BCTMP生產(chǎn)線的技術(shù)改造

焦 健 劉燕韶 李 剛 盤愛享 鄧擁軍 張鳳山 房桂干，，*

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，國家林草局林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室，生物質(zhì)化學(xué)利用國家工程實驗室，江蘇南京，210042；2.南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京，210037；3.山東華泰紙業(yè)股份有限公司，山東東營，257335）

近20 年來，我國化機(jī)漿產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，年產(chǎn)量已達(dá)700 萬t。生產(chǎn)線產(chǎn)能規(guī)模多為10 萬t/a 以上，部分新建的單線產(chǎn)能已達(dá)25 萬～30 萬t/a，生產(chǎn)工藝以漂白化學(xué)熱磨機(jī)械漿（BCTMP）和預(yù)調(diào)理盤磨化學(xué)處理堿性過氧化氫機(jī)械漿（P-RC APMP）為主。隨著化機(jī)漿生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和使用經(jīng)驗的持續(xù)積累，化機(jī)漿高松厚度和不透明度的特性得到了充分發(fā)揮，紙漿廣泛應(yīng)用于低定量涂布紙、超級壓光紙、輕型紙、白卡紙和液體包裝紙板原紙等高檔紙產(chǎn)品[1]。

化學(xué)機(jī)械法制漿是結(jié)合了化學(xué)預(yù)處理有效軟化物料與機(jī)械研磨解離纖維（解離+內(nèi)、外帚化）兩種作用的高得率制漿方法。纖維原料經(jīng)輕度的化學(xué)浸漬，得到適度軟化后在高濃狀態(tài)下被盤磨機(jī)解離為紙漿。良好的化學(xué)預(yù)處理效果是獲得理想磨漿效果的保證。如何在化學(xué)品用量較少的情況下，取得盡可能均勻的化學(xué)品浸漬軟化效果是化機(jī)漿生產(chǎn)工藝控制的關(guān)鍵點之一。這就對纖維原料的品質(zhì)控制提出了較高的要求。一般情況下，纖維原料的新鮮程度越好、基礎(chǔ)白度越高、基本密度越低，生產(chǎn)線的工藝控制靈活度就越高，紙漿質(zhì)量越好[2]。目前，原料結(jié)構(gòu)特點對化機(jī)漿工藝的影響主要有以下兩方面。

（1）原料成分

眾所周知，不同種類纖維原料的基本密度、化學(xué)物質(zhì)組分、纖維細(xì)胞結(jié)構(gòu)均有其各自特點。同一物種，不同產(chǎn)地的生長環(huán)境、存儲條件各異，也會造成纖維原料的水分、抽出物各異。這些基礎(chǔ)屬性的差異均會影響化學(xué)品的均勻滲透。目前主流的化機(jī)漿制漿工藝均采用壓縮螺旋對纖維原料進(jìn)行物理擠壓預(yù)處理，目的是排出纖維細(xì)胞中的空氣，適度破壞纖維原料結(jié)構(gòu)，提高物料比表面積以幫助化學(xué)品均勻浸漬。當(dāng)原料基本密度差異較大時，密度低的原料受擠壓發(fā)生形變的劇烈程度往往高于密度高的原料，這種情況在擠壓螺旋壓縮比較低時更為明顯。這不僅不能改善物料結(jié)構(gòu)的均一性，反而會進(jìn)一步惡化化學(xué)品的滲透狀態(tài)。

（2）原料新鮮程度

一般情況下，連續(xù)的水相環(huán)境有利于化學(xué)品在纖維細(xì)胞中的快速均勻擴(kuò)散。因此，纖維原料的新鮮程度越高，纖維細(xì)胞腔越接近水飽和狀態(tài)，化學(xué)品滲透的均勻性越好。當(dāng)纖維原料因長期存放脫去游離水后，原細(xì)胞組織液中的各種可溶性物質(zhì)沉淀板結(jié)于細(xì)胞內(nèi)壁，經(jīng)氧化和微生物作用后，此類物質(zhì)往往表面呈疏水性，阻礙預(yù)浸藥液的滲透。此外，長期暴露在露天料場的纖維原料也會發(fā)生腐爛現(xiàn)象，嚴(yán)重時會進(jìn)一步發(fā)生熱解作用。各類生物代謝產(chǎn)物和氧化熱解反應(yīng)產(chǎn)物分子質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)相對簡單，在纖維原料接受化學(xué)處理時更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。此類物質(zhì)不僅降低了化學(xué)品處理效率，還會影響成漿的物理性能和光學(xué)性能[3]。

相對于日益增長的紙漿產(chǎn)能，國內(nèi)的木材資源匱乏，多數(shù)企業(yè)難以保證穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)新鮮纖維原料供應(yīng)。目前的替代品主要有進(jìn)口商品木片、枝椏材、小徑材等林木剩余物。原料結(jié)構(gòu)的復(fù)雜多變，向生產(chǎn)線的工藝調(diào)整、綜合成本管理和成漿質(zhì)量控制提出了挑戰(zhàn)[4]。

1 解決復(fù)雜原料結(jié)構(gòu)問題的措施

解決上述技術(shù)問題的關(guān)鍵是如何均一化處理屬性各異的多種類纖維原料，實現(xiàn)化學(xué)品的均質(zhì)預(yù)浸。主流BCTMP 工藝采用了螺旋錐軸直徑先變大后變小的方案，利用螺旋螺距逐漸變小的變徑變距單螺旋擠壓機(jī)對木片進(jìn)行擠壓撕裂。我國現(xiàn)階段化機(jī)漿原料以闊葉木為主，原料基本密度大、硬度高。壓縮比較小的單螺旋擠壓機(jī)難以滿足纖維原料均勻撕裂的工藝要求。

雙螺桿加壓浸漬器（Twin Screw Pressurized Impregnator，TSPI）是專為低成本、高效率地揉搓木質(zhì)原料、實現(xiàn)物料均勻浸漬而設(shè)計的新型化機(jī)漿磨前預(yù)處理設(shè)備。TSPI 的揉搓擠壓處理可以適度破壞物料生物學(xué)組織結(jié)構(gòu)，去除胞腔結(jié)構(gòu)中的空氣和可溶性抽提物，增加物料的比表面積，提高吸液能力[5]。該設(shè)備采用模塊化設(shè)計，通過調(diào)節(jié)反壓螺套的開口尺寸和處理段數(shù)，可以將片狀物料解離為桿狀、針狀以至絲狀狀態(tài)，能夠滿足不同類型盤磨對進(jìn)料狀態(tài)的需求。已有的生產(chǎn)應(yīng)用證實，TSPI 處理可以顯著提高纖維原料的吸液能力。具體效果見表1。

表1 TSPI處理對幾種纖維原料吸液能力的改善效果Table 1 Improvement effect of TSPI treatment on the liquid absorption capacity of several fiber materials

良好的吸液能力是實現(xiàn)化學(xué)品均勻浸漬的保證。由表1 可以看出，不同種類的纖維原料經(jīng)TSPI 處理后，吸液能力得到了顯著提高。其中，楊木吸液能力提高了25.6%～289.6%、桉木提高了26.8%～313.4%、毛竹提高了70.3%～508.1%。需要注意的是，TSPI 處理的強(qiáng)度需要根據(jù)后續(xù)盤磨對進(jìn)料狀態(tài)的技術(shù)要求和運行成本綜合考慮確定[6]。

2 BCTMP生產(chǎn)線改造實例

山東某造紙企業(yè)BCTMP 生產(chǎn)線于2006 年4 月建成投產(chǎn)，原以山東地區(qū)種植的速生楊木為主要原料，設(shè)計產(chǎn)能10萬t/a，生產(chǎn)白度66%～80%的漂白楊木化機(jī)漿。近年來，我國化機(jī)漿產(chǎn)能增長勢頭強(qiáng)勁，導(dǎo)致制漿原料供應(yīng)緊張。該生產(chǎn)線被迫使用多產(chǎn)地多種類林木剩余物以緩解原料供應(yīng)不足的問題。復(fù)雜的原料結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該生產(chǎn)線運行出現(xiàn)波動，木片化學(xué)品浸漬效果差、化學(xué)品用量大、磨漿能耗過高，進(jìn)而引發(fā)了纖維解離不充分、漿料纖維間結(jié)合能力弱、成漿纖維束含量過高、廢水污染負(fù)荷高等問題。影響了該企業(yè)抄紙車間自產(chǎn)化機(jī)漿的應(yīng)用比例，企業(yè)綜合運營成本居高不下。

經(jīng)中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所（以下簡稱林化所）中試驗證和多方技術(shù)論證，該造紙企業(yè)決定對原生產(chǎn)線的工藝流程及設(shè)備布置進(jìn)行技術(shù)改造，改造技術(shù)方案由林化所提出，并提供工藝設(shè)計，以期實現(xiàn)對多種類林木剩余物的均質(zhì)化處理。在不改變化學(xué)品用量的前提下減少磨漿能耗，降低成漿纖維束含量，提升漿料強(qiáng)度指標(biāo)，改善紙漿質(zhì)量的目標(biāo)。

改造后的BCTMP 生產(chǎn)線工藝流程圖如圖1 所示。具體流程為：合格木片經(jīng)洗滌、汽蒸后，加入適量化學(xué)藥品進(jìn)行一段預(yù)浸，停留10 min 后，經(jīng)TSPI 處理并加入二段浸漬需要的化學(xué)品，物料在反應(yīng)倉停留20 min后，送入高濃磨進(jìn)行單段高濃壓力磨漿；所得漿料經(jīng)噴放、熱交換后加入過氧化氫、氫氧化鈉、硅酸鈉、螯合劑進(jìn)行高濃漂白；漂后紙漿經(jīng)消潛稀釋后送至并聯(lián)的3臺低濃盤磨機(jī)。磨后紙漿經(jīng)篩選后良漿送至多圓盤過濾機(jī)洗滌，篩渣經(jīng)篩渣磨處理后送至消潛池，洗滌后的良漿送至雙輥擠漿機(jī)完成濃縮后，成漿在中濃漿塔內(nèi)儲存?zhèn)溆谩?/p>

圖1 改造后的BCTMP生產(chǎn)線工藝流程圖Fig.1 Updating diagram for the BCTMP production line

改造完成后，系統(tǒng)按照原有的工藝參數(shù)運行穩(wěn)定。TSPI 處理后的物料比表面積增大，吸液能力增強(qiáng)，高濃盤磨進(jìn)料螺旋料塞狀態(tài)發(fā)生較大變化。為了保證高濃壓力盤磨的穩(wěn)定運行，增加了高濃磨的稀釋水流量。連續(xù)跟蹤檢測48 h 后發(fā)現(xiàn)，綜合能耗由1400 kWh/t（絕干）降至1100 kWh/t（絕干），降低了21.4%。

經(jīng)過TSPI 的均質(zhì)化處理，物料能夠更好地吸收浸漬藥液，得到充分的潤脹軟化。尺寸均一，浸漬充分的物料也利于盤磨的機(jī)械能均勻地施加在物料表面。從改造前后高濃盤磨出口漿樣特性指標(biāo)（見表2，圖3和圖4）可以看出，改造前，高濃磨出口漿料游離度484～521 mL CSF，纖維束含量4.13%～5.85%；改造后高濃磨出口漿料游離度566～660 mL CSF，纖維束含量2.34%～3.84%。改造后，高濃磨段在出口漿料游離度更高的情況下實現(xiàn)了纖維束含量的下降，從而可以使用更少的磨漿能耗取得更好的磨漿效果。

圖2 改造前后高濃盤磨出口漿料白度比較Fig.2 Brightness comparison of the primary refiner outlet pulps

圖3 改造前后高濃盤磨出口漿料游離度比較Fig.3 Canada standard freeness comparison of primary refiner outlet pulps

圖4 改造前后高濃盤磨出口漿料纖維束含量比較Fig.4 Shives content comparison of primary refiner outlet pulps

TSPI 的處理流程為先擠壓揉搓后加藥混合，可以在一段工序中實現(xiàn)可溶性抽提物的除去、物料的均質(zhì)化處理和藥液的充分混合；不僅有效地提高了化學(xué)品的處理效率，而且將原料中可溶性有色物質(zhì)提前排出系統(tǒng)。因此，在浸漬段化學(xué)藥品用量相當(dāng)?shù)那闆r下，改造后的系統(tǒng)，高濃磨出口漿料白度明顯上升，由31.4%～36.0%提升至41.2%～46.7%（2 天同樣時刻進(jìn)行取樣，下同；如表2、圖2所示）。

表2 改造前后高濃盤磨出口漿樣特性指標(biāo)Table 2 Properties of outlet pulps of the primary refiner before and after transformation

在試運行調(diào)試過程中，根據(jù)下游紙機(jī)的要求，紙漿白度控制在68%以上。由于強(qiáng)化預(yù)浸漬后提高了化學(xué)品效率，高濃盤磨出口漿料白度上升，給漂白段化學(xué)品用量的調(diào)整提供了空間。在試運行階段，根據(jù)成漿白度的變化，適量減少了過氧化氫的用量（表3）。

表3 改造前后化學(xué)品用量變化Table 3 Comparison of chemical usages before and after updating

表4、圖5～圖7 為改造前后成漿特性指標(biāo)的變化。預(yù)浸漬段效果的改善提高了高濃盤磨的處理效果，為漂后低濃磨發(fā)展?jié){料強(qiáng)度提供了良好條件。系統(tǒng)不再需要為控制纖維束含量而被迫提高磨漿能耗，犧牲紙漿的松厚度。對比改造前后紙漿物理性能（表5）可以看出，系統(tǒng)改造后，在NaOH 用量保持不變，H2O2用量、磨漿能耗降低的前提下，紙漿物理性能得到了顯著提高。在較高游離度和松厚度的情況下，耐破指數(shù)提高了29.5%，撕裂指數(shù)提高了15.9%，抗張指數(shù)提高了19.2%，同時纖維束含量控制在0.08%以下，滿足了該造紙企業(yè)文化用紙、新聞紙車間的用漿需求。該企業(yè)的文化用紙、新聞紙生產(chǎn)線的自產(chǎn)化機(jī)漿添加比例由改造前的10%提升到了25%。這主要歸因于通過強(qiáng)化物料預(yù)浸漬段的處理，提高了預(yù)浸漬段化學(xué)品的反應(yīng)效率，物料在進(jìn)盤磨前得到均勻地適度軟化，有利于在磨漿時盡量減少切斷纖維，分配更多的能量強(qiáng)化分絲帚化效果、提高紙漿強(qiáng)度。

表4 改造前后紙漿特性指標(biāo)Table 4 Properties of pulp samples before and after updating

表5 改造前后紙漿物理性能比較Table 5 Properties of pulp samples before and after transformation

圖5 改造前后紙漿白度比較Fig.5 Brightness comparison of pulp samples

圖6 改造前后紙漿游離度比較Fig.6 Canada standard freeness comparison of pulp samples

圖7 改造前后紙漿纖維束含量比較Fig.7 Shives contents comparison of pulp samples

本次改造完成后，新系統(tǒng)在原有工藝參數(shù)下運行，取得了滿意的運行效果。后續(xù)的優(yōu)化工作將側(cè)重于根據(jù)紙機(jī)不同產(chǎn)品對化機(jī)漿物理光學(xué)指標(biāo)的要求，優(yōu)化制漿工藝，調(diào)整各段化學(xué)品用量及添加比例，控制綜合成本，提供合格產(chǎn)品，爭取完全替代紙機(jī)車間進(jìn)口闊葉木化機(jī)漿，為企業(yè)降低綜合成本，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)論

木材資源短缺，原料構(gòu)成復(fù)雜將是相當(dāng)長一段時間內(nèi)國內(nèi)化機(jī)漿生產(chǎn)企業(yè)需要面對的問題。國產(chǎn)設(shè)備雙螺桿加壓浸漬器能夠?qū)M成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原料進(jìn)行均質(zhì)化處理，提高原料的吸液能力，幫助化學(xué)品均勻滲透，有效降低原料組成結(jié)構(gòu)差異對生產(chǎn)線穩(wěn)定運行的影響。

山東某造紙企業(yè)BCTMP 生產(chǎn)線改造完成后，各項監(jiān)控測試結(jié)果表明，在預(yù)浸漬段加入一段TPSI 揉搓處理后，提高了預(yù)浸漬段化學(xué)品的反應(yīng)效率，緩解了高濃盤磨的處理壓力，系統(tǒng)不再需要為了控制纖維束而消耗過多能量，噸漿能耗相比改造前降低了21.4%，成漿纖維束含量控制在0.08%以下。成漿游離度由315 mL CSF 提高到365 mL CSF，松厚度提高了12.0%，耐破指數(shù)提高了29.5%，撕裂指數(shù)提高了15.9%，抗張指數(shù)提高了19.2%，紙漿物理性能得到明顯改善。

該造紙企業(yè)的文化用紙、新聞紙生產(chǎn)線的自產(chǎn)化機(jī)漿添加比例由改造前的10%提升到了25%。此次改造不僅有效解決了因原料成分復(fù)雜導(dǎo)致的一系列生產(chǎn)技術(shù)問題，還降低了綜合運行成本，為國內(nèi)化機(jī)漿制漿企業(yè)的生產(chǎn)線升級改造提供了借鑒。