BCTMP生產線的技術改造

焦 健 劉燕韶 李 剛 盤愛享 鄧擁軍 張鳳山 房桂干，，*

（1.中國林業科學研究院林產化學工業研究所，國家林草局林產化學工程重點開放性實驗室，生物質化學利用國家工程實驗室，江蘇南京，210042；2.南京林業大學林業資源高效加工利用協同創新中心，江蘇南京，210037；3.山東華泰紙業股份有限公司，山東東營，257335）

近20 年來，我國化機漿產業發展迅速，年產量已達700 萬t。生產線產能規模多為10 萬t/a 以上，部分新建的單線產能已達25 萬～30 萬t/a，生產工藝以漂白化學熱磨機械漿（BCTMP）和預調理盤磨化學處理堿性過氧化氫機械漿（P-RC APMP）為主。隨著化機漿生產技術的不斷發展和使用經驗的持續積累，化機漿高松厚度和不透明度的特性得到了充分發揮，紙漿廣泛應用于低定量涂布紙、超級壓光紙、輕型紙、白卡紙和液體包裝紙板原紙等高檔紙產品[1]。

化學機械法制漿是結合了化學預處理有效軟化物料與機械研磨解離纖維（解離+內、外帚化）兩種作用的高得率制漿方法。纖維原料經輕度的化學浸漬，得到適度軟化后在高濃狀態下被盤磨機解離為紙漿。良好的化學預處理效果是獲得理想磨漿效果的保證。如何在化學品用量較少的情況下，取得盡可能均勻的化學品浸漬軟化效果是化機漿生產工藝控制的關鍵點之一。這就對纖維原料的品質控制提出了較高的要求。一般情況下，纖維原料的新鮮程度越好、基礎白度越高、基本密度越低，生產線的工藝控制靈活度就越高，紙漿質量越好[2]。目前，原料結構特點對化機漿工藝的影響主要有以下兩方面。

（1）原料成分

眾所周知，不同種類纖維原料的基本密度、化學物質組分、纖維細胞結構均有其各自特點。同一物種，不同產地的生長環境、存儲條件各異，也會造成纖維原料的水分、抽出物各異。這些基礎屬性的差異均會影響化學品的均勻滲透。目前主流的化機漿制漿工藝均采用壓縮螺旋對纖維原料進行物理擠壓預處理，目的是排出纖維細胞中的空氣，適度破壞纖維原料結構，提高物料比表面積以幫助化學品均勻浸漬。當原料基本密度差異較大時，密度低的原料受擠壓發生形變的劇烈程度往往高于密度高的原料，這種情況在擠壓螺旋壓縮比較低時更為明顯。這不僅不能改善物料結構的均一性，反而會進一步惡化化學品的滲透狀態。

（2）原料新鮮程度

一般情況下，連續的水相環境有利于化學品在纖維細胞中的快速均勻擴散。因此，纖維原料的新鮮程度越高，纖維細胞腔越接近水飽和狀態，化學品滲透的均勻性越好。當纖維原料因長期存放脫去游離水后，原細胞組織液中的各種可溶性物質沉淀板結于細胞內壁，經氧化和微生物作用后，此類物質往往表面呈疏水性，阻礙預浸藥液的滲透。此外，長期暴露在露天料場的纖維原料也會發生腐爛現象，嚴重時會進一步發生熱解作用。各類生物代謝產物和氧化熱解反應產物分子質量較小，結構相對簡單，在纖維原料接受化學處理時更容易發生化學反應。此類物質不僅降低了化學品處理效率，還會影響成漿的物理性能和光學性能[3]。

相對于日益增長的紙漿產能，國內的木材資源匱乏，多數企業難以保證穩定的優質新鮮纖維原料供應。目前的替代品主要有進口商品木片、枝椏材、小徑材等林木剩余物。原料結構的復雜多變，向生產線的工藝調整、綜合成本管理和成漿質量控制提出了挑戰[4]。

1 解決復雜原料結構問題的措施

解決上述技術問題的關鍵是如何均一化處理屬性各異的多種類纖維原料，實現化學品的均質預浸。主流BCTMP 工藝采用了螺旋錐軸直徑先變大后變小的方案，利用螺旋螺距逐漸變小的變徑變距單螺旋擠壓機對木片進行擠壓撕裂。我國現階段化機漿原料以闊葉木為主，原料基本密度大、硬度高。壓縮比較小的單螺旋擠壓機難以滿足纖維原料均勻撕裂的工藝要求。

雙螺桿加壓浸漬器（Twin Screw Pressurized Impregnator，TSPI）是專為低成本、高效率地揉搓木質原料、實現物料均勻浸漬而設計的新型化機漿磨前預處理設備。TSPI 的揉搓擠壓處理可以適度破壞物料生物學組織結構，去除胞腔結構中的空氣和可溶性抽提物，增加物料的比表面積，提高吸液能力[5]。該設備采用模塊化設計，通過調節反壓螺套的開口尺寸和處理段數，可以將片狀物料解離為桿狀、針狀以至絲狀狀態，能夠滿足不同類型盤磨對進料狀態的需求。已有的生產應用證實，TSPI 處理可以顯著提高纖維原料的吸液能力。具體效果見表1。

表1 TSPI處理對幾種纖維原料吸液能力的改善效果Table 1 Improvement effect of TSPI treatment on the liquid absorption capacity of several fiber materials

良好的吸液能力是實現化學品均勻浸漬的保證。由表1 可以看出，不同種類的纖維原料經TSPI 處理后，吸液能力得到了顯著提高。其中，楊木吸液能力提高了25.6%～289.6%、桉木提高了26.8%～313.4%、毛竹提高了70.3%～508.1%。需要注意的是，TSPI 處理的強度需要根據后續盤磨對進料狀態的技術要求和運行成本綜合考慮確定[6]。

2 BCTMP生產線改造實例

山東某造紙企業BCTMP 生產線于2006 年4 月建成投產，原以山東地區種植的速生楊木為主要原料，設計產能10萬t/a，生產白度66%～80%的漂白楊木化機漿。近年來，我國化機漿產能增長勢頭強勁，導致制漿原料供應緊張。該生產線被迫使用多產地多種類林木剩余物以緩解原料供應不足的問題。復雜的原料結構導致該生產線運行出現波動，木片化學品浸漬效果差、化學品用量大、磨漿能耗過高，進而引發了纖維解離不充分、漿料纖維間結合能力弱、成漿纖維束含量過高、廢水污染負荷高等問題。影響了該企業抄紙車間自產化機漿的應用比例，企業綜合運營成本居高不下。

經中國林業科學研究院林產化學工業研究所（以下簡稱林化所）中試驗證和多方技術論證，該造紙企業決定對原生產線的工藝流程及設備布置進行技術改造，改造技術方案由林化所提出，并提供工藝設計，以期實現對多種類林木剩余物的均質化處理。在不改變化學品用量的前提下減少磨漿能耗，降低成漿纖維束含量，提升漿料強度指標，改善紙漿質量的目標。

改造后的BCTMP 生產線工藝流程圖如圖1 所示。具體流程為：合格木片經洗滌、汽蒸后，加入適量化學藥品進行一段預浸，停留10 min 后，經TSPI 處理并加入二段浸漬需要的化學品，物料在反應倉停留20 min后，送入高濃磨進行單段高濃壓力磨漿；所得漿料經噴放、熱交換后加入過氧化氫、氫氧化鈉、硅酸鈉、螯合劑進行高濃漂白；漂后紙漿經消潛稀釋后送至并聯的3臺低濃盤磨機。磨后紙漿經篩選后良漿送至多圓盤過濾機洗滌，篩渣經篩渣磨處理后送至消潛池，洗滌后的良漿送至雙輥擠漿機完成濃縮后，成漿在中濃漿塔內儲存備用。

圖1 改造后的BCTMP生產線工藝流程圖Fig.1 Updating diagram for the BCTMP production line

改造完成后，系統按照原有的工藝參數運行穩定。TSPI 處理后的物料比表面積增大，吸液能力增強，高濃盤磨進料螺旋料塞狀態發生較大變化。為了保證高濃壓力盤磨的穩定運行，增加了高濃磨的稀釋水流量。連續跟蹤檢測48 h 后發現，綜合能耗由1400 kWh/t（絕干）降至1100 kWh/t（絕干），降低了21.4%。

經過TSPI 的均質化處理，物料能夠更好地吸收浸漬藥液，得到充分的潤脹軟化。尺寸均一，浸漬充分的物料也利于盤磨的機械能均勻地施加在物料表面。從改造前后高濃盤磨出口漿樣特性指標（見表2，圖3和圖4）可以看出，改造前，高濃磨出口漿料游離度484～521 mL CSF，纖維束含量4.13%～5.85%；改造后高濃磨出口漿料游離度566～660 mL CSF，纖維束含量2.34%～3.84%。改造后，高濃磨段在出口漿料游離度更高的情況下實現了纖維束含量的下降，從而可以使用更少的磨漿能耗取得更好的磨漿效果。

圖2 改造前后高濃盤磨出口漿料白度比較Fig.2 Brightness comparison of the primary refiner outlet pulps

圖3 改造前后高濃盤磨出口漿料游離度比較Fig.3 Canada standard freeness comparison of primary refiner outlet pulps

圖4 改造前后高濃盤磨出口漿料纖維束含量比較Fig.4 Shives content comparison of primary refiner outlet pulps

TSPI 的處理流程為先擠壓揉搓后加藥混合，可以在一段工序中實現可溶性抽提物的除去、物料的均質化處理和藥液的充分混合；不僅有效地提高了化學品的處理效率，而且將原料中可溶性有色物質提前排出系統。因此，在浸漬段化學藥品用量相當的情況下，改造后的系統，高濃磨出口漿料白度明顯上升，由31.4%～36.0%提升至41.2%～46.7%（2 天同樣時刻進行取樣，下同；如表2、圖2所示）。

表2 改造前后高濃盤磨出口漿樣特性指標Table 2 Properties of outlet pulps of the primary refiner before and after transformation

在試運行調試過程中，根據下游紙機的要求，紙漿白度控制在68%以上。由于強化預浸漬后提高了化學品效率，高濃盤磨出口漿料白度上升，給漂白段化學品用量的調整提供了空間。在試運行階段，根據成漿白度的變化，適量減少了過氧化氫的用量（表3）。

表3 改造前后化學品用量變化Table 3 Comparison of chemical usages before and after updating

表4、圖5～圖7 為改造前后成漿特性指標的變化。預浸漬段效果的改善提高了高濃盤磨的處理效果，為漂后低濃磨發展漿料強度提供了良好條件。系統不再需要為控制纖維束含量而被迫提高磨漿能耗，犧牲紙漿的松厚度。對比改造前后紙漿物理性能（表5）可以看出，系統改造后，在NaOH 用量保持不變，H2O2用量、磨漿能耗降低的前提下，紙漿物理性能得到了顯著提高。在較高游離度和松厚度的情況下，耐破指數提高了29.5%，撕裂指數提高了15.9%，抗張指數提高了19.2%，同時纖維束含量控制在0.08%以下，滿足了該造紙企業文化用紙、新聞紙車間的用漿需求。該企業的文化用紙、新聞紙生產線的自產化機漿添加比例由改造前的10%提升到了25%。這主要歸因于通過強化物料預浸漬段的處理，提高了預浸漬段化學品的反應效率，物料在進盤磨前得到均勻地適度軟化，有利于在磨漿時盡量減少切斷纖維，分配更多的能量強化分絲帚化效果、提高紙漿強度。

表4 改造前后紙漿特性指標Table 4 Properties of pulp samples before and after updating

表5 改造前后紙漿物理性能比較Table 5 Properties of pulp samples before and after transformation

圖5 改造前后紙漿白度比較Fig.5 Brightness comparison of pulp samples

圖6 改造前后紙漿游離度比較Fig.6 Canada standard freeness comparison of pulp samples

圖7 改造前后紙漿纖維束含量比較Fig.7 Shives contents comparison of pulp samples

本次改造完成后，新系統在原有工藝參數下運行，取得了滿意的運行效果。后續的優化工作將側重于根據紙機不同產品對化機漿物理光學指標的要求，優化制漿工藝，調整各段化學品用量及添加比例，控制綜合成本，提供合格產品，爭取完全替代紙機車間進口闊葉木化機漿，為企業降低綜合成本，創造更大的經濟效益。

3 結論

木材資源短缺，原料構成復雜將是相當長一段時間內國內化機漿生產企業需要面對的問題。國產設備雙螺桿加壓浸漬器能夠對組成結構復雜的原料進行均質化處理，提高原料的吸液能力，幫助化學品均勻滲透，有效降低原料組成結構差異對生產線穩定運行的影響。

山東某造紙企業BCTMP 生產線改造完成后，各項監控測試結果表明，在預浸漬段加入一段TPSI 揉搓處理后，提高了預浸漬段化學品的反應效率，緩解了高濃盤磨的處理壓力，系統不再需要為了控制纖維束而消耗過多能量，噸漿能耗相比改造前降低了21.4%，成漿纖維束含量控制在0.08%以下。成漿游離度由315 mL CSF 提高到365 mL CSF，松厚度提高了12.0%，耐破指數提高了29.5%，撕裂指數提高了15.9%，抗張指數提高了19.2%，紙漿物理性能得到明顯改善。

該造紙企業的文化用紙、新聞紙生產線的自產化機漿添加比例由改造前的10%提升到了25%。此次改造不僅有效解決了因原料成分復雜導致的一系列生產技術問題，還降低了綜合運行成本，為國內化機漿制漿企業的生產線升級改造提供了借鑒。