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蔗渣蒸汽爆破法制浆工艺及其机理研究-制浆造纸工程专业毕业论文p

发布时间:2019-09-14 21:48 来源:未知 编辑:admin

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  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fl,b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 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。 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。 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。 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》 oFSTEAM ANDMECHANISM THEPRoCESS STUDYON PULPINGoFBAGASSE EXPLoSlON ABSTRACT fiber to more of and Duethe serious shortage resources, pollution,the plant energy havebeenconductedtothenew of studies technologyhigh many pulping and steam lower consumptionpollution.’Fheexplosion energy hasthe of fiber high productionefficiency,high advantagesyield,high andlower ithasbeen asaadvanced energyconsumptionpollution,SO developed highyield the mainresearchfocusedontlne explosionand technology.The optimal process pulping effectof onthechemicalconstitutesof processparameter explosionpulp.The andtile werealso ofexplosion characteristicofeffluent studied. possibility pulp advanced of diffraction analytic SEM,X—ray Simultaneously,the teclmology aswellasXPSwereusedto themicrocosmicof spectrum,IRspectrum analyze explosionpulp. Theresults researchareas ofthe following: and test thevalidate were toachievethe 1.Orthogonal experiment performed optimal conditions:NaOH 2.O%,Na2S032.O%,AMS explosion charge charge charge0.1%,liquor towood 1.4MPa.Allofthe indexof ratiol:4.0.explosion pressure physical board fromthe were A base made thanthe base explosionpulp higher grade corrugating board. 2.There some the of were influenceson and content cellulose,hemicellulose lignin the alsoshowedthat of NaOH by explosion parameter explosionpulp parameter.It charge and werethemain factors. explosionpressure influencing was ofunbleached is it hardto the 3.The pulplower,So bleach.After brightness explosion ofP—PorH—P latest couldnotreachto bleaching process.thebrightness two—stages 40%(1SO). 4.TheSEP alower its loadwas was pollutiontechnology,and pulping pollution tothe its loadwaslower the CTMP pollution than tectmology,but remarkably Semichemical Pulpingtechnology. showedthat treatment 5.TheSEM leadto offiberaswell analysis explosion many breakage and ofwail asS ceil.Thefiberbundlebecame and also I S2 separated,softcurling.It the indicatedthat offiberbundlehasaclose wifll separating relationship explosion press 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》 theadded for and chemical pretreatment. the of 6.The diffraction showedthat relative cellulose analysis X—ray spectrum crystallinity treated was theabsolute was by increased,while explosion crystallinity for reasonsthesecouldbethathemicellulosewas after degradedpartiallyexplosion. 7.IntheUV ofwash isa in of analysis waste,there wavelength spectrum strongpeak 280nmandthisdata evidencethatthe was in treatment. provided lignindestroyedexplosion 8TheIR showedthat treatmentcould the spectrumanalysis explosion onlychangeintensity of and mainchemicalstructure has absorption the of not peakpartialy lignin changedyet.It alsoindicated of thattherelative celluloseincreasedand absorptionintensity peak the characteristic ofhemicellulosewasweakened absorptionpeak remarkably. 9.TheXPS the showedthatthe0/Cratioson fibersurfaceincreasedandthe analysis peak areaofCdecreasedafter indicatedthatthereweremore I and explosion.It carbohydrate fewer andextract011the fiber increaseofS/Cratios lignin surface.Moreover,the indicates thattherewasa sulfonationOnthefiber thisisamain lignin surface,and higher degree reasonleadedto hi911er paperstrength. KEY WORDS bagasse;steamexplosion pulping,pilottest,highstrength base board,microcosmic analysis 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 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 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、 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》 表1。1 BKP工厂与BCTMP工厂对比 Tflble1-1 ofBKPmillandBCTMPmill Contrast 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 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 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 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 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(explosion 他用7—8 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㈣: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) MPa时为最大,单位容积 的可行性。得出单位质量蒸汽所能释放出的爆破能以Pa2.0 MPa时为最大。从提高蒸汽利用率的角度来看,低 蒸汽所包含的爆破能则以P=5~6 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30.60 kg/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㈨。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 Pat1 096374 加拿大E.A.Delong发明的lotech法也称TigneyTechnology(Can Pat41 专利(US 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 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(Steam ExplosionPulping,简称 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—Chemical 6 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。 Explosion 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、 梗木、黑云杉、芦苇【43Ⅲ】、山毛榉、竹子、南非檬麻、亚麻、蔗渣等㈣。 l-4.5.3爆破用化学品 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 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 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。 8 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。 冉 图2-1爆破装置 Fig.2-1Explosionpulpingequipment 9 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: ‘ ‘ + 20min 3min 5rain 3min 5rain 三1.6Mpa一爆破放料 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。 然后开始大量通入蒸汽升压,一直将压力升高至1_6 MPa,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 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% 2% Na2S03用量: AMS用量:0.1% 液比: l:5 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。 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 \ NaOH用量 AMS用量 爆破压力 \因素 Na2S03用量 液比 水平\ ,% /% /% /Mpa \ 1 1.O 1.O O.08 1:3.O 1.O 2 1.5 1.5 0.10 1:3.5 1.2 3 2.O 2.O O.12 1:4.O 1.4 4 2.5 2.5 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2-2L1645爆破工艺正交实验表及结果 NaOH AMS 爆破压力 Na2S03用 序号 液比 裂断长 环压指数 耐破指数 用量/% 量腻 用量,% /Mpa km N./112/g kPa.m2/g 1 1.0 1.0 O.08 1:3.O 1.O 1320 4.8 1.02 2 1.0 1.5 O.10 1:3.5 1.2 1462 6_3 1.25 3 1.0 2.0 O.12 1:4.O 1.4 3405 6.9 1.57 4 1.0 2.5 O.14 1:4.5 1.6 2605 7_8 1.46 5 1.5 1.0 O.10 l:4.0 1.6 2898 7.5 1.43 6 1.5 1.5 0.08 1:4.5 I.4 2478 7.1 1.32 7 1.5 2.0 0.14 l:3.0 1.2 1990 5.8 1.74 8 1_5 2.5 0.12 l:3.5 1.0 1890 7.8 1.38 9 2.0 1.0 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 l。O 0.14 1:3.5 1。4 3900 7,9 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 裂断长 k3 2904 2594 2606 3029 3396 k 3002 2895 2756 2242 2932 r 804 34l 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 h 7.1 7.3 7.1 7.O 6.7 r 1.O 1.3 0.6 1.5 0.4 k 1.33 1.32 1.33 1.45 J 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 k正 l_38 1.43 1.43 1t36 1.51 r O.14 0.22 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。 3500 巳 \ l 菪 3000 卫 曲 口 立 2500 翌 ∞ 2000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Na0H charge/% 图2-2Na01[用量与裂断长的关系 lenthVSNaOH Fig.2-2Breaking 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 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 为2%。 (2)Na2S03用量对裂断长的影响 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 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》 E \ 』= 岂 3000 旦 bD .曼 _ 2500 2 ∞ 2000 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Na2S03 charge/% 图2-3Na,S0,用量与裂断长的关系 2-3 vs lenth NazS03 Fig Breaking charge 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 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。 E \ 』: 菪 3000 主 bn .曼 丘 2500 翌 ∞ 0,060.08 0.1 O.120.14O.16 AMS charge/% 囤2-4AMS用量与裂断长的关系 2-4 lenthVS AMS Fig Breaking 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 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 M4=1:4.5、。 3500 {3000 秀2500 ∞ M1 M2 M3 M4 ratio Liquor 图2-5液比与裂断长的关系 2-5 IcnthvS ratio Fig BreakingLiquor 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 l3000 蔷2500 盘2000 ∞ 1500 0.8 l 1.2 1.4 1.6 1.8 explosionpress/MPa 图2-6爆破压力与裂断长的关系 2-6 lenthVS Fig Breakingexplosionpress 而提高,但爆破压力超过1.4MPa后,裂断长明显下降。这说明压力越高,爆破时纤 维受损也越大,对纸张强度不利。因此,如果只考虑裂断长,则应选择1.4MPa的爆 破压力较为理想。 2.2.1.2爆破条件对爆破浆环压指数的影响 (1)NaOH用量对环压指数的影响 NaOH的软化和润胀作用有利于爆破时纤维的内部细纤维化,从而提高纸页的强 度,这一点与对裂断长的影响相似。图2.7为不同NaOH用量与爆破浆环压指数的关 系图。由图2—7可知,随着NaOH用量的增加,爆破浆的环压指数随之提高,尤其在 提高随NaOH用量的增加趋于平缓。 8 6 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Na0H charge/% 图2—7NaOII用量与环压指数的关系 crush indexVSNaOH Fig.2-7Ring compression charge 16 广面大学顽士学位论文· 《蔗渣蒸汽爆破法期浆工艺盔其机理研竟》 (2)Na2S03用量对环压指数的影响 环压指数的关系图。 8 7 ∞\7Ⅲ.z\xa口1』_; 6 6 c。Is∞∞h鲁Iou上∞jh。凹cH篱 O.5 1 1.5 2 2.5 3 Na2S03charge/% 图2-8Na2S03用量与环压指数的关系 crush indexVS Na2S03 Ring charge Fig.2-8 compression 加只是缓慢上升,但当Na2S03用量对超过2%后,环压指数的提高非常迅速。这可以 说明只有在Na2S03用量达到一定比值后,其磺化效果和对碳水化合物的保护作用才发 挥到最佳。 (3)渗透剂AMS用量对环压指数的影响 渗透剂AMS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2-9为渗透剂AMS用量与环压指 数的关系图。 8 7.5 7 ∞\,Ⅲ.z\釜puH 6.5 6 c。州∞∞m“dⅢo。焉T1hu∞矗仨 0.060.08 0.1 0.120.140.i6 AMS charge/% 图2-9AMS用量与环压指数的关系 crush Vs indexAMS Ring compression Fig.2-9 charge 17 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》 从图2-9可以看出,随着渗透剂AMS用量的增加,环压指数几乎成直线上升趋势, 但在生产实际中也要考虑泡沫障碍问题,一般渗透剂AMS用量不能太高。 (4)液比对环压指数的影响 围内,随着液比的增加,环压指数迅速上升。但当液比超过l:4后,随着液比的进一 步增加,环压指数反而逐渐下降。因此液比选择在1:4左右较好。 7·5 ∞ 》 7 号 co.【∞∞o‘IoBoo 乏6.5 釜 薯 6 c∞罩ho 1H 5.5 M匕-[譬 图2-10液比与环压指数的关系 0 crush index VS ratio Fig.2-1Ring compression liquor (5)爆破压力对环压指数的影响 图2-11为爆破压力与环压指数的关系图,从图中可以看出,其变化规律与对裂断 长相似。在1.0-1.4 MPa的压力范围内,随着压力的上升,环压指数呈现出上升趋势, 但当压力超过1.4MPa后,环压指数出现下降趋势,这也是因为高的爆破压力导致纤 维损伤造成的。 量 ·H a r———————————————————————————————1 l寒t.s §≤ , {怒 §蛋6.5 .: 6 图2-11爆破压力与环压指数的关系 1 crush indexVS Fig.2-1 Ring compression explosionpress 广西大学硕士学位论文· 《蔗渣蒸汽爆破法制gJ-芝,反其机理研竟》 2.2.1-3爆破条件对耐破指数的影响 (1)NaOH用量对耐破指数的影响 过1.5%后,耐破指数随NaOH用量的增加而降低。 1.6 1.5 1.4 I.3 1.2 0.5 l 1.5 2 2.5 3 NaOH charge/% 2 图2-1iqa01t用量与耐破指数的关系 BurstindexVsNaOH Fig。2—12 charge (2)Na2S03用量对耐破指数的影响 ‘图2-13为Na2S03用量与耐破指数的关系图。 《1.6 墨1.5 \ 套1·4 —1.3 苗 耋1.2 O.5 l 1.5 2 2.5 3 Na2S03charge/%

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