Способ и система для улучшения характеристик волокна путем добавления обрабатывающего средства во время механического пульпирования
Изобретение относится к способу механического пульпирования. Способ включает дефибрацию измельченного целлюлозного материала в стадии предварительной обработки, механическое рафинирование разделенного на волокна лигноцеллюлозного материала в стадии первичного рафинирования и выведение рафинированного и разделенного на волокна лигноцеллюлозного материала из стадии первичного рафинирования. На стадии дефибрации в лигноцеллюлозный материал вводят биологическое средство. На стадии механического рафинирования в него вводят химический реагент. Способ осуществляют на установке механического пульпирования. Установка механического пульпирования включает устройство для предварительной обработки с дефибрацией, первичный рафинер, источник по меньшей мере одного из биологических и химических средств, трубопровод от источника, соединенный по меньшей мере с одним из устройства для дефибрации и первичным рафинером. Изобретение позволяет упростить процесс рафинирования в стадиях, последующих стадии первичного рафинирования, и дает возможность утилизации частиц второсортной древесины и остатков лесопильного производства в процессе рафинирования. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 табл., 7 ил.
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Настоящая заявка утверждает преимущество Предварительной Заявки США №61/013891, поданной 14 декабря 2007 года, которая приведена здесь для сведения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к выделению волокон из лигноцеллюлозного материала, такому как выделение волокон из древесно-стружечного загружаемого материала. В частности, изобретение относится к механическому рафинированию, включающему механико-химическое пульпирование (СМР) и термомеханическое пульпирование (ТМР).
В некоторых общеупотребительных процессах механического рафинирования стадии дефибрации (разделения на волокна) и фибриллирования выполняются совместно в единой установке. Преимущества разделения стадий дефибрации древесных волокон и фибриллирования волокон обсуждаются, например, в Патенте США 7300541 (Патент '541), который основан на опубликованной международной патентной заявке PCT/US03/22057. Когда волокна подвергаются дефибрации перед фибриллированием, стадия первичного рафинирования может быть оптимизирована для проведения фибриллирования. Оптимизация для фибриллирования может заключаться в сведении к минимуму рассеяния энергии путем повышения интенсивности рафинирования. Способ разделения стадий дефибрации и фибриллирования, описанный в Патенте '541, представляет собой применение стружечного пресса под давлением с последующим мягким рафинированием для разделения волокон в стадии предварительной обработки (называемой как «стадия разделения волокон») и после этого в стадии первичного рафинирования под высоким давлением («стадия фибриллирования»).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Специальные обрабатывающие средства были разработаны для использования при разделении древесных волокон, чтобы повысить эффективность и улучшить качественные показатели процесса механического рафинирования. Обрабатывающие средства могут включать кислотные, нейтральные или щелочные химические реагенты, и ферментные системы. Тип средства(средств) и момент(-ты) применения средства в процессе рафинирования разделенных древесных волокон могут быть оптимизированы для повышения эффективности процесса. Эффективность процесса может определяться любым одним или многими показателями физического качества целлюлозы, повышенной степени белизны и экономии энергии. Обработки представленными здесь реагентами также могут обеспечить: 1) возможность утилизации в процессе рафинирования частиц второсортной древесины и остатков лесопильного производства, и 2) упрощение процесса рафинирования в стадиях, последующих стадии первичного рафинирования.
Обработки представленными здесь реагентами могут быть реализованы направлением реагентов в конкретные целевые места применения во время процесса термического и механического рафинирования, такие, как описано в Патенте '541. В зависимости от реагента, применяемого для обработки, момент введения реагента может быть в ходе или непосредственно после одной или более стадий разделения волокон (предпочтительно с использованием ферментных препаратов), во время стадии фибриллирования (предпочтительно с использованием химических реагентов) и/или сразу после стадии фибриллирования (предпочтительно с использованием отбеливающих средств). Выбор реагента является важным фактором в определении оптимального момента применения реагента в ходе процесса рафинирования, например, для повышения эффективности процесса.
Процессы и обработки, представленные здесь, предпочтительно организуются предварительно так, чтобы разделение волокон и фибриллирование были отдельными стадиями, и преимущественно проходили в отдельных установках. Альтернативно, разделение стадий дефибрации и фибриллирования может быть обеспечено в единой установке, такой как механический рафинер, имеющий две или более зон рафинирования, расположенных последовательно. Предпочтительно стадия разделения волокон (дефибрации) достигается по меньшей мере при 30-процентной (30%) конверсии исходных древесных волокон в должным образом разделенные волокна, и предпочтительно более, чем 70-процентной (70%) конверсии с менее, чем 5%-ным фибриллированием. Из стадии предварительной обработки (разделения волокон) дефибрация предпочтительно достигает уровня от 40 процентов до 90 процентов (от 40% до 90%) разделенных волокон в материале. Стадия первичного рафинирования (фибриллирование) предпочтительно должна обеспечивать по меньшей мере 90 процентов (90%) фибриллированных волокон.
Представленные здесь процессы и обработки могут быть применены для лигноцеллюлозных материалов, включающих древесные стружки из древесины хвойных и лиственных пород, прочих типов лигноцеллюлозного материала, в том числе такого материала, каковой в настоящее время рассматривается как менее желательный для употребления в существующих мельницах.
Был изобретен способ механического пульпирования, который в одном варианте осуществления включает: разделение на волокна измельченного целлюлозного материала; механическое рафинирование разделенного на волокна целлюлозного материала в стадии первичного рафинирования; введение в целлюлозный материал по меньшей мере одного из химического реагента и биологического средства во время стадии разделения на волокна или стадии механического рафинирования, и получение целлюлозы из рафинированного и разделенного на волокна целлюлозного материала.
Способ механического пульпирования может включать введение химического реагента в целлюлозный материал, когда он находится в стадии первичного рафинирования, и биологического средства в целлюлозный материал, когда он находится в стадии предварительной обработки. Далее, стадия разделения волокон может включать стадию прессования сжатых стружек и последующую стадию рафинирования с разделением волокон. Также, введение биологического средства может иметь место в стадии предварительной обработки, и, более конкретно, между стадией прессования сжатых стружек и стадией рафинирования с разделением волокон, или непосредственно в стадии рафинирования с разделением волокон.
Была изобретена установка для механического пульпирования, которая в одном варианте исполнения включает: устройство предварительной обработки для разделения волокон, получающее взаимосвязанный целлюлозный материал; первичный рафинер, получающий взаимосвязанный целлюлозный материал, выведенный из устройства предварительной обработки для разделения волокон/источник по меньшей мере одного из биологического средства и химического реагента, и трубопровод от источника, соединенный по меньшей мере с одним агрегатом из устройства для разделения волокон и первичного рафинера, в которой трубопровод поставляет по меньшей мере один из биологического средства и химического реагента по меньшей мере в один агрегат из устройства для разделения волокон и первичного рафинера.
В еще одном варианте осуществления установка для механического пульпирования, включающая: устройство предварительной обработки для разделения волокон, получающее взаимосвязанный целлюлозный материал; первичный рафинер, получающий взаимосвязанный целлюлозный материал, выведенный из устройства предварительной обработки для разделения волокон; источник биологического средства и химического реагента, и впускной патрубок к устройству предварительной обработки для разделения волокон для введения биологического средства; первичный рафинер, получающий взаимосвязанный целлюлозный материал, выведенный из устройства предварительной обработки для разделения волокон, и впускной патрубок к первичному рафинеру для введения химического реагента.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение сечения древесной стружки.
Фиг.2-7 представляют собой блок-схемы производственных стадий процессов механического рафинирования с использованием реагентов, таких как химические реагенты и биологические средства, для обработки лигноцеллюлозных материалов, подвергаемых механическому, механико-химическому и термомеханическому рафинированию.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Рафинирование, в контексте настоящей заявки, в общем включает стадию предварительной обработки (дефибрация, разделение на волокна) и стадию первичного рафинирования (фибриллирование). В стадии предварительной обработки (дефибрация) проводится разделение загружаемого материала древесных стружек в условиях механически мягких и малоинтенсивных нагрузок, например, под давлением, для инициирования отделения отдельных волокон от общей массы волокон в древесных стружках. Стадия первичного рафинирования в общем включает приложение механических сил высокой интенсивности, например, переменных сдвиговых и ударных нагрузок, которые производят фибриллирование материала древесных стружек с образованием пульпы. Во время фибриллирования волокна отделяются друг от друга, и материал стенок волокна становится распутанным. Рафинеры, используемые для фибриллирования, могут быть механическими конического типа или дисковыми рафинерами с рафинирующими дисками, имеющими одиночные и множественные зоны рафинирования.
Фиг.1 представляет изображение древесной стружки 10, имеющей волокна хвойной древесины 12, соединенные между собой в древесной стружке. Связующий материал главным образом находится в средней тонкой пластинке 14 между волокнами 12, которая содержит лигнин в высокой концентрации. Структура каждого волокна 12 включает разнообразные слои, обозначенные как Р, и слои S, которые включают три отдельных слоя, обозначенных 31, 32 и 33. Слой P представляет первичную стенку каждой клетки волокна. Слои S представляют вторичную стенку клетки волокна, в которой слой S1 представляет собой наружный слой вторичной стенки, слой S2 представляет собой главный остов вторичной стенки волокна, и слой S3 является внутренним слоем вторичной стенки.
Во время фибриллирования богатый фибриллами слой S2 расслаивается, например, отделяется, практически от каждого волокна. Слой S2 содержит самый большой массив фибрилл в структуре волокна. Площадь поверхности связующего материала увеличивается при отделении или при расслоении слоя S2. Увеличение площади поверхности оказывает положительное влияние на возрастание таких свойств целлюлозы, как прочность на растяжение и коэффициент рассеяния. Фибриллирование в стадии предварительной обработки открывает волокнистые области волокна для последующего фибриллирования в стадии первичного рафинирования.
Добавление реагента на одной или более стадиях в процессе рафинирования, где материал подвергается разделению на волокна, или дефибрации, как представляется, вызывает реакции, которые разрушают матрицу древесных волокон, и подвергает волокнистый материал стенки эффективному размягчению и максимальному фибриллированию волокон, например, благодаря расслоению волокнистого материала стенки. Все слои волокна (P, S1, S2 и S3) лигноцеллюлозного материала 10 подвергаются обрабатывающему действию реагента. Реакция между реагентом и слоем 32 усиливает фибриллирование слоя S2.
Реагент может представлять собой химикаты (кислотные, нейтральные, щелочные), ферменты, грибки, бактерии или тому подобные, и любые комбинации таковых. Реагент может быть внесен в разнообразных местах рафинирующей(-щих) установки(-вок) и на разнообразных стадиях процесса рафинирования.
В одном варианте осуществления средство предпочтительно представляет собой реагент химической природы, который вносится во время стадии первичного рафинирования (стадия фибриллирования), чтобы свести к минимуму время реакции между реагентом и древесным материалом. Введение реагента таким образом должно вести к предпочтительному размягчению и реакции волокнистого материала стенки в большей степени, чем богатой лигнином срединной тонкой пластинки, и, тем самым, максимально увеличивать удельную площадь поверхности волокна благодаря расслоению материала стенки в слое S2, и в конечном итоге сцеплению волокон. Далее, является предпочтительным, чтобы химические реагенты не контактировали со структурой волокна в течение длительных периодов времени ввиду возможности формирования длинных волокон, покрытых лигнином.
В еще одном варианте осуществления биологическое средство, такое как фермент, может быть применено во время стадии дефибрации, чтобы обеспечить увеличение продолжительности воздействия средства на структуру древесины, по сравнению с кратковременной реакцией, происходящей при добавлении химического реагента в стадии первичного рафинирования. Биологические средства в общем требуют времени пребывания по меньшей мере 15 минут для должного реагирования со структурами древесины и достижения желательного прогресса в размягчении слоя 32. Чтобы обеспечить повышение качества целлюлозы, желательно надлежащее применение средства, такого как химический реагент в первичном рафинере (фибриллирование) и биологического средства в рафинере для разделения волокон (стадия дефибрации).
После обработки реагентом(-ами) дальнейшее устройство механического рафинирования или другое(-гие) устройство(-ва) для пульпирования могут подвергать древесные стружки сдвиговым и сжимающим нагрузкам для дальнейшего фибриллирования, и обеспечивают прочие преимущественные свойства целлюлозы, включающие повышение белизны, удаление экстрактивных веществ, улучшение оптических свойств и характеристик волокна (растяжение, упругость, длина волокна, высокая удельная площадь поверхности и т.д.).
Применение реагента, например, химического реагента или биологического средства, в стадии процесса может обеспечить сокращение эксплуатационных расходов благодаря повышению эффективности энергопотребления и оптимизации расхода химических веществ. Далее, при введении реагента, например, химического реагента, в процесс фибриллирования, реагент может обеспечить улучшенные оптические характеристики рафинированной целлюлозы, в том числе такие свойства, как повышенное рассеяние света и непрозрачность целлюлозы. Повышенный коэффициент рассеяния может быть достигнут благодаря реагенту, который способствует увеличению удельной площади поверхности волокон. Применение реагентов также может помочь упростить стадии процесса рафинирования и обеспечить связанное с этим сокращение инвестиционных расходов.
Еще одним преимуществом применения реагентов в процессе рафинирования является повышение степени удаления экстрактивных веществ, что представляет собой фактор, в особенности значимый в плане очистки от смолистых компонентов древесины. В ходе разделения на волокна и раскрытия структуры смолистой древесины экстрактивные вещества в древесине могут быть извлечены из древесины и переработаны в последующем оборудовании для обезвоживания. Еще одно преимущество применения представленных здесь реагентов состоит в расширении возможности смешивания сортов древесины с различной плотностью и содержанием экстрактивных веществ. Добавляемые реагенты также могут улучшить степень связывания низкокачественных сортов древесины на 20 процентов или более при данной степени помола. В дополнение, применение реагентов может позволить использование компонентов древесины, например, остатков лесопильного производства, в качестве загружаемого древесного материала для рафинирования, где такие компоненты до сих пор были неприменимыми.
Фиг.2-7 представляют собой блок-схемы производственных стадий процесса механического, механико-химического и термомеханического рафинирования с использованием одного или более реагентов (в совокупности называемых как механическое рафинирование). Блок-схема на Фиг.2 относится к полному процессу рафинирования, с введением химикатов и отбеливанием древесных стружек. Древесные стружки 20 подаются в стадию промывки стружек 22 и транспортируются в установку двухстадийной предварительной обработки, например, стадию дефибрации 24. Первая стадия 26 стадии предварительной обработки 24 представляет собой прессование сжатых стружек 26, работающее при давлении менее чем 2 бар (избыточных), после которого следует стадия рафинирования с разделением волокон 28, действующая при давлении менее, чем 3 бар (избыточных). Фотографическое изображение 30 показывает древесные стружки после прохождения стадии прессования сжатых стружек 26, и изображение 32 показывает древесные стружки после прохождения стадии рафинирования с разделением волокон 28. В этой стадии предварительной обработки 24 химические реагенты предпочтительно не добавляются.
После стадии предварительной обработки 24 древесные стружки обрабатываются в стадии первичного рафинирования (фибриллирование) 34, которая может включать устройство подачи материала под давлением, пропарочное устройство, механический дисковый или конический рафинер, в котором рафинер также может включать выдувной трубопровод (например, все оборудование под давлением от питателя до выдувного трубопровода) и работает под давлением выше, чем 3 бар (избыточных). Один или более химических реагентов 36 добавляются на стадии первичного рафинирования 34. Химические реагенты, добавленные на стадии первичного рафинирования, могут быть полезными в сокращении продолжительности реакции между реагентом и древесным материалом.
Еще одним преимуществом добавления химического реагента на стадии первичного рафинирования 34, в отличие от стадии предварительной обработки 24, является то, что химические реагенты не вытесняются наружу, например, не выдавливаются из древесных стружек, во время прессования древесных стружек или в напорном шнековом питателе 33 для первичного рафинера под давлением. Благодаря тому, что реагенты остаются в стружках, реагент реагирует с волокнами древесины до полного израсходования химического реагента.
Химический(-кие) реагент(-ты) может(-гут) включать отбеливающие химикаты, предпочтительно MgOH2 и H2O г. Если химический реагент вводится или комбинируется с окислительными отбеливающими щелоками, такими как пероксиды щелочных металлов, то реагент и отбеливатель могут быть введены: i) непосредственно в первичный рафинер 34, ii) в выдувной трубопровод первичного рафинера 35, или iii) в стык между первичным рафинером и выдувным трубопроводом. Добавление щелочного отбеливающего щелока в качестве химического реагента или вместе с таковым в выдувной трубопровод должно сокращать или сводить к минимуму разложение окислительных отбеливающих средств, таких как H2O3. Однако полностью преимущества энергосбережения и повышения прочности, обусловливаемые реагентом, могут быть не достигнуты, пока часть щелочи и вся таковая не будет добавлена во время стадии первичного рафинирования. Соответственно этому, отбеливающие химические реагенты также могут быть добавлены через впускной патрубок первичного рафинера и в выдувной трубопровод для рафинера.
Отбеливающий химический реагент может быть также выведен из межстадийной белильной колонны 38 между первичным рафинером и стадиями последующей обработки 40, для повышения степени белизны получаемой целлюлозы. Применение отбеливающего химического реагента таким образом, как показано на Фиг.2, может позволить устранить или существенно сократить последующие операции отбеливания в традиционных стадиях обработки 40.
Фиг.3 представляет собой блок-схему примерного процесса механического рафинирования 42, где стадия предварительной обработки (частичное разделение волокон) 24 представляет собой единую стадию прессования сжатых стружек 26, действующую под давлением меньше, чем два бара (избыточных), с последующей стадией первичного рафинирования 34. Шнек, например, напорный шнековый питатель, перемещает стружки из стадии предварительной обработки 24 в стадию первичного рафинирования 34. Блок-схема процесса, показанная на Фиг.3, представляет умеренную обработку древесных стружек химикатами. Стадия первичного рафинирования 34 может включать напорное подающее устройство, пропарочное устройство, механический рафинер, включающий выдувной трубопровод 35, в котором предпочтительно оборудование под давлением от питателя до выдувного трубопровода работает при давлении выше, чем 3 бар (избыточных), и предпочтительно между 5 и 6 бар. Стадия первичного рафинирования может быть подразделена на внутреннюю зону дефибрации и внешнюю зону фибриллирования. Химический реагент 36 добавляется в стадию первичного рафинирования 34. Если отбеливающие химикаты добавляются вместе с химическим реагентом, для максимизации белизны целлюлозы, выгружаемой из стадии первичного рафинирования, может быть включена межстадийная белильная колонна (см. 38 на Фиг.2). Далее, отбеливающие химикаты также могут быть добавлены через впускной патрубок первичного рафинера и выдувной трубопровод рафинера.
Фиг.4 представляет собой блок-схему процесса 44, который не имеет стадии предварительной обработки, такой, каковая показана на Фиг.2 и 3. Процесс 44 представляет собой слабую обработку химикатами. В этом процессе 44 стружки 20 из стадии промывки стружек 22 перемещаются непосредственно в стадию первичного рафинирования 34, которая включает выдувной трубопровод. В этом процессе 44 стадия первичного рафинирования 22 включает по меньшей мере две различных зоны рафинирования, в которых первая зона рафинирования предназначена для разделения волокон в древесных стружках, и последующая зона рафинирования предназначена для фибриллирования волокон. Стадия первичного рафинирования 34 может включать напорное подающее устройство, пропарочное устройство, механический рафинер, включающий выдувной трубопровод, в котором предпочтительно оборудование под давлением от питателя до выдувного трубопровода работает при давлении выше, чем 3 бар (избыточных). Отбеливающие химические реагенты также могут быть добавлены через впускной патрубок первичного рафинера и в выдувной трубопровод рафинера.
Химический реагент 36 предпочтительно вводится после дисков рафинера для дефибрации и перед внешними дисками рафинера для фибриллирования. В конических рафинерах химикат предпочтительно добавляется после зоны плоских дисков для дефибрации и перед зоной конических дисков для фибриллирования. В рафинерах с плоскими дисками химический реагент предпочтительно добавляется после внутренней зоны дефибрации плоского диска и перед внешней зоной фибриллирования плоского диска. Большинство крупных рафинеров с плоскими дисками имеет кольцевой зазор между внутренними и внешними дисками рафинера, куда могут быть добавлены вода для разбавления или химический реагент.
Отбеливающие химикаты могут быть добавлены вместе с химическим реагентом 36 или в качестве такового, подобным образом, как описано выше для введения отбеливающего средства вместе с химическим реагентом или в качестве такового. Если отбеливающие химикаты добавляются как часть химического реагента, между стадией первичного рафинирования 34 и традиционными стадиями обработки 4 может быть включена межстадийная белильная колонна 39.
Фиг.5 представляет собой блок-схему процесса 46, в котором употребляется биологические средства. Древесные стружки 20 спрессовываются и подаются в стадию промывки стружек 22 и транспортируются в двухступенчатую стадию предварительной обработки 24. Стадия предварительной обработки включает стадию прессования 26, которая предпочтительно включает прессование стружек, действующее при давлении менее, чем 2 бар (избыточных), и стадию рафинирования с разделением волокон 28, предпочтительно работающую при давлении менее, чем 3 бар (избыточных). В процессе 46 биологическое(-кие) средство(-тва) 48 вводятся на стадии предварительной обработки 24. Биологическое(-кие) средство(-тва) может(-гут) быть добавлено(-ны) в одно место или в оба из: (1) выпускного трубопровода 50 между прессом для сжатых стружек в стадии прессования и впускным патрубком рафинера для разделения волокон в стадии 28 и (2) непосредственно в рафинер для разделения волокон. Трубопроводы 52 и вентили 54 направляют биологическое(-кие) средство(-тва) в один или оба из выпускного трубопровода 50 и рафинера для разделения волокон 28. Биологическое(-кие) средство(-тва) 48 может(-гут) быть добавлено(-ны) также в процесс 46 между стружечным прессом 20 и рафинером для разделения волокон 28 и в рафинер для разделения волокон.
После стадии предварительной обработки 24 предусмотрен резервуар-накопитель 56, в котором древесный материал выдерживается, например, в течение от 15 минут до 3 часов, чтобы обеспечить продолжение реакций между материалом и биологическим средством. После резервуара-накопителя древесный материал транспортируется в стадию первичного рафинирования 34, которая может включать устройство подачи материала под давлением, пропарочное устройство, механический рафинер, включающий выдувной трубопровод, в котором предпочтительно оборудование под давлением от питателя до выдувного трубопровода работает под давлением выше, чем 3 бар (избыточных).
Фиг.6 представляет собой блок-схему процесса 58, в котором биологические средства 48 и химические реагенты 36 вводятся в древесный материал (стружки), подвергаемые рафинированию в процессе. Древесные стружки 20 спрессовываются и подаются в стадию промывки стружек 22, и транспортируются в двухступенчатую стадию предварительной обработки 24. Стадия прессования стружек 26 может включать прессование стружек под давлением, работающую при давлении меньше, чем 2 бар (избыточных), с последующей второй стадией рафинирования для разделения волокон, действующей при давлении менее, чем 3 бар (избыточных). Биологическое(-кие) средство(-тва) 48 добавляется(-ются) на стадии предварительной обработки 24. Предпочтительно химический(-ие) реагент(-ты) не добавляется(-ются) на стадии предварительной обработки. Биологические средства могут быть добавлены также в процесс 58 между стружечным прессом 20 и рафинером для разделения волокон 28 и в рафинер для разделения волокон. Химические реагенты также могут быть добавлены через впускной патрубок выдувного трубопровода первичного рафинера.
После стадии предварительной обработки 24 древесный материал обрабатывается в стадии первичного рафинирования 34, которая может включать устройство подачи материала под давлением, пропарочное устройство, механический рафинер, имеющий выдувной трубопровод, в котором процесс от устройства подачи материала под давлением до выдувного трубопровода предпочтительно работает под давлением выше, чем 3 бар (избыточных). Химический реагент 36 добавляется на стадии первичного рафинирования. Химические реагенты могут включать отбеливающие химикаты, предпочтительно Mg(OH)2 и H2O2. Если отбеливающее(-щие) средство(-тва) вводится(-ятся) в качестве химического реагента или вместе с таковым, некоторые или все химические реагенты и отбеливатели могут быть добавлены в первичный выдувной трубопровод. Если в качестве химического реагента используется только отбеливающий щелок, по меньшей мере некоторые или все химические реагенты должны быть применены в первичном рафинере для улучшения энергосбережения и повышения прочности целлюлозы. Если добавляется отбеливающее средство, то межстадийная белильная колонна (см. Фиг.4) должна предпочтительно располагаться между стадией первичного рафинирования 34 и стадиями последующей обработки 40. Применение отбеливающих средств в качестве химических реагентов или вместе с таковыми, добавляемыми в стадию первичного рафинирования 34, может позволить устранить или существенно сократить стадии отбеливания в традиционных стадиях обработки 40.
Фиг.7 представляет собой блок-схему, например, карту технологического процесса, примерного процесса механического пульпирования 60, в котором используется по меньшей мере один химический реагент 36. Химический реагент, в качестве примера, представляет собой пероксиды щелочных металлов в качестве реагентов, применяемые в стадии первичного рафинирования 34, и процесс 60 включает межстадийную стадию отбеливания 38. Процесс 60 представляет собой упрощенный процесс рафинирования, в котором упрощения включают исключение: i) сортировки под давлением магистральной пульпы, ii) обезвоживания и рафинирования отходов магистральной сортировки, iii) обезвоживания на дисковом фильтре для хранения целлюлозы, и iv) установки дополнительного отбеливания. Благодаря исключению одного или более из этих агрегатов, типично присутствующих в процессах механического пульпирования, достигается существенная экономия расходов в общих инвестициях в установленное оборудование, по сравнению с традиционной системой термомеханического пульпирования. Далее, процесс 60 может обеспечить снижение производственных расходов благодаря исключению одной или более стадий процесса от i) до iv), названных выше.
Применение реагентов, таких как химические реагенты и биологические средства, в стадии предварительной обработки 24 и стадии первичного рафинирования 34, описанных здесь, может упростить масштаб и сложность этапов обработки при рафинировании ниже по потоку от стадии первичного рафинирования 34 и, тем самым, сократить расходы на последующее оборудование. Применение реагентов, как описано выше, может улучшить связывание волокон и снизить содержание пучков волокон в полученной целлюлозе после основного рафинирования, так что для процесса механического пульпирования не потребуется или будет сведена к минимуму сортировка.
Общеупотребительные стадии обработки могут быть выполнены после межстадийного отбеливания. Стадии могут включать стадии прессования целлюлозы и промывки 62, стадии вторичного и третичного механического рафинирования 64 и 66, выполняемых при давлении 4 бар (избыточных) или ниже такового, и стадию хранения целлюлозы средней консистенции 68, которая может включать хранение целлюлозы в цилиндрическом накопителе.
Несколько испытаний были проведены для демонстрации полезности изобретения. Эти испытания представлены ниже в примерах:
Испытание 1:
Место добавления реагента в процесс пульпирования должно быть выбрано для максимизации роста прочности целлюлозы при данном удельном расходе энергии. Пример испытания 1 сравнивает сорта целлюлозы, полученные с использованием процесса, в котором реагент (кислый сульфит) употребляется в двух различных местах введения; где одно располагается в стадии дефибрации, и второе в. стадии фибриллирования (первичный рафинер). Таблица A представляет результаты для обеих серий рафинеров, интерполированные для подведения общей удельной энергии 2400 кВт-час/ODMT (oven-dry metric tons, метрических тонн высушенной в печи целлюлозы до 0% влажности).
| Таблица A | ||
| Сравнение кислого сульфита, введенного на стадии дефибрации (разделение на волокна), с введением на стадии фибриллирования (первичный рафинер) | ||
| Место добавления химиката | Дефибрация | Фибриллирование |
| Na2SO3 (%) | 3,9 | 3,7 |
| Коэффициент растяжения при 2400 кВт-час/ODMT | 39,6 | 42,7 |
| Содержание пучков волокон (%) при 2400 кВт-час/ODMT | 0,04 | 0,01 |
Добавление химиката в стадию фибриллирования сокращает время воздействия сульфита для реагирования и размягчения древесного лигнина. Предпочтительное размягчение волокна происходит внутри материала стенки волокна, что, в свою очередь, улучшает характеристики волокна.
Испытание 2:
Пример испытания 2 показывает важность повышения дефибрации древесных волокон как следствия деструктурирования стружек. Древесные стружки породы Р. taeda (сосна ладанная) были подвергнуты частичной дефибрации в стружечном прессе под давлением в обоих примерах, с последующим введением химического реагента, сульфита натрия, в стадиях рафинирования. Таблица В представляет обе серии рафинирования, интерполированные по степени помола для 150 мл.
| Таблица B | ||
| Влияние повышения дефибрации древесных волокон до химической обработки | ||
| Без дефибрации в установке для разделения волокон | С дефибрацией в установке для разделения волокон | |
| Na2SO3 (%) | 3,3 | 2,8 |
| Степень помола (мл) | 150 | 150 |
| Степень энергосбережения (SEC) (кВт-час/ODMT) | 2092 | 1965 |
| Пухлость (см3/т) | 3,36 | 3,28 |
| Коэффициент растяжения (Нм/г) | 23,9 | 31,2 |
| Индекс сопротивления раздиранию (мН·м2/г) | 6,8 | 9,2 |
| Содержание пучков волокон (%) | 0,02 | 0,02 |
| Белизна по стандарту ISO (%) | 55,2 | 54,9 |
Увеличенная дефибрация волокон улучшает эффективность проникновения химического реагента в открытый материал стенки волокна во время стадии первичного рафинирования, имея результатом улучшенное качество целлюлозы.
Испытание 3:
Пример испытания 3 демонстрирует, что частицы низкосортной древесины и остатки лесопильного производства могут быть утилизированы для получения применимой целлюлозы в печатной бумаге из процесса механического рафинирования с менее негативными последствиями. Испытание 3 иллюстрирует эффект добавления 29% опилок породы Р. taeda как остатков лесопильного производства на свойства целлюлозы, полученной с использованием нового способа. Таблица С сравнивает сорта целлюлозы, интерполированные по степени помола для 70 мл.
| Таблица С | |||
| Эффект добавления остатков лесопильного производства (стружки из горбыля) | |||
| Контрольная целлюлоза* | 29% опилок лесопильного производства** | 100% опилок лесопильного производства | |
| Na2SO3 (%) | 3,4 | 3,2 | 3,1 |
| Степень помола (мл) | 70 | 70 | 70 |
| Степень энергосбережения (SEC) (кВт-час/ODMT) | 2036 | 2354 | 2495 |
| Пухлость (см2/г) | 2,55 | 2,69 | 2,78 |
| Коэффициент растяжения (Нм/г) | 39,6 | 42,3 | 39,3 |
| Индекс сопротивления раздиранию (мН·м2/г) | 8,1 | 8,9 | 9,0 |
| Содержание пучков волокон (%) | 0,04 | 0,04 | 0,04 |
| Белизна по стандарту ISO (%) | 52,5 | 50,3 | 48,1 |
В таблице знак «*» обозначает, что подаваемый стружечный материал получен из стружек 100-ного (100%) цельного бревна древесины Р. taeda, и знак «**» указывает, что подаваемый стружечный материал получен из 29 процентов (29%) остатков лесопильного производства (горбыля) древесины Р. taeda, добавленных к стружкам из цельного бревна древесины Р. taeda.
Полученная целлюлоза, произведенная с 29% остатков лесопильного производства (горбыля), имела слегка увеличенную пухлость и меньшую белизну. Повышение интенсивности обработки кислым сульфитом (NaHSO3) может быть использовано для выравнивания свойств целлюлозы, таких как пухлость и белизна, с таковыми для контрольной целлюлозы.
Испытание 4:
Испытание 4 представляет альтернативные химические реагенты, применимые для стадии фибриллирования (первичный рафинер) в новом способе. Поставленная древесина, использованная для исследования, представляла собой породу Р. taeda из штата Теннесси, США. Таблица D представляет серию сортов целлюлозы, полученной с использованием двух различных типов химической обработки, в которых реагентами были: 1) раствор гидроксида магния (Mg(OH)2, пероксид водорода H2O2) в качестве отбеливающего средства, и 2) уксусная кислота. Обычная ТМР-целлюлоза (термомеханическое рафинирование), полученная из таких же древесных стружек породы Р. taeda, также включена для сравнения. Результаты интерполированы по степени помола для 150 мл из сортов целлюлозы вторичного рафинирования.
| Таблица D | |||
| Альтернативные химические обработки | |||
| Обычная целлюлоза термомеханического рафинирования (ТМР) | Согласно изобретению | Согласно изобретению | |
| Химическая обработка | 0 | Уксусная кислота 4,0% | 1,5% Mg(OH)2 2/4% H2O2 |
| Степень помола (мл) | 150 | 150 | 150 |
| Степень энергосбережения (SEC) (кВт-час/ODMT) | 2698 | 2098 | 1831 |
| Коэффициент растяжения (Нм/г) | 28,9 | 33,4 | 35,9 |
| Индекс продавливания (кПа·м2/г) | 1,51 | 1,69 | 1,91 |
| Индекс сопротивления раздиранию (мН·м2/г) | 11,5 | 11,4 | 11,6 |
| Коэффициент рассеяния (м2/кг) | 44,4 | 49,0 | 45,1 |
| Белизна по стандарту ISO (%) | 47,7 | 36,7 | 59,7 |
Оба химических реагента продемонстрировали способность существенно снижать расход энергии и повышать прочностные характеристики целлюлозы по сравнению с термомеханической (ТМР) целлюлозой. Серии, полученные с применением отбеливающих средств [1,5% Mg(OH)2 и 2,4% H2O2], имели результатом значительное улучшение белизны.
Белизна механических сортов целлюлозы из частиц низкосортной древесины, с темным цветом вследствие присутствия хромофорных структур, может быть эффективно повышена путем применения нового способа в сочетании с отбеливающими средствами и/или выдержкой между стадиями. Такие варианты применения расширяют возможность использования низкосортной древесины и повышают производительность последующего белильного оборудования.
В то время как изобретение было описано в связи с тем, что в настоящий момент рассматривается как наиболее практичный и предпочтительный вариант исполнения, должно быть понятно, что изобретение не должно ограничиваться раскрытым вариантом исполнения, но, напротив, предполагает включение разнообразных модификаций и эквивалентных решений, входящих в пределы смысла и рамок изобретения.
1. Способ механического пульпирования, включающий:
дефибрацию измельченного лигноцеллюлозного материала в стадии предварительной обработки, в процессе которой в лигноцеллюлозный материал вводят биологическое средство;
механическое рафинирование разделенного на волокна лигноцеллюлозного материала в стадии первичного рафинирования, в процессе которой в лигноцеллюлозный материал вводят химический реагент; и
выведение рафинированного и разделенного на волокна лигноцеллюлозного материала из стадии первичного рафинирования.
2. Способ механического пульпирования по п.1, в котором введение химического реагента включает введение отбеливающего химиката.
3. Способ механического пульпирования по п.1, в котором лигноцеллюлозный материал включает древесные стружки, и стадия предварительной обработки включает стадию прессования сжатых стружек и стадию рафинирования с разделением волокон, получающую лигноцеллюлозный материал, выводимый из стадии прессования стружек.
4. Способ механического пульпирования по п.3, в котором биологическое средство вводят непосредственно в стадию рафинирования с разделением волокон и между стадией прессования сжатых стружек и стадией рафинирования с разделением волокон.
5. Способ механического пульпирования по п.1, в котором лигноцеллюлозный материал включает древесные стружки, и стадия предварительной обработки преобразует по меньшей мере 40 процентов (40%) исходных древесных волокон в древесных стружках в должной мере разделенные волокна, и стадия первичного рафинирования преобразует лигноцеллюлозный материал по меньшей мере на 90 процентов (90%) в фибриллированные волокна.
6. Установка для механического пульпирования, включающая:
устройство для предварительной обработки с дефибрацией, получающее взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал;
первичный рафинер, получающий взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал, выведенный из устройства для предварительной обработки с дефибрацией;
источник по меньшей мере одного из биологических средств и химических реагентов, и
трубопровод от источника, соединенный по меньшей мере с одним из устройства для дефибрации и первичного рафинера, при этом трубопровод подводит биологическое средство к устройству для дефибрации, а химический реагент - к первичному рафинеру.
7. Установка для механического пульпирования по п.6, в которой устройство предварительной обработки с дефибрацией включает пресс для прессования стружки, работающий при давлении, равном и более низком, чем 2 бар (избыточных), и рафинер для разделения волокон, действующий при давлении, равном и более низком, чем три бар (избыточных), и в которой первичный рафинер работает при давлении от 5 до 6 бар (избыточных).
8. Установка для механического пульпирования по п.7, в которой трубопровод от источника находится в жидкостной коммуникации с рафинером для разделения волокон и трубопроводом,
соединяющим пресс для сжатых стружек и рафинер для разделения волокон, в которой биологическое средство течет через трубопровод по меньшей мере к одному из рафинера для разделения волокон и трубопровода между рафинером для разделения волокон и прессом для сжатых стружек.
9. Установка для механического пульпирования по п.6, дополнительно включающая белильную колонну, получающую лигноцеллюлозный материал из первичного рафинера.
10. Установка для механического пульпирования по п.6, в которой лигноцеллюлозный материал включает древесные стружки.
11. Установка для механического пульпирования, включающая:
устройство предварительной обработки для разделения волокон, получающее взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал;
первичный рафинер, получающий взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал, выведенный из устройства предварительной обработки для разделения волокон;
источник по меньшей мере одного из биологических средств и химических реагентов; и
впускной патрубок для биологического средства к устройству предварительной обработки для разделения волокон;
первичный рафинер, получающий взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал, выведенный из устройства предварительной обработки для разделения волокон; и впускной патрубок для химического реагента к первичному рафинеру.
12. Установка для механического пульпирования по п.11, в которой устройство предварительной обработки для разделения волокон включает пресс для сжатой стружки, работающий при давлении, равном и более низком, чем 2 бар (избыточных), и рафинер для разделения волокон, действующий при давлении, равном и более низком, чем три бар (избыточных), и в которой первичный рафинер работает при давлении от 5 до 6 бар (избыточных).
13. Установка для механического пульпирования по п.12, в которой впускной патрубок в устройстве предварительной обработки с разделением волокон находится в жидкостной коммуникации с рафинером для разделения волокон и трубопроводом, соединяющим пресс для сжатых стружек и рафинер для разделения волокон.
14. Установка для механического пульпирования по п.11, дополнительно включающая белильную колонну, получающую лигноцеллюлозный материал из первичного рафинера.
15. Установка для механического пульпирования по п.11, в которой лигноцеллюлозный материал включает древесные стружки.
16. Установка для механического пульпирования по п.11, дополнительно включающая устройство для промывки стружек, выводящее взаимосвязанный лигноцеллюлозный материал в устройство предварительной обработки с дефибрацией.
