強韌竹木混合未漂長纖漿生產實踐

劉平原 原兆兵 周鯤鵬 徐應盛 邱鵬福 周嘉瑋

（湖南駿泰新材料科技有限責任公司生物基材料研究院，湖南懷化，418005）

我國是世界上紙和紙板生產與消耗大國，隨著“禁廢”令全面實施及“雙碳”目標推進，加上國外對原木出口政策的收緊，我國制漿企業面臨的木材原料尤其是針葉木原料短缺的結構性矛盾日益突出，這對我國制漿造紙行業的安全運行已經構成了威脅[1]。

第9次全國森林資源清查結果顯示，我國竹林面積達641萬hm2（其中毛竹林為467.78萬hm2），占森林總面積的2.94%，竹林生物量為4.22億t（其中毛竹林生物量為3.30億t），主要分布在福建、江西、浙江、湖南、四川、廣東、安徽、廣西8省、區。有關研究報道，竹林具有很強的固碳能力，集約經營楠竹林每公頃每年碳匯超過12.7 t，具有顯著的可持續再生利用特性[2-3]。

雖然竹木制漿造紙在我國有悠久的歷史，竹纖維又具有天然抗紫外線、抑菌、吸濕等功能[4-5]，加之竹子屬非木纖維，每年會自我更新，無需重新栽種，3~4年就可以砍伐利用，具有低碳環保、可持續發展的獨特優勢，有助于制漿原料的安全獲得，但受裝備、工藝、環保等制約，我國竹漿產量不高，且竹漿企業主要集中在四川。根據《中國造紙工業2020年度報告》分析，竹漿在國產紙漿中的占比僅2.15%，遠低于木漿的14.6%。竹木通常被漿紙企業用來單獨制漿，如四川永豐紙業、貴州赤天化紙業、重慶理文紙業等；也有漿紙企業將其與闊葉木混合制漿或單獨制漿混合漂白的，如廣寧鼎豐紙業、贛州華勁紙業等。由于竹木與針葉木物化性質相差較大，鮮有使用竹木與針葉木混合生產商品漿。鑒于毛竹制漿存在得率低、雜細胞含量高、設備結垢、白泥回收困難等方面的問題[6-8]，需要在竹木備料以及竹木混煮、混漂、篩分等方面采取針對性措施，以實現竹漿高值化應用。

湖南是我國楠竹（phyllostachys pubescens，又稱毛竹）資源大省，而省內岳陽林紙與懷化駿泰科技每年又需從外地采購大量木片，利用湖南豐富的楠竹資源，替代部分針葉木，開發強韌竹漿助力湖南制漿造紙行業可持續發展，具有十分重要的意義。

1 實驗與中試生產

1.1 實驗原料及試劑

試生產所用竹木片全部為楠竹，取自懷化、常德、益陽等地，大部分為加工剩余料削片，少部分為新鮮大徑楠竹削片；試生產所用馬尾松木片取自湖南、貴州、廣西等，均為馬尾松原木加工剩余料削片。

蒸煮用白液為湖南駿泰新材料科技有限責任公司（以下簡稱駿泰新材料）堿回收自產。

1.2 儀器與設備

木片分析實驗篩（PSFM-20，新鄉新平航空機械有限公司）；自制仿真實驗釜（JSC150，有效容積150 L，見圖1）；PTI篩漿機（P40170.E000，規格0.2 mm，美國MK公司）；常規紙頁成型器（2545，日本KRK公司）；PFI盤磨機（2511，日本KRK公司）；白度測定儀(70，瑞典L&W公司)；抗張強度測定儀(62，瑞典L&W)；耐破度測定儀(180，瑞典L&W公司)；撕裂度測定儀(9，瑞典L&W公司)；纖維分析儀（912，瑞典L&W公司）。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗室蒸煮、洗篩及氧堿脫木素

由于不同品種不同產地竹木物化特性及制漿工藝相差較大，為了保證楠竹與馬尾松混煮試生產的正常運行，先利用自制JSC150仿真實驗裝置（見圖1，按照工廠實際生產流程配置有溫充兼置換黑液罐、熱充黑液罐、白液罐、蒸煮釜和循環泵）進行模擬蒸煮。按楠竹與馬尾松不同配比分別進行蒸煮，先將竹木混合片約40 kg（折合絕干約25 kg）裝入鍋內，然后泵入溫充黑液約100 L，循環約30 min，再按堿分配量泵入白液，接著泵入熱充黑液，最后泵入剩余的白液，將溫充液頂出，進行升溫蒸煮和保溫。按設定H因子完成蒸煮后，用置換液對鍋內漿料進行置換冷卻，置換結束后排汽降溫，最后打開卸料閥門，收集漿樣和黑液進行實驗分析。

圖1 JSC150仿真實驗裝置Fig.1 Simulation experiment device-JSC150

將蒸煮漿樣置于180目的布袋中，邊用手搓揉邊用清水清洗，然后將漿料放到PTI篩漿機中進行篩選，收集細漿和漿節漿渣。

將篩后漿料調節至漿濃10%裝入氧脫反應釜內，通氧升溫進行氧脫木素，結束后排汽卸壓降溫，取出漿樣用清水洗滌備用。

通過對不同蒸煮用堿量、蒸煮堿分配、H因子、氧壓、氧脫木素用堿量及溫度等參數的優化，確定不同竹木配比條件下最佳蒸煮與氧脫工藝參數。

1.3.2 漿料篩分

分別用150目、360目金屬網對漿料進行篩分，采用纖維分析儀對留存在不同網目上的漿樣進行纖維形態分析。

1.3.3紙張性能檢測

紙漿卡伯值（硬度）、抗張指數、撕裂指數、耐破指數、灰分、黏度、白度分別按國家標準GB/T 1546—2018、GB/T 12914—2018、GB/T 455—2002、GB/T 454—2020、GB/T 742—2018（575℃）、GB/T 1548—2016、GB/T 7974—2013測定。

1.4 工廠中試

原料質量配比為85（馬尾松）∶15（楠竹），采用8×400 m3間歇蒸煮鍋進行蒸煮后，漿料經過除節、洗滌、一段氧脫木素及三段洗滌后送漿板車間抄造。具體工藝流程見圖2。

圖2 漿料經蒸煮洗滌流程圖Fig.2 Flow chart of pulp cooking and washing

2 結果與討論

2.1 原料分析

2.1.1 成分分析

入廠竹木片水分偏差較大，水分含量為18%~49%，主要是竹木片來源不同所致，既有新鮮整竹加工的，也有竹產品加工剩余邊角料切片的；竹木片中粗大片材平均含量低于馬尾松片，但篩后長條含量較馬尾松片高，且不同產地來材差距較大，說明削片質量參差不齊。具體結果如表1和表2所示，其中，粗大片是指截留在孔徑40 mm、縫寬8 mm篩板上的超大超厚片；合格片是指尺寸為7~40 mm、厚度3~8 mm的部分；竹屑/木屑是指通過3.0 mm篩板部分。竹木片整體規格偏小，主要是沒有使用竹木片專用削片設備，且大部分竹木片未經篩選。

表1 竹木片成分占比分析Table 1 Component analysis of bamboo chips %

表2 馬尾松木片成分占比分析Table 2 Component analysis of masson pine chips %

2.1.2 蒸煮白液

取工廠現場白液進行檢測，結果見表3。

表3 蒸煮白液Table 3 Composition of white liquor

2.1.3 組分分析

對不同產地不同原料進行了組分分析，其中竹木片為采購部門寄樣，馬尾松片為湖南駿泰新材料現場取樣，結果見表4。從表4可知，不同產地竹木片灰分、氯離子、SiO2含量相差較大，但都明顯高于馬尾松，懷化楠竹的灰分、氯離子、SiO2含量分別是懷化周邊馬尾松的3.2倍、3.4倍和3.5倍；楠竹聚戊糖及木素含量較高，其密度、1%NaOH抽出物遠高于馬尾松。

表4 不同材種組分分析Table 4 Chemical composition analysis of various raw materials

2.2 仿真實驗

2.2.1 蒸煮工藝

通過大量實驗分析以及相關竹漿企業生產實踐，發現竹木結構致密、蒸煮周期長，大部分竹木雜細胞與1%NaOH抽出物含量均高達25%~30%，且含有一定數量的蛋白質、果膠、淀粉、蠟、脂肪等膠黏類物質[9]。基于上述分析，確定楠竹單獨蒸煮用堿量為16.3%（AA，以Na2O計），馬尾松及木片混合蒸煮用堿量為17.8%（AA，Na2O計），工藝參數詳見表5。

表5 蒸煮工藝參數Table 5 Cooking process parameters

2.2.2 蒸煮漿料及黑液分析

對蒸煮漿料及蒸煮黑液進行檢測分析，結果見表6。從表6可知，盡管楠竹密度大，木素含量高，但在較低用堿量、較低H因子情況下，竹漿卡帕值僅為22，說明楠竹比松木更易蒸煮。隨著竹漿摻配比例增加，蒸煮漿料卡伯值、細漿得率、纖維平均長度等呈下降趨勢，黏度則有所上升，但白度提升不明顯。

表6 蒸煮漿料及黑液分析Table 6 Analysis of cooking pulp and black liquor

2.2.3 打漿與抄片

采用PFI磨將原料打漿至（40±2）oSR，抄片定量60 g/m2，檢測其強度性能，結果見表7。從表7可知，竹漿打漿度上升快，單獨楠竹漿抄片強度尤其是耐破指數較低；在30%配比范圍內，隨著竹漿配比上升，紙張抗張強度呈上升趨勢，耐破度變化不明顯，當竹漿配比達50%時，紙張抗張指數、耐破指數下降明顯。總體來說，在馬尾松中配比小于30%的竹漿，對漿料強度的影響不明顯，但打漿度上升較快，同樣叩解度下所需打漿轉數明顯低于松木漿，這與相關研究結論一致[10]。

表7 不同竹漿配比紙張強度Table 7 Paper strength of different proportion bamboo pulp

2.2.4 竹漿篩分實驗

為了檢驗雜細胞對紙張強度的影響，對柳州撐篙竹制成的漿料進行篩分，并打漿抄片，檢測其紙張強度，結果見表8。從表8可知，竹漿經篩分后，相同打漿度所需轉數明顯上升，且紙張撕裂指數、耐破指數均高于篩分前，尤其是撕裂指數增加明顯。另外，篩分后抄片過程纖維流失明顯低于篩分前。通過顯微鏡進一步觀察，發現這種長約0.4 mm左右的竹漿碎片，大部分呈不規則顆粒狀或塊狀（見圖3），易碎片化，導致打漿度快速上升。

圖3 篩分前楠竹漿光學顯微鏡照片（20×10）Fig.3 Optical microscope of before screening bamboo pulp samples（20×10）

表8 柳州撐篙竹篩分前后紙張強度對比Table 8 Strength comparison of Guangxi bambusa pervariabilis before and after screening

2.3 中試生產

2.3.1 蒸煮與氧脫木素工藝根據仿真實驗結果，同時為避免臘質與樹脂類物質對運行和質量的不良影響，蒸煮時添加了少量樹脂控制劑，采用二段氧脫木素。蒸煮與氧脫木素工藝參數分別見表9、表10。

表9 蒸煮工藝參數Table 9 Cooking process parameters

表10 氧脫木素工藝參數Table 10 Oxygen delignification process parameters

2.3.2 放鍋漿料卡伯值及黑液性質

放鍋漿料和黑液性質分析結果見表11和表12。從表11、表12可知，放鍋卡伯值相差不大，卡伯值均在39左右；松木漿摻配竹漿后，循環殘堿明顯降低，從19.2 g/L下降到17.7 g/L，1#熱充黑液槽殘堿也隨之下降1.0 g/L，說明竹木片在蒸煮過程中消耗了較多的堿；摻配竹漿后黑液成分變化不明顯，但黑液氯離子含量上升較快。

表11 放鍋漿料及黑液分析Table 11 Analysis of cooking pulp

表12 黑液性質分析Table 12 Analysis of black liquor properties

2.3.3 漿節漿渣

圖4摻配竹漿前后漿渣量對比圖。由圖4可知，摻配竹漿后，漿節漿渣量有明顯上升。取渣節量分析，其中竹節竹渣占比很小，主要是木節木渣，說明竹木片在蒸煮時消耗了較多的堿，導致松木片蒸煮不均勻。

圖4 摻配15%竹漿前后篩選渣漿量對比Fig.4 Comparison of knots&rejects amount before and after mixing 15%bamboo pulp

2.3.4 成品質量分析

成品質量分析見表13。從表13可知，摻配15%的竹漿，對成品質量強度及白度等指標影響很小；摻配前后質量改變較大的是紙漿卡伯值，從33.6上升到36.0。這是由于是竹木片規格小、細小組分多，消耗了較多的蒸煮用堿，導致松木片蒸煮均勻性下降，殘余木素高所致。

表13 成品質量主要指標對比Table 13 Comparison of main indicators of product quality

2.3.5 運行分析

竹纖維細胞壁結構與針葉木材差異很大，竹纖維紋孔小且少，不利于蒸煮藥液滲透，生產高卡伯值漿料時漿節漿渣量較高，且竹漿制漿黑液中硅、氯、鉀等含量較高，易引起蒸發結垢、堿爐積灰、石灰窯結圈等問題，此次試生產時竹漿摻配比例控制在15%。生產運行中主要變化為：蒸煮循環殘堿偏低，漿節漿渣量明顯增加；漿料濾水性有所下降，表現在2#DD洗漿機濾液電導率上升，中段廢水CODCr濃度上升；抄漿與堿回收運行未見明顯變化。

2.3.6 中段廢水變化情況分析

中段廢水分析結果見表14。從監測情況來看，摻配竹漿時廢水排放量未見明顯變化，但廢水進水CODCr濃度上升明顯，其中蒸發與木片水洗排放的廢水CODCr濃度變化不大，主要是制漿排放的廢水CODCr濃度上升很快所致。由于此次試生產期間，氧脫木素后1臺雙輥洗漿機因故障未運行，待該臺雙輥恢復正常運行后，制漿排放的中段廢水CODCr濃度將下降，不會影響廢水站正常運行。但在同一工況下，說明摻配竹漿后，漿料洗滌效率下降。

表14 摻配竹漿前后中段廢水CODCr濃度對比Table 14 Comparison of CODCr concentration before and after mixing bamboo pulp

3 結 論

3.1 試生產期間外購的竹木片規格偏小，需改進削片設備以提高竹木片合格率；新鮮楠竹抽出物含量高，需要適當儲存，建議削片后存放30~40天，以降低蒸煮堿耗；竹木片需要進行高效篩選和水洗，盡量減少竹屑及泥沙混入。

3.2 竹木片在蒸煮初期堿耗較高，與其抽出物含量高有關，摻配生產時應注意堿分配，避免循環殘堿過低造成木片蒸煮不均勻，可適當增加熱充用堿量以及熱充黑液量，并盡量將富含抽提物的黑液置換出蒸煮送蒸發。當楠竹漿配比為20%~30%時，合適的用堿量為17.8%~18.2%（AA，以Na2O計），白液硫化度26%~30%，溫充、熱充、蒸煮用堿量配比為15%∶25%~30%∶60%~55%，蒸煮最高溫度158~160℃，H因子1050~1150，漿料卡伯值35~40。

3.3 摻配15%楠竹后，渣節量明顯增加，說明蒸煮均勻性不夠，需要優化用堿量分配，漿料濾水性性能下降，制漿中段廢水CODCr濃度上升較快，需要加強漿料洗滌；摻配比例小于30%楠竹漿對紙張質量影響不大，但在同一打漿度下打漿轉數下降明顯。