Целлюлозный завод — это производственное предприятие, которое перерабатывает древесную щепу или другие источники растительного волокна в толстую древесноволокнистую плиту , которую можно отправлять на бумажную фабрику для дальнейшей обработки. Целлюлоза может быть изготовлена с использованием механических, полухимических или полностью химических методов ( крафт- и сульфитные процессы). [1] 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 (необходимые для производства бумаги ), лигнин (трехмерный полимер, связывающий волокна целлюлозы вместе) и гемицеллюлозы (короткоразветвленные углеводные полимеры). Целью варки целлюлозы является разрушение объемной структуры источника волокна, будь то щепа, стебли или другие части растения, на составляющие волокна.
Химическая варка целлюлозы достигает этого путем разложения лигнина и гемицеллюлозы на небольшие водорастворимые молекулы, которые можно вымыть из волокон целлюлозы без деполимеризации волокон целлюлозы (химическая деполимеризация целлюлозы ослабляет волокна). Различные методы механической варки целлюлозы, такие как варка древесной массы (GW) и механическая варка рафинером (RMP), физически отрывают волокна целлюлозы друг от друга. Большая часть лигнина остается прилипшей к волокнам. Прочность ухудшается, поскольку волокна могут быть разрезаны. Сопутствующие гибридные методы варки целлюлозы используют комбинацию химической и термической обработки для начала сокращенного процесса химической варки целлюлозы, за которой немедленно 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, впоследствии требуемой механической обработкой, а также уменьшают количество потери прочности, испытываемой волокнами.
Самые ранние известные методы подготовки целлюлозы для изготовления бумаги были основаны на использовании воды и применялись в Самарканде VIII века , в халифате Аббасидов . [2]
Большая часть информации о технологии в следующих подразделах взята из книги CJ Biermann. [3] Химию различных процессов варки целлюлозы можно найти в книге Sjöström. [4]
Наиболее распространенным источником волокна для целлюлозных заводов является балансовая древесина . 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 целлюлозу. Удаленную кору сжигают вместе с другим непригодным для использования растительным материалом для получения пара , необходимого для работы завода. Затем почти вся древесина измельчается перед дальнейшей обработкой для освобождения волокон.
Снятие коры производится на корообдирочном станке (или дебаркере ). Прочность сцепления коры составляет около 3–5 кг/см2 в период вегетации (летом) и в 2–3 раза выше в период покоя (зимой). Еще труднее снимается кора с мерзлых бревен.
На целлюлозно-бумажных заводах кора вносит нежелательные загрязнители, такие как кальций , кремний и алюминий , которые вызывают образование накипи и создают дополнительную нагрузку на систему химической регенерации. Береста содержит бетулин , терпеноид , который легко создает отложения на целлюлозно-бумажном заводе.
Самые ранние мельницы использовали песчаниковые шлифовальные ролики для измельчения небольших деревянных бревен, называемых «болтами», но использование натурального камня закончилось в 1940-х годах с появлением искусственных камней со встроенным карбидом кремния или оксидом алюминия . Масса, полученная этим процессом, известна как масса «каменной древесной крошки» (SGW). Если древесина измельчается в герметичной мельнице под давлением, масса классифицируется как масса «прессованной древесной крошки» (PGW). Большинство современных мельниц используют щепу вместо бревен и ребристые металлические диски, называемые пластинами рафинера, вместо жерновов. Если щепа просто измельчается пластинами, масса называется «механической рафинерной» целлюлозой (RMP), если щепа пропаривается во время рафинирования, масса называется «термомеханической» целлюлозой (TMP). Обработка паром значительно снижает общую энергию, необходимую для производства целлюлозы, и уменьшает повреждение (резку) волокон. Механические целлюлозные заводы потребляют большое количество энергии, в основном электроэнергии, для питания двигателей, которые вращают измельчители. Грубая оценка необходимой электроэнергии составляет 10 000 мегаджоулей ( МДж) на тонну целлюлозы (2750 кВтч на тонну ).
Химические процессы варки целлюлозы, такие как крафт- процесс (или сульфатный) и сульфитный процессы, удаляют большую часть гемицеллюлозы и лигнина. Крафт-процесс наносит меньший ущерб целлюлозным волокнам, чем сульфитный процесс , тем самым производя более прочные волокна, но сульфитный процесс делает целлюлозу, которую легче отбеливать. Химические процессы варки целлюлозы используют комбинацию высокой температуры и щелочных (крафт) или кислотных (сульфит) химикатов для разрыва химических связей лигнина. Однако загрязнение атмосферы и загрязняющие вещества в сточных водах в процессе варки крафт-целлюлозы были широко задокументированы [6] [7] [8]
Материал, подаваемый в варочный котел, должен быть достаточно мелким, чтобы позволить варочному раствору полностью проникнуть в куски. В случае древесины бревна измельчаются, а щепа просеивается, чтобы гарантировать, что подача в варочный котел будет однородного размера. Крупногабаритная щепа либо используется в качестве топлива, либо снова пропускается через варочный котел, в то время как 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, затем нагревается паром. В крафт-процессе химикатами для варки являются гидроксид натрия и сульфид натрия , а раствор известен как белый щелок. В сульфитном процессе химикат для варки представляет собой смесь металла (натрия, магния, калия или кальция) и сульфита аммония или сульфита.
После нескольких часов в варочном котле щепа или измельченный растительный материал распадается до густой кашеобразной консистенции и «выдувается» или выдавливается из выходного отверстия варочного котла через воздушный шлюз. Резкое изменение давления приводит к быстрому расширению волокон, еще больше разделяя их. Полученная суспензия волокон в водном растворе называется «бурым бульоном».
Промывочные машины для бурой массы, используя противоточный поток, удаляют отработанные варочные химикаты и 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 рециркулируются в процессе восстановления. Лигносульфонаты являются полезным побочным продуктом, извлеченным из отработанного щелока в сульфитном процессе. [9] Чистая целлюлоза (масса) может быть отбелена на отбеливающей установке или оставлена неотбеленной, в зависимости от конечного использования. Масса распыляется на проволоку целлюлозной машины, вода сливается, еще больше воды удаляется путем прессования листа волокон, а затем лист высушивается. На этом этапе листы целлюлозы имеют толщину в несколько миллиметров и грубую поверхность: это еще не бумага. Высушенная целлюлоза разрезается, складывается, укладывается в кипы и отправляется на другое предприятие для любой необходимой дальнейшей обработки.
Беленая крафт-целлюлоза и беленая сульфитная целлюлоза используются для производства высококачественной белой печатной бумаги. Одной из наиболее заметных областей применения небеленой крафт-целлюлозы является производство коричневых бумажных пакетов для покупок и оберточной бумаги, где прочность особенно важна. Особый сорт беленой сульфитной целлюлозы, известный как растворимая целлюлоза, используется для производства производных целлюлозы, таких как метилцеллюлоза , которая используется в широком спектре повседневных продуктов от слабительных 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 химикатами перед очисткой на оборудовании, похожем на механическую мельницу. Условия химической обработки гораздо менее интенсивны (более низкая температура, более короткое время, менее экстремальный pH), чем в процессе химической варки целлюлозы, поскольку цель состоит в том, чтобы сделать волокна более легкими для очистки, а не в удалении лигнина, как в полностью химическом процессе. Целлюлоза, полученная с использованием этих гибридных процессов, известна как химико-термомеханическая целлюлоза (ХТММ). Иногда завод ХТММ располагается на том же месте, что и крафт-фабрика, так что сточные воды с завода ХТММ могут быть обработаны в процессе восстановления крафт-целлюлозы для регенерации неорганических химикатов варки целлюлозы.
Процесс варки целлюлозы включает в себя множество производственных этапов, обычно связанных с промежуточными резервуарами для хранения. Поскольку каждый этап имеет различную надежность, а узкие места могут меняться изо дня в день, при планировании целлюлозного завода необходимо учитывать эти узкие места и вероятность нарушения или поломки. [10] На каждом этапе также могут быть различные переменные решения, такие как пар / вода / химический ввод 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 на ископаемом топливе. [11] Общая цель заключается в максимизации производства при минимальных затратах.
Нержавеющая сталь широко используется в целлюлозно-бумажной промышленности [12] по двум основным причинам: во избежание загрязнения продукта железом и для обеспечения его коррозионной стойкости к различным химикатам, используемым в процессе производства бумаги. [12]
В процессе производства целлюлозы используется широкий спектр нержавеющих сталей. Например, дуплексные нержавеющие стали используются в варочных котлах для преобразования древесной щепы в древесную массу, а 6% Mo супераустенитные нержавеющие стали используются в отбеливающем цехе .