Целлюлозный завод — это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другие источники растительного волокна в толстые древесноволокнистые плиты , которые можно отправлять на бумажную фабрику для дальнейшей переработки. Целлюлозу можно производить механическими, полухимическими или полностью химическими методами ( крафт- и сульфитные процессы). [1] Готовый продукт может быть как отбеленным , так и неотбеленным, в зависимости от требований заказчика.
Древесина и другие растительные материалы, используемые для производства целлюлозы, содержат три основных компонента (помимо воды): целлюлозные волокна (необходимые для изготовления бумаги ), лигнин (трехмерный полимер, который связывает целлюлозные волокна вместе) и гемицеллюлозы ( углеводные полимеры с более короткими разветвлениями). . Целью варки целлюлозы является расщепление объемной структуры источника волокна, будь то щепа, стебли или другие части растений, на составляющие волокна.
Химическая целлюлоза достигает этого за счет разложения лигнина и гемицеллюлозы на небольшие водорастворимые молекулы, которые можно смыть с целлюлозных волокон без деполимеризации целлюлозных волокон (химическая деполимеризация целлюлозы ослабляет волокна). Различные методы механического производства целлюлозы, такие как измельченная древесина (GW) и рафинирующая механическая обработка (RMP), физически отрывают целлюлозные волокна друг от друга. Большая часть лигнина остается прилипшей к волокнам. Прочность снижается, поскольку волокна могут быть разрезаны. В родственных методах гибридной варки используется комбинация химической и термической обработки, чтобы начать сокращенный процесс химической варки, за которым сразу же следует механическая обработка для разделения волокон. Эти гибридные методы включают термомеханическую варку целлюлозы (TMP) и химико-термомеханическую варку целлюлозы (CTMP). Химическая и термическая обработки уменьшают количество энергии, необходимой впоследствии для механической обработки, а также уменьшают величину потери прочности, которую испытывают волокна.
Самые ранние известные методы подготовки целлюлозы для изготовления бумаги применялись с использованием воды и применялись в Самарканде 8-го века , Аббасидский халифат . [2]
Большая часть информации о технологии в следующих подразделах взята из книги Си Джей Бирманна. [3] Химию различных процессов варки целлюлозы можно найти в книге Шёстрема. [4]
Наиболее распространенным источником волокна для целлюлозных заводов являются балансы . Другими распространенными источниками являются жом [5] и волокнистые культуры. Первым шагом на всех заводах, использующих древесину (деревья) в качестве источника волокна, является удаление коры . Кора содержит относительно мало пригодных для использования волокон и затемняет мякоть. Удаленная кора сжигается вместе с другим непригодным растительным материалом для получения пара , необходимого для работы мельницы. Почти вся древесина затем измельчается перед дальнейшей обработкой, чтобы освободить волокна.
Удаление коры производится в окорочном станке (или окорочном станке ). Прилипаемость коры составляет около 3–5 кг/см 2 в вегетационный период (лето) и в 2–3 раза выше в период покоя (зима). Еще труднее удалить кору с замерзших бревен.
На целлюлозно-бумажных заводах кора содержит нежелательные загрязняющие вещества, такие как кальций , кремнезем и алюминий , которые вызывают накипь и создают дополнительную нагрузку на систему химической регенерации. Береста содержит бетулин , терпеноид , который легко образует отложения на целлюлозном заводе.
Самые ранние мельницы использовали шлифовальные валки из песчаника для дробления небольших бревен, называемых «болтами», но использование натурального камня прекратилось в 1940-х годах с появлением промышленных камней с внедренным карбидом кремния или оксидом алюминия . Целлюлоза, полученная этим процессом, известна как целлюлоза «каменной древесины» (SGW). Если древесина измельчается в закрытой мельнице под давлением, целлюлоза классифицируется как «древесная масса под давлением» (PGW). На большинстве современных мельниц вместо жерновов используется щепа, а вместо точильных камней используются металлические диски с ребрами, называемые рафинерными пластинами. Если щепа просто измельчается пластинами, целлюлоза называется «механической целлюлозой рафинера» (RMP), если щепа пропаривается во время рафинирования, пульпа называется «термомеханической» целлюлозой (TMP). Обработка паром значительно снижает общее количество энергии, необходимой для изготовления целлюлозы, и уменьшает повреждение (разрезание) волокон. Механические целлюлозно-бумажные заводы используют большое количество энергии, в основном электричество для питания двигателей, которые вращают мельницы. Приблизительная оценка необходимой электрической энергии составляет 10 000 мегаджоулей ( МДж) на тонну целлюлозы (2750 кВтч на тонну ).
Процессы химической варки целлюлозы, такие как крафт- процесс (или сульфат) и сульфитный процесс, удаляют большую часть гемицеллюлозы и лигнина. Крафт-процесс наносит меньший вред целлюлозным волокнам, чем сульфитный процесс , тем самым производя более прочные волокна, но сульфитный процесс делает целлюлозу легче отбеливаемой. В процессах химической варки целлюлозы используется сочетание высокой температуры и щелочных (крафт-) или кислотных (сульфитных) химикатов для разрыва химических связей лигнина. Тем не менее, загрязнение атмосферы и загрязняющие вещества в сточных водах в процессе крафт-целлюлозы широко документированы [6] [7] [8]
Материал, подаваемый в варочный котел, должен быть достаточно мелким, чтобы варочная жидкость могла полностью проникнуть в куски. В случае древесины бревна измельчаются, а щепа сортируется, чтобы обеспечить подачу в варочный котел одинакового размера. Негабаритная щепа либо используется в качестве топлива, либо снова проходит через измельчитель, а опилки можно сжигать или собирать для продажи. Просеянная щепа или измельченный растительный материал ( бамбук , кенаф и т. д.) поступает в варочный котел , где смешивается с водным раствором химикатов для варки целлюлозы, а затем нагревается паром. В крафт-процессе химическими веществами для варки целлюлозы являются гидроксид натрия и сульфид натрия , а раствор известен как белый щелок. В сульфитном процессе варочный химикат представляет собой смесь металлов (натрия, магния, калия или кальция) и сульфита или сульфита аммония.
После нескольких часов пребывания в варочном котле щепа или измельченный растительный материал распадается до густой кашеобразной консистенции и «выдувается» или выдавливается из выпускного отверстия варочного котла через воздушный шлюз. Внезапное изменение давления приводит к быстрому расширению волокон, еще больше разделяя их. Полученная суспензия волокон в водном растворе называется «коричневой массой».
Мойки коричневого сырья с помощью противотока удаляют отработанные кулинарные химикаты, а также деградировавший лигнин и гемицеллюлозу. Экстрагированная 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 процессе восстановления. Лигносульфонаты являются полезным побочным продуктом, извлекаемым из отработанного щелока сульфитного процесса. [9] Чистая целлюлоза (масса) может быть отбелена на отбеливательной установке или оставлена неотбеленной, в зависимости от конечного использования. Масса распыляется на сетку целлюлозной машины, вода сливается, дополнительная вода удаляется путем прессования листа волокон, а затем лист сушат. На этом этапе листы целлюлозы имеют толщину в несколько миллиметров и шероховатую поверхность: это еще не бумага. Высушенную целлюлозу разрезают, штабелируют, упаковывают и отправляют на другое предприятие для дальнейшего процесса.
Отбеленная крафт-целлюлоза и отбеленная сульфитная целлюлоза используются для изготовления высококачественной белой бумаги для печати. Одним из наиболее заметных применений небеленой крафт-целлюлозы является изготовление сумок для покупок из коричневой бумаги и оберточной бумаги, где прочность особенно важна. Особый сорт беленой сульфитной целлюлозы, известный как растворимая целлюлоза, используется для производства производных целлюлозы, таких как метилцеллюлоза , которые используются в широком спектре повседневных продуктов: от слабительных средств до хлебобулочных изделий и обойного клея .
Некоторые заводы предварительно обрабатывают древесную щепу или другой растительный материал, такой как солома , карбонатом натрия , гидроксидом натрия , сульфитом натрия и другими химическими веществами перед рафинированием с помощью оборудования, аналогичного механической мельнице. Условия химической обработки гораздо менее жесткие (более низкая температура, более короткое время, менее экстремальный уровень pH), чем в процессе химической варки целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы облегчить очистку волокон, а не в удалении лигнина, как в полностью химическом процессе. . Целлюлоза, полученная с использованием этих гибридных процессов, известна как химико-термомеханическая целлюлоза (ХТМП). Иногда завод CTMP располагается на том же участке, что и завод крафт-целлюлозы, чтобы сточные воды завода CTMP можно было обрабатывать в процессе регенерации крафт-целлюлозы для регенерации неорганических химикатов для варки целлюлозы.
Процесс варки целлюлозы включает в себя множество производственных стадий, обычно связанных с промежуточными резервуарами для хранения. Поскольку надежность каждого этапа различна, а узкие места могут меняться изо дня в день, при планировании работы целлюлозного завода необходимо учитывать эти узкие места и вероятность сбоев или поломок. [10] Каждый этап также может иметь разные переменные решения, такие как ввод пара/воды/химических веществ и т. д. Наконец, при планировании необходимо учитывать оптимизацию топлива и выбросы CO 2 , поскольку часть потребностей в энергии может быть удовлетворена за счет котлов, работающих на ископаемом топливе. . [11] Общая цель – максимизировать производство при минимальных затратах.
Нержавеющие стали широко используются в целлюлозно-бумажной промышленности [12] по двум основным причинам: во избежание загрязнения продукции железом и ее коррозионной стойкости к различным химикатам, используемым в процессе изготовления бумаги. [12]
В процессе производства целлюлозы используется широкий спектр нержавеющих сталей. Например, дуплексные нержавеющие стали используются в варочных котлах для переработки древесной щепы в древесную массу, а супераустенитные нержавеющие стали с содержанием молибдена 6% используются на отбеливающих установках .