制浆造纸技术之蒸煮、氧脱木素、漂白

目录1.2蒸煮1.3氧脱木素1.4漂白1.2蒸煮蒸煮过程分为不同的阶段，包括木材原料的装锅，送液，升温至蒸煮温度，最终蒸煮和余热回收后浆料的排出。蒸煮这一章节会对现代化蒸煮器的几个蒸煮阶段做详细介绍。下面举一个硫酸盐法蒸煮系统药液平衡的例子，来说明传统间歇式蒸煮器和现代化的改良间歇蒸煮器间的差异，单位是立方米每吨绝干木材，如表1所示。表1传统和改良的间歇式硫酸盐法蒸煮药液成分的比较（m3/t绝干木材）表2表示了传统的液压连续蒸煮器和改良的气液双管蒸煮系统的药液成分差异。表2传统和改良的连续式硫酸盐法蒸煮药液成分的比较（参看表1）（m3/t绝干木材这些实例提到了一种典型的北欧针叶材云杉或松木的木片混合物，这些木片的密度为400kgODwood/m3湿木，相应在切片前木材的密度为410kg/m3。密度降低的原因是在切片过程中木材有裂缝产生。假设表中所示的蒸汽只是进入木片的部分，而不包括后面主要用于去除空气所需要的那部分蒸汽，那么木片的浸渍就显得尤为重要。然而，冬季的冻木需要输入更多的蒸汽以解冻木材中的水分，这就必然会增加蒸汽的凝结量。对应于190kgODwood/m3容器体积填充密度的木材填充度是47.5%，然而这在现代蒸煮器中还不算是特别高的填充度。假设在传统蒸煮中的白液的用碱量是每吨绝干木材220kgEA(有效碱)，那么改良的蒸煮则是每吨绝干木材215kgEA（有效碱)。改良的硫酸盐法蒸煮通过黑液预浸渍使得其用碱量降低，这是因为黑液中仍含有一定量的碱可以在新的蒸煮中继续利用。改良的蒸煮在完全充满着木片和蒸煮液的蒸煮器中进行，而传统蒸煮一般要使液比尽可能低，但又要满足升温周期蒸煮液循环的需要。黑液预浸渍在这可以分为两个阶段，首先是温黑液，然后是热黑液，这是为了更好的热回收，而上面显示的只是预浸渍的最终结果[20]。在木片仓进行汽蒸时，将来自高压给料器的额外蒸汽加入到低压系统，目的是在蒸煮器中保持足够高的压力以平衡药液温度。这种蒸汽的添加自然增加了蒸汽的消耗量。在双管蒸煮系统中，每吨木材通常消耗1.1立方米用于高温洗涤的洗涤液，洗涤液在预浸渍段加入，然后变为黑夜的一部分，被送回化学药品回收系统。1.3氧脱木素氧脱木素是使用氧气和碱除去蒸煮后剩余的大部分木质素。这种脱木素方法会产生较高的白度，所以达到过半或全部白度所需的后续漂白将会更容易一些。在漂白阶段之前进行氧脱木素处理与只有漂白阶段传统工序相比，主要的好处是在氧化阶段溶解的物质可以在通过未漂浆洗涤循环时进行化学品回收，这意味着氧脱木素减少了对水循环系统环境的影响。高浓（25-30%）或中浓（10-13％）纸浆氧脱木素过程中，在单个或多个阶段中通过升高温度（85〜110℃）和压力（4-8bar)，添加或者不添加化学药品来增加白度和保留粘度。它可以被应用到任何类型的纸浆。这个过程是非常灵活的，并因为作为蒸煮和最终漂白之间的过渡段而被看好。氧脱木素应用的方法和反应的程度，涉及到制浆生产线全面的优化，同时还要考虑总成本、纸浆的质量和对环境的影响。最常见的工业应用是中浓纸浆单段氧化脱木素，脱木素率（用卡伯值表示）通常在30％一50％的范围内。氧脱木素的新应用反应通常涉及两个反应阶段，并在保留了纸浆的质量的情况下，将最大脱木素率延伸到65％一70％。出于对经济和环境的考虑，最大限度地利用氧脱木素阶段，是一个明显的趋势。在氧化阶段溶解的有机物质和残留在纸浆的脱木素化学品会在下面的洗涤阶段被除去，然后被一起输送到化学品回收系统。与不使用氧脱木素这种情况相比，假设蒸煮后的卡伯值不变，氯化有机物的排放量在减少，可以通过以下特征表明，例如AOX（可吸附的有机卤素）、BOD（生化需氧量）、COD（化学需氧量）和漂白设备中的流出物的颜色，其颜色大致正比于在氧脱木素阶段取得的脱木素的程度。氧脱木素的主要优点是减少了纸浆厂对环境的影响，但其他优点也很重要。例如，氧脱木素阶段一个显着好处是让漂白化学品成本减少。现在氧脱木素生产的经济回收期明显比以前短。蒸煮中纸浆得率和卡伯值，氧脱木素和最终漂白之间的相关性，如图3和图4中示出。为获得最优性能，蒸煮后卡伯值的增减，氧脱木素的强度和漂白反应的强度以相同的方式变化，都是很重要的。1.4漂白在蒸煮和氧脱木素阶段，对碳水化合物的溶解和/或碳水化合物的降解进行比较，脱木素反应到某一个特定点便是一个合理的选择。根据反应过程的情况，这些合理的点的选择范围有所不同，并且由于蒸煮和氧脱木素的种种原因，每个阶段的选择性部分的范围应受到一定的限制。类似的发展也能够在大多数漂白阶段中被观察到，这实际上是由于多级漂白发展的原因。这意味着，一个漂白阶段不应该过多的超过其中木质素的溶解或增白开始停滞的点，并且在后续阶段，纸浆最好在这个点通过不同的化学药品与木素发生反应来被更多的处理。在特殊情况下后续的漂白过程也会含有反应的木质素，例如抽提阶段是在第一个二氧化氯漂白阶段后和第二个二氧化氯漂白阶段前，在碱抽提之后，纸浆能够在与第一阶段相同或类似的新阶段被进行进一步的处理。图7给出了漂白阶段基本发展原则的典型例子1.初期，非常有选择性的阶段2.过渡阶段3.停滞漂白的最后阶段。图7大部分漂白阶段可以分为三个不同的阶段，如下图过氧化氢漂白段所示。针叶木硫酸盐浆过氧化氢漂白包括以下几个阶段：第1阶段——初始阶段，反应快速并具有选择性，应被允许主导漂白阶段。第2阶段——过渡阶段，这一阶段在要求该阶段和总的漂白工序达到高的漂白性能时，应起到限定反应程度的作用。第3阶段——漂白反应停滞的最后阶段，这一阶段应通过限制化学品的使用来避免随后恶化的选择性。在这里选择性被定义为所需的木质素反应和不需要的碳水化合物降解反应之间的动力学平衡。（HUA=己烯糖醛酸）。具有较高的化学品消耗量的过氧化物漂白阶段可以从图中找出，这是因为最初的反应速度足够慢，可以控制反应从开始就在合理的细节条件下进行。原则上大多数其他漂白阶段采取了类似的过程。然而，有时漂白反应的时间非常短，使得难以控制初始阶段，例如在氯化或二氧化氯预漂白的情况下。传统漂白工序反应的其它实例是如在CEHDED和CEHEDED漂白中，氯化后或二氧化氯处理后碱抽提的影响。碱抽提溶解氯化/氧化木质素和下一个漂白阶段之前剩余的反应的木质素。氯气和二氧化氯在与木素最初的反应中是作为氧化剂，而次氯酸盐在最初的反应中是作为还原剂，这种差异会导致漂白化学品与木素不同的键进行反应，从而在很大程度上相互补充。6段工序中省去了H段和第一个D段之间特殊反应的需要，但在7段工序中的第二个碱抽提仍然有所减少在最后DED漂白段的二氧化氯消耗量。氧脱木素阶段之后，CEDED或者DEDED漂白阶段有着类似的反应。所不同的是无论初始木质素含量还是最终的木质素含量，漂白移动的范围都是向较低的木质素含量选择性移动。随着木质素含量的逐渐降低，漂白工序随之也有可能被缩短。特别是卡伯值在10左右的针叶木硫酸盐浆。虽然氧气基本上是一种氧化剂，但在碱性提取阶段添加氧、过氧化物或两者都添加破坏了氧化氯和二氧化氯阶段的反应模式。碱性氧化处理的化学反应是非常复杂的，既有氧化反应和也有还原反应，其中提供了与木质素新的反应途径，如第4章中讨论。木质素的活化可以通过二氧化氯漂（DN）结束后和漂白结束时二氧化氯漂白前之间的一个短的中性阶段（N）来实现。漂白化学品被消耗后，过高的温度也有可能导致在同种的下阶段操作之前纸浆发生反应，例如两个连续的过氧化物漂段的情况。臭氧漂阶段的反应通常十分剧烈，因此，臭氧漂段所需的臭氧量是非常低的。即使纸浆被适当的活化，漂白率也会在漂段变得越来越低，为了使漂白化学品的选择性更好，在这之后需要更高的温度和更长的时间。