

謝雪金 李雙洋 黎振球*

(青島科技大學化工學院,山東青島,266042)

采用自行設計的三段逆流壓榨系統提取蔗渣漿黑液，該系統不使用濾網和濾孔,采用機械壓榨脫水的方式,提高黑液濃度。三段逆流壓榨系統分析表明，黑液提取率與原黑液濃度無關,與外補水量和漿濃有關。結果表明,當壓漿機的出漿濃度為33%、外補水量為3 t/t漿、噴放池漿濃為10%時,三段逆流壓榨系統的黑液提取率為93.65%。

堿回收；蔗渣漿黑液；高濃度提取；機械壓榨；逆流壓榨

目前世界上先進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]。低的黑液提取率嚴重妨礙著草漿堿回收的發展,造成草漿堿回收成本高,二次污染嚴重的局面[2]。目前國內用洗滌設備來提取黑液,木材制漿黑液提取采用鼓式真空洗漿機；麥草漿黑液提取設備的選用則走了很多彎路，從真空洗漿機到螺旋壓榨機、溝紋擠漿機、水平帶式擠漿機、雙輥擠壓機等均無明顯成效[3]。這些設備的特點是消耗大量的水來進行稀釋和流送,使水的消耗量增大,同時黑液提取不夠完全。因此,提高草漿黑液提取率的工藝和設備的研發是當務之急[4]。

傳統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,纖維內外濃度差逐漸減少，分子擴散過程需要較長的時間。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。當水進入紙漿時,水首先置換紙漿中黑液,然后在紙漿層中黏滯流動,最后穿過紙漿層[5]。不難發現擴散或是置換原理都是建立在外部水注入的基礎上。需要大量稀釋用水和較長的滲透時間來獲得黑液提取率的提高是它們共同的特點。由于蔗渣漿的特點是雜細胞多、泡沫嚴重、細小纖維多,在洗漿過程中容易糊網,難于洗滌。目前采用鼓式真空洗滌設備來提取蔗渣漿黑液效果不太理想[6]。為改變老式網型、孔隙型提取設備易于糊網、塞孔,造成黑液提取率不高的問題，本實驗設計了一種蔗渣漿黑液提取系統,利用壓榨的方式來提取黑液。由于該系統避開了網和孔隙型的設計,因此可以不用擔心因加大工作壓力造成網的損壞,同時避免了孔隙型設計的孔堵塞或漿料從孔隙流出造成的漿耗過大現象。把加壓、提濃和降低漿耗有機地結合在一起。從壓榨機的原理來說,黑液提取事實上是一個分離過程,分離是將混合物轉變成組成互不相同的兩種或幾種產品的操作[7]。壓榨是利用機械力從含有液體的固體物質中榨出液體，即在外加壓力梯度的作用下強迫黑液流動的趨勢。壓榨的機理是過濾和壓實，分離效果與壓力有關,蔗渣漿干度與壓榨壓力的關系如表1所示。

表1 蔗渣漿干度與壓力間的關系

從表1中可以看出,物料受壓愈大,其干度會增加。但由于每種物料有其自身的體積,所以達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驗公式，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,所以壓縮比會有一定的限制。因此壓縮過程中,物料的干度會保持在一定的范圍內。

壓榨是造紙過程中常用的提高紙幅干度的手段。在衛生紙原紙生產中利用汽缸加壓托輥,在0.4～0.5 MPa的壓力下,可以使紙幅達到接近40%的干度。采用新式復合壓榨,紙幅干度可達48%～50%[8],用機械壓榨的方式容易使紙幅達到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現的。

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)在系統中,設噴放倉漿濃為X0,黑液濃度為C0,壓漿機出漿濃度為X,各段提取的黑液濃度分別為C1、C2、C3；相應的黑液量為V1、V2、V3。外加水量為W，以噸絕干漿為單位進行運算。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。

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)

對于二段壓漿機有：

YC1+V3C3=YC2+V2C2

YC0+WC3=YC2+WC2

(4)

對于三段壓漿機有：

YC2=YC3+WC3

(5)

聯立方程,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,只與外加水量和紙漿中液體量即漿濃有關。二段、三段的濃度比與外加水量和漿濃有關。

1.3 工藝參數設定

1.3.1 出漿濃度的設定

首先研究出漿濃度對黑液提取的影響問題,對于式(9),設立兩個條件：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系

從表2可知,壓漿機出漿濃度越高越有利于黑液提取。但濃度過高會對壓漿機的設計要求過高,所以出漿濃度以30%～40%為宜。設定壓漿機的出漿濃度為33%。

1.3.2 噴放池漿濃的設定

噴放池漿濃也是影響黑液提取率的關鍵因素。表3為噴放池漿濃與黑液提取率的關系。

表3 噴放池漿濃與黑液提取率的關系

注 壓漿機出漿濃度為33%。

從表3中可以看出，噴放池漿濃在8%～12%的范圍內,黑液提取率變化不大,而這個濃度就是實際生產中的濃度。所以設定噴放池漿濃為10%。

1.3.3 外加水量的設定

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,無論從黑液提取率還是從黑液提取量上均可以滿足生產要求。

考慮到工藝條件及經濟性原則，設定壓漿機工藝參數為:出漿濃度33%,外加水量3 t/t漿,噴放池漿濃10%。

1.4 實驗設備參數

黑液提取機采用自行設計的壓漿機,圖2為示意圖。

壓漿機參數為：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、輥轉速11 r/min，配用電機4 kW,車速750 r/min，出漿濃度33%,產量3 t/h。

圖2 壓漿機示意圖

2 應用效果與討論

2.1 壓漿機實驗結果

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,調節上輥壓力使壓漿機出漿干度為33%,并按圖1工藝要求加入循環水,實驗結果如表5所示。

表5 壓漿機實驗結果

2.2 黑液回用蒸煮結果

把二壓的黑液部分用于蒸煮,以降低蒸發站的負荷,同時減少蒸煮時配藥用的清水。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產生太大的影響。

表6 黑液回用蒸煮實驗

注 蒸煮液比1∶5,最高溫度165℃,保溫1.5 h,用堿量15%。

3 結 論

盡可能提高提取黑液和入爐黑液濃度是解決現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，黑液提取率與原黑液濃度無關,與外加水量和紙漿中液體量即漿濃有關。壓漿機出漿濃度越高越有利于黑液提取,但濃度過高會對設計的要求過高,目前一般不超過35%。噴放池漿濃在8%～12%范圍內,黑液提取率變化不大,實際生產中就是采用這個濃度。利用自行設計的三段逆流循環壓漿系統,可使蔗渣漿的出漿干度達到30%～35%,且可以提高黑液提取率,例如：出漿濃度設定為33%,每噸漿的外加水量為3 t,噸漿就能提取10 t黑液,此時黑液提取率為93.65%。

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(責任編輯：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：生物質精細化學品。

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。