浅述我国制浆科学技术学科现状与发展

詹怀宇 付时雨 李海龙

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

浅述我国制浆科学技术学科现状与发展

詹怀宇 付时雨 李海龙

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广东广州,510640)

本文概述了我国制浆科学技术学科的现状与发展以及制浆科学技术在生产发展中的作用,并就制浆科学技术学科的发展提出几点建议。

制浆科学技术;现状;发展

制浆是利用化学或机械、或两者结合的方法,使植物纤维原料离解,变成本色纸浆或漂白纸浆的生产过程。制浆的主要作用是为造纸和其他纤维加工业提供优质的纸浆。制浆技术与资源消耗、产品品质、环境影响和企业效益密切相关。制浆科学技术学科涉及化学、化工、材料、生物、环保、机械、控制等多学科的知识,其基本任务是研究不同纤维原料的特性、各种制浆方法的技术与原理以及制浆过程废弃资源的回收利用技术与原理,为科学合理地利用植物纤维资源和开发新工艺、新技术、新产品提供科学与技术依据。

1 制浆科学技术学科发展现状

近年来,制浆科学技术的进步和发展迅速,在节约资源、保护环境、提高质量、增加效益等方面均取得长足的进步,正朝着高效率、高质量、高效益、低消耗、低排放的现代化大工业方向持续发展。

1.1 木材原料化学法制浆科学技术

化学法制浆的主要目的是利用化学方法尽可能脱除纤维原料中的木素,同时尽可能保护碳水化合物,使其少受损伤,以提高纸浆的得率和强度。我国木材原料化学法制浆,几乎都采用硫酸盐法蒸煮。近年来,国内根据使用的各种木材原料,深入地开展深度脱木素的改良硫酸盐法蒸煮技术与理论的研究。大多木浆厂 (尤其是新建和扩建的木浆厂)将深度脱木素、提高蒸煮脱木素选择性的四个基本原则应用于木浆生产中,即：①蒸煮过程中的碱液浓度尽量保持均匀;②蒸煮初期蒸煮液中的 HS-浓度应尽可能高;③蒸煮过程 (尤其蒸煮后期)蒸煮液中溶出物的浓度应尽可能低;④采用尽可能低的蒸煮最高温度。具体运用的工艺技术包括 20世纪 90年代的 RDH(快速置换加热,或低能耗间歇蒸煮)、EMCC(深度脱木素改良连续蒸煮)、ITC(等温蒸煮),取得较好的节能降耗、提高得率和纸浆质量的效果。近年,则采用更加高效、节能的 DDS(置换蒸煮系统)、Lo-Solids(低固形物蒸煮)和 Compact Cooking(紧凑蒸煮)新技术。

DDS(Displacement Digester System)是在 RDH技术的基础上研发出的一种新型制浆技术。DDS蒸煮时,蒸煮液的连续置换有利于蒸煮液的浸透作用,保证蒸煮的均匀性,并提高最初蒸煮的温度而减少总的蒸煮时间,较高的液比也有利于药液的均匀浸透;先进的控制技术很好地解决了偏流、放锅过程堵塞和槽区液位预测等问题;更有效地利用温、热黑液的热能及其浸透与置换作用,显著地降低了能耗,提高了纸浆得率,得到低卡伯值、高强度的纸浆。广东鼎丰纸业、广西贺达纸业采用 DDS技术对原间歇蒸煮系统进行改造;湖南泰格林纸湘江纸业、山东博汇纸业新建的DDS蒸煮系统,均已投入运行,取得很好的经济效益和环境效益[1]。

低固形物蒸煮 (Lo-Solids)是在 EMCC技术的基础上研发出的一种现代连续蒸煮技术,其主要特点是最大限度地降低各蒸煮区内蒸煮液中固形物的浓度,而蒸煮白液分多处加入,使蒸煮过程有效碱浓度分布更加均匀,脱木素选择性进一步提高。与 EMCC相比,蒸煮过程中白液浓度、蒸煮温度更加均匀,得到的纸浆筛渣率很低、得率高、黏度和强度高。云南云景林纸 10万 t/a漂白硫酸盐木浆生产线、湖南泰格林纸怀化骏泰浆纸 40万 t/a化学木浆生产线均采用Lo-Solids蒸煮新技术,实现了高效、节能、清洁生产[2][3]。

紧凑蒸煮 (Compact Cooking)是一种新的连续蒸煮技术。紧凑蒸煮系统主要包括紧凑型喂料系统、预浸器和蒸煮器等。主要特点是：采用黑液预浸渍,优化蒸煮过程药液浓度并采用低温蒸煮。蒸煮桉木时的最高温度为 140～150℃,蒸煮段碱浓分布更均匀,降解条件更温和,更好地保护了碳水化合物,提高了纸浆的得率和黏度,同时提高了纸浆的可漂性。海南金海浆纸公司 100万 t/a漂白阔叶木浆生产线,采用G1型紧凑蒸煮,桉木浆得率达到 50%,吨浆蒸煮汽耗降到 500 kg以下。在第一代紧凑蒸煮基础上进行改进而开发的第二代紧凑蒸煮 (Compact Cooking G2)工艺中,预浸温度更低,约 100℃,而预浸时间更长;蒸煮温度更低,针叶木可降至 150℃,阔叶木可降到 140℃;较低的预浸和蒸煮温度可最大限度地减少半纤维素的溶出,提高浆料得率。山东日照亚太森博浆纸公司 100万 t/a阔叶木浆生产线采用了 G2型紧凑蒸煮[4],并已投入运行。

硫酸盐木浆的洗涤和黑液的提取技术也有长足的进步。普通的真空洗浆机、压力洗浆机和水平带式真空洗浆机已逐渐淘汰,代之以新型的平面阀波纹面真空洗浆机、鼓式置换洗浆机 (Drum Displacement Washer—DD Washer)和双辊置换挤浆机 (或称紧凑洗涤压榨,Compact Press)等高效节能的洗涤和提取设备。国产真空洗浆机的设备性能和规格能力也有很大改进和提高,目前最大的真空洗浆机转鼓面积已达120 m2,可配套 20万 t/a硫酸盐木浆项目。近年建设的大型连续蒸煮硫酸盐木浆厂都采用蒸煮锅内洗涤,再配DD洗浆机或双辊置换挤浆机进行置换逆流洗涤,洗涤效果好,黑液的提取率高。例如,海南金海浆纸采用 2～3段双辊置换挤浆机逆流洗涤阔叶木硫酸盐浆,湖南怀化骏泰浆纸采用 DD洗浆机洗涤纸浆和提取黑液,对阔叶木浆采用 2段逆流洗涤,针叶木浆则用 3段逆流洗涤,稀释因子一般为 2.5,黑液提取率可达 99%,提取的黑液浓度达 15%以上,洗涤损失小于 8 kg COD/t浆[5]。

化学木浆的筛选由开放式向封闭式,由低浓到相对高浓的方向发展。早期的 A型筛和 B型离心筛筛选浓度不到 1%,目前最新型的压力筛浓度可提高到4%,既大大节约了用水和减少了排放的废水,又大大地减少了筛选过程输送的浆料量,泵送浆料的电能可节省 50%以上。缝筛的出现以及缝筛与孔筛的结合使用,提高了筛选效率。各种波形筛板或缝棒式筛鼓的出现,宽作用面旋翼、多叶式旋翼或鼓泡旋翼等新型转子的采用,显著地提高了筛选浓度、生产能力和纸浆质量。缝筛的精密程度越来越高,最细的筛缝可以做到 0.15 mm。漂白浆的后精选已经可以用缝筛代替锥形除渣器。由于缝筛的进浆浓度比锥形除渣器高,进浆压力又比锥形除渣器低,泵送浆料的能耗显著降低。国内近年新建的硫酸盐木浆厂都采用封闭筛选技术。海南金海浆纸采用压力除节机和两段压力筛,封闭筛选阔叶木硫酸盐浆。湖南怀化骏泰浆纸采用除节精选联合筛 (上部为除节孔筛,下部为精选缝筛)以及两段压力缝筛筛选未漂针叶木浆或阔叶木浆,都达到了高效、清洁、节能、高质之效果。

1.2 非木材原料化学制浆科学技术

我国具有丰富的非木材纤维资源。竹子、麦(稻)草、芦苇、蔗渣是我国用于造纸的主要非木材纤维原料。我国是世界上用非木材纤维制浆造纸历史悠久的国家,也是目前世界上非木浆产量最大的国家。

非木材纤维 (尤其是草类纤维)的纤维形态、化学组成和木素结构与木材纤维有明显的差异。因此,其制浆原理与技术与木材原料有显著的不同。传统的非木材制浆沿用木材原料的制浆技术,纸浆得率低、质量差、对环境的污染严重。20世纪 90年代以来,根据国家环境保护的相关政策,一批规模小、技术装备落后、污染严重的小型非木浆厂被关闭,尚存或新建的非木浆厂通过现代化、规模化的升级改造或建设,使我国非木材纤维制浆技术装备和清洁生产水平大大提高,而非木材 (尤其是草类原料)制浆理论的深入研究促进了非木材纤维制浆的技术进步,逐渐向低污染、高效率、规模化、清洁化的方向发展。

竹子主要分布在南方的福建、四川、广西、广东、贵州、云南、浙江等省,具有明显的地带性和区域性。竹子属于中长纤维原料,且长宽比大,纤维素含量高,灰分含量较低,是一种优良的造纸纤维原料。近年来,传统的采用蒸球和普通立式蒸煮锅的间歇蒸煮技术已逐步被新型节能、高效的蒸煮技术所取代。继广东鼎丰纸业将 RDH蒸煮系统升级改造为DDS置换蒸煮系统,用于竹子蒸煮,取得良好的节能降耗效果之后,世界第一条全竹子 DDS置换蒸煮生产线已在四川永丰纸业成功运行。针对竹子结构紧密,竹片干燥后导管中封存有空气,蒸煮液不易渗透的问题,对蒸煮各阶段的用碱量、温度和时间进行调整和优化,使竹材的蒸煮得率达到 52%～53%,提高了约 2%～3%,而且碱耗降低,纸浆的强度和白度提高。重庆理文纸业、广东韶能珠玑纸业、江西赣州华劲纸业等竹浆企业也已采用或正在建设 DDS蒸煮系统[2]。我国最大的竹浆厂——贵州赤天化纸业20万 t/a漂白竹浆生产线采用目前世界上最先进的G2型紧凑连续蒸煮,吨浆耗汽 0.5～0.55 t,煮后卡伯值 16左右,得率≥50%,达到了低能耗、低卡伯值、高得率之目的[6]。近年来,循环用水逆流洗涤及压力封闭筛选技术已在我国竹浆厂广泛使用。洗涤和筛选组合在一起,选用新型压力筛进行封闭热筛选。如贵州赤天化纸业,将洗涤、筛选、氧脱木素和漂白整条生产线统一起来设计和组织生产,清水(热水)从 TCF漂白的 PO/OP段进入,逆流进入氧脱木素段,再逆流至纸浆置换洗涤,黑液提取率＞99%[6]。

禾草类原料 (主要为麦草)是目前我国最主要的非木材纤维原料。近年来,国内广泛而较深入地开展草类制浆的理论和技术研究。李忠正的研究结果表明,禾草类原料的鞘、叶、穗中含有大量薄壁细胞和细小纤维,这些组分在制浆过程中消耗的碱量多,但脱木素速率低,成浆较困难,且纸浆得率只有茎秆的2/3左右。薄壁细胞和细小纤维对草浆滤水性有显著的影响。草浆滤水性差是草类制浆造纸的致命弱点,它不但造成草浆黑液提取率低,浆料洗涤困难,废水污染负荷高,而且造成纸机车速低,纸浆脱水慢,纸幅断头多等一系列抄造困难。因此,应该在原料进入制浆前尽可能将有害无益的组分除去。强化禾草类秸秆的备料过程,除去灰分、草叶、鞘、穗,是获得浆料滤水性能好、黑液黏度低的关键[7]。目前国内较多采用的草类备料流程和装置为：原草——刀辊切草机——辊式除尘器——双锥除尘筛——输送皮带——湿法备料——连蒸 /蒸球或立锅。山东泉林纸业为达到麦草清洁制浆的目的,研制出麦草清洁备料流程。麦草经过粉碎机粉碎分丝,再经过旋风除尘器风选除去轻尘,经过圆筒筛除去重质的细小沙石、碎秸和细碎的草叶,得到洁净合格的草片,除尘、除杂率达到23%～28%;配合其高硬度置换蒸煮系统,黑液黏度下降 50%,黑液提取率达到 90%～92%[8]。李忠正总结了多年研究草类纤维制浆造纸所得到的规律,提出草类纤维制浆的最佳工艺应该是在蒸煮过程中除去85%左右的木素,然后氧脱木素制浆[7]。针对草类原料碱法常规蒸煮存在的能耗高,用汽不均,成浆不匀,纸浆质量不好,得率偏低,滤水性差,黑液黏度高等问题,根据草类纤维制浆理论,国内草浆厂采用多种技术措施：提高蒸煮液比,采用冷喷放技术;采用低温快速均匀蒸煮工艺和干湿法备料 +横管连续蒸煮技术;采用两级蒸煮,如山东泉林纸业参考木浆RDH蒸煮技术的基础上开发的大液比蒸煮锅麦草高硬度置换蒸煮技术,采用锅内高温洗涤和冷喷放技术,提高了纸浆质量,降低了黑液黏度,实现了黑液的循环使用和高黑液提取率[8]。草浆的洗涤和筛选也已逐步由普通真空洗涤机组洗涤和低浓常压开式筛选向置换逆流洗涤和压力封闭筛选转变。目前国内行之有效并已得到推广应用的麦草浆黑液提取与筛选系统是：挤压——置换洗涤——封闭筛选组合,即采用双辊、螺旋或转鼓挤浆机 +新一代平面阀波纹板真空洗浆机 (4+1或 3+1)逆流洗涤流程 +封闭筛选系统。例如,河南新乡新亚纸业,采用转鼓高浓挤浆机与 (3+1)或 (4+1)真空洗浆机组的组合,麦草浆黑液提取率分别达到 90.8%和 94.6%[9]。

蔗渣是甘蔗糖厂的副产物,其量较大且较集中。蔗渣中除含有纤维细胞外,还有 30%左右的由松软、粗而短的薄壁细胞组成的蔗髓及 5%左右的非纤维表皮细胞,所以蔗渣备料的关键是除髓。除髓的方法有半湿法、干法和湿法除髓。目前国内几乎所有蔗渣浆厂都采用湿法储存蔗渣,使用前进行湿法除髓。广西贵糖集团开发一种蔗渣洗涤设备,该设备由洗涤机、耙齿输送机、压榨机三部分组成,洗涤和除髓效果好。目前,广西已有多家蔗渣浆厂采用这种设备,有效地降低了制浆和碱回收成本,保证了成浆质量。蔗渣制浆除少数采用亚硫酸盐法外,都采用烧碱法或烧碱-蒽醌法蒸煮。通过蔗渣蒸煮脱木素原理及技术研究,提出了低温快速的碱法制浆工艺。制浆性能好,碱耗和能耗均较低。蒸煮设备以前多用蒸球,近年新建蔗渣浆厂多采用横管连续蒸煮器,以提高效率,均衡用汽,降低能耗,改进质量。广西东亚纸业、冠桂纸业、永凯糖纸等采用国产横管连续蒸煮器,蒸煮时间短,单位能耗低,纸浆质量好。蔗渣浆的洗涤筛选正朝着逆流置换洗涤和封闭筛选的方向发展。广西贵糖集团新建的 10万 t/a蔗渣浆生产线采用先进的外流式中浓压力筛,取代原有的低浓压力筛和 CX筛,吨浆水耗、电耗大幅下降,细浆质量也显著提高[10]。

芦苇主要产区有湖南、湖北、辽宁、新疆、内蒙古等省区,重点产区是湖南洞庭湖、辽宁盘锦地区和新疆博斯腾湖等地。如同麦草、蔗渣等非木材纤维制浆,芦苇制浆经历了技术变革和演进。早期建设的苇浆厂采用亚硫酸盐法制浆,后建的苇浆厂则采用烧碱法或硫酸盐法制浆,蒸煮设备多为蒸煮锅,部分苇浆厂采用横管连续蒸煮器。蒸煮技术不断改进,多采用低温快速的蒸煮工艺,减少了碳水化合物的损伤,降低了能耗,提高了纸浆的得率和质量。挤压-扩散置换洗涤-封闭热筛选等的集成工艺技术已在大型苇浆厂中应用[11],黑液提取率达到 90%,提取的黑液温度和浓度分别达到 80℃和 10°Bé。泰格林纸沅江纸业、镇江金河纸业、新疆博湖苇业等均已采用逆流洗涤和压力缝筛进行封闭筛选。

1.3 化学机械法制浆科学技术

高得率制浆是指得率高的制浆方法。发展高得率制浆,可完全合理地利用纤维原料,纸浆能满足某些产品 (如新闻纸、多层纸板、生活用纸等)的性能要求,可降低生产成本,减少制浆废液的污染,对造纸工业的持续发展有重要的意义。随着对产品质量要求的提高以及环境保护、节能减排要求的日益严格,高得率制浆正朝着高强度、高白度、低能耗、低污染的方向发展。

化学机械法制浆是采用化学预处理和机械磨解相结合的制浆方法。近年发展较快、应用较广的化学机械浆主要有 CT MP(化学热磨机械浆)、BCT MP(漂白化学热磨机械浆)、APMP(碱性过氧化氢机械浆)和 PRC APMP(温和的化学预处理加盘磨化学处理的碱性过氧化氢机械浆)。自 1987年至今,我国先后建成了 28条化学机械浆生产线,其中 CT MP和 BCT MP生产线 9条,APMP生产线 5条,PRC APMP生产线13条,另有 1条 SCMP(磺化化学机械浆)生产线,单条生产线生产能力为 50～900 t/d(风干)。这些生产线的工艺和设备的适用范围很广,其主体设备——盘磨机中,有世界上最大最先进的压力平面单盘磨和压力锥体单盘磨,还有最大最先进的压力双盘磨。生产的工艺方法和技术条件多种多样,适用的树种范围很广,其中针叶木类有北方的云杉、冷杉,南方的马尾松、湿地松、云南松;阔叶木类有北方的杨木、桦木、枫木、榉木,南方的意大利杨、桉木和混合阔叶木,还可用竹子[5]。工艺和原料的多样性带来了产品的多样性和产品性能的多样性,既可用于配抄新闻纸、超级压光纸、轻涂纸、轻型纸以及白纸板、白卡纸、液体饮料包装纸板,还可用于配抄双胶纸、复印纸、铜版原纸以及生产卫生纸、卫生巾等。

近年来,我国 CT MP/BCT MP发展较迅速。博汇纸业、晨鸣纸业、华泰纸业的杨木 CT MP生产线相继投产,用于生产白纸板和新闻纸[5]。CT MP结合了化学浆和机械浆各自的优点,既有很高的得率,又有较好的柔软性和强度。由于木片经过化学处理,即使在高游离度下,筛渣的含量也很少,长纤维级分比热磨机械浆多;与漂白硫酸盐浆等化学浆比,它能在高松厚度下达到较高的强度,有利于改善产品的某些性能,如纸板的良好松厚度、卫生纸的高吸水性、印刷纸的挺度等。

近年我国发展更快的化学机械法制浆是 PRC APMP。PRC APMP是在 AP MP基础上发展起来的一种高得率制浆工艺。相对 APMP工艺,PRC APMP工艺有两个重要特点：①木片在预浸渍段只经过 40～50℃温和的化学处理;②主要的漂白反应在一段磨及其后的高浓反应塔中进行,纸浆漂白代替了木片漂白。PRC APMP工艺调控灵敏,浆料游离度可在较大范围内调节。加强化学作用,浆料向高强度、高白度方向发展;加强机械作用,浆料向高松厚度、高光散射系数方向发展。湖南泰格林纸岳阳纸业率先在我国,也是在全世界,建成了第一条 PRC APMP生产线[12]。山东泉林纸业、晨鸣纸业、中茂圣源纸业、太阳纸业、河南焦作瑞丰纸业、濮阳龙丰纸业、新乡新亚纸业、宁夏美利纸业等相继建成了 PRC APMP生产线,还有几条生产线在建设中[5]。据资料统计,世界上 90%的 PRC APMP现代化生产线建设在中国。生产实践表明,PRC APMP工艺特别适用于阔叶木生产高得率、高质量的化学机械浆。湖南岳阳纸业以意大利杨为原料,生产 PRC APMP浆料的打浆度高(游离度低)、强度好。成浆打浆度可在 55～80°SR(CSF 80～150 mL)范围内调节;裂断长平均 3200 m以上,最高达 6000 m;白度稳定在 78%～80%,最高达 82%;光散射系数平均 45 m2/kg,最高达 54 m2/kg;在高裂断长情况下,保持高的松厚度,平均达 2.2 cm3/g,最高达 3.0 cm3/g;纤维束含量少,平均为 0.1%,很多情况下接近零。广西金桂纸业、金浪纸业则以桉木为原料,采用 AP MP/PRC APMP工艺,根据市场需要生产不同白度的化机浆,最高白度可达 85%。

岳金权等进行了杨木挤压法漂白化学机械浆的研究与实践。该法以动态挤压磨浆理论为依据,以双辊磨为主体工艺设备,在 30%～40%的高浓下磨浆,磨区温度可达 90～105℃,压力达 7～8 MPa,物料在高浓度下受到揉搓作用,纤维疏解分离,而切断作用小,最大限度地保留了纤维长度。该杨木挤压法漂白化机浆磨浆比能耗低 (≤800 kWh/t),制浆水耗低(≤10 m3/t),浆产品质量指标可满足中高档文化用纸配抄要求[13]。

1.4 废纸制浆科学技术

废纸资源的利用是我国造纸工业发展的一大特色,废纸造纸的兴起推动了我国造纸工业的发展。废纸浆主要用于新闻纸、包装纸和纸板 (如瓦楞原纸、箱纸板、白纸板)等产品的生产,废纸脱墨浆也已用于印刷书写纸、生活用纸等的生产。近年来,许多现代化的废纸制浆生产线落户中国,例如东莞玖龙纸业、理文纸业的以 OCC为主要原料的大型废纸制浆生产线;广东广州、山东华泰、晨鸣纸业 40～50万t/a新闻纸的废纸脱墨浆生产线,均为目前世界上规模最大、设备和技术最先进的废纸制浆生产线。不仅使我国废纸浆产能大幅增加,也大大提高了废纸浆的质量,在节能减排和降耗增效方面也取得显著成效,吨脱墨浆水耗已降至 2～3 m3,电耗降至 350 kWh。这些生产线的建设和运行极大地推动了我国造纸工业向规模化、现代化的方向迈进。

近年来,国内科技工作者,结合我国废纸循环回用的需要,在废纸再生过程中性质的变化及纤维衰变的机理、废纸离解与净化原理与工艺、废纸脱墨原理与方法、胶黏物障碍的产生机理与控制机制以及废纸再生新技术等方面进行了较为深入的研究,推进了废纸制浆理论与技术的进步。何北海等[14]分析了二次纤维回用过程衰变机理;陈嘉翔对废纸回用过程中的 “夏季效应”、废纸脱墨工艺、脱墨化学品及其作用以及浮选柱脱墨新工艺进行了较全面的分析研究,比较了废纸强碱性与弱碱性浮选脱墨效果及漂白性能[15],分析了单体多级浮选槽浮选时各种组分去除或流失的影响因素[16],研究了水基油墨印刷纸的可脱墨性,并利用制浆造纸工程国家重点实验室建立的浮选柱装置进行浮选柱脱墨工艺的研究[17]。李银河等[18]将弱碱性脱墨工艺应用于山东华泰纸业脱墨系统中,与传统的碱性脱墨浆相比,白度提高,残余油墨量和排放废水 CODCr减少,且成本降低。

废纸的酶法脱墨原理与技术是近年国内的研究热点。复合纤维素酶用于新闻纸脱墨已进行了多年的研究并已有工业化应用的实践。近年对漆酶、脂肪酶、淀粉酶、复合酶等用于废纸脱墨的研究方兴未艾。徐清华等[19]进行了旧报纸漆酶 /介体系统脱墨工艺和机理以及漆酶与纤维素酶协同脱墨的研究。结果表明,漆酶用量是影响脱墨效果的重要因素,加入漆酶后脱墨浆的白度下降,但改善其后的过氧化氢漂白性能;漆酶脱墨浆的强度有明显的提高,其中撕裂指数随漆酶用量的增加而增加。尤纪雪等进行了混合办公废纸漆酶脱墨的研究,发现漆酶具有催化氧化酚类及芳胺类化合物的能力,能降解混合办公废纸中苯胺类印刷油墨及酚醛树脂等连接料,从而达到脱墨的目的。此外,还进行了混合办公废纸漆酶 /淀粉酶协同脱墨的研究,达到了较好的脱墨效果[20]。以脂肪酶为主要组分的生物酶已成功应用于废文化用纸生产脱墨浆[21],用于配抄文化纸、涂布白纸板和白面牛卡纸。

1.5 纸浆漂白科学技术

漂白的主要目的是提高纸浆的白度,改善纸浆的物理化学性质。随着环境保护要求的日益严格以及人们对含氯漂白废水中有机氯化物的危害的日益关注,氯和次氯酸盐漂白在我国正越来越受到限制,越来越多的造纸厂采用氧、过氧化氢、二氧化氯等无污染/少污染漂白剂,纸浆漂白正朝着无元素氯 (ECF)和全无氯 (TCF)漂白的方向发展。

氧脱木素是纸浆漂白的一项重要技术进步,其相对温和的反应条件,有选择性地溶出未漂浆中的木素,而较好地保持了纸浆的黏度和强度,其废液中不含氯,可用于粗浆洗涤且洗涤液可送到碱回收系统处理和燃烧。氧脱木素是化学浆 TCF漂白不可缺少的重要组成部分,也是大多数 ECF漂白的重要组成部分。近年来,我国广泛地开展了氧脱木素原理和技术的研究,探讨了氧脱木素过程中氧与木素和碳水化合物的反应机理,明确了各种自由基的产生、作用及调控机制[22],为氧脱木素的应用提供理论和技术依据。近年我国扩建或改建的化学浆厂几乎都采用氧脱木素技术,可脱除未漂浆中 50%左右的木素,有效地降低后续漂白的化学品用量,减少了漂白废水对环境的污染。

化学木浆的漂白由少氯向无元素氯的方向发展。20世纪 90年代建成的化学木浆厂,如广西贺达造纸厂、南宁凤凰纸业、日照森博浆纸公司一期工程在氧脱木素后采用 D/C-EO-D或 D/C-EO-D1-D2流程,漂白木浆白度提高到 88%以上,漂白废水的 CODCr可降低至 28 kg/t浆,AOX则取决于 D/C段 Cl2与 Cl O2的比例,约为 0.5到 2.0 kg/t浆。近期新建的化学木浆厂都采用对环境友好的 ECF漂白。海南金海浆纸公司采用OO-DHT-EO-D1-D2漂白流程;湖南怀化骏泰纸业则采用 OO-DO/Q-EOP/PO-D1-PO的 ECF或较少二氧化氯用量的轻 ECF漂序,白度达到 90%[4]。日照亚太森博浆纸公司二期工程采用 OO-DHT-EOP-D-P的轻 ECF漂白流程,是目前国内已经和即将建成的全漂阔叶木硫酸盐浆漂白中二氧化氯用量最少的。在保证浆的白度达到 90%时,漂白废水中的 CODCr为25 kg/t浆 ,AOX ＜ 0.35 kg/t浆[5]。

竹浆漂白已由传统的含氯漂白向 ECF和 TCF漂白的方向发展。以前用得较多的竹浆漂白流程是 OD/C-EO-D,漂白浆白度稳定在 85%～87%,漂白废水污染物排放量为 CODCr34～60 kg/t浆,AOX 0.9～1.7 kg/t浆。目前,部分竹浆厂已取消元素氯的加入,将 D/C段改为 D0段,并在 EO段加入少量的过氧化氢 (即改为 EOP段),采用此 ECF漂白流程 OD0-EOP-D,纸浆白度≥87%,漂白废水污染物排放量 CODCr＜30 kg/t浆,AOX ＜0.4 kg/t浆。四川永丰纸业采用 O-Q-PO漂白流程,是国内第一条竹浆 TCF漂白生产线,纸浆白度在 80%左右。由于 TCF漂白成本较高,纸浆白度不够高且不稳定,该厂已改为ECF漂白。贵州赤天化纸业采用轻 ECF和 TCF两种互换的漂白流程,即 OO-Q-OP-D-PO和 OO-Q-OP-QPO,纸浆白度≥88%;更为良好的封闭水循环系统使漂白废水污染物排放量大幅度降低。轻 ECF漂白废水排放的 CODCr降至 22 kg/t浆,AOX也进一步降低;TCF漂白废水排放的 CODCr＜17 kg/t浆[6]。

麦草浆、蔗渣浆和芦苇浆的漂白经历了缓慢的发展过程,漂白方法几乎一直沿用低浓度次氯酸盐单段漂和 CEH三段漂,用水量大,化学品用量高,漂白浆白度和强度低,废水污染物浓度高。由于大多数麦草浆厂规模较小,采用 CEH漂白运行成本低,白度可达到 80%左右,从经济上考虑,企业大多数选择了 CEH或减少用氯量的 CEHP或 C-EP-H漂序。随着国家环保要求的日益严格,元素氯的禁止使用,草浆的漂白技术正逐渐向 ECF和 TCF推进。新疆博湖苇业的新苇浆生产线采用两段氧脱木素的 OO-H-M-P(M为助剂)漂白流程,白度达到 85%。与 CEH相比,该流程漂白废水排放量和排放的 COD减少70%,AOX降低 80%[23]。全麦草浆中浓短序 O-QPO清洁漂白生产线已在河南内乡仙鹤纸业成功投运,漂白浆白度达到 80%以上,裂断长达到 7.0 km以上。此漂白工艺的漂白废水排放量为 30 m3/t浆,比传统 CEH漂白废水排放量减少 60%[24]。泰格林纸沅江纸业新建 10万 t/a苇浆生产线采用 O-D-EOP-D漂序的 ECF漂白,白度达到 85%以上,纸浆质量显著提高,排放的污染物大大减少[25]。广西南宁蒲庙纸业、永凯糖纸采用 D-EP-D漂序,白度也达到 85%以上。

化学机械浆和废纸脱墨浆的漂白几乎都采用过氧化氢单段或两段漂白,或过氧化氢与连二亚硫酸盐或甲脒亚磺酸组成的 PY、YP、PF等组合漂序。

生物技术在纸浆漂白中的应用是纸浆漂白技术进步的重要体现,陈嘉川等将木聚糖酶用于麦草浆漂白[26],在达到相同白度的情况下,可减少其后漂白剂的用量,实现了草浆的少氯漂白,并改善草浆的性能,成果获国家科技进步二等奖。木聚糖酶用于硫酸盐针叶木浆和阔叶木浆的辅助漂白生产试验也已成功[27]。

木素降解酶 (木素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶)的漂白研究一直是国内漂白研究的热点。付时雨等从真菌中产生漆酶并将漆酶/介体系统(LMS)用于硫酸盐木浆和竹浆的漂白,并研究漆酶的作用机理[28]。吴淑芳等[29]进行了马尾松硫酸盐浆的漆酶-木聚糖酶协同漂白的研究。研究结果表明,高活性漆酶的规模化生产和高效廉价的介体的制备,是漆酶/介体系统实现工业化应用的关键。

国内也进行了化学浆电化学漂白和光催化漂白的研究[30-31],有效地降低了纸浆的卡伯值,提高了白度,但存在介体或光敏剂成本较高、纸浆浓度低、电耗较高等问题。

2 制浆科学技术在生产发展中的作用

制浆科学技术的进步促进了我国制浆生产的发展,提高了纤维资源的利用率和纸浆产品的品质,降低了制浆过程中水耗和能耗,减少了污染物的排放及其对环境的影响,并正向技术现代化、生产清洁化、资源节约化、环境友好化的绿色制浆工业方向发展。

2.1 制浆科学技术的发展促进了制浆工业的技术进步

科学研究与生产实践的结合促进了制浆理论的发展和制浆技术的进步。山东泉林纸业与南京林业大学、美国北卡罗来纳州立大学等院校紧密合作,对草类原料高效净化、置换蒸煮、氧脱木素和废液利用等方面进行系统的研究,在快速置换加热 (RDH)的基础上,结合麦草原料的特点,开发出麦草大液比高硬度置换蒸煮技术,采用锅内高温洗涤和冷喷放技术,提高了纸浆质量,降低了黑液黏度,实现了黑液的循环使用和高黑液提取率,形成了有中国特色的麦草浆清洁化生产技术,并产生了良好的经济效益和环境效益[8]。山东华泰纸业与中国制浆造纸研究院、山东轻工业学院、南京林业大学等单位合作,进行了废纸制浆技术与废纸浆抄造技术的工程化研究,利用100%废纸,生产出低定量高级彩印新闻纸,成果曾获国家科学技术进步奖。华南理工大学与新疆博湖苇业、牡丹江恒丰纸业等企业密切合作,成功地将纸浆清洁漂白技术应用于工业生产中,提高了漂白浆的质量,减少了漂白废水对环境的污染,成果曾获国家科学技术发明奖。广州造纸公司与华南理工大学、广东轻工职业技术学院进行桉木化机浆研制及其废水脱色、废纸制浆技术、胶黏物生物控制及全废纸脱墨浆抄造低定量胶印新闻纸等多方面的合作,促进了企业的技术水平和竞争能力的提升。

2.2 制浆科学技术的发展促进了制浆工业技术水平和装备水平的提高

近年来,随着制浆科学技术的发展,通过现代化大型制浆生产线的引进及制浆关键技术与装备的自主研发,大大地提升了我国制浆工业的技术水平和装备水平。湖南怀化骏泰纸业遵循 “循环经济、环境友好、资源节约”的科学发展观,高标准地建设 40万t/a漂白硫酸盐木浆林浆纸一体化项目,采用目前世界上最先进的备料、低固形物蒸煮、氧脱木素、逆流洗涤和封闭筛选、ECF和轻 ECF漂白、浆板抄造、碱回收和废水处理工艺和设备,是世界上工艺技术、装备水平、自控程度、环保设施最先进的现代化浆厂之一[3]。成浆白度达到 90%,纤维原料消耗 2.20 t/t浆,水耗≤45 m3/t浆,黑液提取率 ＞99%,碱回收率达 98%,水重复利用率 ＞90%,单位产品综合能耗 ＜120 kg标准煤,各项指标达到国际先进水平。贵州赤天化纸业采用目前世界最先进 G2型紧凑蒸煮、氧脱木素、置换洗涤和封闭筛选、TCF或轻 ECF漂白,是当今世界上工艺技术最先进、单系列产量最大的竹浆生产线[32]。近年来,国内制浆设备制造厂与院校和科研设计单位密切合作,开发了一批具有自主知识产权的工艺技术和装备,例如汶瑞机械 (山东)有限公司开发的纸浆洗选漂清洁生产集成工艺技术及装备、福建轻机公司开发的 ZNS系列双压区双网挤浆机、郑州运达公司研制的废纸干式散包除渣机。这些设备技术先进,性能优良,投资较省,其推广应用有利于提高我国制浆造纸企业 (尤其是中小型企业)的技术和装备水平。

2.3 制浆科学技术的发展推进了制浆工业节能降耗与减污增效的实现

随着制浆科学技术的发展,制浆企业技术水平和装备水平的提高,清洁生产和循环经济的实施,我国纸浆生产的能耗、水耗、物耗及污染物排放逐年减少。近年来,制浆节能降耗与减污增效的成果更为显著。在节能方面,由于重视过程节能与热能回收,单位纸浆能耗已达到或接近国际先进水平。例如,近年新建的化学木浆生产线,新型连续蒸煮配以先进的洗选漂工艺流程,未漂浆的能耗为 0.092 t标准煤/t浆,漂白浆能耗为 0.12 t标准煤 /t浆,在世界上也属于先进的水平。化学机械法制浆由于需要大功率的高浓盘磨机和木片挤压疏解机,电耗较高,但在磨浆过程,大部分电耗转化为热能,如加强了热能的回收利用,则总的能耗会大幅降低。目前,我国的 PRC APMP需要热能 1.324 GJ/t浆和电能 1870 kWh/t浆,总能耗折合为 0.656标准煤 /t浆,与欧洲的 CT MP能耗相当[33]。广州造纸集团南沙环保造纸基地一期工程 (40万 t/a高档新闻纸项目),按节能减排、环境保护的高标准规划建设,采用了世界上最先进的废纸制浆、废水处理等工艺技术,并采用国际先进的脱墨污泥焚烧技术,减少了工业固体废弃物排放且回收热能。该生产线的脱墨浆水耗为 2～3 m3/t浆,电耗约350 kWh/t浆,汽耗 0.3 t/t浆;吨新闻纸 (含制浆造纸)综合能耗为 0.616 t标准煤,水循环利用率达90%以上,吨产品耗新鲜水量已降至 9 m3,远低于国家标准;该工程配套了先进的废水厌氧-好氧-气浮三级处理系统,连续运行数据表明,出水 CODCr＜90 mg/L(大多为 60～70 mg/L),BOD5＜10 mg/L,SS＜12 mg/L,色度为 20倍左右,均达到国际先进水平[34]。

3 制浆科学技术学科发展的思路与建议

由于纤维资源的短缺,能源和水资源的匮乏,而环境保护要求日益严格,国际竞争不断加剧,我国制浆造纸工业将面临严峻的压力和挑战。因此,必须加强制浆造纸科学研究和技术开发,跟踪研究国际前沿技术,发展自主创新的先进技术,加快制浆造纸科技进步的步伐,产学研紧密结合,努力实现工艺最优化、生产清洁化、资源节约化、环境友好化,才能促进我国制浆造纸工业的持续发展。结合我国造纸原料的特点和制浆科学技术学科及制浆工业的现状,建议重点开展以下几个方面的制浆科学研究和技术开发：

3.1 植物纤维资源化学以及新型分离转化技术的研究与应用

针对我国造纸工业纤维原料需求量大、原料品种多、结构复杂的特点,对不同纤维原料的形态特征、化学结构和制浆性能进行系统的分析研究,开发利用新的造纸纤维原料,寻求高效、低耗、少污染的纤维资源分离转化新技术,提高纤维资源的利用价值。

3.2 制浆新技术新理论的研究与应用

根据速生材、非木材和废纸原料的纤维特征和品质缺陷,研究开发资源利用率高、各种消耗低、产品品质好的制浆关键技术及其原理,包括高效节能的深度脱木素改良蒸煮技术,速生材高得率浆高值化利用技术,非木材原料的清洁制浆和漂白技术,废纸高效再生利用和品质改善技术,以及制浆过程清洁生产集成技术[35]。

3.3 制浆过程节能节水及废弃物资源化利用新技术

坚持“资源开发与节约并重、把节约放在首位”的原则,在制浆过程的各个环节,包括备料、蒸煮、磨浆、洗涤、筛选、漂白、碱回收,大力节能、节水、降耗、减排。包括进一步开发蒸煮过程节能与热能回收、高得率制浆过程节能与热能回收以及洗筛漂过程节能的新工艺、新技术;开发制浆过程节约用水、提高水循环利用率的工艺与技术;开发制浆过程废弃物资源化利用、降污减排的新方法新技术。

3.4 制浆漂白生物技术的研究与应用

随着生物科学技术的发展,生物技术在制浆过程的应用将会越来越多。因此,制浆工业应跟上生物科学技术的发展步伐,将更先进更合适的生物技术应用于制浆过程的各个环节,包括生物化学制浆、生物高得率制浆、纸浆生物漂白、废纸的酶法脱墨与纤维酶法改性、以及废纸回用过程胶黏物的生物控制,以达到提高效率,改善品质,节水节能,降污减排的目的。

3.5 生物质精炼的探索与循环经济的实施

根据我国纤维资源实情,进一步进行结合制浆造纸的生物质精炼的研究开发,包括纤维原料的高效预处理方法与技术,半纤维素的有效分离和高效利用技术,木素的高值化利用途径与技术,以充分合理利用植物纤维原料中的各种组分,提高其利用价值。注重研发减量化、再利用和资源化的新技术,为实施循环经济提供技术支持。

发展制浆科学技术和绿色制浆工业,必须贯彻落实科学发展观,遵照技术创新、资源节约、环境保护和循环经济的基本原则,加强科学研究,加大自主创新,解决科学问题,突破应用瓶颈,提高制浆科学技术水平,促进制浆产业的持续发展。

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(责任编辑：常 青)

Status and Development of Pulping Science and Technology in Chi na

ZHAN Huai-yu FU Shi-yu L IHai-long
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering,South China University of Technology,Guangzhou,Guangdong Province,510640)
(E-mail：pphyzhan@scut.edu.cn)

The status and advances of pulping science and technology in China,as well as the effects of pulping science and technology in the development of production are reviewed in this paper.Some suggestions for the development of pulping science and technology discipline are put for ward.

pulping science and technology;status;development

TS74

A

0254-508X(2011)02-0049-09

詹怀宇先生,博士,教授;主要从事制浆造纸技术的研究工作。

2010-01-13(修改稿)