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氧脱木素技术在蔗渣制浆工艺中的应用

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：李星龙张杰

[导读] 摘要：氧脱木素技术已在木材制浆工艺中广泛应用，其对木浆制造工艺在节能减排、清洁生产方面的贡献是公认的，但氧脱木素这一节能环保的技术在蔗渣制浆工艺中的研究较少。

        中国轻工业南宁设计工程有限公司广西南宁 530031
        摘要：氧脱木素技术已在木材制浆工艺中广泛应用，其对木浆制造工艺在节能减排、清洁生产方面的贡献是公认的，但氧脱木素这一节能环保的技术在蔗渣制浆工艺中的研究较少。本文将氧脱木素工序加入到传统蔗渣制浆工艺的漂白工段之前，通过优化工艺条件，有效脱除了蒸煮后蔗渣浆中的残余木素，降低漂白工段的化学品用量和废水污染负荷。
        关键词：氧脱木素；蔗渣浆；制浆工艺；漂白
        纤维原料是制浆造纸行业的物质基础，木材是主要的纤维原料。但我国森林资源匮乏，发展非木材纤维原料制浆造纸，是解决我国纤维原料短缺的有效途径[1]。蔗渣是蔗糖制造过程中的副产品，常用的蔗渣制浆方法为烧碱法或烧碱-蒽醌法化学制浆[2]，在蒸煮后直接采用传统工艺漂白。但是传统的蔗渣浆漂白工艺存在纸浆得率低、化学品损耗大、废水污染负荷大等缺陷。随着国家对环保方面日益严格的要求，发展清洁制浆技术显得尤为重要。
        随着高效洗浆设备和碱回收技术的日益成熟，制浆过程的蒸煮工序和洗选工序产生的黑液，大部分被提取（现代化制浆厂的黑液提取率可达98%）并送至碱回收车间回收利用。所以制浆过程的污染主要来自漂白工段。减少漂白工段的污水量及污水中的污染物对降低全厂废水处理负荷至关重要。要降低漂白工段的污水，一个有效的方法就是在漂白前尽可能多的脱除未漂浆中的木素，降低未漂浆的卡伯值。在漂白之前加入氧脱木素工序可达到这一目的。
        氧脱木素技术已经在以木材纤维为原料的制浆工艺中广泛应用，但在国内蔗渣浆工艺中的研究较少。本文介绍一种应用于蔗渣制浆工艺的氧脱木素技术及工艺条件，为蔗渣浆厂在设计和技改时提供参考。
        1 蔗渣浆氧脱木素技术特点
        氧脱木素是在碱性条件下用氧气与纸浆反应，进一步脱除纸浆中的残余木素，可看作是蒸煮脱木素过程的延伸，目的是进一步降低纸浆的卡伯值，以满足漂白的要求，同时保持较高的纸浆得率和粘度。此外，增加氧脱木素工序可以减少漂白废液污染负荷，减少漂白工段化学品用量，改善纸浆质量。
        木材纤维与蔗渣纤维性质上差别较大，蔗渣的制浆性能介于稻麦草和木材之间，其木素含量低于木材，且碱易溶木素比例较高，易于蒸煮，但要求有更高的脱木素率才易使纤维分离。与木浆相比，蔗渣浆在木素脱除率要求和控制方面均有很大差异。同时蔗渣有较高的硅含量，还有少量的残糖。这些因素导致木材制浆工艺中成熟的氧脱木素技术应用于蔗渣制浆中时需要进行改进。
        2 蔗渣浆氧脱木素技术方案
        2.1 主设备
        表1 蔗渣浆氧脱木素工序主要设备表

        所需氧气可外购，若厂区有制氧站，可直接从制氧站送来。此外，在氧脱木素完成后还应增加洗浆设备。
        2.2 工艺流程
        将氧脱木素技术应用于现有的蔗渣浆制浆工艺中。国内目前常见的蔗渣浆制浆工艺为：蔗渣经过蒸煮、筛选、除渣、洗涤后直接进入漂白工段，经过漂白洗涤后，生产出蔗渣浆。本文将氧脱木素工序添加在洗选工段和传统漂白工段之间。流程简图如图1所示：
        2.3 工艺过程描述
        蔗渣浆经过蒸煮、洗涤、筛选等传统工序后，进入上述氧脱木素工段的中浓立管，在中浓泵之前向浆料中加入NaOH，然后用中浓泵输送浆料。通过蒸汽加入装置加入氧气和中压蒸汽，再在混合器中混合均匀后送入氧脱木素反应塔，进行氧脱木素反应。反应完成后浆料从塔顶卸料，进入喷放浆槽，然后经过洗涤后送入后续漂白工段。
        2.4 工艺条件
        进入氧脱木素工序的浆料浓度大概为10%~12%，添加NaOH调节pH至碱性。采用10bar（g）的蒸汽用来控制反应塔内的反应温度，根据需要控制蒸汽量，氧气与蒸汽一同加入，控制氧气压力略高于蒸汽压力。氧脱木素阶段，还可添加一定量的过氧化氢，来提高氧脱木素的效率，改进脱木素的选择性，使纸浆以更低的卡伯值和较高的白度进入后续漂白段，从而进一步节约漂剂的用量，降低污水中的污染负荷。

        图1 蔗渣浆氧脱木素工艺流程图
        氧脱木素反应塔为升流式塔，塔底部为锥形，塔顶部设有卸料器。浆料从塔底进入，浆料在塔中的停留时间为60~90min，反应温度为90~110℃，在反应塔顶部的操作压力为3~5bar（g）。氧脱木素反应结束后，蔗渣浆通过塔顶卸料器送到氧脱喷放浆槽，经过筛选洗涤后进入漂白工段，进行后续漂白。
        通过工厂试验和工艺计算得出优化后的工艺条件，如表2所示。
        表2 蔗渣浆氧脱木素工艺条件

        从表2可以看出，采用优化后的工艺条件，蔗渣浆卡伯值从11下降到6，近似得出，蔗渣浆经过氧脱木素后，有45%的蒸煮残余木素被脱除了。木素含量降低使纸浆更易漂白，从而可减少漂白化学品消耗和废水污染负荷。
        3 增加氧脱木素工序后对后续蔗渣浆漂白的影响
        某蔗渣浆厂采用硫酸盐法蒸煮，粗浆经洗选后直接进入漂白工段，漂白工段采用的是D0-Eop-D1三段漂白，没有氧脱木素工序。后来经过技术改造，在漂白工段之前增加了氧脱木素工序。本文对其技改前后的化学品消耗和漂白废水污染负荷作了对比，如表3、表4所示。
        3.1 对化学品消耗的影响
        表3 增加氧脱木素段前后漂白化学品消耗量的对比

        表3中，消耗NaOH的工序包括氧脱木素和EOP段漂白，技改后氧脱木素段虽然增加NaOH的消耗，但这部分NaOH经过逆流洗涤进入去蒸发的黑液中，再被送到碱回收车间回收继续利用，表3中已经扣减了回收部分的碱。
        从表3可以看出，技改后，增加了氧气的消耗，但ClO2的用量显著降低，其他化学品的用量变化不大。初步估算，生产每吨蔗渣浆可节约化学品成本90元。
        3.2 对废水污染负荷的影响
        由表4可以看出，技改后，废水的污染负荷明显降低，几项重要指标——废水排放量，废水化学需氧量（COD）和有机氯化物（AOX）均明显降低，说明增加氧脱木素工序可以明显降低漂白废水的污染负荷。
        表4 增加氧脱木素段前后废水污染负荷的对比

        4 结论
        4.1 针对蔗渣浆的特性，结合生产实际，优化工艺条件后，氧脱木素技术可以很好的应用于蔗渣浆制浆工艺中，氧脱木素作为蒸煮脱木素的延伸，可以进一步脱除未漂蔗渣浆中残余木素的40%~50%；
        4.2 将氧脱木素技术应用于蔗渣制浆工艺中，可降低漂白工段化学品消耗；
        4.3 将氧脱木素技术应用于蔗渣制浆工艺中，可降低漂白废水污染负荷。
        参考文献：
        ［1］曹邦威.积极开发蔗渣原料制浆造纸[J].中华纸业，2003，24（3）：14-16，21
        ［2］我国非木材纤维制浆的发展概况与技术进步（之二）蔗渣、芦苇和棉杆[J].中华纸业，2011，23（10）：7~9