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【研究】新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法

来源:浆纸技术 编辑:黄毅华 时间:2020-03-25
导读:我国森林资源覆盖率低,能够利用于造纸的木材资源十分有限,非木材纤维原料仍将是我国造纸的重要原料。甘蔗渣属于较好的非木材纤维原料之一,甘蔗渣浆不仅可以生产优质生活用纸,配以少量商品木浆亦可以生产优质文化用纸。综合利用甘蔗渣造纸,可减轻我国森林

黄毅华 先生

工程师;

主要从事制浆生产工艺管理和项目技改。

    我国森林资源覆盖率低,能够利用于造纸的木材资源十分有限,非木材纤维原料仍将是我国造纸的重要原料。甘蔗渣属于较好的非木材纤维原料之一,甘蔗渣浆不仅可以生产优质生活用纸,配以少量商品木浆亦可以生产优质文化用纸。综合利用甘蔗渣造纸,可减轻我国森林资源的负担(每吨甘蔗渣可以代替1~1.25m3造纸木材)。

    广西粤桂广业控股股份有限公司[前身为广西贵糖(集团)股份有限公司,以下简称广西粤桂]是一家最早综合利用甘蔗渣制浆造纸的传统企业之一,蔗渣利用技术水平和先进性在业内享有盛誉。2017年12月份至2018年4月份,摸索和创造出了一种新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法,解决了因原料的短缺引起的停机问题,创造出了较大的经济效益。

 

1  新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法背景

    甘蔗渣是糖厂的副产品,约有50%的纤维可以用来造纸,其纤维形态虽然比不上木材和竹子,但是比稻、麦草纤维则略胜一筹。甘蔗渣在我国南方算是一种已经高度集中了的原料资源,它不需要长途运输,就地即可加以利用,在甘蔗生产基地附近很容易建成年产数万吨经济规模的制浆造纸厂,甘蔗渣的利用极大程度地促进了南方地区制浆造纸行业的发展。

    刚从糖厂压榨出来的蔗渣,水分约50%,称为半干蔗渣。半干蔗渣经打包堆垛长时间贮存后,水分可降至20%~30%左右;而半干蔗渣经淋水发酵贮存,水分可达到70%~76%范围。

    蔗渣制浆从备料的方式可以分为干法备料制浆和湿法备料制浆。我国使用甘蔗渣制浆的历史首先是从干法备料制浆开始的,从上世纪90年代初各地方陆续淘汰了干法备料制浆,才逐渐发展为现在的湿法备料制浆。上世纪90年代前的干法备料制浆过程中,制糖厂首先把甘蔗渣打包,通过车辆运输到备料场地,然后用大量人工进行堆垛,再用茅草或帆布覆盖。重新使用时再次打碎甘蔗渣块,造成备料间粉尘飞扬、环境差。另外干法备料制浆存在着场地利用率低、人工费用大、蔗渣贮存后容易变质、损失率高、火灾消防要求高等缺点。

    上世纪90年代后逐渐发展起来的蔗渣湿法备料制浆,蔗渣无需打包成块,通过高空皮带输送,直接把制糖厂榨出来的散的蔗渣堆放到备料场地。湿法备料实现了大规模机械化操作,通过推土机对蔗渣进行压紧压实,再用清水对蔗渣堆喷淋,让蔗渣进行一两个月的发酵。湿法备料制浆虽然克服了干法备料制浆的部分缺点,提高了场地使用率,防火要求低,蔗渣保鲜率大为提高;但是蔗渣湿法堆垛需要1个多月发酵才能使用,场地需求大,备料投入高,蔗渣喷淋废水COD榨季高峰时段达到7000~800mg/l,喷淋废水酸性大,易腐蚀设备和场地,增加了环保处理难度,大多数厂需要建立投资高达几百万甚至上千万元的IC厌氧系统来处理高浓喷淋废水,运行费用大。

    甘蔗属于一年生长作物,因此甘蔗渣的供应量受季节性影响比较大,甘蔗渣的贮备主要集中在每年榨季中的3~4个月内,榨季之后甘蔗渣产量几乎为零,因此需要在甘蔗榨季备好足够的甘蔗渣量供停榨之后使用。近年来由于国家对大气环保要求日益严格,许多糖厂为确保大气排放达标,宁愿烧蔗渣也不愿烧煤,导致了甘蔗渣市场供需日益紧张,利用甘蔗渣制浆的部分企业经常在停榨一段时间之后出现原料短缺,开榨之后有原料但又因需要湿法堆垛发酵1~2个月后才能使用,导致了“无米下锅”的现状,影响了企业的正常生产和效益。2017年下半年广西来宾市某制浆厂在8月份就因蔗渣用完,又未到开榨时间而停产,员工被迫放假。同年广西粤桂的蔗渣也仅能用到10月底,而到开榨时间最早也要等到11月中旬。但尽管是糖厂开榨后有了蔗渣原料,还需要解决一个问题,即新鲜的蔗渣按湿法备料的发酵要求,至少也要再等1个多月才能使用。在这1个多月的时间里,企业仍然面临着停机停产的问题。如何解决这个难题,广西粤桂进行了探索,摸索出了一种新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法,为企业创造了巨大效益。

 

2  新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法

2.1主要内容

    (1)选择糖厂经过一级除髓后的新鲜蔗渣,水分含量约为48%~53%,在无淋水无发酵的条件下堆于室外料场存放5~7天,待蔗渣水分均衡时,即可送去进行蒸煮。

    (2)将蒸煮助剂按照比例溶于碱回收的白液中,制成碱液,存储于碱液槽中备用。

    (3)按照蒸煮器的大小和蒸煮液比确定装料量,将蔗渣经地磅称量后经过皮带输送机输送到预浸器,将碱液和黑液注入到预浸器中对蔗渣进行预浸渍,让蔗渣、碱液和黑液在预浸器里搅拌混合均匀,使蔗渣充分浸透。

    (4)经预浸渍后,蔗渣、碱液和黑液送入蒸煮器内,往蒸煮器内通入高温蒸汽,按照生产工艺要求确定蒸煮升温曲线,按升温曲线设定蒸煮压力进行蒸煮。

    (5)蒸煮结束后,通过喷放锅喷放蒸煮好的浆料,喷放结束后对蒸煮器装料进行下一轮蒸煮,浆料移送到洗浆工段进行四段逆流洗浆,一段洗浆得到的黑液进入黑液槽暂时储存,然后送去碱回收和蒸煮使用;

    (6)将洗完的浆料进行常规筛选和漂白,得到漂白浆,所得漂白浆可以直接移送造纸车间进行抄纸或者用双网挤浆机挤干后外卖。

2.2流程改造

    (1)将第一段洗浆的黑液槽中的黑液通过一台泵输送走,在泵的出口分出两条管路,一条出口管路通往蒸煮车间,供蒸煮使用;另一条出口管路通往黑液过滤机,把黑液送往碱回收车间。每个出口管路处均安装有1个开关阀门。

    (2)在预浸器的进口端配有两个进液管,将碱液和黑液的来液管道分别与两个进液管连接,碱液和黑液在预浸器进口端均匀注入,与原料均匀混合搅拌;碱液和黑液的来液管道均安装了流量计和累积器。

 

3  新鲜蔗渣直接蒸煮质量结果

    长期以来,人们已经形成了对甘蔗渣制浆的认识:干法备料制浆或者湿法备料制浆,但是对于新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的质量情况等相关知识,很少报道。

    本次新鲜蔗渣直接蒸煮和湿法备料制浆的质量结果对比如表1。从表1蒸煮质量对比来看,新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的检验项目:残碱和粗渣率与湿法备料制浆都在合格要求范围内,没有什么区别。但是新鲜蔗渣由于在蒸煮过程中加入了黑液,对于蒸煮后的成浆K值就有区别,约有50%的K值在合格范围内,约有50%的K值大于14,意味着有一半K值不在要求的质量范围,主要原因是蔗渣蒸煮时除了蒸煮液的加入,还额外增加了黑液的使用,致使成浆中的各种物质成分浓度升高,相应引起蒸煮浆K值升高。但从生产实践中来看,对后序的漂白影响不大。其次,新鲜蔗渣蒸煮中,残碱浓度普遍比湿法备料制浆高,主要原因是加入黑液参与蒸煮,能够充分利用黑液中的残碱和70℃的温度,在预浸阶段,提前让蔗渣进入部分脱木素的预反应阶段,大大减少后期脱木素反应的碱消耗,提高了残碱浓度。残碱浓度的提高,则有利于碱回收的碱炉燃烧效果。

    自从上世纪90年代蔗渣采用湿法堆垛制浆以来,人们普遍认为新鲜蒸煮一般都要堆垛发酵一段时间,待蔗渣里面的残余糖类等有机物质发酵分解后,再送去蒸煮制浆,成浆的质量才有保障。即使是90年代之前的干法备料制浆,新鲜蔗渣一般也是堆垛风干储存若干个月,使蔗渣水分降到20%~30%后才使用,也是认为让蔗渣的残余糖类等有机物质分解挥发,以免影响蒸煮时的浆质量。但是我们经过生产性实验,采用添加黑液蒸煮新鲜蔗渣,蒸煮出来的浆质量与湿法备料制浆的结果没有多大差别。采用新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的浆强度如何呢?我们采用该方法生产出来的蔗渣漂白浆,与25%~30%的桉木浆配比,经过纸机抄造出生活用纸,纸的各项检测指标如表2。                              

    从表2可以看出,采用该法制成的蔗渣浆搭配25%~30%的桉木浆,经过纸机抄造出的纸产品,各项物理指标都优于国家标准规定的指标要求。说明新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法是可行的。

 

4  新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的特点

4.1流程改造

    原来湿法备料制浆流程里是没有补充黑液的,改造后,从洗浆第一段分出一部分黑液,通过流量计和累积器等计量方式定量加入在蒸煮段预浸器。

4.2蒸煮工艺调整

    改造前工艺参数:蔗渣水分70%~76%,装锅量5.1t(绝干),液比4.2,用碱17.6%,蒸煮时间3h。

    改造后工艺参数:蔗渣水分48%~53%,装锅量5.6t(绝干),液比3.5,用碱16.1%,蒸煮时间2.5h。

    改造前升温曲线见表3。改造后升温曲线见表4。

4.3装锅量明显增加

    本次新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的蒸煮器为40m3蒸球。

    在湿法备料制浆的情况下,由于使用的蒸煮液为碱回收工段回收的液碱,浓度为110~125g/l范围,蒸煮用碱量为每球900kg烧碱(100%NaOH),每球添加的液碱量约为7~8m3。尽管所使用的蔗渣水分达到70%~76%,但蔗渣原料还是呈松散状态,因此所加的液碱量对装锅量影响很大。液碱的添加,在装锅器的搅拌下,能够增加蔗渣的压实,增加球内单位体积的蔗渣量。使用新鲜蔗渣直接制浆的方法后,所添加的蒸煮液:液碱体积没有变化,但是为了使半干的新鲜蔗渣液比达到3.5,需要设定额外添加黑液与蒸煮液合计体积为12.5m3。由外界加入原料中的总液体量比湿法备料制浆增加了4.5~5.5m3的情况下,通过在预浸器里补充到蔗渣原料里面,装锅的蔗渣更加压紧和结实,因此装锅量获得明显增加。

    湿法备料制浆的装锅量与新鲜蔗渣直接制浆的装锅量对比如表5。从表5可看出,使用新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方法后,蒸球装锅量明显增加,提高了12.48%。提高了装锅量,意味着每球产浆量的提高,对于降低蒸汽和用碱量等物耗具有明显优势。

4.4蒸煮液比得到明显降低

    在使用湿法备料制浆时,由于储存的蔗渣长期处于压紧和淋水潮湿状态。在用来装料蒸煮的时候,蔗渣水分一般达到70%~76%范围内,因此在添加蒸煮液(碱回收碱液,浓度110~125g/l)后,蒸煮液比高的达到4.5,低的达到3.9。遇到雨天,水分有时甚至达到77%~78%,蒸煮液比可以达到4.9,非常高。

    液比高,对于蒸煮来说,各有利弊。有利的一面是蔗渣液能够比较均匀地与物料接触,达到蒸煮与物料充分混合,利于后序反应;但是也有不利的一面,蒸汽消耗大,蒸煮时间长。

    一般来说,根据长期以来制浆蒸煮总结出来的液比经验值,木浆类的蒸煮液比在2.7~3.2范围,草浆类的蒸煮在3.2~3.8范围,才比较合适,处于比较经济和效率高的状况。

    湿法备料制浆生产中,由于原料自身的水分含量已经很高,再加入蒸煮液后,液比一般都在4.2左右,因此加入的蒸煮液体积也有限。加多了,液比更高,蒸汽消耗加大,蒸煮时间延长;加少了,蒸煮液与原料混合又不均匀,粗渣增多,得浆率低。另外湿法备料制浆中,原料水分相对高,因此蒸煮蒸汽消耗达到吨浆消耗2.5t蒸汽左右。

    而采用新鲜蔗渣直接蒸煮制浆,蔗渣水分平均50%,可以很好地控制蒸煮液比处于比较经济的范围内。例如,我们要求装锅时,通过流量计与累积器,设定添加的黑液与蒸煮液合计为12.5m3。在蒸煮液浓度为108g/l时,按用碱量为900kg(100%NaOH),所加入的两种液体体积分别为8.3m3碱液和4.2m3黑液。如蒸煮液浓度为125g/l时,所加入的两种液体体积分别为7.2m3碱液和8.3m3黑液。这样蒸煮时我们就固定好了外界加入蒸球的液体体积这一因素,然后在装锅量尽可能多地控制要求下,蒸煮液比能够处于3.5左右。比湿法备料制浆液比低0.4~1.0,蒸煮液比明显降低。这样的结果是蒸汽吨浆消耗降到2.0t以下,节省蒸汽消耗幅度达到25%;另一个结果是液比降低了,整体蒸煮的水量减少了,蒸煮时间可以从3h减少到2.5h。

4.5减少制浆黑液量

    采用新鲜蔗渣直接蒸煮制浆,借助于添加黑液,实现合理的蒸煮液比。蒸煮成浆后,添加的黑液又在一段洗浆洗涤排出,形成的黑液又部分回用于蒸煮,形成一个内部循环。整体上,进入蒸煮系统的水量比湿法备料制浆少了很多,因此生产出同样的浆量,形成的黑液量相对来少,解决了浆产量越大,黑液越多的问题。这种借助于黑液实现蒸煮液化,但制浆黑液量反而减少的蒸煮制浆方法,有别于湿法备料制浆与干法备料制浆,是该制浆方法的最大特点。

我们来对比一下新鲜蔗渣直接蒸煮制浆和湿法备料制浆的两种制浆方法相关理论参数(按细浆得率50%计),如图2。

    从上面两种制浆流程理论参数对比来看,要生产同样的250t漂白绝干浆量,在其他条件相同情况下,使用湿重1000t新鲜蔗渣(水分含量50%),湿法备料制浆(以较低的下限水分70.5%)就要用到1700t湿重原料,意味着湿法备料制浆法比新鲜蔗渣直接蒸煮制浆法将多生产出700m3的黑液量。

而生产实践情况如何呢?我们对生产进行了数据查定(表6)。从表6实际生产数据查定得知,若同样日平均生产250t漂白绝干浆,新鲜蔗渣法产稀黑液量2615m3,而湿法备料产稀黑液量3315m3,比新鲜蔗渣法制浆多了700m3稀黑液量,实际生产数据与上述两种制浆法流程理论参数对比得出来的结论是吻合的。由于湿法备料制浆的原料水分是在一定范围内波动的,如果原料水分变到75%左右,则湿法备料制浆将产生比700m3更多的稀黑液。基于上述分析,得出以下结论:每使用100t新鲜蔗渣(50%水分)制浆,相比湿法备料制浆,制浆过程中能够减少70m3左右的黑液量。

4.6经济效益高

    广西粤桂从2017年12月至2018年4月份,在这四个月采用新鲜蔗渣直接蒸煮制浆法生产,使用新鲜蔗渣量累计折算绝干量为35566t,生产出了18326t蔗渣绝干浆,成品细浆得浆率约52%,超出正常得浆率50%,意味着多生产出了543t漂白浆,按当时售价5000元/t,仅细浆得率该项增加产量,多创造经济效益272万元。

    此外碱回收按平均日产绝干浆250t计算,每天可少处理700m3的稀黑液量,按一般板式蒸发站热效率≥3.8(H2O)kg/(蒸汽)kg,每天可减少使用0.5MPa的蒸汽184t,按2018年蒸汽成本价(不含税)158元/t计算,可节约2.9万元/天,一个榨季4个月(春节节假日外)约110天,则可节约蒸汽费用319万元。

    采用湿法备料制浆,其中一个最明显的特点为:备料时产生高浓蔗渣喷淋废水,榨季高峰时段COD达到7000~8000mg/l,酸性大、易腐蚀设备和场地。为了处理这些废水,2006年广西粤桂曾投资了2600万元,在行业中,首次建立了专门处理蔗渣喷淋废水的IC厌氧处理系统。此后,该系统陆续在行业推广普及,成为以蔗渣为制浆原料的新厂或旧厂的环保治理基本配套设施。尽管解决了喷淋废水污染,但是IC厌氧处理系统日常运行费用,达到污水处理成本1.5元/m3。而新鲜蔗渣直接蒸煮制浆,无需喷淋水环节,无该使用的新鲜蔗渣喷淋水污水处理费用。以往的湿法备料制浆,蔗渣堆垛和储存期间,按比较节水的12h/d喷淋方式,最终吨浆耗清水10t左右计算,即吨浆产10t喷淋废水,则平均每天产绝干浆250t计算,新鲜蔗渣直接蒸煮制浆,可节约污水处理费用3750元/天。一个榨季4个月(春节假日除外)约110天,可节约污水处理费用41万元。

 

5  结论和建议

    5.1新鲜蔗渣直接蒸煮制浆的方式在生产实践中证明是可行的。是有别于以往的干法备料制浆和湿法备料制浆的方式。浆质量与以往的湿法备料制浆无明显区别。

    5.2新鲜蔗渣借助于黑液,实现蒸煮的合理液比,能够减少进入蒸煮系统的水量,每使用100t(50%水分)原料,相比湿法备料制浆,可减少约70m3的稀黑液量,减轻碱回收的蒸发负担,节省大量的蒸汽消耗。

    5.3新鲜蔗渣直接蒸煮制浆,由于备料方式的改变,无需淋水,无需发酵,因而可解决以往原料短缺,榨季到来之后原料又不能立即使用的技术难题,同时可减少所使用的新鲜蔗渣的喷淋污水处理费用。

    5.4新鲜蔗渣添加黑液的蒸煮方式,同样可适用于横管式连续蒸煮,只需在加蒸煮液的地方进行稍微改造即可。

    5.5由于以蔗渣为制浆原料的浆厂,甘蔗渣的贮备主要集中在每年榨季中的3~4个月,因此采用新鲜蔗渣直接蒸煮时,每天进场的蔗渣量远大于使用的量,建议以平衡使用的新鲜蔗渣量作为一个堆放场,按储存5~7天就循环使用的方式。而额外多出的蔗渣进场量,则还是按湿法备料的方式作为另外一个堆放场,进行堆垛喷淋和维护。否则无淋水,超过15天后,蔗渣内部温度迅速上升,可高达60~70℃左右,造成蔗渣原料的损失。

 

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