棉秆生物氧化机械浆生产本色擦手纸的实践

滕铁生 段爱琴 张跃平

(1.新疆国力源投资有限公司,新疆石河子,832000;2.石河子市国力源环保制浆有限公司,新疆石河子,832000)

·棉秆浆擦手纸·

棉秆生物氧化机械浆生产本色擦手纸的实践

滕铁生1段爱琴2,*张跃平1

(1.新疆国力源投资有限公司,新疆石河子,832000;2.石河子市国力源环保制浆有限公司,新疆石河子,832000)

介绍了棉秆采用生物氧化机械法制浆并用于生产本色擦手纸的生产实践。生产实践结果表明,棉秆生物氧化机械制浆过程中尽可能地保留了半纤维素、木素,制浆得率高,制浆过程无碱无氯,无废水排放；采取湿部加入分散剂、烘缸表面喷涂剥离剂等措施,抄造的本色擦手纸纸张强度高,吸水性好,不掉纸毛；水电汽消耗较低；本色擦手纸绿色环保,适应市场需求。

棉秆；生物氧化机械浆；废水排放；本色擦手纸

(*E-mail: daq670129@163.com)

近年来,以麦草浆、竹浆等原料生产的本色卫生纸、擦手纸受到消费者的青睐,并取得了一定的市场份额。新疆地处内陆,具有丰富的棉秆资源,发展棉短绒、棉秆制浆具有重要的意义[1-2]。石河子市国力源环保制浆有限公司6年来一直致力于开发秸秆原料的高得率无污染制浆造纸方法,研发了生物氧化机械法制浆技术,以农业废弃物棉秆为原料,采用自主研发复配的生物水低温低压预处理棉秆原料、机械法制浆工艺制得本色浆,生产本色擦手纸，绿色环保,以适应市场需求。既减少了秸秆弃置焚烧带来的环境污染,又减少了木浆消耗以及制浆过程的化学品和能源消耗,为企业的可持续发展奠定了基础。

1 原 料

原料采用100%棉秆。棉秆的纤维素主要集中在皮层和木质部,而髓部不含纤维,且会增加COD含量和增加制浆难度(如浆的滤水性下降等)。为此,在棉秆的收集过程中,采用石河子市国力源环保制浆有限公司自主研发的专用收割机分髓部和秆部两部收割：第一部分,自走式收割机主要收集棉秆的上1/3部分(髓部)和机采棉花后遗落的棉桃、枝叶等,这部分原料不用于制浆；第二部分自走式收割机收集棉秆余下的2/3部分(包括根部)和地上的残膜,这部分原料用于制浆造纸,收集过程除掉泥沙并将棉秆切断至长度约200 mm左右。

图1 棉秆生物氧化机械浆制浆造纸工艺流程图

2 生产过程

棉秆生物氧化机械浆及擦手纸抄造工艺流程框图见图1。

2.1 备料

对收集的棉秆进行备料处理。备料过程为：棉秆 → 秸秆分丝机 → 输送机 → 沙克龙除尘机 → 锥度无轴滚筒筛 → 输送机 → 棉秆除膜机 → 预处理工段。

将收集来的棉秆(长度200 mm左右)放入秸秆分丝机中均匀粉碎成直径不超过3 mm、长度不超过50 mm的料段,用输送机输送到锥形无轴滚筒筛进行筛选,去除粉末和沙土,经棉秆除膜机除去原料中的残余薄膜。同时在输送带上安装沙克龙除尘系统,收集粉碎棉秆过程中产生的扬尘,减少加工过程中对环境的污染。

粉碎后的棉秆料段与外界接触面积增加了大约3倍,故浸渍过程中的浸渍效率可大幅提高,实现精细备料,先细化,后软化。

2.2 制浆

2.2.1 预处理

采用自制的预处理液(生物菌液,CODCr浓度为1000.33 mg/L)对经计量料仓进入低压浸渍器的棉秆料段进行预处理。在低压热浸器中，在一定的温度和一定的压力下,加入一定量优选的微生物菌群预处理液,进行低温预处理。使棉秆发生生物代谢作用,从而改变棉秆的组成结构,使木素以小分子溶出,同时,棉秆中的果胶、半纤维素等溶出,进而达到棉秆软化的目的。生物菌作为载体,载着溶出的木素、半纤维素等,随着预处理废液进入生物菌池中,代替了培养基,如此往复,预处理液循环使用。生物预处理液CODCr为1000.33 mg/L,因此,制浆过程的废水经过处理后,CODCr低于1000 mg/L即可回用于整个制浆过程,实现制浆废水自循环使用,造纸废水自循环,整个制浆造纸无废水排放。

(1)预处理工艺条件

棉秆的预处理在低压热浸器中进行,低压热浸容积40 m3；装料量为7 t棉秆(以绝干计)；液比1∶4(棉秆绝干量与总液量之比, 预处理液来自复配生物水)；A试剂用量0.03%(相对于绝干棉秆,以下同),B试剂用量5%；预处理温度85℃～95℃；预处理时间60～90 min。

(2)预处理效果

采用温和的预处理条件,主要是为了在达到软化目的的同时尽量减少半纤维素、木素溶出,以少溶出少处理、高得率制浆为原则。依靠生物液和氧化剂的共同作用,改变棉秆的组成使棉秆初步软化,再通过双螺杆多功能挤压搓揉机的机械作用,使棉秆进一步软化、分离纤维。

(3)预处理废液处理

预处理废液用竖流沉淀机絮凝沉淀(加用量0.15%的PAC和用量0.15%的PAM)处理后,CODCr浓度降低了10000 mg/L(由原来13860 mg/L左右降至3860 mg/L左右),经废水处理后清液全部回用于生物菌贮存池。

2.2.2 机械制浆

采用先进的双螺杆挤压搓揉机对经浸渍预处理的棉秆纤维进行分离。双螺杆挤压搓揉机利用两根平行、啮合且同向旋转的积木组合式螺杆和特殊结构的螺杆原件,使棉秆在输送的同时受到动态挤压,依靠高浓高压下纤维间的揉搓,完成纤维离解。且纤维是在S1～S2层间分离,而不是在胞间层之间分离,并对纤维初生壁(P层)和次生壁外层(S1层)有极好的破坏效果,有利于成浆和提高纤维结合力。

搓揉区浓度高达25%～40%,磨解浆料时纤维切断作用小,磨后纤维长,棉秆浆质量好,脱水速度快。因其有高效混合功能,浆料和化学药剂的反应速度快,棉秆浆质量高。棉秆浆经过双螺杆挤压搓揉机与药液充分混合、高度细纤维化后,进入滞留槽,在一定温度下、一定时间内软化并充分反应,为挤压磨解和盘磨磨浆打好基础。

(1)工艺技术条件

双螺杆挤压搓揉机浓度18%～20%；B试剂用量0.02%,C试剂用量0.02%；氧化剂用量4%～6%；滞留槽温度80℃,滞留槽保温时间40 min；高浓挤浆机出口浓度27%～32%。

双螺杆多功能挤压搓揉机出口温度100～105℃。

用螺旋输送机将搓揉后的粗浆输送至高浓挤浆机进行三段逆式洗涤,去除杂细胞、纤维碎片和部分溶出物。

(2)本色棉秆机械浆技术指标

制得的棉秆机械浆性能为,K值22～28 mL/g；打浆度28～32°SR；湿重5～6 g；纸浆得率70%～75%；纸浆浓度25%～30%；纸浆白度(实测值)27%～32%。

表1 棉秆机械浆本色擦手纸产品质量检测结果

表2 主要消耗指标(按每吨擦手纸计)

2.3 打浆

采用高浓磨浆机进行棉秆浆的打浆处理。打浆设备为Φ1250高浓磨浆机；打浆浓度18%～20%；打浆度40～44°SR；纤维湿重3.5～5.0 g。

棉秆机械浆经高浓磨浆机磨浆处理,纤维分丝、细纤维化。

2.4 抄纸

采用2850新月形长网单缸卫生纸机抄造擦手纸,纸机抄宽2850 mm,车速280 m/min(设计车速为500 m/min)。

抄纸工艺技术条件：分散剂用量1.5 kg/t绝干浆；剥离剂喷放量1 kg/t绝干浆；湿强剂用量3 kg/t绝干浆,干强剂用量5 kg/t绝干浆。

2.5 产品质量

按照国家标准GB/T 24455—2009中A等品的技术要求,对棉秆采用生物氧化机械法制浆生产的本色擦手纸产品技术指标进行检测,测试结果见表1所列。

由表1可以看出,抄造的棉秆机械浆本色擦手纸的横向吸液高度、横向抗张指数和纵向湿抗张指数分别为24 mm/100 s、3.4 N·m/g和1.6 N·m/g,均优于擦手纸国家标准GB/T 24455—2009中A等品的要求,白度、洞眼、尘埃度等也都达到国家标准的要求。

2.6 成本核算

与传统硫酸盐制浆方法相比,生物氧化机械法制浆的主要消耗指标见表2。

由表2可见,由于制浆过程废水经水处理后CODCr达到1000 mg/L以下就可回用于制浆过程,水处理比传统的制浆方法容易得多,造纸过程废水自循环回用,因此吨纸水耗低于传统硫酸盐制浆造纸的。温和的预处理和脱色过程尽可能少溶出木素、半纤维素等,而且避免了传统制浆方法蒸煮、漂白过程纤维素、半纤维素的损伤降解,纸浆得率较传统方法大幅度提高,这是成本降低的主要因素。预处理和脱色温度较低,蒸汽用量低于传统制浆方法。

由此可见,各项成本不同程度降低,尤其是得率提高50%～75%,对成本的降低起较大作用,而且水处理净投入费用降低较大,因此,利润率比传统方法大幅度提高。

3 生产过程影响成纸质量的主要因素及解决办法

(1)提高纸浆中阔叶木浆含量可获得较好柔软度,而棉秆纤维接近阔叶木纤维,棉秆浆通过高浓磨浆,适宜的打浆度,既保证了纸张的抗张强度,又使纸张获得了较好的柔软度。

(2)采用进口的分子质量800万的PEO作分散剂,加入量1.5 kg/t纸,明显提高了纸张的匀度,进一步改善纸张柔软度和手感。

(3)将混合好的黏合剂和剥离剂以雾化形式直接喷放到烘缸表面形成黏附层,一方面对烘缸表面起保护作用,减少刮刀对缸面的磨损,另一方面起润滑和有助于剥离的作用,达到提高车速改善成纸手感和柔软度的目的。影响剥离剂和黏合剂作用的因素为：① 烘缸表面的温度直接影响剥离剂和黏合剂在烘缸表面的吸热反应速率,并对剥离剂和黏合剂形成的涂层的硬度影响较大。如烘缸表面温度低,剥离剂和黏合剂在烘缸表面吸热缓慢,形成的涂层比较软,易被起皱刮刀刮起,造成刮刀与烘缸表面直接接触伤及烘缸表面,同时增加刮刀的磨损；如烘缸表面温度高,剥离剂和黏合剂在烘缸表面吸热反应加快,但这样形成的涂层容易变硬,令纸张皱纹粗大。因此,必须严格控制蒸汽的压力,并保证烘缸里面的冷凝水是均匀排出。②剥离剂和黏合剂的温度也会对剥离作用产生一定的影响,控制在50～70℃,超出此范围,吸热反应会出现反应缓慢或反应过快,结果令烘缸表面的纸张出现飘缸或塞刀现象。③原纸横幅水分的分布，由于剥离剂和黏合剂是吸热反应,因此,若纸张横幅水分不均匀,将会影响烘缸表面的温度,部分涂层因纸张水分高而变软,而易被刮刀刮去,使形成的涂层横幅分布不均匀,出现“车道”,严重影响原纸横幅皱纹分布均匀及原纸的卷曲平整情况。若纸张水分分布均匀,形成的涂层将会均匀分布在烘缸表面。纸张的横幅水分均匀分布通常受到纸张横幅定量波动和毛毯横幅脱水情况的影响。④进烘缸纸张水分65%左右,起皱时纸张水分6%～7%；纸张进烘缸水分和起皱时的水分,前者和纸张与烘缸的黏附力有关系,而后者对成纸的手感和结构影响较大。纸张与烘缸的黏附力,对高速的卫生纸机影响尤为重要。⑤扬克式烘缸是卫生纸机的核心设备,起皱率是决定纸张松厚度和伸长率的重要因素。为了使起皱率达到最佳值,剥离剂和黏合剂必须具有可控制和可预测的黏缸性和脱缸性,这是很重要的。在烘缸罩和扬克式烘缸之间的蒸汽压力和干燥速率对卫生纸的柔软度也有影响。

(4)生活用纸对吸液性能要求较高,吸液性主要是由纤维之间的毛细管效应决定。毛细管效应越强,吸收性能越好,毛细管效应主要取决于纤维本身的性质,浆料的处理程度等。棉秆浆的吸收性能大于废纸浆和草浆,纸张的吸收性随打浆度的提高而降低,高硬度浆料由于保留较多的木素使成纸疏松多孔毛细管效应增强,从而吸液性较好。

4 结 语

棉秆用传统的方法蒸煮漂白,纸浆白度低,这是一直以来棉秆不能成功应用于造纸的主要原因之一。而近年来本色生活用纸受到人们的青睐,石河子市国力源环保制浆有限公司利用农业废弃物棉秆,采用生物氧化机械法生产本色棉秆浆,制浆过程无碱无氯,纸浆得率较传统方法大幅度提高,水电汽消耗较低,制得的本色浆强度好,成本低。制浆造纸过程的废水在各工序自循环,无废水排放,在技术上实现了一个突破。并以棉秆纤维类似阔叶木纤维的特性,及高浓磨浆技术保留半纤维素、木素的特点为基础,再通过加入分散剂、烘缸表面喷涂剥离剂和黏合剂等操作,生产的擦手纸吸水性好,强度较好,纸张不掉毛,适应市场的需求。

[1] XUE Run-lin.Cotton Linter Cleaner Pulping Process[J].China Pulp & Paper, 2014, 33(7)： 72． 薛润林.棉短绒湿法除杂清洁制浆工艺[J].中国造纸, 2014, 33(7)： 72．

(责任编辑：马 忻)

The Trial Production of Unbleached Paper Towel Using Bio-oxidation Mechanical Cotton Stalk Pulp

TENG Tie-sheng1DUAN Ai-qin2,*ZHANG Yue-ping1

(1.XinjiangNationalSourceInvestmentCo.,Ltd.,Shihezi,XinjiangUygurAutonomousRegion, 832000;2.ShiheziNationalSourceofEnvironmentalPulpCo.,Ltd.,Shihezi,XinjiangUygurAutonomousRegion, 832000)

Cotton stalk bio oxidation mechanical pulping and trial production of the unbleached paper towel using the pulp were introduced in this paper.The results indicated that, hemicelluloses and lignin were remained as much as possible during the bio- oxidation mechanical pulp-ing of cotton stalk, the pulping yield was high, and there were no alkali, chlorine and effluent discharge during pulping.Adding dispersant in wet end, and spraying surface stripping agent on the surface of dryers, the paper towel with high strength and good absorption was produced, water absorption was good.The consumptions of water, electricity and steam were relatively low.The green and environment friendly paper towel could meet the demand of market.

cotton stalk； bio-oxidation mechanical pulping; effluent discharge; paper towel

滕铁生先生；主要从事生物氧化法制浆的工艺、设备、设计及原料等全面管理工作。

2017- 03- 16(修改稿)

TS721+,4；TS743+.3

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.05.014

*通信作者：段爱琴,高级工程师；主要从事生物氧化法化验及各项工艺管理制度的制定工作。