一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统及制浆方法与流程

本发明申请涉及的是应用植物纤维原料的纤维制浆方法及其制浆系统，尤其涉及以一年生植物的秸秆或稿杆为原料制备纤维浆产品的制造方法及制浆系统。

背景技术：

我国是密度板、包装制品中的纸板、纸产品的生产、消费大国，这些产品长期以来使用的原料为木材。面对木材资源日益匮乏的现状，虽有意研究资源极为丰富的秸秆、稿杆等一年生非木本农作物的制浆技术，但因一年生非木本农作物本身特性，其技术问题及问题的复杂程度，让许多技术人员人望而怯步，已公开的相关制浆技术存在手段复杂、工艺条件多且要求高、成浆质量偏低，更为重要的是环境污染严重的技术问题。因此，密度板、纸板、纸类产品的生产目前更多的是依赖国外商品木片、木浆板及废纸的大批量进口。伴随着全球更为强劲的生态环境保护意识，木材及其制品的进口代价也愈来愈高昂。从另一角度来看，纸浆及其制品的大规模进口已经严重的危及了我国众多造纸行业健康发展。

因此，虽目前利用木本纤维植物为原料的制浆技术及应用已相对普遍和成熟，如化学制浆、化学机械制浆和机械制浆，但一年生非木本农作物秸秆或稿杆，因与木质材料的内部结构及成份差异相当的大，所以到目前为止，仍没有设计合理、符合环保要求的应用秸秆或稿杆为原料、适合应用至密度板产品及其它产品制造的成品浆及其制造方法技术。

现有制浆的主导技术手段是采用碱法蒸煮制浆生产工艺，农作物和草类纤维的特性和组织成份上相比木质纤维，具有非纤维成份占比大的特点，其中包含灰份大、硅含量高、杂细胞多，导致自身颜色深，这些特性是整套制浆工艺中、尤以碱法制浆工艺中的最不利因素，以高碱法去除灰份、木质素等成份，同时会产生大量难以转化应用的污水，环境污染压力很大，而且在整套工艺中水耗用量和碱性等药剂耗用量均较大；高碱蒸煮法，必须设置洗涤、筛选、脱水成浆等步骤，蒸煮与漂白工序一般分别独立进行，黑液、中间废水排放量大，排放的污水中悬浮物及有机物含量高、色泽深、呈明显的酸性或碱性，难以生化转化，工序复杂、成本压力大、环保压力大，且纤维流失量较高，成浆得率低。

综上所述，技术人员面对特性远不同于木质纤维原料的一年生非木本农作物类秸秆或稿杆原料，仍以有主导技术手段来去除原料中的非纤维成份，以期获得合格成品浆制品，但技术道路困难重重、技术发展举步维艰，导致资源丰富的一年生非木本农作物类秸秆或稿杆原料无法得到合理、高效环保的利用。

技术实现要素：

本发明申请的发明目的在于充分利用资源丰富的一年生非木本农作物为制浆原料，开发环保、纤维成品浆质量高的制浆技术，尤其是可以取代木质成品浆，应用于密度板、包装制品类中的纸模容器、纸托、托板、护板、纸张等产品的生产，降低生产成本、达到以至提高产品质量，提供一种环保、成浆得率高、成浆质量好的一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统及制浆方法。

本发明申请提供的一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统技术方案，其主要技术内容是：一种一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统，按工艺线路，该系统组成包括原料处理装置部，挤裂丝化装置部，多段串联盘磨纤化装置部和洗涤脱水装置部，各装置部之间由输送机组成物料相衔接的制浆系统；所述的挤裂丝化装置部：本装置机壳内转动支撑两平行且相互啮合作业的轴辊，轴辊两端的机壳上分别设置进料口、出料口，轴辊上至少设有啮合一段、啮合二段和啮合三段中的一段，且被选择的啮合段数量至少为一组，每一啮合段均由进料螺旋和作业段相衔接组成，其中的啮合一段的作业段为多道凸轮盘啮合交错的碾压段；啮合二段的作业段为啮齿盘段，每一轴辊的啮齿盘上设有多道齿环，每道齿环由若干斜向铣槽形成具有朝向旋进方向齿峰的多啮齿环，两轴辊啮齿盘啮齿环轴向交错；啮合三段的工作段为反向螺纹的逆旋啮合段，并由若干斜向铣槽切割成齿峰迎向轴辊旋进方向的反螺向布置的齿；所述的盘磨纤化装置部中的每一盘磨机为盘磨室内设置同心相对、且转速差工作的两磨盘的工作机构，本装置部是由粗磨至细磨的各盘磨机经输送机依次串联的作业线。

本发明申请提供的基于上述一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统的制浆方法，其主要技术内容为：

（1）、原料处理：由原料处理装置部将原料切段，并除杂净化；

（2）、挤裂丝化

经步骤（1）处理的物料，干度控制在30%-70%范围，等时定量送入挤裂丝化装置部挤裂丝化处理；

（3）、盘磨纤化：

步骤（2）输出的中间过程物料经由输送通道串联的多段盘磨机作业线，中间物料由粗磨至细磨依次细纤维化盘磨；

（4）、筛选、净化、洗涤步骤（3）获得的纤维浆料，再脱水、干燥，制成成品浆。

本发明申请技术方案完成了精制成品浆生产，其成品浆为形态均匀的本色精细纤维浆，打浆度为25-40°SR，纤维湿重为5-15g，成浆得率高达95%，并有环保性能优越的技术优点。本技术方案的整套制造工序中不包含蒸汽或高温等加外热源，也无需施用软化分解原料的一系列化学药剂，在30%-70%高干度条件下，原料中的半纤维素、木质素、二氧化硅、灰份等成份被强烈的机械能挤裂、磨制分解，以分子状与纤维素分子混杂分布、保留于每个纤维周围，这些生物质中的原生非纤维成份的保留，优于将其去除的成品浆生产密度板、包装制品和纸张等产品需要添加的如高岭土、滑石粉、施胶、二氧化钛、矾土等填料的传统制造工艺的产品质量，由于农作物生长期多为半年生，其秸秆或稿杆中的木质素胶质会在超干度条件下的机械能高温、高压中呈碎片化保留于纤维中，其性质发生了改变，由紧密裹束纤维组织的结构状态转变为断裂细碎的单分子或极少量互联的分子组，均匀分布于精制纤维浆料中充当填料，成为原生填料成份，其作用优于传统制造工艺中的外加填料，尤其在从新抄造定型产品中，本制造方法处理工艺的高温和机械压力，会使这些原生填料成份成为纤维之间相交织重组连接的桥梁联接作用，使得成品浆质量大大提高，浆得率高、纤维基本不流失。

本技术方案为不含蒸煮工艺的高得率机械制浆方法，所获得的精制浆料纤维，理论上其纸浆强度和硬度比原生化学浆高，同制中密和高密度板材的木片机械浆纤维相一致，因此，能够100%替代木片纤维制造中密、高密密度板材。在瓦楞纸制造上，抄造高强瓦楞纸和纸模制品需要复合配抄，配抄比最高50%，传统最好的高强瓦楞纸和纸模制品使用原生本色化学木浆，目前多采用普通废纸与本色商品木浆或精选的本色木浆废纸配抄，生产高强瓦楞纸，因废纸循环再利用，其强度已损失较大，特别是环压强度指标偏低，本色商品木浆的添加会大幅度增加制造成本，而由本技术方案获得的精制纤维浆替代本色木浆，配抄结果完全达到A级高强瓦楞纸标准，参见表2。对于生产纸模制品的蛋托或其它工业包装纸模容器产品，更可以100%的采用本发明获得的精制纤维浆；中、高档纸餐盒生产，与商品化学浆配抄比最高可达到50%，生产成本降低明显。本制浆系统的组成具有组成简单而紧凑、工作效率高的技术优点，实施的机械制浆法无污水排放、无化学药剂的使用，环保性能优越。

附图说明

图1和图2是本发明申请制浆系统的两实施例构成图。

图3是挤裂丝化装置内部结构图。

图4是挤裂丝化装置两轴辊同向旋转配合构成图。

图5是挤裂丝化装置两轴辊对向旋转配合构成图。

具体实施方式

以一生年生非木本农作物类的秸秆或稿杆为原料，经本发明申请的一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统，实现了无环境污染的制浆方法，获得成浆得率高、形态均匀、质量高的本色精细纤维成品浆。

如图1、2所示，本发明申请提供的一年生非木本生物质类纤维浆环保制浆系统，按工艺线路，本系统组成包括原料处理装置部，挤裂丝化装置部，多段串联盘磨纤化装置部和洗涤脱水装置部，各装置部之间由输送机组成物料相衔接的制浆系统。在本实施结构中，所述的输送机采用的是螺旋输送机，尤其采用提升倾斜安装位的螺旋输送机1、4、9、12、15、18，在输送过程中，尽可能的脱除游离水份。

由所述的制浆系统实现的制浆方法为：

（1）、原料处理

由原料处理装置部实施原料处理，将原料切段, 并除杂净化。将生物质秸秆或稿杆切断为5-80mm规格范围内的长度，再干法净化，或干湿混合净化。

干法净化，即原料被断切后，物料通过风选除尘、筛选、磁选等实施除杂净化，去除残留的草末屑、沙石、铁器等杂质异物。若原料本身洁净度较高，可只经过磁选法净化去除铁器，而无需要其它净化除尘方法。

干湿混合法通常是为了获得更高洁净度，可以通过上述干法处理后，再经或直接湿法净化工艺：由输送机将物料送入除杂收集洗料机2，本除杂收集洗料机2的结构构成：包括一溢水流动的容器，容器内横向设置有至少一根设有若干拨料翅的主轴，物料进入容器中，被主轴的拨料翅向出料方向旋转拨动，物料中的重杂质沉淀至容器底部的集杂罐，被定期清除排放，比重小的物料上浮随溢水流落入脱水机3中，脱出游离水，提高干度。所述的脱水机可选用振动筛或带有筛孔的螺旋脱水机，或者振动筛和螺旋脱水机组合结构。其后，由螺旋输送机4脱水输送至挤裂丝化装置部8前的定量机构。

（2）、挤裂丝化

由螺旋输送机4输送的物料，其干度最好控制在30%-70%范围内，由定量机构，包括定量仓5、定量机6和喂料螺旋7，等时定量送入挤裂丝化装置部8挤裂丝化处理。

所述的挤裂丝化装置部8，参见中国专利CN2011101123217技术方案，参考图3结构，本装置机壳内转动支撑两平行且相互啮合作业的轴辊80a、80b，轴辊两端的机壳上分别设置进料口86、出料口87，轴辊上的啮合作业结构包括啮合一段、啮合二段和啮合三段中的至少一段、且被选择的啮合段数量至少为一组，每一啮合段均由进料螺旋A1/B1/C1和作业段A2/B2/C2相衔接组成。其中的啮合一段的作业段A2为多道凸轮盘啮合交错碾压段，同一轴辊的各凸轮盘81的凸轮部分相互径向交错，如图4、5 所示，两轴辊各凸轮盘相配合交错啮合构成；啮合二段的作业段B2为啮齿盘段，每一轴辊的啮齿盘上设有多道齿环82，每道齿环82由若干斜向铣槽83形成具有朝向旋进方向齿峰90的多啮齿环，两轴辊80a、80b啮齿盘啮齿环轴向交错啮合；啮合三段的工作段C2为反向螺纹88的逆旋啮合段，并由若干斜向铣槽89切割成齿峰91迎向轴辊旋进方向的反螺向布置的齿。

干度30-70%的物料进入挤裂丝化装置部8，由各啮合段进料螺旋不断的送入工作段，在工作段内被高强度物理啮合结构件挤压、撕裂，使物料内结构在持续的物理强作用下同时发生转变，紧密包裹纤维组织的半纤维素、木质素等非纤维成份在伴随强烈物理作用产生的高温及高压热能中，被瞬间破解、分离、软化，这一过程迅速、剧烈而彻底，原料被压裂、挤撕成丝状粗纤维，纤维内部毛细管变得呈海棉状，增强了纤维细胞壁渗透吸液性能，促使纤维快速软化，整体趋呈浆化，纤维柔软可塑性效果显著提高。

本处理步骤中实现了化学助剂零添加。但由于本制浆方法原料干度高，高达30%-70%，接近风干的超高干度，在强烈的机械撕离、挤裂中伴随着极高的热量，出料口产出的中间物料若如不及时实施降温处理，则易腐败酸化，再由于常规的密度板、包装纸、纸模等包装制品，因对纸浆洁净度要求不高，通常不设置洗涤工序，在环境温度较高的夏季，纤维浆内易微生物滋长发酵，因此，可以在挤裂丝化装置部8尾段中间过程物料中添加纤维保鲜稳定剂，即碱性氧化型助剂，其加入量使最终的成品浆的pH值为中性偏微弱碱性，一般为7-8，碱性氧化型助剂的加入量最好为原料绝干重量百分量的0.1%-2%，其弱碱性中和和抑制了微生物纤维发酵和纤维发酵酸化，同时助剂的弱碱性还有助于纤维的润胀，适宜于后续磨浆处理。所述的碱性氧化型助剂为含氢氧根的化合物或过氧化物。

（3）、盘磨纤化

经步骤（2）输出的中间过程物料由螺旋输送机9、12、15串联的多段盘磨机盘磨纤化成浆料。在本实施例结构中，依次设置了粗磨盘磨机11、中磨盘磨机14、精磨盘磨机17，由螺旋输送机9、12、15串联为盘磨作业线。中间物料进入粗磨盘磨机11之前，加水稀释调整其干度至15-50％，粗磨输出浆料送入中磨盘磨机14之前，加水稀释调整其干度至10-40％，中磨输出浆料至精磨盘磨机17之前，加水稀释调整其干度至6-30％，多段串联盘磨机实施细纤维化处理，还可在其末端增设中浓度或低浓度盘磨机作业段，以进一步提高纤维匀度质量。

所述的盘磨纤化装置部中的盘磨机，最好采用中国专利：CN2011101582491的“高磨解型浸渍盘磨机”构造，其盘磨室内设置同心磨盘面相对、且转速差运转的两磨盘的工作机构，随着盘磨线路的推进，也呈现越来越细纤维化的磨解。

（4）、筛选、洗涤经步骤（3）处理获得的纤维浆料，再脱水、干燥，制成成品浆。

由输送设备，如图1的螺旋输送机18，图2中的输送浆泵18′将步骤（3）处理获得的纤维浆料输送至浓缩脱水机，挤浆脱水，得湿状商品本色纤维浆，可再通过筛选、净化、干燥，制得成品浆。浓缩脱水机脱除的水送入中段废水池10，经沉淀后，回用于前段净化洗涤或后段盘磨稀释用水。

本发明申请提供的制浆系统及制浆方法，全程无化学助剂添加，亦达到了现有传统碱法化学制浆的浆质量效果，整套工艺方法为半干法高浓度制浆法。碱性氧化型药剂的使用相比现有制浆工艺药剂添加量也极其微小，仅有现有制浆工艺药剂添加量的几十分之一。整套工艺全程无黑液排放，中段废水池10的废水指标低,化学需氧量(COD)≤1000mg/L，仅是传统工艺废水的1/200，通过常规沉淀水处理即可完成水体净化，水净化成本低，可再全部回用于工艺系统中，水耗用量少。

下面以具体的实施例说明本发明申请技术方案。

实施例1

以稻草为原料制密度板纤维浆、包装类纸模容器纤维浆或瓦楞原纸纤维浆。

稻草由铡草机切草喷入旋风筛选机中，筛选出的废料渣屑、石等非原料物质，物料由螺旋输送机1送入定量仓5，加水调节干度，使干度范围在30-70％，由定量机6和串联的喂料螺旋7将物料均匀定量送入挤裂丝化装置部8中，经机内各啮合段的强烈的挤压、撕裂作用，物料紧密的纤维组织结构在急剧有物理机械中伴随产生的高温、高压作用下瞬间破解软化，其中的生物质被搓磨成丝状纤维束，同时纤维束在挤裂丝化装置部8中得到了充分的软化；其后，由螺旋输送机9和盘磨机的喂料螺旋送入粗磨盘磨机11粗磨，其纤维干度控制在15-50％范围内，粗磨后的中间浆料由螺旋输送机12向中磨盘磨机14送料，同时加水稀释，调整纤维干度至10-40％，由中磨盘磨机14实施中磨，再由串联的螺旋输送设备15输送中加水稀释中间浆料，调整其干度至6-30％，送入细磨盘磨机17实施精磨，其后，经螺旋输送机18送入螺旋脱水机19，通过挤浆脱水，得到浓度25-30％湿状商品本色纤维。可根据产品要求，干燥成型，为密度板、包装类纸模、蛋托及瓦楞纸等的成品浆。

实施例2

以麦草为原料制纸模餐具纤维成品浆、包装类纸模容器纤维成品浆、高级本色纸纤维成品浆。

原料由铡草机切断喷入旋风筛选机中，筛选、净化，物料通过螺旋输送机1送入除杂收集洗料机2中，通过多辊拨料翅和水流的作用润胀物料纤维，并清除物料中夹带的大块砂石、金属杂物等比重大的异物，由底部集渣罐定时排出机外，洗涤后物料在水流的作用下自流至平板振动筛3上，高频振动输送原料至脱水上料螺旋输送机4中，物料脱水自筛孔排出，经沉淀过滤后至中段废水池收集循环使用。物料送入定量仓5，其干度为30-70％，由定量机6和串联喂料螺旋7将物料均匀定量送入挤裂丝化装置部8中，经机内各啮合段的强烈的挤压、撕裂作用，物料紧密的纤维组织结构在急剧有物理机械中伴随产生的高温、高压作用下瞬间破解软化，其中的生物质被搓磨成丝状纤维束，并改变了生物质纤维内部毛细管结构，呈类似海棉状，纤维细胞壁被打开，增加其渗透吸液性，纤维内部迅速吸收、被浸渍渗透到直至细胞壁内，促使纤维迅速软化，水及非纤维生物质成份在强高温作用下，相互融合变化，融合充填了纤维内部毛细组织空间、被浆化。其后，由螺旋输送机9和盘磨机的喂料螺旋送入粗磨盘磨机11粗磨，其纤维干度控制在15-50％范围内，粗磨后的中间浆料由螺旋输送机12向中磨盘磨机14送料，同时加水稀释，调整纤维干度至10-40％，由中磨盘磨机14实施中磨，其后在螺旋输送设备15输送下，加水稀释中间浆料，调整其干度至6-30％，送入细磨盘磨机17实施精磨，其后浆料落入混浆池加水稀释，经输送浆泵18′送入带式脱水机19，通过压浆脱水，得到浓度25-30％湿状商品本色纤维。亦可根据产品要求，经精浆筛选净化、干燥成型，制得用于生产包装类纸模容器、高级本色纸及纸板的成品浆。

表1显示的是瓦楞原纸质量现行国标技术指标参数：

表1

应用本发明申请的稻，麦草原料获得的成品浆，与废纸浆配抄生产的瓦楞原纸，其成纸技术指标值，见表2：

表2

由本发明申请的一年生非木本生物质原料环保纤维浆制浆系统和制浆方法，所获得的成品浆，应用于配浆制瓦楞纸，其技术指标高于高强瓦楞纸标准A级国际技术指标。