在靠近流漿箱處淀粉和填料同時混合工藝

尤尼·馬杜拉

(芬蘭溫德造紙濕部技術公司，芬蘭)

在靠近流漿箱處淀粉和填料同時混合工藝

尤尼·馬杜拉

(芬蘭溫德造紙濕部技術公司，芬蘭)

采用閃急混合工藝使得在最接近流漿箱處向漿料中加入助留劑和施膠化學品等造紙添加劑，并使之迅速和有效地混合。這項多功能混合技術可以做到在同一地點同時將填料、助留劑一起加入到流漿箱中。該工藝操作簡單，具有非常短的響應時間，填料留著率更高，紙張性能更優越。由于減少了添加劑在過程中的循環，響應時間非常快速，減少了傳統混合過程的水或濾液的量，從而降低了能源消耗，降低了添加劑用量并使工藝過程凈化。

閃急混合;添加劑;快速響應

最新的研發結果是淀粉的迅速混合或在流漿箱喂料泵前同時使淀粉和填料迅速混合，并且同時添加助留劑。目前這種工藝運用于連續生產過程中，效果是淀粉用量降低20%，助留劑用量降低30%～40%，成紙的質量如勻度、強度以及脫水性能得以改善或保持不變，總的凈效率提高。

采用新型的淀粉和填料添加系統使得整個濕部過程更高效、更簡單、更易于管理。

淀粉用于造紙過程給紙張提供功能性并可節省過程的助劑。對于加填的紙張，淀粉是繼水、纖維和填料之后占有最高比例的輔料。在造紙過程中是否使用淀粉取決于紙張的種類、其他原材料的使用、造紙技術以及紙張的最終性能。含有較多礦物填料的紙種需要使用較高含量的淀粉，以滿足該紙種的強度性能和印刷性能。

全世界造紙工業每年淀粉總用量為500萬～600萬t。在北美和歐洲最常用的是改性淀粉，改性淀粉不僅能提高生產率，而且能提高紙張的質量。在亞洲，改性淀粉的應用正在逐步增長。采用淀粉可改善紙和紙板的抗張強度、結合強度和挺度，并且可改善細小纖維和添加劑的留著、漿料的內部施膠程度、紙和紙板的勻度和印刷適應性。在濕部使用改性淀粉，用較多的低成本填料來替代昂貴的纖維可以降低成本［1］。

傳統上，增強淀粉添加在混合漿池中，混合漿池中的漿料濃度為3.5%～4.0%，在成形部脫水有一段很長的延遲時間。在漿池和在前往流漿箱的管道中漿料和淀粉隨意地混合。

1 靠近紙機流漿箱處的短循環過程

如果添加劑的加入點遠離流漿箱，將會出現某些嚴重的缺陷。

添加劑以不同的pH值、溫度、濃度和化學組分加入工藝生產過程中，長的延滯時間使添加劑與漿料組分長時間在一起，并隨意地與擾動的膠體物質及夾帶的氣泡碰撞，發生不受控的反應，出現不利生產的結果。

紙機短循環過程的幾個循環回路使化學品保持循環。圖1所示為循環回路和添加劑通過流漿箱堰唇的首程到達率。

圖1 紙機短循環過程不同的循環回路

如果添加劑加在混合箱里，只有接近50%的量作為首程通過的流體直接進入流漿箱，而有50%之多的量在過程回路中循環。延滯時間過長使循環減緩，生產調節變得更加困難。長的滯后時間、部分流體復雜的再循環使得整個過程變得復雜化，很難預測化學反應和濕部表面化學，特別

是在過程平衡不佳的情況下。由于這些因素，系統清潔狀況也可能全面受到污染，過程會在不受控制的情況下產生沉積［2］。

圖2所示為大型印刷紙種紙機濕部化學品模擬的作用時間變化。

淀粉或任何其他添加劑 (如填料)加入到濃漿池中，圖2(a)所示為添加劑在流漿箱堰唇出口的作用時間分布。作用時間分布是從幾分鐘到1 h、作用時間峰值范圍接近于4～13 min，到達量小于總量的6%。如果添加劑加在混合箱，添加劑的作用時間甚至接近于15～60 min之久。

圖2(b)所示為添加劑在流漿箱之前2 s的時間以閃急混合方式加入流漿箱的作用時間分布。當流漿箱中的漿料通過堰唇時，接近90%的添加劑作用時間低于1 min，實際上只有3～5 s。

添加劑通過流漿箱在循環回路循環進入過程的最長時間不超過8 min，與添加到濃漿中相比，添加到接近流漿箱處的化學品更新鮮。

就添加劑加到靠近紙機附近的系統而言，添加劑加到濃漿中，有如下幾項缺點。

(1)淀粉的情況

①在白水和工藝過程早期階段已制備好的漿料中具有較高的淀粉含量。

②增加生物活性。

③紙機過程白水BOD負荷高。

④長的延遲時間造成過程控制響應時間慢以及紙種轉換時間長。

⑤降低系統的清潔度、結垢、生成沉積和塵埃。

⑥通過循環回路的出口淀粉損失大。

⑦當化學品調整和自調整時，出現失控和隨機無序的反應以及化學不穩定性。

(2)填料的情況

漿料中含有大量溶解和膠體物質 (DCS)。取決于填料的類型和質量，填料具有很強的能力在其表面吸收DCS。這將降低填料的白度，并且還會改變填料組分的留著性質。其程度取決于定著在原生纖維上的量，即填料顆粒與漿料和DCS接觸多長的時間，有多少填料在過程閉環中循環。如果留著率很低，要增加填料顆粒的再循環［3］。

①長的延遲時間使得過程控制響應時間緩慢，紙種轉換時間長。

②降低系統的清潔度，使系統結垢、生成沉積和塵埃。

③通過循環回路出口如錐形除渣器的填料損失大。

④填料加到高濃漿料中，將在填料顆粒上聚集松散塵埃和DCS，使得白度降低和降低留著率。

2 單獨淀粉的閃急混合或淀粉與填料同時在靠近流漿箱處的閃急混合

溫德造紙濕部技術有限公司 (Wetend Technologies Ltd)開發出一種閃急混合 (TrumpJet)概念，能夠以快速和高效的方式使添加劑與漿料混合。通常所說的混合是漿料、填料和濕部添加劑在到達流漿箱進漿口之前已完成的混合。創捷閃急混合工藝運用流漿箱入口循環的漿料作為噴射流體，在低于2s的時間內就能完成混合。可以在上漿壓力篩的出口與流漿箱進漿匯集處之間設置2個混合站。

該技術使得在流體混合進入主過程之前有機會在很短的時間內同時混合添加劑或將添加劑預攪拌在一起。在靠近流漿箱處以相同的方式將淀粉和填料帶進混合點，進入工藝過程中。

2.1 單獨淀粉或淀粉與填料的閃急混合實驗室實驗

實驗室實驗的目的是為了研究改變原淀粉或改性淀粉混合點的可能性，將原淀粉或改性淀粉的加入點從高濃箱或從混合泵 (沖漿泵)抽吸作用點改到流漿箱篩選前靠近流漿箱處，以及2種或3種助留劑組分、施膠劑在篩選出漿口混合加入之前，此處是確定了目標位置的流漿箱進漿泵 (上漿泵)的抽吸作用點。實驗室實驗采用的是MBF實驗室設備，在芬蘭Savonlinna的 Lappeenranta技術大學的纖維實驗室(FiberLaboratory)進行的。漿料和白水來自于高級紙和SC雜志紙造紙生產線。

淀粉通常可改善留著、抗張強度和光學性能。在生產高級紙和雜志紙過程中，通過淀粉的閃急混合進入到目標混合點，與傳統方式混合進入到漿料中進行比較，前者獲得了更好的實驗結果。

隨著淀粉和填料的同時閃急混合，首次用的新鮮填料具有非常高的留著率，并且由于過程中短的延遲時間，新加的填料沒有時間在其顆粒的周圍捕集DCS物質，從而抄造的紙張能獲得較好的光學性能。

圖3 生產高級紙的情況

圖3和圖4所示為實驗室實驗結果。

圖3(a)的曲線1為填料和淀粉同時加入與來源于參考文獻的曲線2的比較。由圖3(a)可知，淀粉加入量為2 kg/t時，填料和淀粉同時加入抄造的紙張具有較高的強度，其強度遠遠高于相同填料用量時淀粉加入量為4 kg/t(曲線2)所獲得的值。

圖3(b)中，填料和淀粉同時加入所抄造的紙張白度稍高些，尤其是相同填料用量時，淀粉加入量為2 kg/t比參考文獻淀粉加入量為4 kg/t的紙的白度更高。

由圖4可知，當助留劑和填料采用閃急混合方式同時混合加入，填料的留著率提高近10個百分點。

與傳統加入點相比，兩種加入方式抄造的紙張實驗結果總結如下。

(1)較好或相同的白度和光散射值。

(2)改善了強度性能 (相同的填料用量下)。

(3)淀粉用量降低30%～50%(在相同的紙張強度值情況下)。

圖4 填料留著率情況

(4)閃急混合還消除了所有加入點稀釋水的使用。

在以前的實驗室實驗中已發現，與填料在助留劑的混合點之前或之后分開加入相比，加入助留劑(聚合物或淀粉)的同時加入填料，很短的延遲時間就進入流漿箱，將具有較好的填料留著率。這個結果說明了填料和淀粉同時混合加入的重要性。在同一時間內將助留劑閃急混合加入也是很重要的［3-4］。

2.2 3套混合站 (A，B，C)及其應用結果

基于成功的實驗室結果，淀粉和填料閃急混合站在高級紙造紙機上安裝使用。

圖5為3套混合站及組合示意圖。創捷閃急混合站C安裝在流漿箱進漿泵的真空側。噴射和混合媒介是循環的流漿箱進口漿料。漿料來自于流漿箱進漿泵的壓力側，如圖5(a)所示。同時安裝淀粉和填料混合站，從而實現助留劑的混合工藝過程 (A+B)，如圖5(b)所示。

當閃急混合概念被很好地運用時，就有可能使幾種濕部添加劑通過樹狀混合站進料并徹底混合。如圖6所示。

A站:微顆粒或納米顆粒與微聚合物或任何其他聚合物(APAM)一起。

B站:陽離子 (CPAM)助留劑聚合物與ASA或AKD施膠劑或只與APAM一起。

C站:改性淀粉和填料 (填料也可以加在A或B站)。

世界上車速最快的造紙機在中國，大約4年前，該紙機上安裝了2套TrumpJet?站用于混合助留劑聚合物、ASA施膠劑 (B站)、膨潤土和微聚合物 (A站)。基于實驗室實驗結果，工廠安裝了1套新的創捷系統也用于混合淀粉和填料 (C站)。工藝過程非常緊湊，如圖6所示。運行結果如下:

(1)淀粉用量降低20%。

(2)在相同的總留著率和填料留著率情況下，CPAM用量降低30%～40%，APAM用量降低30%～40%。

(3)由于減少了除渣器對新鮮填料的篩除，改善了錐形除渣器的運行性。

(4)光學增白劑用量略有降低。

(5)勻度不變。

(6)縱橫向抗張強度略有提高或保持不變，內結合強度不變。

(7)橫縱向全幅脫水不變。

(8)總的凈效率增加。

該生產線生產高級紙，產量為35萬t/a，運行車速1700 m/min。安裝了3套創捷閃急混合站后，徹底去除了用于化學品的稀釋水。避免了每年近100萬t的新鮮水消耗，年節約能源近33000 kWh，降低CO2排放2 萬 t。

圖7 礦物填料流經成形網其留著率30%與留著率40%的比較

2.3 填料留著的重要性

新的技術可以控制和調節填料的留著率，在不損失成形性的前提下還能改善留著率。添加劑的用量比以前減少，纖維結構保持較好的質量水平。

采用新技術可以使工藝過程比較清潔，填料在系統中的循環減少，大部分填料留著在原生漿纖維上從而留在紙幅中改善白度，甚至由于在過程閉環中填料流失較少而節省了填料的用量。

圖7所示為填料留著情況，如果填料的留著率能從30%提高到40%，那么，填料流過網部流失的量將從700 t/d降低到450 t/d，降低了250 t/d。

日本的一條產量為450 t/d的高級紙生產線，采用了閃急混合的新技術后，成形網的壽命得到延長［5］:

(1)網子壽命從90天延長到120天。

(2)所需的網子織物套數每年從4套降到3套。(3)每年的停機周期從12次降到9次。上述結果也改善了生產線的凈生產效率。

3 結論

創捷閃急混合工藝以機械的方法改善了濕部過程化學、效率和可持續性。

通過閃急混合使之有可能將最重要的添加劑在最靠近紙機流漿箱和成形部處加入，這些添加劑包括淀粉和填料，在紙幅成形過程的前3～12 s內，將這些添加劑不被污染地噴射和混合進入漿料中。以機械的方法來改善造紙濕部化學和原料平衡是可行的。

這種新的技術使得添加劑用量降低、紙張質量提高、系統的清潔度以及生產的凈效率提高。總的結果是節省了成本。

該技術最重要的結果是消除了添加劑稀釋用新鮮水或濾液的使用，從而達到節省能源、降低CO2排放、實現環境友好和可持續發展的目的。

所有這些表明，該技術以非常經濟可行的方式對濕部過程和添加劑的使用進行了管理。

［1］What you need to know about starch in papermaking:Tappi Solutionsfor People，Processes and Paper;August 1，2005;Ashok Kumar Mishra．

［2］Flash Mixing，fast and simple way to introduce wet end additives efficiently into papermaking process;Jouni Matula，Wetend Technologies Ltd;Savonlinna，Finland;2008．

［3］Advanced use of filler close to headbox together with retention aid additives with TrumpJet Flash Mixing system;Jouni Matula，Wetend Technologies Ltd;Savonlinna，Finland;2007．

［4］Flash Mixing of Starch;Graduation work of Jani Sanio，Saimaa University of Applied Sciences;2009．

［5］Cost savings with an effective chemicals mixing system at Mitsubishi Paper Hachinohe mill PM7 Jouni Matula，Wetend Technologies Ltd，Finland;Keiichi Sato，Ryohei Watanabe，Mitsubishi Paper Mills，Hachinohe mill，Japan;2008

Mixing Technology of Starch and Filler Simultaneously Close to the Headbox

Jouni Matula
(Wetend Technologies Ltd．，Finland)
(E-mail:min．zhang@wetend．com)

During the past several years it has been consistently studied and developed concepts to bring filler and different chemicals from thick stock area and from early stage wet-end process closer to the headbox feed area．An immediate and effective mixing with flash mixing process makes it possible to inject papermaking additives e．g．retention aid and sizing chemicals into stock very close to the headbox．The developed versatile mixing technology makes it possible to mix also filler into headbox feed stock simultaneously and together with retention aid agent at the same location．As a result the process is simpler，it has a very short response time，filler retention can be better and sheet properties develop positively．In combination with fast TrumpJet?Flash Mixing process targeted results are reduction in consumption of additives，improved efficiency and cleanliness of the process due to reduced circulation of additives in the process，much faster response time and reduced energy consumption together with eliminated use of water or filtrate used conventionally in mixing．Objective is to improve chemistry and process with mechanical means．

flash mixing;additives;short response time

TS753

B

0254-508X(2012)07-0052-05

2012-03-02

尤尼·馬杜拉先生，現任芬蘭溫德造紙濕部技術公司CEO。

(責任編輯:馬 忻)