Целлюлозно-бумажные комбинаты: технологии и процессы производства

Введение

Объект, перерабатывающий древесную или растительную волокнистую массу

Целлюлозно-бумажный комбинат – это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другие растительные источники волокна в толстый волокнистый материал, который может быть отправлен на бумажную фабрику для дальнейшей переработки. Целлюлоза может быть произведена механическими, полухимическими или полностью химическими методами (крафт-процесс и сульфитный процесс). Готовый продукт может быть отбеленным или неотбеленным, в зависимости от требований заказчика. Древесина и другие растительные материалы, используемые для производства целлюлозы, содержат три основных компонента (помимо воды): целлюлозные волокна (желательные для производства бумаги), лигнин (трехмерный полимер, связывающий целлюлозные волокна вместе) и гемицеллюлозы (короткие разветвленные углеводные полимеры). Целью процесса получения целлюлозы является разрушение структуры исходного волокнистого материала – щепы, стеблей или других частей растения – на отдельные волокна. Химический способ получения целлюлозы достигает этого путем разложения лигнина и гемицеллюлозы на мелкие водорастворимые молекулы, которые могут быть удалены с целлюлозных волокон без деполимеризации целлюлозы (химическая деполимеризация ослабляет волокна). Различные механические способы получения целлюлозы, такие как получение древесной массы (GW) и получение целлюлозы в рафинере (RMP), физически разделяют целлюлозные волокна. Большая часть лигнина остается на волокнах. Прочность снижается, так как волокна могут быть повреждены. Связанные гибридные методы используют комбинацию химической и термической обработки для начала упрощенного химического процесса получения целлюлозы, за которым немедленно следует механическая обработка для разделения волокон. Эти гибридные методы включают термомеханическое получение целлюлозы (TMP) и химико-термомеханическое получение целлюлозы (CTMP). Химическая и термическая обработка снижают количество энергии, необходимой для последующей механической обработки, а также уменьшают потерю прочности волокон. Самые ранние известные методы приготовления целлюлозы для производства бумаги использовали водяное колесо в Самарканде в 8 веке, в период правления Аббасидского халифата.

Мельница

Большая часть информации о технологии, представленной в следующих разделах, взята из книги К. Дж. Биермана. Химия различных процессов варки целлюлозы описана в книге Сёстрёма.

Приготовление источника волокна

Наиболее распространенным источником волокна для целлюлозно-бумажных комбинатов является древесина для целлюлозы. Другими распространенными источниками являются багасса и волокнистые сельскохозяйственные культуры. Первым этапом на всех предприятиях, использующих древесину (деревья) в качестве источника волокна, является удаление коры. Кора содержит относительно мало пригодных для использования волокон и темнит целлюлозу. Удаленная кора сжигается вместе с другим непригодным растительным материалом для выработки пара, необходимого для работы предприятия. Практически вся древесина затем измельчается в щепу перед дальнейшей обработкой для высвобождения волокон. Удаление коры осуществляется в короесъемной машине (или лущильнике). Адгезия коры составляет около 3–5 кг/см² в период вегетации (летом) и в 2–3 раза выше в период покоя (зимой). Кору с замороженных бревен удалить еще сложнее. На химических целлюлозно-бумажных комбинатах кора содержит нежелательные примеси, такие как кальций, кремнезем и алюминий, которые вызывают образование отложений и увеличивают нагрузку на систему химической регенерации. Березовая кора содержит бетулин, терпеноид, который легко образует отложения на целлюлозно-бумажном комбинате.

Механические целлюлозные мельницы

Самые ранние мельницы использовали шлифовальные ролики из песчаника для измельчения небольших деревянных бревен, называемых "чурками", но использование природного камня прекратилось в 1940-х годах с появлением искусственных камней с добавлением карбида кремния или оксида алюминия. Бумага, полученная этим способом, известна как древесная масса, полученная на камне (SGW). Если древесина измельчается в герметичном, работающем под давлением измельчителе, бумага классифицируется как древесная масса, полученная под давлением (PGW). Большинство современных мельниц используют щепу вместо бревен и рифленые металлические диски, называемые рафинерными пластинами, вместо шлифовальных камней. Если щепа просто измельчается пластинами, бумага называется древесной массой, полученной на рафинере (RMP), а если щепа обрабатывается паром в процессе рафинирования, бумага называется термомеханической древесной массой (TMP). Обработка паром значительно снижает общее количество энергии, необходимое для производства бумаги, и уменьшает повреждение (разрыв) волокон. Механические целлюлозные мельницы потребляют большое количество энергии, в основном электрической, для питания двигателей, вращающих измельчители. Приблизительная оценка потребности в электрической энергии составляет 10 000 мегаджоулей (МДж) на тонну бумаги (2750 кВтч на тонну).

Химические целлюлозные фабрики

Химические процессы производства целлюлозы, такие как крафт (или сульфатный) и сульфитный процессы, удаляют большую часть гемицеллюлозы и лигнина. Крафт-процесс оказывает меньшее повреждающее воздействие на целлюлозные волокна, чем сульфитный, тем самым производя более прочные волокна, но сульфитный процесс позволяет получить целлюлозу, которую легче отбеливать. В химических процессах производства целлюлозы используется сочетание высоких температур и щелочных (крафт) или кислотных (сульфитных) химических веществ для разрыва химических связей лигнина. Однако загрязнение атмосферы и наличие загрязняющих веществ в сточных водах при крафт-варке широко задокументированы.

Материал, подаваемый в варочный аппарат, должен быть достаточно мелким, чтобы варочная жидкость могла полностью проникать в куски. В случае древесины бревна измельчаются в щепу, а щепа просеивается для обеспечения равномерного размера загрузки в варочный аппарат. Крупная щепа либо используется в качестве топлива, либо повторно пропускается через измельчитель, а опилки могут быть сожжены или собраны для продажи. Просеянная щепа или измельченное растительное сырье (бамбук, кенаф и т.д.) поступает в варочный аппарат, где смешивается с водным раствором химических веществ для варки, а затем нагревается паром. В крафт-процессе химическими веществами являются гидроксид натрия и сульфид натрия, а раствор известен как белый щелок. В сульфитном процессе химическим веществом для варки является смесь металла (натрия, магния, калия или кальция) и сульфита или бисульфита аммония. После нескольких часов в варочном аппарате щепа или измельченное растительное сырье распадается до консистенции густой каши и "выдувается" или отжимается из выходного отверстия варочного аппарата через воздушный шлюз. Резкое изменение давления приводит к быстрому расширению волокон, еще больше разделяя их. Полученная волокнистая суспензия в водном растворе называется "коричневой массой". Промыватели коричневой массы, использующие противоточное движение, удаляют отработанные варочные химикаты, а также деградировавший лигнин и гемицеллюлозу. Извлеченная жидкость, известная как черный щелок в крафт-процессе и красный или коричневый щелок в сульфитных процессах, концентрируется, сжигается, а соединения натрия и серы перерабатываются в регенерационном цикле. Лигносульфонаты являются полезным побочным продуктом, извлекаемым из отработанного щелока в сульфитном процессе. Очищенная целлюлоза (масса) может быть отбелена на отбеливательной установке или оставлена неотбеленной, в зависимости от конечного применения. Масса распыляется на сетку бумагоделательной машины, вода стекает, дополнительная вода удаляется путем прессования листа волокон, а затем лист высушивается. В этот момент листы целлюлозы имеют толщину в несколько миллиметров и грубую поверхность: это еще не бумага. Высушенная целлюлоза разрезается, складывается, прессуется в кипы и отправляется на другое предприятие для дальнейшей переработки. Отбеленная крафт-целлюлоза и отбеленная сульфитная целлюлоза используются для производства высококачественной белой печатной бумаги. Одним из наиболее заметных применений неотбеленной крафт-целлюлозы является изготовление коричневых бумажных пакетов и оберточной бумаги, где особенно важна прочность. Специальная марка отбеленной сульфитной целлюлозы, известная как диссольвирующая целлюлоза, используется для производства производных целлюлозы, таких как метилцеллюлоза, которые используются в широком спектре повседневных продуктов, от слабительных средств до выпечки и обойного клея.

The material fed into the digester must be small enough to allow the pulping liquor to penetrate the pieces completely. In the case of wood, the logs are chipped and the chips screened to ensure that the feed to the digester is of a uniform size. Oversized chips are either used as fuel or run through the chipper again, while sawdust may be burned or collected for sale. The screened chips or cut plant material (bamboo, kenaf, etc.) goes to the digester where it is mixed with an aqueous solution of the pulping chemicals, then heated with steam. In the kraft process the pulping chemicals are sodium hydroxide and sodium sulfide and the solution is known as white liquor. In the sulfite process the pulping chemical is a mixture of metal (sodium, magnesium, potassium, or calcium) and ammonium sulfite or sulfite. After several hours in the digester, the chips or cut plant material breaks down into a thick porridge like consistency and is "blown" or squeezed from the outlet of the digester through an airlock. The sudden change in pressure results in a rapid expansion of the fibers, separating the fibers even more. The resulting fiber suspension in water solution is called "brown stock". Brown stock washers, using countercurrent flow, remove the spent cooking chemicals and degraded lignin and hemicellulose. The extracted liquid, known as black liquor in the kraft process, and red or brown liquor in the sulfite processes, is concentrated, burned and the sodium and sulfur compounds recycled in the recovery process. Lignosulphonates is a useful byproduct recovered from the spent liquor in the sulfite process. The clean pulp (stock) can be bleached in the bleach plant or left unbleached, depending on the end use. The stock is sprayed onto the pulp machine wire, water drains off, more water is removed by pressing the sheet of fibers, and the sheet is then dried. At this point the sheets of pulp are several millimeters thick and have a coarse surface: it is not yet paper. The dried pulp is cut, stacked, bailed and shipped to another facility for whatever further process is needed. Bleached kraft pulp and bleached sulfite pulp are used to make high quality, white printing paper. One of the most visible uses for unbleached kraft pulp is to make brown paper shopping bags and wrapping paper where strength is particularly important. A special grade of bleached sulfite pulp, known as dissolving pulp, is used to make cellulose derivatives such as methylcellulose which are used in a wide range of everyday products from laxatives to baked goods to wallpaper paste.

Химико-механические целлюлозно-металлургические станции

Некоторые предприятия предварительно обрабатывают древесную щепу или другой растительный материал, например, солому, карбонатом натрия, гидроксидом натрия, сульфитом натрия и другими химическими веществами перед размолкой с использованием оборудования, аналогичного механической мельнице. Условия химической обработки значительно менее интенсивные (более низкая температура, меньшее время воздействия, менее экстремальный pH), чем при химической варке целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить размолку волокон, а не удалять лигнин, как в полностью химическом процессе. Целлюлоза, полученная с использованием этих гибридных процессов, называется химико-термомеханической целлюлозой (CTMP). Иногда предприятие CTMP располагается на той же площадке, что и целлюлозно-бумажный комбинат, использующий сульфатный способ, чтобы сточные воды с предприятия CTMP могли быть очищены в процессе регенерации химикатов сульфатного производства для восстановления неорганических веществ, используемых в варке целлюлозы.

Расписание

Процесс варки целлюлозы включает в себя множество производственных стадий, обычно сопровождаемых промежуточными накопительными емкостями. Поскольку надежность каждой стадии различна, а узкие места могут меняться ежедневно, планирование работы целлюлозно-бумажного комбината должно учитывать эти узкие места и вероятность сбоев или поломок. Каждая стадия также может иметь различные управляющие параметры, такие как подача пара, воды или химических веществ. Наконец, при планировании необходимо учитывать оптимизацию потребления топлива и выбросы CO2, так как часть потребности в энергии может удовлетворяться за счет котлов, работающих на ископаемом топливе. Общая цель – максимизировать производство при минимальных затратах.

Строительные материалы

Нержавеющие стали широко используются в целлюлозно-бумажной промышленности по двум основным причинам: чтобы избежать загрязнения продукции железом и благодаря их устойчивости к коррозии в отношении различных химических веществ, применяемых в процессе производства бумаги. Широкий спектр нержавеющих сталей используется на протяжении всего процесса производства целлюлозы. Например, двухфазные (дуплексные) нержавеющие стали применяются в варочных котлах для переработки древесной щепы в древесную массу, а 6% молибденовые супераустенитные нержавеющие стали – на отбеливательной установке.