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          【研究】新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法

          來源:漿紙技術 編輯:黃毅華 時間:2020-03-25
          導讀:我國森林資源覆蓋率低,能夠利用于造紙的木材資源十分有限,非木材纖維原料仍將是我國造紙的重要原料。甘蔗渣屬于較好的非木材纖維原料之一,甘蔗渣漿不僅可以生產優質生活用紙,配以少量商品木漿亦可以生產優質文化用紙。綜合利用甘蔗渣造紙,可減輕我國森林

          黃毅華 先生

          工程師;

          主要從事制漿生產工藝管理和項目技改。

              我國森林資源覆蓋率低,能夠利用于造紙的木材資源十分有限,非木材纖維原料仍將是我國造紙的重要原料。甘蔗渣屬于較好的非木材纖維原料之一,甘蔗渣漿不僅可以生產優質生活用紙,配以少量商品木漿亦可以生產優質文化用紙。綜合利用甘蔗渣造紙,可減輕我國森林資源的負擔(每噸甘蔗渣可以代替1~1.25m3造紙木材)。

              廣西粵桂廣業控股股份有限公司[前身為廣西貴糖(集團)股份有限公司,以下簡稱廣西粵桂]是一家最早綜合利用甘蔗渣制漿造紙的傳統企業之一,蔗渣利用技術水平和先進性在業內享有盛譽。2017年12月份至2018年4月份,摸索和創造出了一種新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法,解決了因原料的短缺引起的停機問題,創造出了較大的經濟效益。

           

          1  新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法背景

              甘蔗渣是糖廠的副產品,約有50%的纖維可以用來造紙,其纖維形態雖然比不上木材和竹子,但是比稻、麥草纖維則略勝一籌。甘蔗渣在我國南方算是一種已經高度集中了的原料資源,它不需要長途運輸,就地即可加以利用,在甘蔗生產基地附近很容易建成年產數萬噸經濟規模的制漿造紙廠,甘蔗渣的利用極大程度地促進了南方地區制漿造紙行業的發展。

              剛從糖廠壓榨出來的蔗渣,水分約50%,稱為半干蔗渣。半干蔗渣經打包堆垛長時間貯存后,水分可降至20%~30%左右;而半干蔗渣經淋水發酵貯存,水分可達到70%~76%范圍。

              蔗渣制漿從備料的方式可以分為干法備料制漿和濕法備料制漿。我國使用甘蔗渣制漿的歷史首先是從干法備料制漿開始的,從上世紀90年代初各地方陸續淘汰了干法備料制漿,才逐漸發展為現在的濕法備料制漿。上世紀90年代前的干法備料制漿過程中,制糖廠首先把甘蔗渣打包,通過車輛運輸到備料場地,然后用大量人工進行堆垛,再用茅草或帆布覆蓋。重新使用時再次打碎甘蔗渣塊,造成備料間粉塵飛揚、環境差。另外干法備料制漿存在著場地利用率低、人工費用大、蔗渣貯存后容易變質、損失率高、火災消防要求高等缺點。

              上世紀90年代后逐漸發展起來的蔗渣濕法備料制漿,蔗渣無需打包成塊,通過高空皮帶輸送,直接把制糖廠榨出來的散的蔗渣堆放到備料場地。濕法備料實現了大規模機械化操作,通過推土機對蔗渣進行壓緊壓實,再用清水對蔗渣堆噴淋,讓蔗渣進行一兩個月的發酵。濕法備料制漿雖然克服了干法備料制漿的部分缺點,提高了場地使用率,防火要求低,蔗渣保鮮率大為提高;但是蔗渣濕法堆垛需要1個多月發酵才能使用,場地需求大,備料投入高,蔗渣噴淋廢水COD榨季高峰時段達到7000~800mg/l,噴淋廢水酸性大,易腐蝕設備和場地,增加了環保處理難度,大多數廠需要建立投資高達幾百萬甚至上千萬元的IC厭氧系統來處理高濃噴淋廢水,運行費用大。

              甘蔗屬于一年生長作物,因此甘蔗渣的供應量受季節性影響比較大,甘蔗渣的貯備主要集中在每年榨季中的3~4個月內,榨季之后甘蔗渣產量幾乎為零,因此需要在甘蔗榨季備好足夠的甘蔗渣量供停榨之后使用。近年來由于國家對大氣環保要求日益嚴格,許多糖廠為確保大氣排放達標,寧愿燒蔗渣也不愿燒煤,導致了甘蔗渣市場供需日益緊張,利用甘蔗渣制漿的部分企業經常在停榨一段時間之后出現原料短缺,開榨之后有原料但又因需要濕法堆垛發酵1~2個月后才能使用,導致了“無米下鍋”的現狀,影響了企業的正常生產和效益。2017年下半年廣西來賓市某制漿廠在8月份就因蔗渣用完,又未到開榨時間而停產,員工被迫放假。同年廣西粵桂的蔗渣也僅能用到10月底,而到開榨時間最早也要等到11月中旬。但盡管是糖廠開榨后有了蔗渣原料,還需要解決一個問題,即新鮮的蔗渣按濕法備料的發酵要求,至少也要再等1個多月才能使用。在這1個多月的時間里,企業仍然面臨著停機停產的問題。如何解決這個難題,廣西粵桂進行了探索,摸索出了一種新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法,為企業創造了巨大效益。

           

          2  新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法

          2.1主要內容

              (1)選擇糖廠經過一級除髓后的新鮮蔗渣,水分含量約為48%~53%,在無淋水無發酵的條件下堆于室外料場存放5~7天,待蔗渣水分均衡時,即可送去進行蒸煮。

              (2)將蒸煮助劑按照比例溶于堿回收的白液中,制成堿液,存儲于堿液槽中備用。

              (3)按照蒸煮器的大小和蒸煮液比確定裝料量,將蔗渣經地磅稱量后經過皮帶輸送機輸送到預浸器,將堿液和黑液注入到預浸器中對蔗渣進行預浸漬,讓蔗渣、堿液和黑液在預浸器里攪拌混合均勻,使蔗渣充分浸透。

              (4)經預浸漬后,蔗渣、堿液和黑液送入蒸煮器內,往蒸煮器內通入高溫蒸汽,按照生產工藝要求確定蒸煮升溫曲線,按升溫曲線設定蒸煮壓力進行蒸煮。

              (5)蒸煮結束后,通過噴放鍋噴放蒸煮好的漿料,噴放結束后對蒸煮器裝料進行下一輪蒸煮,漿料移送到洗漿工段進行四段逆流洗漿,一段洗漿得到的黑液進入黑液槽暫時儲存,然后送去堿回收和蒸煮使用;

              (6)將洗完的漿料進行常規篩選和漂白,得到漂白漿,所得漂白漿可以直接移送造紙車間進行抄紙或者用雙網擠漿機擠干后外賣。

          2.2流程改造

              (1)將第一段洗漿的黑液槽中的黑液通過一臺泵輸送走,在泵的出口分出兩條管路,一條出口管路通往蒸煮車間,供蒸煮使用;另一條出口管路通往黑液過濾機,把黑液送往堿回收車間。每個出口管路處均安裝有1個開關閥門。

              (2)在預浸器的進口端配有兩個進液管,將堿液和黑液的來液管道分別與兩個進液管連接,堿液和黑液在預浸器進口端均勻注入,與原料均勻混合攪拌;堿液和黑液的來液管道均安裝了流量計和累積器。

           

          3  新鮮蔗渣直接蒸煮質量結果

              長期以來,人們已經形成了對甘蔗渣制漿的認識:干法備料制漿或者濕法備料制漿,但是對于新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的質量情況等相關知識,很少報道。

              本次新鮮蔗渣直接蒸煮和濕法備料制漿的質量結果對比如表1。從表1蒸煮質量對比來看,新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的檢驗項目:殘堿和粗渣率與濕法備料制漿都在合格要求范圍內,沒有什么區別。但是新鮮蔗渣由于在蒸煮過程中加入了黑液,對于蒸煮后的成漿K值就有區別,約有50%的K值在合格范圍內,約有50%的K值大于14,意味著有一半K值不在要求的質量范圍,主要原因是蔗渣蒸煮時除了蒸煮液的加入,還額外增加了黑液的使用,致使成漿中的各種物質成分濃度升高,相應引起蒸煮漿K值升高。但從生產實踐中來看,對后序的漂白影響不大。其次,新鮮蔗渣蒸煮中,殘堿濃度普遍比濕法備料制漿高,主要原因是加入黑液參與蒸煮,能夠充分利用黑液中的殘堿和70℃的溫度,在預浸階段,提前讓蔗渣進入部分脫木素的預反應階段,大大減少后期脫木素反應的堿消耗,提高了殘堿濃度。殘堿濃度的提高,則有利于堿回收的堿爐燃燒效果。

              自從上世紀90年代蔗渣采用濕法堆垛制漿以來,人們普遍認為新鮮蒸煮一般都要堆垛發酵一段時間,待蔗渣里面的殘余糖類等有機物質發酵分解后,再送去蒸煮制漿,成漿的質量才有保障。即使是90年代之前的干法備料制漿,新鮮蔗渣一般也是堆垛風干儲存若干個月,使蔗渣水分降到20%~30%后才使用,也是認為讓蔗渣的殘余糖類等有機物質分解揮發,以免影響蒸煮時的漿質量。但是我們經過生產性實驗,采用添加黑液蒸煮新鮮蔗渣,蒸煮出來的漿質量與濕法備料制漿的結果沒有多大差別。采用新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的漿強度如何呢?我們采用該方法生產出來的蔗渣漂白漿,與25%~30%的桉木漿配比,經過紙機抄造出生活用紙,紙的各項檢測指標如表2。                              

              從表2可以看出,采用該法制成的蔗渣漿搭配25%~30%的桉木漿,經過紙機抄造出的紙產品,各項物理指標都優于國家標準規定的指標要求。說明新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法是可行的。

           

          4  新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的特點

          4.1流程改造

              原來濕法備料制漿流程里是沒有補充黑液的,改造后,從洗漿第一段分出一部分黑液,通過流量計和累積器等計量方式定量加入在蒸煮段預浸器。

          4.2蒸煮工藝調整

              改造前工藝參數:蔗渣水分70%~76%,裝鍋量5.1t(絕干),液比4.2,用堿17.6%,蒸煮時間3h。

              改造后工藝參數:蔗渣水分48%~53%,裝鍋量5.6t(絕干),液比3.5,用堿16.1%,蒸煮時間2.5h。

              改造前升溫曲線見表3。改造后升溫曲線見表4。

          4.3裝鍋量明顯增加

              本次新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的蒸煮器為40m3蒸球。

              在濕法備料制漿的情況下,由于使用的蒸煮液為堿回收工段回收的液堿,濃度為110~125g/l范圍,蒸煮用堿量為每球900kg燒堿(100%NaOH),每球添加的液堿量約為7~8m3。盡管所使用的蔗渣水分達到70%~76%,但蔗渣原料還是呈松散狀態,因此所加的液堿量對裝鍋量影響很大。液堿的添加,在裝鍋器的攪拌下,能夠增加蔗渣的壓實,增加球內單位體積的蔗渣量。使用新鮮蔗渣直接制漿的方法后,所添加的蒸煮液:液堿體積沒有變化,但是為了使半干的新鮮蔗渣液比達到3.5,需要設定額外添加黑液與蒸煮液合計體積為12.5m3。由外界加入原料中的總液體量比濕法備料制漿增加了4.5~5.5m3的情況下,通過在預浸器里補充到蔗渣原料里面,裝鍋的蔗渣更加壓緊和結實,因此裝鍋量獲得明顯增加。

              濕法備料制漿的裝鍋量與新鮮蔗渣直接制漿的裝鍋量對比如表5。從表5可看出,使用新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方法后,蒸球裝鍋量明顯增加,提高了12.48%。提高了裝鍋量,意味著每球產漿量的提高,對于降低蒸汽和用堿量等物耗具有明顯優勢。

          4.4蒸煮液比得到明顯降低

              在使用濕法備料制漿時,由于儲存的蔗渣長期處于壓緊和淋水潮濕狀態。在用來裝料蒸煮的時候,蔗渣水分一般達到70%~76%范圍內,因此在添加蒸煮液(堿回收堿液,濃度110~125g/l)后,蒸煮液比高的達到4.5,低的達到3.9。遇到雨天,水分有時甚至達到77%~78%,蒸煮液比可以達到4.9,非常高。

              液比高,對于蒸煮來說,各有利弊。有利的一面是蔗渣液能夠比較均勻地與物料接觸,達到蒸煮與物料充分混合,利于后序反應;但是也有不利的一面,蒸汽消耗大,蒸煮時間長。

              一般來說,根據長期以來制漿蒸煮總結出來的液比經驗值,木漿類的蒸煮液比在2.7~3.2范圍,草漿類的蒸煮在3.2~3.8范圍,才比較合適,處于比較經濟和效率高的狀況。

              濕法備料制漿生產中,由于原料自身的水分含量已經很高,再加入蒸煮液后,液比一般都在4.2左右,因此加入的蒸煮液體積也有限。加多了,液比更高,蒸汽消耗加大,蒸煮時間延長;加少了,蒸煮液與原料混合又不均勻,粗渣增多,得漿率低。另外濕法備料制漿中,原料水分相對高,因此蒸煮蒸汽消耗達到噸漿消耗2.5t蒸汽左右。

              而采用新鮮蔗渣直接蒸煮制漿,蔗渣水分平均50%,可以很好地控制蒸煮液比處于比較經濟的范圍內。例如,我們要求裝鍋時,通過流量計與累積器,設定添加的黑液與蒸煮液合計為12.5m3。在蒸煮液濃度為108g/l時,按用堿量為900kg(100%NaOH),所加入的兩種液體體積分別為8.3m3堿液和4.2m3黑液。如蒸煮液濃度為125g/l時,所加入的兩種液體體積分別為7.2m3堿液和8.3m3黑液。這樣蒸煮時我們就固定好了外界加入蒸球的液體體積這一因素,然后在裝鍋量盡可能多地控制要求下,蒸煮液比能夠處于3.5左右。比濕法備料制漿液比低0.4~1.0,蒸煮液比明顯降低。這樣的結果是蒸汽噸漿消耗降到2.0t以下,節省蒸汽消耗幅度達到25%;另一個結果是液比降低了,整體蒸煮的水量減少了,蒸煮時間可以從3h減少到2.5h。

          4.5減少制漿黑液量

              采用新鮮蔗渣直接蒸煮制漿,借助于添加黑液,實現合理的蒸煮液比。蒸煮成漿后,添加的黑液又在一段洗漿洗滌排出,形成的黑液又部分回用于蒸煮,形成一個內部循環。整體上,進入蒸煮系統的水量比濕法備料制漿少了很多,因此生產出同樣的漿量,形成的黑液量相對來少,解決了漿產量越大,黑液越多的問題。這種借助于黑液實現蒸煮液化,但制漿黑液量反而減少的蒸煮制漿方法,有別于濕法備料制漿與干法備料制漿,是該制漿方法的最大特點。

          我們來對比一下新鮮蔗渣直接蒸煮制漿和濕法備料制漿的兩種制漿方法相關理論參數(按細漿得率50%計),如圖2。

              從上面兩種制漿流程理論參數對比來看,要生產同樣的250t漂白絕干漿量,在其他條件相同情況下,使用濕重1000t新鮮蔗渣(水分含量50%),濕法備料制漿(以較低的下限水分70.5%)就要用到1700t濕重原料,意味著濕法備料制漿法比新鮮蔗渣直接蒸煮制漿法將多生產出700m3的黑液量。

          而生產實踐情況如何呢?我們對生產進行了數據查定(表6)。從表6實際生產數據查定得知,若同樣日平均生產250t漂白絕干漿,新鮮蔗渣法產稀黑液量2615m3,而濕法備料產稀黑液量3315m3,比新鮮蔗渣法制漿多了700m3稀黑液量,實際生產數據與上述兩種制漿法流程理論參數對比得出來的結論是吻合的。由于濕法備料制漿的原料水分是在一定范圍內波動的,如果原料水分變到75%左右,則濕法備料制漿將產生比700m3更多的稀黑液。基于上述分析,得出以下結論:每使用100t新鮮蔗渣(50%水分)制漿,相比濕法備料制漿,制漿過程中能夠減少70m3左右的黑液量。

          4.6經濟效益高

              廣西粵桂從2017年12月至2018年4月份,在這四個月采用新鮮蔗渣直接蒸煮制漿法生產,使用新鮮蔗渣量累計折算絕干量為35566t,生產出了18326t蔗渣絕干漿,成品細漿得漿率約52%,超出正常得漿率50%,意味著多生產出了543t漂白漿,按當時售價5000元/t,僅細漿得率該項增加產量,多創造經濟效益272萬元。

              此外堿回收按平均日產絕干漿250t計算,每天可少處理700m3的稀黑液量,按一般板式蒸發站熱效率≥3.8(H2O)kg/(蒸汽)kg,每天可減少使用0.5MPa的蒸汽184t,按2018年蒸汽成本價(不含稅)158元/t計算,可節約2.9萬元/天,一個榨季4個月(春節節假日外)約110天,則可節約蒸汽費用319萬元。

              采用濕法備料制漿,其中一個最明顯的特點為:備料時產生高濃蔗渣噴淋廢水,榨季高峰時段COD達到7000~8000mg/l,酸性大、易腐蝕設備和場地。為了處理這些廢水,2006年廣西粵桂曾投資了2600萬元,在行業中,首次建立了專門處理蔗渣噴淋廢水的IC厭氧處理系統。此后,該系統陸續在行業推廣普及,成為以蔗渣為制漿原料的新廠或舊廠的環保治理基本配套設施。盡管解決了噴淋廢水污染,但是IC厭氧處理系統日常運行費用,達到污水處理成本1.5元/m3。而新鮮蔗渣直接蒸煮制漿,無需噴淋水環節,無該使用的新鮮蔗渣噴淋水污水處理費用。以往的濕法備料制漿,蔗渣堆垛和儲存期間,按比較節水的12h/d噴淋方式,最終噸漿耗清水10t左右計算,即噸漿產10t噴淋廢水,則平均每天產絕干漿250t計算,新鮮蔗渣直接蒸煮制漿,可節約污水處理費用3750元/天。一個榨季4個月(春節假日除外)約110天,可節約污水處理費用41萬元。

           

          5  結論和建議

              5.1新鮮蔗渣直接蒸煮制漿的方式在生產實踐中證明是可行的。是有別于以往的干法備料制漿和濕法備料制漿的方式。漿質量與以往的濕法備料制漿無明顯區別。

              5.2新鮮蔗渣借助于黑液,實現蒸煮的合理液比,能夠減少進入蒸煮系統的水量,每使用100t(50%水分)原料,相比濕法備料制漿,可減少約70m3的稀黑液量,減輕堿回收的蒸發負擔,節省大量的蒸汽消耗。

              5.3新鮮蔗渣直接蒸煮制漿,由于備料方式的改變,無需淋水,無需發酵,因而可解決以往原料短缺,榨季到來之后原料又不能立即使用的技術難題,同時可減少所使用的新鮮蔗渣的噴淋污水處理費用。

              5.4新鮮蔗渣添加黑液的蒸煮方式,同樣可適用于橫管式連續蒸煮,只需在加蒸煮液的地方進行稍微改造即可。

              5.5由于以蔗渣為制漿原料的漿廠,甘蔗渣的貯備主要集中在每年榨季中的3~4個月,因此采用新鮮蔗渣直接蒸煮時,每天進場的蔗渣量遠大于使用的量,建議以平衡使用的新鮮蔗渣量作為一個堆放場,按儲存5~7天就循環使用的方式。而額外多出的蔗渣進場量,則還是按濕法備料的方式作為另外一個堆放場,進行堆垛噴淋和維護。否則無淋水,超過15天后,蔗渣內部溫度迅速上升,可高達60~70℃左右,造成蔗渣原料的損失。

           

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