提高纸浆得率的方法和装置的制作方法

专利名称：提高纸浆得率的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在未漂级纸制品生产过程中，通过使木素沉淀在纤维素纤维上以降低纸浆造价并提高纸浆得率的方法和装置。
硫酸盐蒸煮法是一种对木材和非木材原料进行蒸煮，以生产纤维素纤维的普通化学制浆方法。实质上，硫酸盐蒸煮法包括切削原木，并在蒸煮器中，在特定的温度和压力下，用氢氧化钠和硫化钠(统称作白液)对其进行蒸煮。将得到的反应产物分离成纤维素纤维(通常称作纸浆)和废蒸煮液，废蒸煮液中含有绝大部分木素和与纤维粘结在一起的有机物。在蒸煮反应中，木素溶解，构成废蒸煮液的部分液体。废蒸煮液和溶解木素统称为黑液。
通常硫酸盐蒸煮分为两类漂白产物的蒸煮和未漂白产物的蒸煮。这两种过程的区别是使用的蒸煮的化学药剂(白液)量不同，蒸煮温度不同，蒸煮液中木片量不同。根据待生产纸浆的所需级别进行蒸煮，使纸浆达到特定的脱木素等级，通常称作Kappa值(卡伯值)。
卡伯值用于确定蒸煮后残留在纸浆中的木素含量。卡伯值定义为1克纸浆所消耗的0.1N高锰酸钾溶液的毫升数，并对初始加入的高锰酸钾的50％消耗进行校正(TAPPI Test Method T236 cm-85；CPPA StandardG.18)。下表1列出了几种典型的卡伯值、木素的百分含量％、以及生产各种纸制品的纸浆得率。
表1生产漂白纸生产未漂白纸生产未漂白纸板的纸浆的纸浆 的纸浆卡伯值20-35 35-120 40-120纸浆中的木素含量％2.9-5.1 5.1-18 6-18总得率44-46％ 46-50％ 50-58％细浆得率 41-44％ 45-56％ 48-56％蒸解度同样也能表征溶解在蒸煮液中的木素量。通过从给定卡伯值的蒸煮段中取出蒸煮液，将其酸化到低pH值(＜3)，然后回收并测量所得沉淀物的重量，由此测量蒸解度。
硫酸盐蒸煮法通过被称作回收的过程，来循环废蒸煮化学药剂。通过用水逆流冲洗，从纸浆产物中去除废蒸煮化学药剂和溶解的木素。冲洗后的纸浆被分离成固体和稀释液，回收废蒸煮化学药剂和溶解木素的溶液，称作稀黑液。将稀黑液浓缩成悬浮固体含量高的浓缩液，并将其在回收锅炉中烧掉，焚烧木素的某些热量作为能源和蒸汽回收，废蒸煮化学药剂作为熔融物回收。然后进一步处理废蒸煮化学药剂，使Na2CO3转化成NaOH和少量的Na2S，统称为白液。
原材料费用是任何纸浆的基本造价。提高纸浆得率可显著地改变造纸方法的经济性。因此，即使对纸浆得率的小改进，也能转化成巨大的经济效益，提高生产率。
有几种制浆法能实现高得率，其中的一种是将原材料简单地研磨成纸浆的机械制浆法。然而，硫酸盐法的纸浆得率却比较低，但是其纸浆强度高。纸浆得率定义为用给定原材料的重量百分比表示的从定量原材料中生产的纸浆重量。例如，70％的纸浆得率表示从100克原材料中生产出了70克纸浆。
硫酸盐法纸浆强度高的一个原因是蒸煮过程对纤维素纤维较无损害，这一点与机械制浆中将纤维研磨成小段纤维的作法正好相反。另一方面，硫酸盐法纸浆得率低的原因是因为木素被从木材中提取出来，使纸浆得率降低到41％到44％之间。
通常用于生产未漂白制品的纸浆得率要高于用于生产漂白制品的纸浆得率，因为溶解在蒸煮液中的以及在后续化学回收步骤中洗去的木素少。总纸浆得率与细浆得率的不同之处在于，在筛渣过程(该过程用于从纸浆物流除去夹生的纤维束)中，除去了夹生的木材。增加蒸煮程度将会增加细浆得率，但却以总纸浆得率降低为代价。
有多种用于提高硫酸盐法纸浆得率的方法。通常，可通过三种方法中的一种或多种以提高纸浆得率改进处理过程、添加制浆添加剂以及改变方法。
(a)提高纸浆得率的一种方法包括在蒸煮器的蒸煮液中加入添加剂，使纤维素纸浆纤维不分解。这种添加剂包括蒽醌(AQ)和多硫化物。由于添加剂可保护纤维素纤维不被分解，故此可提高纸浆得率。
(b)稍稍改进处理过程也能提高纸浆得率。被称作“高卡伯值制浆”的最普通的改进方法是从环境保护的需求，以及氧激增了去木质作用而提出的。它包括改进蒸煮条件，当用H-因子估量时，最终纸浆制品的木素含量高于正常值。通过绘制反应速率与反应时间(小时)的曲线，并测定该曲线下的面积，可确定H-因子。Parsad曾描述过通过改进几种硫酸盐蒸煮 的H-因子的高卡伯值制浆过程；他的结论显示出，当增加卡伯值时，纸浆得率也增加。(见Parsad、Brijender等人，“高卡伯值制浆和延长的氧去木质作用会降低回收周期的装料(HighKappa Pulping and Extended Oxygen Delignification Decreases RecoveryCycle Load)”，Tappi Journal，Vol.77，No.11(1994年11月))。这种提高纸浆得率的方法用在蒸煮器段。此外，木素不沉淀在纤维上，但是下面将要描述的本发明却能够做到这一点。相反地，木素不会分解并不溶解在蒸煮液中，以在洗涤过程中被去除。另外，该方法还能利用氧的去木质作用，在后续处理步骤中，通过木素的氧化和溶解，除去木素。
该方法具有额外降低纸浆总得率的缺点。如果蒸煮程度不够充分，所有的木片都不能分解成单个纤维，使某些纤维粘结在一起，形成公知的碎片。由于它的纤维-纤维粘结强度较弱，所以碎片对最终纸制品的外观和其物理特性都有不利影响。要除去碎片，并将其循环到称为筛渣的清洗步骤的蒸煮器中，但这会降低蒸煮器的生产能力。
(c)另一种提高硫酸盐蒸煮纸浆得率的方法被称为“吸附蒸煮”，它是由瑞典森林产品研究实验室(Swedish Forest Products ResearchLaboratory)的Nils Hartler提出的。(见Hartler，“吸附蒸煮通过从黑液中吸附有机物，提高未漂碱性纸浆的得率(Yield Increase forUnbleached Alkaline Pulps Through Sorption of Organic Substance fromthe Black Liquor)”，Svensk Papperstidn(1978年10月；美国专利3,937,647)。该方法包括在蒸煮过程结束时，降低黑液的pH值，使木素沉淀在纤维上。用酸(优选的是CO2)将液体的pH值降低到8.0，结果纸浆得率增加了1％～2％。Hartler用一种酸(优选的是H2SO4)将pH值降到11.0以下，降到5.6。
这种提高纸浆得率的方法与下述本发明的方法相似，只是它用酸来沉淀木素。该方法是在木素浓度高的亚硫酸盐蒸煮过程的末端，用酸降低蒸煮液的pH值，而本发明的方法是在洗浆过程中，用酸降低含稀木素的物流的pH值。
(d)尽管不是一种用于提高纸浆得率的方法，但在美国专利5,429,717中，Bokstrom论述通过用CO2降低洗浆水的pH值增加洗浆效率，以增加化学药剂的回收率，并使木素保持溶解。在Bokstrom方法中，在洗浆步骤中将纸浆的pH值降低到6.8～9.4，由此使吸附的钠解吸，降低溶解的木素，并将废蒸煮化学药剂转移到漂白装置。
Bokstrom间接提到了若纸浆的pH值降得太低会出现的问题，但是他却忽视了这样作的好处。事实上，由于不希望与剩余木素反应，Bokstrom避开了某些pH值条件(见第2栏第14行)。Bokstrom使钠的解吸量与木素的除去量持平，用更有效的化学药剂洗浆。
White在讨论Bokstrom工艺的论文中指出，必须在洗浆生产线的末端加入CO2，以避免使木素沉淀(第54页)。(见White，“在微型冲击研磨机中洗浆期间二氧化碳对纸浆的影响”(Carbon Dioxide onPulp During Washing in the Minimum Impact Mill)，洗浆，’96，Tappi(1996年10月))。
在上述已有技术中，提高纸浆得率的技术方案需要明显地改变现有设备，例如加入添加剂以保护纤维素，蒸煮纸浆以保留木素，而不使其沉淀，在吸附蒸煮中，在蒸煮过程的末端降低黑液的pH值，使木素沉淀。
因此，本发明的目的是提供一种提高硫酸盐蒸煮方法中未漂纸浆得率的方法。
本发明的另一个目的是提供一种提高未漂纸浆厂纸浆得率的经济装置，无需大改制浆厂的现有装置。
本发明的方法是有目的地使一部分溶解木素沉淀在纸浆纤维上，从而提高未漂纸浆的纸浆得率。滞留在纸浆上的木素能提高纸浆得率。在串联洗浆机段连续洗涤纸浆，除去夹杂的木素。在每个洗浆机段之间，加入稀释水，使来自前一洗浆机段的浆层再浆化，并为下一洗浆机段产生纸浆物流。该纸浆流含有夹杂的木素。在经过至少一个洗浆机段后，在纸浆物流中加入酸化剂，通过使夹杂的木素沉淀在纸浆物流中的纤维素纤维上，形成一纸浆产物。最后，从串联的洗浆机段排出该纸浆产物，使该纸浆产物的卡伯值至少增加大约1个单位。卡伯值的增加起因于酸引起夹杂木素的沉淀。


图1是本发明洗浆系统的流程图。
图2表示的是对原始纸浆各种不同的初始卡伯值，增加卡伯值对纸制品亮度的影响。
图3是对初始卡伯值分别为60、80和100的纸浆样品，卡伯值与纸浆得率的曲线图。
图4表示的是根据本发明，当在纸浆中加入酸化剂时，以产物pH值变化量为函数得到的卡伯值变化量。
在生产漂白制品纸浆的情况下，由于木素具有变黑性能，所以不希望纸浆中有木素，在漂白之前，需特意从纸浆中除去木素。本发明提供了一种简单、便宜而可控制的增加硫酸盐法制浆厂中未漂纸浆得率的方法。
参见图1，该图显示的是实施本发明方法的洗浆系统10。洗浆系统10包括三个洗浆机12，14，和16。每个洗浆机包括一个铺放纸浆浆料的筛浆圆筒(例如18)。在每个圆筒筛的内部施加真空，使纸浆浆料中的液体穿过圆筒筛引入，并穿过滤出液管(例如26)流到相应的水封槽(例如28)中。
例如，洗浆机12包括一个纸浆可从进口20流到其上的圆筒筛18。纸浆20中含有2-4％的纸浆固体/水混合物，纸浆呈强碱性，pH值大约为12。多个喷头22将来自紧接其后的水封槽(例如24)的喷淋物流输送到圆筒筛18的浆层上。从喷头22喷出的水流冲走浆层中的木素和钠化合物，并通过滤出液管26输送到水封槽28中。
循环泵30从水封槽28中泵走黑液，并将一部分黑液通过管32输送到蒸发器(未示出)中，在此回收钠化合物和燃烧木素的能量。同时将一部分黑液回流到混合区34，使其与流入的纸浆20相混合。
各洗浆机段可连续从纤维素纤维中除去夹杂的木素。当浆层首先输送到圆筒筛18上时，其固体含量是2-4％。然而，当浆层到达刮刀36之后，其固体含量是20％，液体含量是80％。浆层被刮到一个再浆化槽38中，并借助于管40向其供给来自水封槽24的稀释水。在再浆化槽38中，将浆层再次液化到固体含量为2-4％的纸浆/水混合物，然后将其输送到竖管42。最好流入竖管42中流体的木素含量为每升液体0.2-5克木素。纸浆20中的剩余木素目前留在水封槽28中。
在洗浆机14和16中，对来自再浆化槽44和46中的再浆化纸浆重复上述洗浆过程，上述再浆化纸浆中的木素浓度大约是0.2-5克/升。这种木素浓度便于用酸有效地使木素沉淀。更优选的是，木素的浓度范围大约为0.5-2克/升。例如，在洗浆水中添加二氧化碳，使其含有1-1.7克二氧化碳/升，借助于二氧化碳气体生成的酸，能更有效地使木素沉淀。类似地，水封槽24中的木素含量明显小于水封槽28中的木素含量。同样，水封槽48中的木素含量明显小于水封槽24中的木素含量。
对于至少有四个洗浆段的多级洗浆系统来说，最好在至少两个洗浆机中沉淀夹杂的木素。此外，最好在每一洗浆机中充分沉淀木素，将卡伯值至少增加一个单位。通过木素的多级沉淀，可有效地增加纸浆得率，同时不明显降低纸浆特性。
由于浆层呈强碱性且量大，所以进入水封槽的滤出水的pH值在大约10.5-12范围内，这与实施本发明方法时所加的酸量无关。值得注意的是，稀释水与喷淋水的比例应大约为90/10，这表明大部分循环水被用于再浆化过程，只有少部分水被用于喷淋过程。
在木素浓度低的流动区中，使纸浆中的木素适当沉淀，会使沉淀的木素粘附在纤维素纤维上，由此增加所得纸浆的输出重量。通过在再浆化的混合物中加入足够多的酸性物质使少部分木素沉淀，就能完成这种沉淀。重要的是，酸的加入位置要限定在洗浆阶段中木素浓度比较低的某一点。已经发现，在后续洗浆阶段之间，在再浆化的纸浆中加入足够多的酸化试剂能够逐渐降低浆层的pH值，每次降约0.5-2.0，并使纸浆的输出重量增加2-5％。这使木素过量沉淀，对洗浆或随后的纸浆处理过程不会有不利影响。
加入酸化试剂的一种优选方法是在水封槽48的出口处加入二氧化碳，该出口是给再浆化槽44供应稀释水。如上所述，在再浆化的纸浆44中，木素浓度大约是0.2-5克/升。该木素浓度有利于木素沉淀在纤维素纤维上。同样，部分酸化处理浆料也会使适量的木素沉淀在纤维素纤维上。例如，pH值每次以约0.5-2.0的逐渐降低，也能有效地使木素沉淀。然后，当纸浆被输送到最终洗浆机16时，从浆层中洗出的木素量会相应地减少(由于木素/纤维素纤维的粘结)。
应当注意，必须在洗浆过程中木素浓度较低的位置加入酸化试剂，否则酸化处理会导致木素的过量沉淀。这是应当避免的。此外，应将纸浆的酸度保持在适度范围内，防止木素再次过量沉淀。尽管加入CO2酸化纸浆是优选的，但还可以使用其它酸，例如H2SO4。
为了测量洗浆系统10流出液中的粘合木素量，在实验室实验中测量洗浆后流出液的卡伯值。在巴西的Vicosa大学中进行实验，制备具有不同卡伯值，即60、80和95的纸浆样品，它们通常是不同等级的未漂纸浆。在有稀释黑液存在的情况下，用二氧化碳将纸浆样品酸化到不同的pH值，然后测量得到的卡伯值。在每一种情况下，都能增加处理样品的卡伯值，将纸浆得率有效地增加2-5％。接下来，测量并比较各种物理特性。
图2表示的是对初始纸浆的各种不同的初始卡伯值，增加卡伯值对纸制品亮度的影响。图3是对初始卡伯值分别为60、80和100的纸浆样品，卡伯值与纸浆得率比值的曲线图。图4表示的是根据本发明，当在纸浆中加入酸化剂时，以产物pH值变化量为函数的卡伯值变化量。
比较具有最终等效卡伯值的纸浆，可以看出，采用本发明提高纸浆得率(PYE)方法生产出的纸浆，在物理性质方面通常优于用常规方法生产出纸浆(见表2)。
表2
表2具有等效卡伯值的纸浆显示出，用本发明方法生产出的纸浆其物理性质得到了改善。
观察具有相同初始卡伯值的纸浆，并将其与高得率纸浆作比较，等效物理性质如下表(见表3)所示。
表3
表3具有不同卡伯值的纸浆以及相应的高得率纸浆显示出等效物理性质。
基于普通工业知识，可以预计，木素沉淀在纸浆上将会削弱期望的物理性质。这部分基于纤维素纸浆纤维是相互电化学粘附，从而导致其牢固粘结在一起的理论。相反，木素/纤维素之间的粘结被认为是机械粘结，如木材/粘结剂之间的粘结。高得率纸浆的物理强度特性产生了意想不到的结果。测量显示出，木素得率高的纸浆与不加入木素(初始卡伯值相同)的对比纸浆具有等效强度特性。
用不同卡伯值(即通过使木素沉淀，使较低卡伯值纸浆的卡伯值逐渐递增)生产出的纸浆，呈现出对高得率纸浆改进的物理性质。
总之，在棕色原浆的洗浆段，可将酸如CO2、SO2或硫酸注入用于稀木质的物流如稀释水中，或者将酸注入组成洗浆系统的清水中。使稀木素的物流的pH值下降到足以使木素沉淀在纸浆纤维上，并足以使卡伯值至少增加大约1个点。为便于说明，测量与在相同洗浆位置上从未经酸处理纸浆物流取出的测试纸浆相比较的增加的卡伯值。使足以将卡伯值增加1个点的木素沉淀，能显著地改进纸浆生产的经济效益。最好沉淀木素能使卡伯值增加大约2.5～50个点，最优选地，增加大约5～30个点，以便大大地增加纸浆得率。还可以将酸加入由清水组成的物流中，使足够多的木素沉淀。初始研磨试验显示出，若每吨风干纸浆加入10～20公斤二氧化碳，能使纸浆得率增加1.5％～3％。通过加入足够多的酸，可从溶液中除去所需的木素，使木素沉淀到纸浆上，由此使研磨实验中的纸浆得率增加3～4％，而且还不致引起管道或者洗浆机结块或堵塞。
尽管优选地使用真空圆筒洗浆机，但是本发明的方法还可用于其它类型的洗浆机，包括(但不限于)扩散洗浆机、压力洗浆机、压榨机和带式洗浆机。事实上，本发明的方法还可以用于由任何洗浆设备组合的洗浆生产线，如扩散洗浆机后接单级真空圆筒洗浆机。本发明的方法既适用于单级洗浆机，又适用于多级粗浆洗浆机。
本发明的方法适用于所有木材，包括(但不限于)硬木、软木和桉树。尽管木材是优选的原料，但是可使用任何适用于硫酸盐蒸煮法的原料。适用于本发明的非木材料的例子包括甘蔗渣和甘蔗。
应当理解，上述内容只是对本发明的描述。在不背离本发明的情况下，本专业普通技术人员可以作出多种变化和改进。因此，本发明意欲囊括落入权利要求书的范围的所有这些变化、改进和变形。
权利要求
1.一种处理碱性纤维素纸浆，使木素沉淀在纸浆纤维上的方法，包括以下步骤(a)在串联洗浆机段连续洗涤纸浆，连续从中除去夹杂的木素；(b)在每个洗浆机段之间，加入稀释水，使来自前一洗浆机段的浆层再浆化，并为下一洗浆机段产生纸浆物流，该纸浆物流含有夹杂的木素；(c)在经过至少一个洗浆机段后，在纸浆物流中加入酸化剂，通过使上述夹杂的木素沉淀在上述纸浆物流中的纤维素纤维上，形成一纸浆产物；以及(d)从上述串联的洗浆机段排出上述纸浆产物，该纸浆产物的卡伯值至少增加大约1个单位，该卡伯值的增加起因于上述夹杂木素的沉淀。
2.如权利要求1所述的方法，其中酸化剂加到夹杂木素浓度为每升大约0.2～5克范围内的该纸浆物流中。
3.如权利要求1所述的方法，其中使足够多的所述夹杂木素在所述纸浆物流中沉淀，以使纸浆产物的卡伯值增加大约2.5～50单位。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述酸化剂是二氧化碳。
5.如权利要求1所述的方法，其中在至少两个洗浆段后，加入酸化剂使上述夹杂的木素沉淀，并在至少两个洗浆段的每一段之后，使卡伯值至少增加1个单位。
6.一种处理碱性纤维素纸浆，使木素沉淀在纸浆纤维上的装置，包括串联洗浆机段以洗涤串联洗浆机段的纸浆，以连续从中除去夹杂的木素，该装置包括设置在每个洗浆机段之间的第一部件，用于加入稀释水，使来自前一洗浆机段的浆层再浆化，并为下一洗浆机段产生纸浆物流，该纸浆物流含有夹杂的木素；以及设置在至少一个洗浆机段之后的第二部件，用于向纸浆物流中加入酸化剂，通过使该夹杂的木素沉淀在上述纸浆物流中的纤维素纤维上，以形成一纸浆产物，并从串联的洗浆机段排出上述纸浆产物，该纸浆产物的卡伯值至少增加大约1个单位，卡伯值的增加起因于夹杂木素的沉淀。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述酸化剂是二氧化碳。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述第二部件使足够多的夹杂木素在上述纸浆流中沉淀，以使该纸浆产物的卡伯值增加大约5～30单位。
9.如权利要求7所述的装置，其中所述第二部件向夹杂木素浓度为每升大约0.2～5克范围内的所述纸浆物流中加入酸化剂。
10.如权利要求6所述的装置，其中在至少两个洗浆段后，用所述第二部件加入酸化剂，使上述夹杂的木素沉淀，并在至少两个洗浆段的每一段之后，使卡伯值至少增加1个单位。
全文摘要
本方法是使一部分溶解木素沉淀在纸浆纤维上,从而提高未漂纸浆的纸浆得率。在串联洗浆机段洗涤纸浆,连续除去夹杂的木素。在每个洗浆机段之间,加入稀释水,使来自前一洗浆机段的浆层再浆化,并为下一洗浆机段产生一纸浆流。在经过至少一个洗浆机段后,在纸浆流中加入酸化剂,通过使夹杂的木素沉淀在纸浆流中的纤维素纤维上,形成一纸浆产物。最后,从串联的洗浆机段排出该纸浆产物,使该纸浆产物的卡伯值至少增加大约1个单位。
文档编号D21C3/26GK1263183SQ00101980
公开日2000年8月16日 申请日期2000年2月1日 优先权日1999年2月2日
发明者P·H·R·马丁, J·科甘, K·K·霍, P·坎普贝尔 申请人:普拉塞尔技术有限公司