化学法制浆工艺技术及设备详解

（一）化学制浆方法与基本工艺

化学制浆主要可以分为碱法和亚硫酸盐法两类。碱法制浆包括烧碱法（也称苛性钠法或者苏打法）和硫酸盐法。烧碱法是比较老的纸浆方法，其主要蒸煮活性化学药剂是氢氧化钠，目前烧碱法很少用于木浆，但大量用于麦草、稻草、麻、棉等非木材纤维原料生产草浆等。

硫酸盐法是烧碱法的产物，其主要蒸煮活性化学药剂主要是氢氧化钠和硫化钠，还含有少量碳酸钠、硫酸钠等，在碱回收过程中，由于使用廉价的硫酸钠代替碳酸钠来补充烧碱法中损失的碱时，而在废液燃烧时硫酸盐还原成硫化钠，故而被称为硫酸盐法。硫酸盐法应用范围十分广泛，可以处理针叶木、阔叶木和草类原料等，硫酸盐浆强度大，成浆色深，随着碱回收技术和多段漂白技术不断发展进步，硫酸盐浆不仅可以造超强韧的本色包装纸、工业技术用纸及纸板，而且可以生产高白度的漂白浆，尤其是硫酸盐浆强度大，特别适合于高速纸机造纸。同时，因硫酸盐法纸浆得率与强度均高于烧碱法，其发展大大超过了其他化学制浆法，是目前最主要的制浆方法。硫酸盐木浆基本生产流程见图3-19。

图3-19　硫酸盐木浆基本生产流程

亚硫酸盐法特点是其主要蒸煮活性化学药剂为二氧化硫及其相应的盐基组成的酸式盐或者正盐的水溶液，该方法的最主要优点是得率比碱法高，蒸煮化学药品成本低，未漂浆的白度高，不用漂白就能制造多种纸张，纸浆容易漂白。亚硫酸盐法制浆生产流程见图3-20。

图3-20　亚硫酸盐法制浆生产流程图

（二）蒸煮工艺及设备

化学法制浆包括备料、蒸煮和净化三个基本工艺过程，蒸煮是其关键。蒸煮是用化学药品的水溶液（即蒸煮液）与植物纤维发生作用，其主要目的是除去木素，使纤维发生彼此分离。

蒸煮液即是蒸煮时所用的碱液，通常蒸煮液是由白液和一定量的黑夜混合而成的。白液是绿液加石灰苛化后得到的澄清液。黑液是碱液蒸煮后从纸浆洗涤提取出来的废液。其中，绿液是黑液在碱回炉内燃烧后流出的熔融物用稀白液或者水溶解后的液体，因其含有二价铁盐，所以呈绿色，称为绿液。在化学制浆方法中，烧碱法蒸煮的主要化学成分为NaOH ，此外，还含有一定量的Na2CO3。硫酸盐蒸煮液的主要化学成分为NaOH+Na2S，此外尚含有Na2CO3、Na2SO4、Na2SO3、Na2S2O3等。

在化学制浆的蒸煮工艺中，可以分为间歇式蒸煮和连续蒸煮系统，蒸煮器是其基本设备。其中，间歇式蒸煮的蒸煮器一般采用立式蒸煮锅，由立式蒸锅、药液循环装置（加热器、循环泵、循环管道等）组成间歇式蒸煮系统。间歇式蒸煮的蒸煮器还可以使用蒸球，但是现在慢慢被淘汰了，用得很少。

连续蒸煮系统中，连续蒸煮的蒸煮器分为立式和管式（横管式）两类，立式连续蒸煮器是最主要的连蒸设备，现已成为现代造纸业的主流蒸煮制浆设备。立式连续蒸煮器的整条连续蒸煮生产线一般包括料片仓、汽蒸室、预浸渍塔（可选，不一定有）、蒸煮塔、药液加热及循环装置、带扩散洗涤的贮浆塔等部分。比如单塔液相连续蒸煮器，单塔液相连续蒸煮器按照功能可以分为四个区，该连续蒸煮器自上而下包括浸渍区、顺流蒸煮区、逆流洗涤区、稀释冷却喷放区，分布于其间的是蒸煮药液的抽提滤板，用于相关部位液体的加热及循环利用。单塔液相连续蒸煮器功能分区见图3-21。

图3-21　单塔液相连续蒸煮器功能分区

横管式连续蒸煮器一般比较适合用在质量轻、松散、较易成浆而滤水性差的麦草、蔗渣、芦苇等非木材纤维材料。我国国产的横管式连续蒸煮器主要适用在各种非木材纤维原料生产化学浆或者半化学浆。随着科学技术的发展，世界横管式连续蒸煮器不断得到改良，改良的横管连续蒸煮还采用了双喷放技术等，双喷放技术使得从第一到第二蒸煮管之间，两蒸煮管间的第一次喷放导致了突然减压，有利于打开纤维束，促进纤维进一步吸收碱液，实现均匀蒸煮。

目前，横管式连续蒸煮器主要代表有潘迪亚（Pandia）、卡米尔（Kamyr）、荻菲布莱特（Defibrator）、格林柯（Grenco）等多种，其中，潘迪亚（Pandia）最常用，它是美国Black Clawson公司1948年研制成功的，现已超过200多家在使用。日产62.5t风干浆的潘迪亚（Pandia）连续蒸煮器基本结构见图3-22，其蒸煮管由2～8根组成，蒸煮管直径最大可达到1.5m，长度可超过15m，生产能力可达300t/d以上。潘迪亚（Pandia）连续蒸煮器的蒸煮特点是可以进行汽相高温快速蒸煮，蒸煮温度范围在175～190℃ ，蒸煮时间较短，按原料浸渍条件及成浆质量要求不同，蒸煮时间范围在10～15min。

图3-22　日产62.5t风干浆的潘迪亚（Pandia）连续蒸煮器基本结构

1—输送机；2—双辊计量器；3—双螺旋预浸渍器；4—白液罐；5—黑夜罐；6—竖管；7—气动止逆阀；8—伸缩补偿器；9—翼式出料器；10—蒸煮管；11—药液混合器；12—预压螺旋；13—螺旋进料器

（三）洗涤和净化筛选

1.洗涤

植物纤维原料经过化学蒸煮以后，一般可得到50%的纸浆，有近于50%左右的物质溶解于蒸煮液中，这种蒸煮终了排出的蒸煮液称作废液。在碱法纸浆中称作黑夜，在酸法纸浆时称作红液。这些废液中所含的固形物组分主要是纸浆中形成的木素和聚糖的降解产物，占65%～75%，其余无机物占25%～35%。

废液中所含的木素、糖类等溶出物质及化学药品，在蒸煮结束后，通过洗涤，将蒸煮废液与纸浆尽量分离，以防止废液带入筛选漂白等工序，后续以最少的水洗净纸浆，保证了纸浆洁净，得到浓度尽可能的高的蒸煮废液，以便废液综合利用、热能和化学药品回收等，解决蒸煮废液过程中的主要污染源。洗涤效果指标可以通过洗涤效率η来衡量，其表示洗涤过程中废液中固形物质量的相对百分率，洗涤效率η计算公式如下：

式中：η——表示洗涤效率，%；

　　　m0和m——分别为洗涤前后浆料中废液含固形物的质量，g。

洗涤方式分为单段洗涤和多段洗涤，多段洗涤又可分为多段单向（每段都用新鲜洗涤水）和多段逆流洗涤。在洗涤过程中，在保证纸浆洗涤达到洗净度要求的条件下，既要尽可能地提高废液提取率，又要稀释因子小，废液浓度高，可以采用多段逆流洗涤来解决上述矛盾。四段逆流洗涤流程示意图见图3-23。

图3-23　四段逆流洗涤流程示意图(www.xing528.com)

洗涤是使纸浆与蒸煮废液分离，为了以最少的水洗净纸浆并得到浓度较高的蒸煮废液以便于综合利用，一般洗涤段数为三至四段，很少超过五段，即大多采用3～4台真空或压力转鼓式洗涤机进行串联逆流洗涤。纸浆洗涤工艺装置主要有连续式蒸煮器器内洗涤、常压扩散洗涤器、鼓式洗浆机（鼓式真空洗浆机、压力洗浆机）、置换压榨洗浆机（双辊置换压榨洗浆机、双网置换压榨洗浆机）。

2.筛选净化

（1）筛选净化原理

筛选净化是为了保证纸浆质量，根据原料情况和纸张（产品）用途，清除制浆过程中（化学浆或者机械浆等）得到的粗浆中含有的少量对造有害的杂质。

粗浆中一般都或多或少都夹杂着混杂物和不溶性的杂质，比如纤维性杂质、非纤维性杂质等。尽管这些不溶性的杂质性质各不同，但是分选这些杂质一般可以采用两种作用原理，第一种是纸浆的筛选，即按照其尺寸大小和形状与纤维不同，用过筛的方式进行分离，对纸浆进行筛选；第二种是净化，即按照其杂质的比重较纤维大，用重力沉降或离心分离的方式进行分离，对纸浆进行净化。在实际生产过程中，通常是两种方式都结合起来使用，构成纸浆的筛选和净化工艺。

（2）筛选和净化指标

①筛选（净化）效率公式如下：

②浆渣率是指筛选（净化）排除的浆渣百分率，公式如下：

（3）筛选净化方式

筛选净化工艺的组合可以采用的方式主要有多段筛选（净化）、多级筛选（净化）。在多段筛选（净化）过程中，一般情况下，排渣率采用10%～30%，筛选段效采用三至四段筛选，假如筛选（净化）分段太多，不仅增加了设备投资成本，而且其动力消耗也会随之增加，同时总筛选效率会下降，故而当粗浆中杂质超过80%，则不宜进行再筛。在多级筛选过程中，筛选（净化）效率是随级数增加而提高，所以无须通过降低细浆率来提高纸浆质量，随着筛选级数的增加，设备投资亦会增加，动力消耗随之增加，同时细量减少，粗浆量增加，因此多级筛选更适合纸浆质量要求高的产品，或者适合产品较多的造纸企业。

（4）筛选净化设备

筛选是将洗涤后纸浆中所含的粗大料片与纤维束，利用带有细孔或窄缝筛板的筛浆机加以筛除，并利用各种类型的水力旋流器（锥形除砂器）除去浆料中所含的泥沙等较重杂物，使纸浆得到进一步净化。筛选设备主要使用离心筛浆机，分为粗选设备和精选设备，其中，粗选设备常见的主要是使用振框式平筛，可以用于纸浆的除节和粗选，除去较大的杂质。精选设备常见的主要筛有CX型筛、高频圆筛等，比如ZSL1-4型离心筛（原名为CX型筛）、旋翼筛（立式离心筛、压力筛）。

在纸浆筛选过程中，筛选设备和工艺操作条件对纸浆筛选的产量、品质（质量）和消耗指标等方面具有重要的影响作用，其主要影响因素为离心筛浆机转速、筛板的孔径（或者缝宽）及间距、进浆浓度与进浆量、稀释水量、浆料品种。

浆料净化过程中，净化设备主要是使用锥形除渣器。随着科学技术的发展，目前除渣器的工艺性能发展方向主要是除渣效率高、动力消耗低、浆渣堵塞次数少和密封系统（防止空气吸入），积极解决密封系统中多个并联的除渣器能共用一条带压的浆渣管，从而达到用简单的浆渣阀控制排渣。净化设备对浆料净化效率和质量具有重要影响因素，其影响净化的因素主要是锥形浆料进出口压力差、进浆浓度、除渣器通过量、除渣器排渣口。

（四）纸浆漂白

化学浆在蒸煮后，其纸浆中还残余一些很难去除的木素，这些木素可能在蒸煮过程中还发生了变化并且遗留在纸浆中，这些木素含量大概占到了未漂浆质量的3%～5%。漂白过程是为提高其白度而作用于纤维的化学过程。其作用是减少或脱除纸浆中的残余木素或其所含的发色基团（纸浆中主要的有色物质），从而使纸浆达到较高的白度及白度稳定性。漂白过程中可以使用的化学品包括含氯漂白和含氧漂白，其中，含氯漂白包括主要有氯、次氯酸盐和二氧化氯；含氧漂白主要有氧、臭氧、过氧化氢、过氧酸等。

漂白在制浆造纸过程中具有重要作用，对纸浆和成纸质量、物料和能量消耗以及对环境能够产生巨大影响。特别是随着环境保护的日趋严格，含氯漂白废水中含有的AOX即可吸附有机物对环境的危害较大，氯和次氯酸盐的漂白逐步受到了限制，纸浆漂白的发展方向目前是ECT（无元素氯）和TCE（全无氯）等，同时，随着生物科学技术的发展进步，生物漂白技术也将会逐步得到发展。

（五）黑液的回收处理

对于碱法制浆的造纸企业，在造纸过程中每天都会随之产生大量的制浆黑液。黑液即碱法蒸煮后从纸浆洗涤提取出来的废液，因碱法制浆废液颜料较深，所以称为黑液。一般情况下，碱法制浆每生产1t纸浆，有1.5～2.1t的黑色固形物（其中有机物占70%，无机物占30%）溶液在黑液中，对其进行回收处理，就是回收里面的化学品，回收里面含有潜在的热能。黑液回收处理已经成为碱法制浆系统不可缺少的工艺组成部分，具有高的经济效益、环境效益和社会效益。

黑液中的有机物质可以通过碱炉中燃烧，产生热能蒸汽，可用于发电或作为纸浆造纸生产线的工艺用蒸汽；黑液中的无机物回收处理后可作为碱液蒸煮药液在系统循环使用。当采用硫酸盐法蒸煮时，烧碱和硫化钠的损失可以完全由芒硝补充。因此，黑液具有极高的回收利用价值，其回收利用过程见图3-24所示。

图3-24　黑液的回收利用过程

目前，我国造纸工业的碱回收方法主要还是以传统燃烧法为主。这种方法主要包括黑液的蒸发、黑液的燃烧、绿液的苛化和澄清、石灰回收过程。

黑液的蒸发分为黑液的间接蒸发和直接蒸发，其中，黑液的间接蒸发通常在多效蒸发器中进行，主要由废液（黑夜）室、加热室、沸腾室、分离室（包括分离器）、循环管和循环泵等几部分组成。通常使用的有立式长管升膜蒸发器、短管式升膜蒸发器、管式降膜式蒸发器、板式降膜蒸发器等几种类别；黑液的直接蒸发采用锅炉排出来的烟气加热。一般情况，从锅炉排出来的烟气，通常温度为250～350℃，而有的甚至可以高达400℃，同时，每吨纸浆黑液燃烧的烟气中还会带出40～90kg的Na2CO3和Na2S以及15～22kg具有恶臭气味的硫化物气体。如果将这些物质随烟气直接排入大气，势必会造成化学药品的损失以及较为严重的环境污染。对于烟气中化学药品及热能的回收，目前一般采用接触式直接蒸发黑液的方式进行，再通过进一步除尘处理，达到净化烟气的目的。采用直接蒸发黑液可以将黑液的浓度从50%～55%蒸发到60%～67%。而烟道气的温度则从350～400℃降低到160～180℃，同时烟气也得到了了净化。直接蒸发黑液的主要设备常采用圆盘蒸发器和文丘里-旋风蒸发器。

黑液的燃烧就是利用热解的方法，使黑液中无机盐与有机盐分离，回收其钠盐及有机物燃烧放出的热，同时在硫酸盐法加入芒硝，以补充纸浆过程中损失的钠和硫。

绿液的苛化和澄清过程中，绿液是黑液燃烧后熔融物溶解于稀白液或水中形成的溶液，其主要成分为碳酸钠与硫化钠，烧碱法则为碳酸钠，因其中含有少量的氢氧化铁，呈绿色，故称作绿液。苛化是指将石灰加入绿液中使碳酸钠转化为氢氧化钠的过程。绿液苛化分为连续苛化法和间断苛化法两种方式，其中，连续苛化工艺包括绿液澄清、绿泥洗涤、消化、苛化四个过程。经过石灰的消化和碳酸钠的苛化的两步苛化反应后，得到苛化后澄清的液体称作白液，即蒸煮用的碱液，沉淀出的碳酸钙称作白泥。白液澄清是在澄清器内，使苛化后的另一生成物碳酸钙沉淀，分离白泥，澄清的白液送蒸煮使用，白泥由膜泵抽送到白泥洗涤器。白泥洗涤是为了提取白泥中的残碱，在白泥洗涤器中进行，澄清的稀白液送去溶解燃烧工序的熔融物。洗涤后的白泥，再经过真空过滤机最后洗涤，然后送去进行煅烧，回收石灰。

石灰的回收是白液澄清时沉淀的碳酸钙，经过洗涤，脱掉大部分水，再煅烧成石灰。石灰的回收工艺过程主要是通过在回转窑内煅烧白泥，经过干燥、预热、煅烧三个阶段完成石灰回收。白泥回收适用于连续化生产系统，具有很多优点，不但可以减少污染，保护环境，还可以节约新石灰使用量，减少能源消耗，降低企业成本。