打篩模式在造紙法再造煙葉生產中的應用實踐

李 龍 林曉林 張大坤

（上海煙草集團太倉海煙煙草薄片有限公司，江蘇太倉，215433）

“三分抄造，七分打漿”，抄造用漿料質量對紙張品質的影響顯著[1-3]。煙草原料纖維組分較少、薄壁細胞和雜細胞較多[4-5]，盡管煙草原料與傳統造紙行業原料的結構差異較大，但漿料處理方式卻一直延用造紙行業的磨漿機處理模式，存在較為顯著的矛盾問題。若煙草漿料打漿度高、濕重低，則細小組分多、基片勻度好，但可能會造成基片吸收性差，且抄造流失嚴重；若煙草漿料打漿度低、濕重高，則細小組分少、基片吸收性好，但可能導致不規則梗皮數量偏多，造成基片勻度差，影響抄造穩定性[6-8]。如何在保證基片勻度的基礎上有效改善基片的吸收性，是再造煙葉行業一直探索和追求的目標。再造煙葉行業內已對高濃制漿、低濃制漿、煙梗及煙末分開制漿與混合制漿工藝等[9-10]，及打漿的關鍵設備（磨漿機、解纖機）[11-14]、控制參數（流量、濃度、頻率、功率、壓力等）開展了相關的摸索和實踐，但均無法有效解決基片吸收性與勻度之間的矛盾[15-17]。

目前，再造煙葉行業對中濃壓力篩應用和研究主要圍繞壓力篩運行調控[18]、漿料纖維分布及常規物理指標（松厚度、抗張強度等）變化規律開展，并未對漿料關鍵指標（打漿度和濕重）以及產品吸收性開展調控研究[19-21]。因此，為實現煙草漿料“低打漿度，高濕重”有效處理，需系統優化中濃壓力篩在漿料制備工藝中的作用，聯合磨漿機協同弱化對漿料的處理強度，同時避免大尺寸梗皮進入成品漿料。本課題提出“打篩結合”的漿料處理模式（以下簡稱打篩模式），實現有效的“低打漿度，高濕重”處理，兼顧基片的勻度和吸收性等質量指標，對于煙草薄片質量的進一步提升具有十分重要的現實意義。

傳統磨漿機處理模式下，為保證漿料的勻度，需利用機械方式對漿料進行高強度的處理，這會造成漿料中組分的大量破碎，整體形態細小，不利于基片吸收性的改善。在打篩模式下，即采用“先粗打，后篩勻”的思路，其工藝流程如圖1所示，實現對煙草漿料（煙漿）纖維進行選擇性的調控。“先粗打”，指的是整體下調漿料纖維受到的機械做功水平，采用輕處理的方式保持纖維長度，確保漿料“夠粗”；“后篩勻”，一方面指依托中濃壓力篩的選擇性篩選功能對粗渣進行有效攔截，被截留的粗渣回流后重新磨漿，通過篩縫的勻漿則作為良漿進入后道工序使用；另一方面是結合回流立管的“短流程瞬時摻配”功能，及時穩量將粗渣進行回流混配，避免回流渣漿對中間漿罐內物料的干擾和影響，進一步保障篩選后良漿的穩定性。綜上措施結合必要的中濃壓力篩篩縫選型，最終實現煙草漿料的“既粗又勻”處理預期。

圖1 打篩模式工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of refining-screening mode

1 實 驗

1.1 實驗原料

再造煙葉漿料（梗片比5∶5）、煙草薄片基片，基片定量（58±2）g/m2，均取自太倉海煙煙草薄片公司。

1.2 儀器和設備

雙盤磨漿機（DD500，山東晨鐘機械股份有限公司），外流式中濃壓力篩（WS81J，鄭州運達造紙設備有限公司，篩鼓篩寬0.55 mm，棒條寬度3.2 mm，開孔率15.4%），肖伯爾式打漿度儀（SR/P，巴西REGMED公司），紙張勻度測試儀（2D LAB，法國Techpap公司），質構儀（TA.XT PLUS，英國STA?BLE MICRO公司），透氣度測定儀（58-27-00-0002，美國TMI公司），接觸角測量儀（DSA100，德國KRUSS公司）。

1.3 實驗方法

將待測基片在溫度（22±2）℃、相對濕度（65±5）%條件下平衡48 h備用。

1.3.1 透氣性檢測

隨機取10張基片，用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用透氣度測試儀，逐一對10張樣品進行自動檢測，以10個檢測值的算術平均值作為透氣度的檢測結果。

1.3.2 勻度測定

隨機取10張基片，用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用紙張勻度測試儀，逐一對10張樣品進行自動檢測，以10個檢測值的算數平均值作為勻度的檢測結果。

1.3.3 表面摩擦力測定

隨機取樣5張，用裁紙刀制作成20 cm×25 cm樣品。選用質構儀，設置參數為：實驗速度2.50 mm/s，拉力100.0 N，實驗距離80.0 mm；逐一對5張樣品進行自動檢測，以5個檢測值的算數平均值作為表面摩擦力的檢測結果。

1.3.4 吸收性測定

隨機取樣，用裁紙刀制作成10 cm×10 cm樣品。選用接觸角測量儀，接觸角測量范圍0°~180°，分辨率±0.1°，光學放大倍數7倍，攝像系統50幀，吸收試劑為蒸餾水，步進體積0.5 mL，檢測樣品的吸收性。

2 結果與討論

2.1 中濃壓力篩生產運行調試參數

結合上海煙草集團太倉海煙煙草薄片公司實際生產運行需要，通過對壓力篩篩縫、篩選壓力、篩選濃度、篩選回流比等參數的不斷優化，研究得到表1所示中濃壓力篩正常運轉的基本工藝參數，后述涉及的磨漿功率與磨漿機臺數的調整均基于此中濃壓力篩參數。

表1 中濃壓力篩關鍵參數Table 1 Key parameters of medium concentration pressure screen

2.2 打篩模式下磨漿機工藝調整優化

2.2.1 磨漿機功率優化

表2為功率調整前后磨漿機關鍵工藝參數對比結果。在傳統打漿模式下，為避免漿料中不規則梗皮數量過多，需采用1臺一級磨漿機，2臺二級磨漿機串聯的組合形式保持功率穩定，開展磨漿作業，各磨漿機功率均穩定控制在（126.0±3.0）kW范圍內。采用打篩模式，在兼顧磨漿機有效運行的前提下，保持磨漿機數量不變，可將磨漿機功率下調至（117.0±3.0）kW范圍內（降幅7.0%），漿料處理強度有效降低，其余參數變化詳見表2。

表2 功率調整前后磨漿機關鍵工藝參數對比Table 2 Comparison of key process parameters of refiner before and after power adjustment

表3為漿料過程指標對比結果。由表3可知，經過中濃壓力篩的選擇性篩選，壓力篩出口良漿相比傳統成品煙漿，細小纖維比例和打漿度基本持平（降幅分別為3.4%和2.0%），濕重提升1.4 g（增幅50.0%）。表明僅降低磨漿功率，可在一定程度上避免纖維切斷，保留長度，但由于細小纖維會優先通過篩縫進入壓力篩出口良漿中，而打漿度主要受細小纖維比例影響，故壓力篩出口良漿的打漿度會反彈提升，與傳統成品煙漿持平。濕重提升主要是由于輕打工藝降低了磨漿功率，磨漿強度降低，壓力篩入口漿料纖維變得粗長，此時的濕重5.5 g相對于傳統打漿模式下濕重2.8 g提升明顯，壓力篩篩漿后仍保持較高水平。

表3 漿料過程指標對比Table 3 Comparison of processing indicators of pulp

綜上所述，在打篩模式的基礎上降低磨漿功率，可以在穩定打漿度水平的前提下提升濕重指標。

2.2.2 磨漿機臺數優化

基于中濃壓力篩對大尺寸梗皮的有效篩選作用，打篩模式下大膽嘗試在保持功率一致的基礎上減少磨漿機臺數，具體參數如表4所示。不同階段漿料指標變化見表5。由表5可知，傳統成品煙漿打漿度均值46°SR，濕重均值為3.1 g。打篩模式下壓力篩出口良漿打漿度相比傳統成品煙漿下降12°SR（降幅26.0%）；壓力篩出口良漿濕重均值相比傳統成品煙漿提高1.0 g（增幅32.0%）。主要原因是磨漿機臺數減少后，漿料與磨盤接觸的次數顯著下降，漿料被機械反復搓揉的次數減少，細小纖維比例大幅降低（降幅47.6%），纖維平均長度變長（增幅15.0%）及大尺寸（>2 mm）纖維比例顯著增大（增幅164.2%），經過中濃壓力篩的篩選，雖然細小纖維組分優先通過篩縫，導致打漿度有所回升，但整體依然保持在預期水平。

表4 磨漿機臺數調整前后關鍵工藝參數對比Table 4 Comparison of key process parameters before and after adjusting the number of refiner

從穩定性上來看，傳統成品煙漿的打漿度變異系數6.8%，濕重變異系數為6.0%，在保持功率前提下減少磨漿機臺數，漿料處理強度大幅下降，壓力篩入口煙漿打漿度變異系數大幅上升至11.4%，濕重變異系數大幅上升至14.7%，漿料處于非常不均勻的狀態。經中濃壓力篩的選擇性篩選，壓力篩出口良漿打漿度變異系數下降至7.1%，與傳統成品煙漿基本持平；濕重變異系數大幅下降至4.8%（降幅21.0%）。

綜上，采用打篩模式，在保持磨漿功率前提下減少磨漿機臺數，可較好實現“低打漿度，高濕重”的漿料處理預期，且濕重穩定性得到有效改善。

2.3 基片物理性能分析

2.3.1 透氣度分析

經過對打篩模式的制漿工藝優化，本研究基于表6的制漿參數生產制備了基片，并對不同打漿模式下得到的基片的物理性能進行對比分析。

表6 2種制漿模式下磨漿機關鍵參數對比Table 6 Comparison of key parameters of refiner under two pulping modes

基片的透氣度通過在單位時間、固定面積內的空氣量進行衡量，透氣度越高，基片的孔隙率越大，對于涂布液的吸收和縱向遷移有一定的促進作用。圖2為2種制漿模式所得基片透氣度指標對比圖。由圖2可知，傳統打漿模式得到的基片透氣度為2300~2500 mL/min，而采用打篩模式得到的基片透氣度達4000~4200 mL/min，提升幅度達70.0%以上。結合表5分析，主要原因是打篩模式得到的漿料中細小纖維更少，均勻大尺寸纖維比例更高，抄造后所得基片纖維交織更加松散，孔隙中細小纖維減少，整體孔隙率提高。透氣度的顯著提升對于涂布液的滲透和吸收有較好的促進作用。

圖2 2種制漿模式所得基片的透氣度Fig.2 Air permeance of substrates prepared by two pulping modes

表5 不同階段漿料指標變化對比Table 5 Comparison of processing indicators of pulp

2.3.2 吸收性分析

圖3和圖4分別為接觸角檢測過程實拍圖和變化趨勢圖。由圖3可知，隨著時間的推移，液體逐步被基片吸收，液體與基片之間的內夾角逐步減小并達到平衡狀態。由圖4可知，傳統打漿模式下基片的液體接觸角從95°降至50°，耗用時長16 s，變化速率2.8°/s；打篩模式下基片的液體接觸角從97°降至37°，耗用時長13 s，變化速率4.6°/s。相比傳統打漿模式，打篩模式所得基片的接觸角下降了26.0%，接觸角變化速率提升了64.3%，表明打篩模式得到的基片表面親水性更好，更有利于液體的潤濕與吸收。

圖3 接觸角檢測過程實拍圖Fig.3 Real-time shot of contact angle during detection pro?cess

圖4 接觸角檢測過程變化趨勢Fig.4 Variation trend of contact angle during detection process

2.3.3 勻度分析

勻度以勻度指數來表征，勻度指數基于比周長和對比強度的比值關系計算得出，即紙張中絮團尺寸越小，絮團分布越均勻，紙張的整體勻度越好[22-23]。

圖5為基片勻度指數統計對比結果。由圖5可知，打篩模式得到的基片，在各細分尺寸區間（除3~6 mm）的勻度指數均大于傳統打漿模式，尤其是0~1 mm和10~16 mm的分布區間，明顯高于傳統打漿模式下的基片水平，且打篩模式下的基片總勻度指數為372，相比傳統模式的341提升了9.1%，表明纖維絮團分布的填充程度得到一定提升。結合表5分析，絮團分布情況變化的原因是，打篩模式下細小纖維通過篩縫的優先級較高，通過篩縫的小組分纖維比例提高，形成的絮團尺寸也相對較小，數量較多；“先粗打”的理念提高了漿料的大尺寸纖維比例，基片在脫水過程中形成了更多大尺寸絮團結構，但大尺寸勻度指數較低，對總體影響不大。總體來看，打篩模式基片中的絮團尺寸更小，數量更多，對基片的填充效果更加充分均勻，基片整體勻度得到一定提升。

圖5 基片勻度指數統計對比Fig.5 Statistical comparison of uniformity index of substrate

2.3.4 表面摩擦力分析

2種制漿模式下所得基片的動摩擦力變化規律如圖6所示。從圖6可以看出，打篩模式下基片的動摩擦力顯著高于傳統打漿模式下基片的動摩擦力，間接反映出基片表面粗糙程度有所提升。表7為正、反面基片摩擦力的檢測結果。由表7可知，相比傳統打漿模式，打篩模式基片正面靜摩擦力可提升20.4%，動摩擦力提升18.0%；反面靜摩擦力提升11.0%，動摩擦力提升5.5%。主要原因是打篩模式的打漿度相比傳統打漿模式下降30.0%以上，漿料處理強度大幅下降，大尺寸纖維保留較多，纖維交織的孔隙率增加，暴露在基片表面的大尺寸纖維結構增多，有效地提升了基片表面的粗糙程度和摩擦力。

圖6 2種制漿模式所得基片動摩擦力指標對比Fig.6 Comparison of dynamic friction index of substrates under two pulping modes

表7 摩擦力檢測對比Table 7 Comparison of friction detection

2.4 漿料處理成本分析

采用打篩模式的制漿能耗成本降低情況詳見表8。

表8 2種制漿模式能耗成本統計Table 8 Statistical data of energy consumption cost under two pulping modes

表8中制漿總功率、單日實際產量、年總生產日和年度制漿能耗成本的計算詳見式（1）~式（4）。

式中，P表示制漿總功率，kW；N1表示磨漿機臺數，臺；P1表示磨漿機平均功率，kW；N2表示中濃壓力篩臺數，臺；P2表示中濃壓力篩平均功率，kW；T表示單日實際產量，t；S表示紙機車速，m/min；N表示紙機幅寬，m；M表示基片定量，g/m2；L表示薄片含水率，%；D表示年總生產日，天；W表示年產量，t；Y表示年度制漿能耗成本，萬元。

通過表8及式（1）~式（4）的計算分析可知，按照年產量7500 t計算，采用打篩模式開展漿料制備，相比傳統打漿模式，其可降低能耗成本36.41萬元/a。

3 結 論

3.1 在“先粗打，后篩勻”的漿料處理模式下，優化調整了磨漿機功率和臺數，壓力篩出口良漿打漿度從46°SR降至34°SR，降幅26.1%，濕重從3.1 g提升至4.1 g，升幅32.3%，實現了“低打漿度，高濕重”的預期目標。

3.2 與傳統打漿模式下的基片相比，打篩模式下基片正面靜摩擦力從93 N提升至112 N，提升幅度為20.4%，透氣度從2300~2500 mL/min提升至4000~4200 mL/min，提升幅度超過70.0%，接觸角變化速率從2.8°/s提升至4.6°/s，提升幅度為64.3%，勻度指數從342提升至371，提升幅度為9.1%，這為進一步系統提升再造煙葉產品品質奠定良好技術基礎。

3.3 按照7500 t的年產量計算，打篩模式相比傳統打漿模式，漿料制備能耗成本每年可降低36.41萬元，有力推動降本增效水平的提升。