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蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究--优秀毕业论文

发布时间:2019-09-14 21:48 来源:未知 编辑:admin

  广西大学硕士学位论文 蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究 姓名:杨崎峰 申请学位级别:硕士 专业:制浆造纸工程 指导教师:王双飞 20040501 广西土学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究》 蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究 摘要 由于造纸工业所面II缶flb能源供应不足,资源短缺和环境污染严重等问 题越来越突出,因此,高得率、低能耗和少污染的制浆方法一直是国内外 造纸工作者研究的热门方向。爆破法制浆具有高得率、高效率、高强度、 低能耗和少污染等优点,已经发展成为一种先进的高得率制浆方法。本研 究主要探讨了爆破法制浆的最佳工艺条件及其对爆破浆化学组分的影响, 并对爆破浆进行了可漂性研究,同时分析了爆破浆废水的污染特性。实验 还利用扫描电镜、x一射线衍射、紫外光谱、红外光谱及XPS电化学分析 能谱等现代分析手段进行了爆破法制浆的微观研究。研究结果如下: 1、经过正交实验和验证实验,得出最佳中试爆破工艺为:NaOH用量2.0 %,Na:s0。用量2.O%,AMS用量0.1%,液比1:4.0,爆破压力1.4MPa。 以该纸浆配抄的瓦楞纸各项强度指标已经超过A级瓦楞原纸的要求。 2、爆破工艺条件对爆破浆的纤维素、半纤维素和木素含量均有一定的影 响,且NaOH用量和爆破压力是主要影响因素。 3、未漂蔗渣爆破浆自度很低,其可漂性差,经过p-p两段漂或H-P两段 漂处理后,白度均低于40%。 4、爆破浆的污染负荷与OTMP浆相当,但明显小于半化学浆的污染负荷, 是一种低污染的高得率制浆新方法。 5、通过扫描电镜图观察发现,爆破处理使纤维、细胞壁s1和s2层受到 广西大学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺反其机理研究》 不同程度的破坏,纤维束松散柔软,且纤维和纤维束明显卷曲折叠,同时 发现纤维的解离分散程度与爆破压力和添加的预浸化学药品有密切关系。 6、通过X一射线衍射分析表明,爆破使纤维素的相对结晶度增大,而绝对 结晶度下降,说明经过预蒸煮和爆破处理使半纤维素部分降解。 7、爆破洗浆液的紫外光谱图中在280nm处出现了明显的吸收峰,可推断 爆破处理使木质素发生了降解。 8、通过红外光谱图分析表明,爆破处理只是使蔗渣纤维的部分吸收峰的 强度发生变化,主体化学结构没有明显变化,但纤维素特征吸收峰的相对 吸收强度增强,半纤维素的特征吸收峰明显减弱。 9、爆破浆的XPS分析结果表明,爆破处理使蔗渣纤维表面的O/C有所提 高,且c1峰面积减小,说明爆破浆表面有较高的碳水化合物含量和较低 的木素和抽提物。S/O的提高则表明爆破使纤维表面的木素磺化度提高, 这是引起爆破浆强度高的原因之一。 关键词:甘蔗渣,爆破制浆,巾试研究,高强瓦楞原纸,微观研究 广西土学碛士学位论文 《蔗碴蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究》 STUDYONTHEPRoCESSANDMECHANISMoFSTEAM EXPLoSlONPULPINGoFBAGASSE ABSTRACT Duetothemoreserious pollution,theshortage plantfiberand energy resources, many studieshavebeenconductedto thenew pulpingtechnology highyield,lowerenergyconsumption andlower pollution.’Fhe steam explosionpulping(SEP)technology hasthe advantages highyield,highproductionefficiency,highfiber strength,lower energyconsumption andlower pollution,SO ithasbeen developed asaadvanced highyield pulpingtechnology.The mainresearchfocusedontlne optimalexplosionprocess andthe effectof processparameter onthechemicalconstitutesof explosionpulp.Thebleaching possibility explosionpulp tilecharacteristic ofeffluent were also studied. Simultaneouslythe advanced analyticteclmology SEM,X—raydiffraction spectrum,UV spectrum,IRspectrum aswellasXPSwereusedto analyze themicrocosmicof explosionpulp. Theresultsoftheresearchareas following: 1.Orthogonal test andthevalidate experiment were performed achievetheoptimal explosion conditions:NaOH charge 2.O%,Na2S03 charge 2.O%,AMS charge0.1%,liquor towood ratiol:4.0.explosionpressure 1.4MPa.Allofthe physical indexof corrugating baseboardmadefromthe explosionpulp were higher thantheA gradecorrugating base board. 2.Thereweresomeinfluencesonthe cellulose,hemicellulose lignincontentof explosionpulpby explosionparameter.Italsoshowedthat parameter ofNaOH charge explosionpressurewerethemain influencing factors. 3.The brightness ofunbleached explosionpulp islower,Soit washardtobleach.Afterthe two—stages bleaching ofP—P orH—P process.the latest brightness couldnotreach 40%(1SO).4.TheSEPwasalower pollutionpulpingtechnologyand its pollution loadwas approached CTMPtectmologybut its pollution load waslower remarkably than SemichemicalPulpingtechnology. 5.TheSEM analysis showedthat explosion treatmentleadto manybreakage offiberaswell asS S2ofwailceil.Thefiberbundlebecame separated,soft curling.Italso indicatedthatthe separating offiberbundlehasaclose relationship wifll explosionpress 广西土学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究》 andtheaddedchemicalfor pretreatment. 6.The X—ray diffraction spectrumanalysis showedthattherelative crystallinity ofcellulose treated increased,whiletheabsolute crystallinity wasdecreased.The reasonsforthesecouldbethathemicellulosewas degradedpartially after explosion. 7.IntheUV spectrumanalysis ofwash waste,there 280nmandthisdataprovided evidencethatthe lignin explosiontreatment. 8TheIR spectrumanalysis showedthat explosion treatmentcould onlychange absorptionpeakpartialy andthemainchemicalstructureof lignin hasnot changedyet.It alsoindicatedthattherelative absorptionintensity ofcellulose peak increasedandthe characteristic absorptionpeak ofhemicellulosewasweakened remarkably. 9.TheXPS analysis showedthatthe0/Cratiosonthefibersurfaceincreasedandthe peak areaofC decreasedafterexplosion.It indicatedthatthereweremore carbohydrate fewerlignin andextract011thefiber surface.Moreoverthe increaseofS/Cratiosindicates thattherewasa higherlignin sulfonation degree Onthefiber surface,and thisis mainreasonleadedto hi911erpaperstrength. KEYWORDS bagasse;steamexplosionpulping,pilottest,highstrengthcorrugating base board,microcosmicanalysis 广西大学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺反其机理研究》 第一章 文献综述 1.1引言 由于造纸工业所面临的能源供应不足,资源短缺和环境污染严重等问题越来越突 出,因此.高得率、低能耗和少污染的制浆方法一直是国内外造纸工作者研究的热门 方向111。围绕这一研究方向,自20世纪70年代至今,高得率制浆方法取得了突飞猛 进的发展。先后开发出了化学机械浆(CMP),化学预热木片磨木浆(CTMP)及碱性过氧 化氢化学机械浆(APMP)等先进的高得率制浆方法【21,近年来又在APMP的基础上开发 了APMP—PRC机械制浆方法f3】。APMP.PRC法木片只采用温和的碱性过氧化物处理, 接着在一段磨浆机内和位于一段磨浆机和二段磨浆机之间的反应塔中进行漂白。这些 方法具有得率高、能耗低和污染少的优点,具有广阔的发展前景。然而,由于我国目 前造纸原料的结构是以草类原料为主.上述高得率制浆方法均较难适应这一原料结构 特点,因而直接阻碍了我国高得率制浆方法的迅速发展。因此,研究丌发适应我国原 料结构特点的高得率制浆方法已迫在眉睫。爆破法制浆具有高得率、高效率、高强度、 低能耗和少污染等优点,尤其适用于草类原料,是一种先进的高得率制浆新方法M1, 也是当代高得率制浆研究的前沿课题,研究结果已经受到国内外同行的高度关注。 1.2高得率制浆技术的发展现状 高得率浆是指用化学的(有时是生物的)、热的和机械的方法使纤维原料分离。制 取得率在75%以上的浆种。高得率浆既包括传统的磨石磨木浆(SGWP)、化学磨木浆 (CGWP)、压力磨木浆(PGW)、木片磨木浆(RMP),又包括近年来发展起来的各种化学 机械浆(CMP)、热磨机械浆仃Me)、化学热磨机械浆(CTMP)以及碱性过氧化氢机械浆 (APMP或APP)和生物机械浆(Bio.MP)等【71。由于人们对纸浆的质量(强度、白度及适 印性)要求不断提高,以及制浆工艺技术及装备技术的发展,传统的高得率浆利o(sGwp、 RMP等)逐渐被CMP、CTMP以及APMP取代。与硫酸盐浆比较,高得率浆(CMP、 CTMP及APMP)能更有效利用纤维原料.吨浆原料消耗量只有KP的1/2左右;吨浆 耗水量低近10倍,生产过程无恶臭及粉尘等大气污染,相同规模建厂费用约为KP的 一半(如表1-i所示)I”。 广西土学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制采工艺反其机理研究》 BKP工厂与BCTMP工厂对比Tflble1-1ContrastofBKPmillandBCTMPmill 基于表1.1所述的优点,世界CTMP制浆技术在80年代至90年代一直保持较高 的增长速度,年增长率在8%以上。目前,世界上生产的高得率浆品种主要是BCTMP 和APMP浆,Tembee公司是世界主要高得率浆生产商之一,其BCTMP和APMP浆 的生产规模超过60万吨/年,最近Tembec公司对APMP—PRC首次进行了全厂规模的 试验。 我国对高得率制浆技术的研究起步较晚,工业化发展速度也较慢,可以说还停留 在较低的发展水平。1996年以前,我国还是主要以传统方法生产磨石磨木浆(SGWP), 用于配抄新闻纸和胶印书刊纸。但是,上世纪90年代后期.我国开始注重发展高得率 制浆方法。近年来,国内对APMP的兴趣不是仅停留在学术研究上,而是在有条件的 单位和地区相继引进了多套Andritz公司的APMP生产线,其中丹东鸭绿江造纸有限 责任公司(年产4.4万吨)和岳阳林纸集团公司(2条生产线万吨)的 生产线已经投产;即将投入运行的有云南保山造纸厂、齐齐哈尔造纸厂和宜宾纸业公 司【8l,此外,山东华泰集团拟引进高白度的APMP/PRC制浆系统,建设规模为30万 吨/年的APMP制浆生产线】。可见,在不久的将来,我国的高得率制浆工业将迎来一 个快速的发展阶段。 1.3爆破法制浆的研究和应用情况 爆破法制浆(explosionpulping)这一概念最早是由W.H.Mason于1927年提出来的, 他用7—8 Mpa,285"(2的蒸汽使术片废料爆破性的解离成纤维,缛到褐色浆料,在离解 过程中产生了许多木素的游离基,其浆料经挤压后制成建筑人造板材【101。由于该技术 使用高压力的饱和蒸汽作为工作介质进行爆破,对装备和操作控制的技术要求高,故 难以推广。几十年来,人们围绕这项工艺进行了大量的研究与试验【儿】。美国、加拿大、 广西大学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破硅制浆工艺反其机理研竞》 I=1本等在完善这项工艺和改造爆破设备方面取得了许多成果,并且进行了较为深入的 机理研究【12】。 然而,这些国家的研究对象主要集中在木材原料,如阔叶材的桉木、杨木、桦木 及针叶材的云杉、花旗松等。由于木材结构致密,木索含量高,因此需要很高的压力 才能将纤维分离,导致在设备的安全性.噪音等问题上未取得突破性进展,因而迄今 为止尚未实现产业化。 我国在爆破法制浆技术领域的研究起步较晚,但发展迅速,原因主要是因为我国 大都以草类原料为研究对象,由于草类原料结构疏松,可以在较低的爆破压力下即可 实现纤维分离,因而最有可能实现产业化。十几年来,华南理工大学、中国制浆造纸 研究所、北京林业大学等单位分别对杨木、麦草、稻草、芦苇、竹子、甘蔗渣等原料 进行了爆破法制浆研究113。61,但由于设备、工艺等部分问题,目前还主要处于小试研 究阶段。广西大学结合广西的资源优势,于1997年开始对甘蔗渣进行了爆破法制浆研 究,并充分吸收国外的先进技术,开发了一套爆破法制浆工艺,并与广西田东金荣纸 业有限公司合作在爆破设备方面也取得了突破性进展。 随着人们对爆破法制浆技术研究的不断深入,爆破浆的应用领域也不断拓宽,目 前主要有以下用途:(1)抄造高强瓦楞原纸 由于爆破浆的强度好,可以代替半化学浆用于配抄高强瓦楞纸,经广西阳东金荣纸 业公司的生产实践表明,瓦楞原纸各项指标均抄过A级瓦楞纸的要求。 (2)生产峰 窝纸质工业包装材料 随着我国加入WTO和我国商品出VI量的稳步上升,我国对蜂窝纸质工业包装材 料的需求迅速增加。如能以改性后的爆破浆生产峰窝纸板,则可以得到质轻、强度高、 刚度好,并具有缓冲、防震、保温、隔热等性能的轻质高强蜂窝纸质工业包装材料。 其成本比进口产品和全木浆蜂窝纸品低30—45%.具有极强的市场竞争力,经济效益 和社会效益良好。广西大学造纸科学研究所正与广西田东金荣纸业有限公司合作进行 该领域的研究。 广’玉大学硕士学位论文 《蔗墙蒸汽爆破眩制浆工艺盈其机理研览》 (3)生产饲料 随着科学技术的进步和养殖业的发展,爆破饲料技术应运而生。爆破后饲料的可 溶性成分、可消化吸收成分明显增多,适口性好,饲料价值大幅度提高。日本在爆破 饲料方面研究得较多,我国也开展了一些研究,如利用洗浆做酵母等【17】。 (4)生产酒精: 智利学者San‘MartinR等人对爆破浆洗液做酒精进行了研究【18I;广西大学的王双 飞教授等于1997年利用膨化一生物法预处理甘蔗渣,并进行了生产液体燃料酒精的研 究:北京林业大学的张德强也对爆破浆做酒精进行了研究口01:南京林业大学的余世 袁教授研究了爆破秸杆制取酒精‘2”。以上各项研究中虽然酒精的转化率还较低,得到 的液体酒精纯度也不够高,但均取得了一些研究进展,开辟了一条以植物纤维生产液 体燃料酒精的新途径。 制取无胶人造板 植物纤维原料经过高温高压的水蒸气处理后,半纤维素、纤维素部分水解成糖类、 木质素部分熔解,爆破后浆料上含有糖,把浆料直接放入压机下,依靠糖和高温、压 力的作用,纤维素、半纤维素的变化使浆料胶合,制取无胶胶合板。此项技术在日本 研究得较多,中国林业科学研究院在这方面也进行了研究,并取得了一些进展【22]。 (6)作为材料分离方法蒸汽爆破可以将木材离解成纤维素、半纤维素和木素。对阔叶 材和草类植物来说,蒸汽爆破是一个酶解糖化最有效的原料预处理方法f2。 (7)用于废纸脱墨和脱胶 废纸回收利用的关键和难点在于脱墨技术和脱胶粘物技 术,特别对于激光印刷废纸和静电印刷废纸的脱墨,采用传统的化学脱墨方法很难将 油墨及胶粘物去除干净,而利用爆破法则可以较好地解决这个问题。废纸爆破法脱墨 的原理是:在爆破器内,将废纸加热至设定的温度和压力后,进行瞬间释压,在释压 过程中油墨、乳胶及蜡等被分散成极微小的颗粒,同时其他诸如热融物、塑料和湿强 纸也能在化学上被分解[24-261。国外已进行了这方面研究,并取得一些进展,广西大学已 经在激光印刷废纸的爆破脱墨方面取得了重要成果【27】。 广曲点学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺反其机理研究》 1.4爆破法制浆技术简介 1.4.1爆破原理具有细胞结构的植物纤维,在高温、高压和水蒸气作用下,纤维被液 体所润胀,孔隙中充满蒸汽,半纤维素部分降解,木素软化,横向度减弱,柔软可塑。 当高压蒸汽骤然减压时,孔隙中的气体急剧膨胀,产生“爆破”效果,使部分木素剥离, 并将原料离解为细小纤维[28】。显然,介质的膨胀功率愈大,则纤维的解离程度就愈高。 1.4.2爆破压力 北京林业大学的赖文衡教授‘’61从介质的输出功率方面分析了低压爆破(2.0MPa) 的可行性。得出单位质量蒸汽所能释放出的爆破能以Pa2.0MPa时为最大,单位容积 蒸汽所包含的爆破能则以P=5~6MPa时为最大。从提高蒸汽利用率的角度来看,低 压爆破f即P、<2MPa)技术是完全可行的。 1.4.3爆破过程 (1)两步法 中国科学院化工冶金研究所的陈洪章等认为,爆破可分成两个阶段:首先是汽相 蒸煮,高压蒸汽渗透到物料内的空隙,使半纤维素部分降解成可溶性糖,同时木质素 软化和部分降解,降低纤维连接强度,为爆破过程提供选择性的机械分离。其次是爆 破过程,利用气相饱和蒸汽和高温液态水两种介质共同作用于物料,瞬间完成的绝热 膨胀过程,对外作功。在爆破过程中,膨胀的气体以冲击波的形式作用于物料,使物 料在软化条件下产生剪切力变形运动,由于物料变形速度较冲击波速度小得多,因此 多次产生剪切,使纤维有目的的分离,二者相辅相承。气相蒸煮条件的选择决定着爆 破的目的性1291。 (2)四步法 B.Goth等人认为可以用一个四步模型描述蒸汽爆破过程,此模型把蒸汽爆破过程 分为四步:第一步是蒸汽扩散到物料中,第二步是组分的降解,第三步是爆破过程中 的纤维化,第四步是伴随着以上步骤的纤维素降解。在这四步中,起决定性的是第一 步,若木质化程度高,没有预浸的物料需要的活化能较高,预浸过的物料需要的活化 能较低,一般活化能为30.60kg/mol‘301。 (3)爆破过程是一个物理化学过程 北京林业大学的郑华等人通过对爆破浆的X衍射、红外光谱分析,认为爆破过程 是一个物理化学过程。日本的菱山正二郎从爆破浆中分离出木素碎片,用气相色谱和 广西大学硕士学位论文- 《蔗渣蒸汽爆破泼制浆工艺反其机理研究》 气质联用色谱分析,在降解的物质中发现愈创木基丙烷、香草乙酰和紫丁香基物质, 丁香树脂醇的数量比原木素结构单元中存在的比例少得多。这些结果表明,在蒸汽处 理过程中木素主要是酸性降解。KarinaM.的研究也证实了这一点1321。 1.4.4爆破设备的发展 随着科技的发展,爆破设备也不断的改进和完善,爆破设备的形式主要包括间歇 式与连续式两种。 (1)间歇式爆破设备 加拿大E.A.Delong发明的lotech法也称TigneyTechnology(Can Pat1 096374 1980)属于间歇式设备,Mamers等人对该设备进行了改进[33-34】,并于1979年获得美国 专利(US Pat41 63687)。国内一些研究机构也参照Iotech专利设计制造出爆破设 备。此类爆破装置一般由爆破罐和接收器两部分组成,其中爆破罐多为直立锥底圆筒 形高压容器,收受器为爆破器容积的2-5倍。 (2)连续性爆破设备 加拿大的stake技术公司研制的一套连续性爆破设薪【35】,其操作过程为经浸渍的 木片自料斗中进入一可变压缩比的喂料螺旋中,把木片压成圆柱形料塞,进入竖管时, 有一反喷逆止阀,其阀芯呈锥形,『F对着进来的木片料塞,将其顶碲便于充分接触蒸 汽。如果木片料寨不紧而产生漏汽时,这时锥形阀芯会紧紧抵住竖管上的阀座,以防 止漏汽。顶碎的木片料塞连续地掉入高温高压的stakelI型蒸煮器中。在压力1.4MPa、 温度195的蒸汽作用下,在蒸煮器中停留卜4min。使木质素软化.木片被螺旋推进 器推到末端,经一球形喷放阀每4s自动喷一次,而断断续续的把蒸好的浆喷到大气 中,由于压力差而使浆爆裂开来。每套stake系统的生产能力为50—150t/d。 1.4.5爆破工艺研究 1.4.5.1爆破工艺 人们在研究爆破法制浆技术过程中,根据植物纤维原料和爆破浆用途的不同,先 后开发出了多种爆破工艺,目前主要有以下几种。 (1)纯水蒸汽爆破制浆:纯水蒸汽爆破制浆工艺(SteamExplosionPulping,简称 SEP)用水蒸汽直接加热风干原料,升压至一定压力后,保压3-5min后进行爆破,经 旋风分离器分离后落入接收器中,即得到SEP浆。 (2)二次爆破制浆:二次爆破制浆(Explosion—ChemicalTreatment—Explosion Pulping,简称ECP)工艺是按不同药品用量,以适当液比配好溶液,加入SEP浆中搅 广西史学硕士学位论文嵌蔗渣蒸汽爆破娃制浆工艺及其机理研究》 拌均匀,送入爆破装置,升压至一定压力后保压几分钟,然后进行第二次爆破,即得到 ECP浆。 (3)化学预浸渍爆破制浆:化学预浸渍爆破制浆(Chemical—PretreatmentExplosion Pulping,简称CEP)工艺是利用一定浓度的化学药品,在室温下(约20"C)对植物纤 维原料进行浸渍处理,预浸后的物料送入爆破装置,用饱和蒸汽加热,升压至一定压 力后进行短时间保压,然后进行爆破,即得到CEP浆。 在上述爆破制浆工艺中,目前采用最多的是CEP法。 1.4.5.2爆破原料 爆破法制浆适用的原料广,不仅适用于针叶材和阔叶材,而且适用于秸秆如麦草、 稻草等农作物废料。目前国内外学者用于爆破法制浆的原料有杨木[36-37】、麦草[38421、 梗木、黑云杉、芦苇【43】、山毛榉、竹子、南非檬麻、亚麻、蔗渣等。 l-4.5.3爆破用化学品 用于预浸的化学药品有NaOH、Na2S03、NaHC03、Na2C03、H202及各种表面活 性剂类渗透剂等。Na0H是良好的润胀剂和软化剂,使纤维得到一定程度的润胀和软 化,为爆破后纤维的离解创造条件。Yu Xiaben等人[4607J通过研究发现,加入Na2S03 可以使木素磺化,并能防止木素在高温下的氧化,使爆破原浆的白度增加;加入 Na2C03、NaHC03或MgC03能防止纤维素、半纤维素的酸性水解,使浆的表面含有较 多的亲水基团,更多的碳水化合物。这些都能提高浆的强度,降低打浆能耗,导致白 度和得率提高:各种表面活性剂类渗透剂的作用主要是加速药液向植物纤维原料内部 渗透的速度,加速原料的润胀和软化。BahuslavKokta等人“1的研究也证实了这一点。 1.4.5.4爆破工作介质 爆破一般是用高压水蒸气在特制的高压圆筒内进行,在爆破发明时,蒸汽压力往 往高达7-8MPa,后来为了减轻在高温高压下纤维的严重降解,一些研究者采用有利于 热力学特性的工作介质来代替水蒸气爆破。液态氨和液体二氧化硫曾成功的应用在试 验中,取得较好的效果,但因技术和经济原因,没有在生产实践中应用。另一种减轻 纤维在爆破过程中强烈降解的方法是用惰性气体加压。首先用较低温度的蒸汽将原料 加热,然后用高压惰性气体对筒内加压进行爆破,已采用的惰性气体有氮气和二氧化 碳。实验证明,其纤维分离效果不及高压蒸汽爆破。目前普遍使用的蒸汽压力为 1,0-2.5 MPa,时间为1—15min,具体的压力和时间根据爆破浆的用途而定。 广西大学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺覆其机理研竟》 1.5本研究的目的和意义 爆破法制浆投资较低,具有高得率、高效率、高强度、低成木、低能耗和少污染 等优点,与CMP/CTMP相比,具有明显的优越性,不仅可以降低生产成本,且可以 减少污染,是我国今后造纸工业一个很有前景的制浆方法。尤其我国是个森林资源相 对缺乏的国家,如何开发应用先进的高得率制浆技术,如何充分利用草类原料造纸, 这些都是摆在我们面前急需解决的重要战略问题。 本研究的目的在于提供一种适合甘蔗渣爆破法制浆的中试工艺技术及工艺参数, 使得到的爆破浆能适应配抄高强瓦楞原纸的要求,同时研究爆破浆的可漂性,为拓宽 爆破浆的应用领域提供依据,并对爆破法制浆过程中的噪音、热能回收等难题提出一 些合理性解决措施。此外,通过对爆破浆的微观研究,解释爆破过程中纤维物质发生 的物理和化学变化行为和爆破浆强度高的原因。为今后我国真正实现草类原料爆破法 制浆大规模工业化生产提供理论基础。 广西土学硕士学位论文《蔗渣蒸汽爆肚法制浆工艺反其机理碍竞》 第二章 甘蔗渣爆破制浆中试研究部分 2.1实验原材料及方法 2.1.1实验原材料 甘蔗渣: 为田东金荣纸业公司自备的甘蔗渣.干法堆垛贮存。 NaOH: 固体碱,工业品 Na2S03: 工业品 渗透剂AMS:由广西大学造纸科学研究所提供,工业品 2.1.2实验仪器设备 本研究采用的中试爆破装置如图2—1所示。 图2-1爆破装置 Fig.2-1 Explosionpulpingequipment 广曲太学硕士学位论文《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺覆其机理研究》 2.1.3实验方法 2.1.3.1爆破制浆方法 采用以下的工艺流程生产爆破浆: 装锅—竺预浸二B二匪+o.5Mpa—墨二—卜o.5Mpa监卜1.6Mpa 20min 3min 三1.6Mpa一爆破放料5rain 首先,按工艺要求量取一定的NaOH、Na2S03和渗透剂AMS,并制成混合预浸用 药液,然后用泵将混合药液稳定地送入螺旋输送机与皮带输送机来的蔗渣充分混合, 并进入爆破器中。待蔗渣原料全部装入爆破器后,上紧锅盖,在常温度下预浸泡20min。 预浸结束后,通入蒸汽升压至0.5MPa(此过程约需要3min),在此压力下保压5min, 然后开始大量通入蒸汽升压,一直将压力升高至1_6MPa,在此压力下保压5min,达 到保温时间后即可进行爆破放料操作。 2.1.3.2打浆和抄纸 在PFI磨浆机中打浆,打浆浓度20%,用ZQJ.B型纸页成型器抄片,纸页的抄造 定量为115-t-2 g/m2。 2.1.3.3纸张物理性能指标的检测 纸张的定量、白度、裂断长、环压指数、耐破指数等物理性能指标均采用常规方 法检测【481。 2.1.3.4纸浆的化学成分分析: 纸浆的硝酸乙醇纤维素、克拉森木素及聚戊糖含量采用常规方法测量【48】。 2.1.3.5废水污染指标分析 爆破制浆废水的污染指标委托广西南宁市环境监测站检测,其中CODer的检测采 用重铬酸钾法,BOD的检测采用五日生化需氧量法(即BOD5)。 2.1.3.7废液中总还原糖含量分析 采用快速斐林法测出0.5ml废液中还原糖含量1491。 10 广西土学硕士学位论文 《蔗磕蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究》 2.2实验结果与讨论 2,2.1最佳爆破工艺的选择 在本次中试研究之前,我们已经对甘蔗渣爆破法制浆的小试工艺进行了较为深入 的研究,并且已经得到小试的最佳爆破工艺,具体如下: NaOH用量: 2.5% Na2S03用量: 2% AMS用量:0.1% 爆破压力:1.6MPa 保温时间: 15min 但是,为了慎重起见,以便保证中试研究能获得更好的处理效果,使浆的性能和 生产成本方面达到最佳状态,为下一步实现产业化积累充分可行的实验数据。本研究 在原来已经取得的小试爆破工艺的基础上,重新设计和优化爆破工艺,以便得到最佳 的甘蔗渣中试爆破工艺。 为此,主要考察NaOH用量、Na2S03用量、AMS用量、液比以及爆破压力等因 素对实验结果的影响,根据实际情况,我们选择了五因素四水平的L16(s4)正交试验 方法进行探讨。正交试验考察的指标有裂断长、环压指数、耐破指数等。其中正交试 验的各因素及水平见表2.1。 表2-1 爆破工艺实验的影响因素和水平 Table2-1.Theinfluentfatorandlevel ofexplosionprocesss \因素NaOH用量 Na2S03用量 AMS用量 爆破压力 水平\ 1.O1.O O.08 1:3.O 1.O 1.51.5 0.10 1:3.5 1.2 2.O2.O O.12 1:4.O 1.4 2.52.5 O.14 1:4.5 1.6 通过正交试验,得到实验结果见表2.2所示。 广面土学硕士学位论文 谨蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺鱼其机理研竞》 表2-2 L1645爆破工艺正交实验表及结果 NaOH Na2S03用 AMS 爆破压力 序号 环压指数耐破指数 用量/% 用量,%/Mpa km N./'112/g kPa.m2/g 1.01.0 O.08 1:3.O 1.O 1320 4.8 1.02 1.01.5 O.10 1:3.5 1.2 1462 6_3 1.25 1.02.0 O.12 1:4.O 1.4 3405 6.9 1.57 1.02.5 O.14 1:4.5 1.6 2605 7_8 1.46 1.51.0 O.10 l:4.0 1.6 2898 7.5 1.43 1.51.5 0.08 1:4.5 I.4 2478 7.1 1.32 1.52.0 0.14 l:3.0 1.2 1990 5.8 1.74 1_52.5 0.12 l:3.5 1.0 1890 7.8 1.38 2.01.0 0.12 1:4.5 1.2 2097 6.5 1.42 10 2.0 1.5 0.14 l:4.O 1.0 2528 7.0 1.10 11 2.0 2.0 0.08 1:3.5 1.6 3190 7.6 1.62 12 2.0 2.5 0.10 1:3.O 1.4 3800 6.8 1.50 13 2.5 0.141:3.5 39007,9 l。40 14 2.5 1.5 O.12 1:3.0 1.6 3032 6.O 1.52 15 2.5 2.0 O.10 1:4.5 1.O 1789 6.5 1.24 16 2.5 2.5 O.08 1:4.0 1.2 3285 8.O lt36 根据实验结果进行的数据处理如表2.3 表2-3正交实验数据处理表 k1 2198 2554 2568 2533 1882 k2 2314 2575 2590 2611 2209 k32904 2594 2606 3029 3396 30022895 2756 2242 2932 80434l 188 787 1514 k1 6.5 6.6 6.3 5.9 6.5 k2 6.9 6.7 6.5 6.9 6.7 环压指数 k3 7.0 6.7 6.8 7.4 6.9 7.17.3 7.1 7.O 6.7 1.O1.3 0.6 1.5 0.4 1.331.32 1.33 1.45 1.19 k2 1.47 l_35 1.36 1.41 1.44 耐破指数 k3 1.41 1.54 1.47 1.37 1.45 l_381.43 1.43 1t36 1.51 O.140.22 0.14 0.07 0.32 12 广西太学硕士学位论文 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺反其机理研究》 2.2.1.1爆破条件对爆破浆裂断长的影响 f11NaOH用量对裂断长的影响 NaOH是一种良好的润胀剂和软化剂,它能使纤维得到一定的软化和润胀,有利 于爆破时纤维的内部细纤维化和部分降解,提高纤维的柔软性和纤维问的结合力,从 而提高纸页的强度。同时,由于NaOH的存在,可以防止导致得率损失的酸性水解。 图2.2为不同NaOH用量与爆破浆裂断长的关系图。 35003000 2500 2000 0.5 Na0Hcharge/% 图2-2Na01[用量与裂断长的关系 Fig.2-2 Breaking lenthVSNaOH charge 从图2.2可以看出,随着NaOH用量的增加,爆破浆的裂断长呈上升趋势,且在 1%一2%的NaOH用量范围内其上升趋势尤其明显,但在NaOH用量超过2%后,爆破 浆的裂断长随NaOH用量增加的上升趋势不再明显。可见,在实际应用当中.兼顾考 虑废水的污染负荷,NaOH用量不必太高,如仅从裂断长考虑,最佳的NaOH用量定 为2%。 (2)Na2S03用量对裂断长的影响 在爆破法制浆工艺中,Na2S03的加入有几个方面的作用,首先,Na2S03可以使木 素磺化,由于磺酸基具有强的负电性而使水溶剂化,增大了促进润胀的效果,这一点 与SCMP制浆相似。其次,Na2S03作为一种抗氧化剂,既能保护碳水化合物,又能防 止木素在高温下的氧化,使爆破原浆的白度增加。此外,Na2C03与NaOH共同作用能 防止纤维素、半纤维素的酸性水解,纤维受损伤小,使浆的表面含有更多的碳水化合 物和较多的亲水基团数目,使抄纸时能提供更多的氢键结合部位而提高纸页的强度。 图2-3为Na2S03用量与裂断长的关系图。 广岳土学硕士学位论文 《蔗憧蒸汽爆破法嗣浆工艺及其机理研究》 30002500 2000 0.5 Na2S03charge/%图2-3 Na,S0,用量与裂断长的关系 Fig 2-3 Breaking lenth vs NazS03charge 从图2—3可知,随着Na2S03用量的增加,爆破浆的裂断长也随之提高,但同时也 发现,在Na2S03用量小于2.0%时,裂断长随Na2S03用量的增加并不明显,当Na2S03 用量超过2.O%后,裂断长随着Na2S03用量的增加而迅速提高。如仅从裂断长考虑, NaOH用量为2%.2.5%较为合适。 (3)渗透荆AMS用量对裂断长的影响 由于爆破法制浆过程历时较短,(包括预浸时间在内也不超过40min),因而如何 保证化学药液能在短时间内迅速扩散和渗透到纤维内部至关重要。药液渗透是借助自 然表面张力和外部旄加的压力使化学药液通过毛细管而充分与纤维接触,渗透剂AMS 正是利用其自身良好的渗透扩散功能,能增加预浸药液对纤维的润湿、浸透以及对原 料的溶胀作用,加速原料的润胀和软化,有利于爆破时纤维的充分离解。图2-4为渗 透剂AMS用量与裂断长的关系图。 30002500 0,06 0.08 0.1 O.12 0.14 O.16 AMS charge/% 囤2-4 AMS用量与裂断长的关系 Fig 2-4 Breaking lenthVSAMS charge 广曲点学硕士学位论文- 《蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺反其机理研究》 由图2-4可知,随着渗透剂AMS用量的增加,爆破浆的裂断长也随之提高,尤其 是当AMS用量超过0.12%后裂断长的提高最为明显。这是因为AMS是一种表面活性 剂,当它的浓度达到一定值后,能使预浸药液的表面张力迅速降低,使药液渗透速度 增大,纤维润胀效果加剧,增加了爆破浆料的离解程度。但是,在实际应用当中,由 于AMS具有起泡性,用量过多会发生泡沫障碍,因此一般用量为0.10%一0.12%即可。 “)液比对裂断长的影响 此前的蔗渣爆破浆小试研究结果表明,液比对爆破效果有一定的影响,主要是因 为不同的液比导致在爆破时浆料受到的剪切力不同,因而浆料的分散和离解程度也不 一样。图2—5为不同液比与裂断长的关系N(N中MI=I:3.0,M2=I:3.5,M3=I:4.0, M4=1:4.5、。 3500 {3000 秀2500 M1M2 M3 M4 Liquor ratio 图2-5液比与裂断长的关系 Fig 2-5 Breaking IcnthvS Liquor ratio 由图2-5可以看出,在一定范围内,裂断长随着液比的增大而提高,但当液比超 过l:4.0后,如果继续增大液比,则爆破浆的裂断长反而迅速下降,这主要是因为液 比过大时纤维的分散离解效果下降所致。一般选择1:4的液比较为合理。 (5)爆破压力对裂断长的影响 国内外的研究结果均表明,爆破压力是影响浆料爆破效果的最主要因素。根据爆破功 率计算公式及相关理论,在其他条件不变的情况下,爆破压力越大,则爆破功率越大, 爆破时产生的冲击波也越大,因而纤维被分散和离解的效果也越好,当然纤维受损伤 的机率也越大。图2.6为爆破压力与爆破浆裂断长的关系图。 广西大学硕士学位论文 《蔗憧蒸汽爆破挂制浆工艺及其机理碍究》 3500 3000蔷2500 盘2000 15000.8 1.21.4 1.6 1.8

  蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究优秀毕业论文蔗渣,研究,爆破工艺,爆破法制浆,蒸汽爆破,制浆工艺,蔗渣爆破,生物制浆,碱法制浆

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