張 偉 徐 峻，3，* 應(yīng)廣東 曹衍軍 陳克復(fù) 臧子甲

（1.華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510640；2.山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司，山東濟(jì)寧，272100；3.廣東省植物資源生物煉制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州，510006）

植物纖維原料是造紙工業(yè)的基礎(chǔ)，但由于我國(guó)木材資源一直以來(lái)都很緊缺，且需求行業(yè)多，可供造紙行業(yè)使用的木材非常有限。因此，我國(guó)造紙工業(yè)在新中國(guó)成立后半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中，走了一條以草類(lèi)纖維為主要原料的發(fā)展道路[1]，非木漿在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)造紙工業(yè)紙漿消耗的主導(dǎo)地位[2-3]。為了節(jié)省原料、降低原材料消耗，20 世紀(jì)六七十年代，我國(guó)還曾經(jīng)大力發(fā)展非木材化學(xué)法、半化學(xué)法、機(jī)械法等高得率制漿工藝[4]，許多蔗渣、高粱稈、稻麥草制漿造紙廠都進(jìn)行了試產(chǎn)[5-6]，也取得了比較好的效果，當(dāng)時(shí)的輕工業(yè)部還多次召開(kāi)造紙工業(yè)增產(chǎn)節(jié)約座談會(huì)進(jìn)行推廣[7-8]。但由于非木材原料大多數(shù)是一年生植物，纖維短、強(qiáng)度低、灰分和硅含量高，紙張抄造性能差，且制漿廢液處理和污染防治難度大，這些非木材高得率制漿均未能正常運(yùn)轉(zhuǎn)下去，最終非木材纖維仍主要沿用木漿的制漿工藝生產(chǎn)漂白化學(xué)漿[9]。與此同時(shí)，國(guó)際上以木材為主的高得率制漿則得到快速發(fā)展[10-11]，20 世紀(jì)70年代出現(xiàn)化學(xué)熱磨機(jī)械漿（CTMP），到了20 世紀(jì)90年代又出現(xiàn)堿性過(guò)氧化氫機(jī)械法制漿（APMP），大幅度提升了高得率紙漿的品質(zhì)，且通過(guò)磨漿調(diào)節(jié)[12]，可滿足多個(gè)紙種的使用要求，已成為造紙工業(yè)重要的漿種[13-14]。

隨著我國(guó)造紙工業(yè)的高速發(fā)展，為了彌補(bǔ)原料不足和優(yōu)化原料結(jié)構(gòu)，2001年原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布《造紙工業(yè)“十五”規(guī)劃》，明確提出要“逐步實(shí)現(xiàn)以木材纖維為主，擴(kuò)大廢紙回收利用，合理使用非木纖維”。之后，我國(guó)進(jìn)口木片（木漿）和廢紙的數(shù)量迅速攀升，自2000年到2015年，木片進(jìn)口量從0.12萬(wàn)t躍升至981.54 萬(wàn)t，凈增加980 多萬(wàn)t；廢紙進(jìn)口量則從371.36 萬(wàn)t 躍升至2928.39 萬(wàn)t，翻了近8 倍，凈增加約2600 萬(wàn)t[2]；進(jìn)口原料已占我國(guó)造紙工業(yè)紙漿消耗總量的43%[15]，原料供給風(fēng)險(xiǎn)陡增。更為嚴(yán)峻的是，為防范進(jìn)口廢紙帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，2017年國(guó)辦印發(fā)《禁止洋垃圾入境推進(jìn)固體廢物進(jìn)口管理制度改革實(shí)施方案》要求禁止進(jìn)口未經(jīng)分揀的廢紙，2020年四部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于全面禁止進(jìn)口固體廢物有關(guān)事項(xiàng)的公告》，指出從2021年開(kāi)始全面禁止廢紙進(jìn)口?！敖麖U令”的實(shí)施對(duì)行業(yè)發(fā)展造成巨大影響，進(jìn)一步加劇了纖維原料供應(yīng)的緊張形勢(shì)，缺口達(dá)3000萬(wàn)t/a[16]，這勢(shì)必帶來(lái)原料結(jié)構(gòu)和紙漿生產(chǎn)方式的深刻變革[17-18]。由于進(jìn)口廢紙主要是用于生產(chǎn)箱紙板、瓦楞原紙等包裝用紙，這類(lèi)紙對(duì)環(huán)壓強(qiáng)度要求很高，而在各類(lèi)紙漿生產(chǎn)方式中，高得率半化學(xué)漿的環(huán)壓強(qiáng)度尤佳[19-20]，非常適合用于本色包裝用紙的生產(chǎn)。

山東太陽(yáng)紙業(yè)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱太陽(yáng)紙業(yè)）很早就開(kāi)始布局多元化纖維原料供給，除在海外建立原料林基地外[21]，還充分挖掘國(guó)內(nèi)及廠內(nèi)纖維資源，大力發(fā)展化學(xué)機(jī)械法、半化學(xué)法等高得率制漿方式，將原料“吃干榨盡”。眾所周知，木片在進(jìn)入化學(xué)法或化學(xué)機(jī)械法制漿系統(tǒng)前需先通過(guò)木片篩，通常會(huì)產(chǎn)生6%～10%尺寸規(guī)格較小的篩余物，這些碎料一般都是作為燃料進(jìn)行焚燒處置或外售，附加值很低，能否利用這些碎料來(lái)制漿是一個(gè)嶄新的課題。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的比較分析，筆者團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了篩余物半化學(xué)法制漿技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，產(chǎn)品指標(biāo)滿足瓦楞原紙的生產(chǎn)需求，同時(shí)還利用自主開(kāi)發(fā)的廢水零排放處理技術(shù)解決了半化學(xué)法制漿廢液污染大、難以達(dá)標(biāo)處理的難題[22]。經(jīng)過(guò)多年的生產(chǎn)應(yīng)用，產(chǎn)品各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)穩(wěn)定，有效地保障了太陽(yáng)紙業(yè)包裝用紙的原料供給。

1 試 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)室分析

1.1.1 纖維原料

篩余物原料來(lái)自太陽(yáng)紙業(yè)備料車(chē)間木片篩選單元的碎料（見(jiàn)圖1），第三層篩板孔徑6 mm。經(jīng)除沙、除塵處理后，供實(shí)驗(yàn)使用。

圖1 木片篩原理示意圖和篩余物外觀形貌Fig.1 Illustration of wood chip screening and appearance of rejects

1.1.2 化學(xué)預(yù)處理

篩余物的化學(xué)預(yù)處理采用15L ZQS-1 型回轉(zhuǎn)電熱蒸煮鍋進(jìn)行，采用模擬連續(xù)蒸煮方法[23]，用堿量設(shè)定為8%和14%（相對(duì)絕干原料），預(yù)處理溫度150℃，蒸煮時(shí)間40 min，液比1∶6。反應(yīng)完成后泄壓放料，得到的粗纖維不經(jīng)洗滌直接進(jìn)行后續(xù)磨漿處理。

1.1.3 磨漿處理

采用KRK-2500II 型盤(pán)磨機(jī)進(jìn)行磨漿實(shí)驗(yàn)，磨漿濃度分別設(shè)定為22%、16%和10%。按同一濃度下1次和2次磨漿，以及高低濃組合磨漿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。磨漿能耗根據(jù)磨漿時(shí)間內(nèi)能耗表的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算。

1.1.4 分析與檢測(cè)

紙漿濃度、卡伯值、打漿度、纖維長(zhǎng)度分別按GB/T 5399—2004、GB/T 1546—2004、GB/T 3332—2004、GB/T 10336—2002方法進(jìn)行測(cè)定，紙漿得率按照文獻(xiàn)[24]中的方法進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)，利用抄片器抄造手抄片，定量150 g/m2，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 451.3—2002、GB/T 12914—2008、GB/T 2679 5—1995、GB/T 454—2002、GB/T 2679.8—2016 進(jìn)行漿張緊度、裂斷長(zhǎng)、耐折度、耐破度、環(huán)壓強(qiáng)度的計(jì)算與測(cè)試。

1.2 生產(chǎn)試驗(yàn)

利用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，筆者團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一條日產(chǎn)300 t的篩余物半化學(xué)法制漿生產(chǎn)線，該生產(chǎn)流程主要由橫管連續(xù)蒸煮系統(tǒng)（DN1500，Z3，Ve=20 m3）、高濃磨漿系統(tǒng)（Φ1300 mm，1700 kW/1400 kW）、封閉篩選系統(tǒng)、洗滌濃縮系統(tǒng)等組成，工藝流程簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 篩余物半化學(xué)法制漿工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Brief diagram of semi-chemical pulping process of woodchip rejects

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)分析

半化學(xué)漿和化學(xué)機(jī)械漿都是介于化學(xué)漿和純機(jī)械漿之間的兩段制漿法，但相對(duì)于化學(xué)機(jī)械漿（化機(jī)漿），半化學(xué)漿化學(xué)處理程度更高一些，需要用到單獨(dú)的蒸煮器，其得率也相對(duì)低一些，通常在65%～85%之間[25]。本實(shí)驗(yàn)參照化機(jī)漿和半化學(xué)漿常用的用堿量，選定8%和14%的用堿量（相對(duì)于絕干漿，以下同）進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，然后對(duì)所得粗纖維進(jìn)行不同濃度的磨漿處理，所得結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表2 不同磨漿工藝下磨漿效果及磨漿能耗Table 2 Refining effect and energy consumption under different refining processes

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用8%的用堿量進(jìn)行化學(xué)預(yù)處理，粗纖維得率達(dá)75%，卡伯值則高達(dá)150，殘堿僅為1.5 g/L，說(shuō)明堿幾乎被消耗完；當(dāng)用堿量提高到14%后，粗纖維得率下降到70%，卡伯值則減少為120，殘堿則增加至3.5 g/L。另外，從pH變化來(lái)看，當(dāng)用堿量為8%時(shí)，由于殘堿量不足，pH值只有9.0，遠(yuǎn)低于常規(guī)化學(xué)制漿蒸煮末期需所控制的pH 值＞12 的要求，這會(huì)導(dǎo)致溶出的木素重新沉積在纖維上，影響紙漿質(zhì)量；當(dāng)用堿量增加到14%時(shí)，pH值剛好達(dá)到12以上，這將有助于提高紙漿性能。

表1 化學(xué)預(yù)處理后粗纖維及廢液特性Table 1 Characteristics of crude fibers and waste liquids after chemical pretreatment

從表2 磨漿情況來(lái)看，1#樣采用10%磨漿濃度磨漿2 次，雖然能耗只有49 kWh/t 漿，但由于打漿度太低，纖維無(wú)法成形；當(dāng)把磨漿濃度提高到16%時(shí)，磨漿能耗升至116 kWh/t 漿，打漿度也提高約50%，達(dá)到17°SR，但纖維仍無(wú)法抄片；當(dāng)把磨漿濃度調(diào)到22%時(shí)，漿樣能夠抄片，此時(shí)打漿度為29°SR，紙漿濕重為0.83 g。因此，2#直接采用漿濃22%的兩段高濃磨漿，所得漿料打漿度達(dá)36°SR，電耗相對(duì)1#有所下降，且紙漿濕重則從0.83 g 提高到1.50 g，顯示出更好的磨漿效果。基于此，對(duì)兩段22%高濃磨漿的1#和2#漿張進(jìn)行物理性能檢測(cè)，所得結(jié)果列于表3中。

表3 不同工藝得到的半化學(xué)漿與OCC廢紙漿抄造漿張性能比較Table 3 Performance comparison between semi-chemical pulp obtained by different processes and OCC pulp

從表3 中1#漿張的物理性能可以看出，磨漿次數(shù)的增加有利于提高紙漿的性能，磨漿2次后，漿張裂斷長(zhǎng)、耐破度和環(huán)壓強(qiáng)度都明顯提高，特別是環(huán)壓指數(shù)，從1 次磨漿的6.06 N·m/g 提高到8.13 N·m/g，高于GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原） 紙A 級(jí)優(yōu)等品（7.7 N·m/g）。在相同磨漿2 次的條件下，2#漿張的性能較1#漿張全面提升，其裂斷長(zhǎng)、耐破指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)分別是1#漿張的1.9 倍、1.8 倍和1.2 倍，說(shuō)明提高化學(xué)預(yù)處理的強(qiáng)度，對(duì)抄造漿張性能影響極大；且其緊度也達(dá)到0.52 g/cm3，超過(guò)GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A級(jí)優(yōu)等品（0.50 g/cm3）指標(biāo)要求。

另外，從表3 中2#漿樣和OCC 廢紙漿不同級(jí)分長(zhǎng)/中/短纖的紙張物理性能可以看出，篩余物半化學(xué)漿抄造漿張?jiān)诹褦嚅L(zhǎng)和環(huán)壓強(qiáng)度方面均超過(guò)廢紙漿，特別是環(huán)壓指數(shù)，半化學(xué)漿抄造漿張達(dá)9.76 N·m/g，超過(guò)了GB/T 13023—2008瓦楞芯（原）紙AA級(jí)優(yōu)等品（9.0 N·m/g）指標(biāo)要求；但國(guó)內(nèi)OCC 廢紙長(zhǎng)纖抄造漿張環(huán)壓強(qiáng)度僅為8.61 N·m/g，只能達(dá)到GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A 級(jí)（7.7 N·m/g）指標(biāo)要求，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)廢紙性能相對(duì)較低。

2.2 生產(chǎn)試驗(yàn)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，綜合考慮紙漿得率和性能，生產(chǎn)試驗(yàn)化學(xué)預(yù)處理用堿量選用14%、溫度150℃、反應(yīng)時(shí)間40 min、液比1∶2.3，得到的粗纖維再經(jīng)兩段22%高濃磨漿，然后對(duì)紙漿和抄造漿張性能進(jìn)行檢測(cè)分析，連續(xù)生產(chǎn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 生產(chǎn)試驗(yàn)所得紙漿及抄造漿張的性能Fig.3 Properties of pulp samples from industrial trials

從圖3(a)可以看出，漿張卡伯值總體處于100～130 之間，平均為116；打漿度則在35°SR 上下，均與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相吻合。另外，從圖3(b)中纖維長(zhǎng)度和細(xì)小纖維含量來(lái)看，篩余物半化學(xué)漿纖維長(zhǎng)度為0.6～0.7 mm，和一般化機(jī)漿相差不大；但細(xì)小纖維含量明顯比化機(jī)漿的要高，平均含量占60%左右，這與篩余物本身尺度較小密切相關(guān)。

當(dāng)然，從圖3(c)和圖3(d)生產(chǎn)試驗(yàn)所得漿張的強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)看，各項(xiàng)指標(biāo)與實(shí)驗(yàn)室紙漿性能相吻合，其中平均裂斷長(zhǎng)為2.93 km，優(yōu)于實(shí)驗(yàn)室2#漿張的2.89 km；耐破指數(shù)和環(huán)壓指數(shù)分別為1.29 kPa·m2/g和8.69 N·m/g，略低于實(shí)驗(yàn)室紙漿，但環(huán)壓指數(shù)仍超過(guò)GB/T 13023—2008 瓦楞芯（原）紙A 級(jí)優(yōu)等品的要求；平均緊度則進(jìn)一步提高到0.54 g/cm3，達(dá)到GB/T 13023—2008瓦楞芯（原）紙AA級(jí)優(yōu)等品（0.53 g/cm3）指標(biāo)要求。

3 結(jié) 論

3.1 木片篩余物采用8%NaOH 和14%NaOH（相對(duì)絕干漿）低堿蒸煮化學(xué)預(yù)處理結(jié)合兩段漿濃22%的高濃磨漿，均能制備出得率在70%或以上的半化學(xué)漿，且14%用堿量下半化學(xué)漿性能明顯更優(yōu)，抄造漿張裂斷長(zhǎng)和環(huán)壓指數(shù)高于現(xiàn)用OCC 廢紙漿抄造漿張。

3.2 采用優(yōu)化工藝進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)試驗(yàn)，所得漿張平均緊度、裂斷長(zhǎng)、耐破指數(shù)、環(huán)壓指數(shù)分別為0.54 g/cm3、2.93 km、1.29 kPa·m2/g和8.69 N·m/g，滿足生產(chǎn)高強(qiáng)瓦楞原紙的要求，實(shí)現(xiàn)了篩余物的高效高值化利用。