Комплексное использование древесины

Раздел: Учебники

Бумагой называют листовой материал массой до 250 г/м2, состоящий из совокупности волокнистых, проклеивающих, наполняющих и красящих веществ. Листовой материал, состоящий преимущественно из растительных волокон, связанных силами поверхностного сцепления, называют картоном. Он отличается от бумаги большей толщиной и массой 1 м2 (более 250 г).

Для производства бумаги и картона широко применяют волокна древесины в виде волокнистых полуфабрикатов — древесной массы и целлюлозы.

Вырабатывают белую, бурую й химическую древесную массу. Белую древесную массу получают при механическом истирании балансов поверхностью вращающегося абразивного камня —дефибрера. Для ее выработки используют почти исключительно древесину ели и пихты. Доля сосновой древесины сравнительно невелика [54]. Из-за высокого содержания в ней смолы возникают смоляные затруднения — замазывание дефибрерного камня, заклеивание сит сортировок и ценообразование. Рекомендуется перерабатывать древесину сосны в возрасте до 30 лет, когда она содержит небольшое количество смолы. В настоящее время для производства белой древесной массы все шире используют выращиваемые на плантациях лиственные породы, особенно осину и тополь. Высокие показатели механической прочности волокон обеспечиваются в белой древесной массе из свежесрубленной древесины, когда они легче отделяются и сохраняют свою форму.

Влажность древесины оказывает большое влияние на качество массы. При влажности сырья не менее 35%, т. е. выше предела гигроскопичности, расщепление древесины облегчается, так как свободная влага при трении превращается в пар, а волокна набухают и под действием тепла становятся гибкими и мягкими. При недостаточном содержании влаги волокна при истирании древесины повреждаются и содержание длинноволокнистой фракции уменьшается.

Технология производства белой древесной массы зависит от ее назначения. Для картона используют древесную массу холодного и горячего дефибрирования, которую вырабатывают в условиях высокого давления древесины на камень и небольших добавках воды. Это приводит к нагреву массы до 40—45 °С при концентрации 3—4%. Длинноволокнистую массу, используемую для бумаги, получают истиранием древесины при высокой температуре, достигающей в зоне дефибрирования 150 °С и концентрации в пределах 16—20%. Волокна древесной массы образуют при отливе бумаги плохое сплетение и не дают прочного листа, поэтому ее применяют только вместе с целлюлозой.

Бурая древесная масса занимает промежуточное положение между белой древесной массой и целлюлозой. Бумага и картон, выработанные из этого полуфабриката, отличаются повышенной механической прочностью. Это объясняется предварительной обработкой древесины перГед дефибрированием, варкой баланса в присутствии воды или пропаркой, что способствует получению более длинных и гибких волокон. К качеству баланса здесь предъявляются пониженные требования. Используют практически любые породы древесины. Из бурой древесной массы вырабатывают картон, упаковочные и оберточные бумаги без добавки других полуфабрикатов.

Химическую древесную массу получают истиранием на дефибрерах баланса, предварительно подвергнутого тепловой и химической обработке. Благодаря этому связь между волокнами древесины ослабляется больше, чем при пропарке. В результате волокна не только легче отделяются, но и получаются тоньше, длиннее и эластичнее. Этот способ позволяет получать волокнистую массу в основном из древесины лиственных пород — березы, осины, тополя, ранее мало использовавшихся для производства бумаги. Химическая древесная масса обладает высокой белизной и по механическим свойствам не уступает сульфитной целлюлозе [54]. Ее применяют при выработке картона, газетной и типографской бумаги.

Белую и химическую древесную массу получают также из щепы. Древесина в измельченном состоянии подвергается более равномерной глубокой пропитке и быстрее прогревается, благодаря чему повышается производительность установок, сокращаются на 50 % производственные площади и на 10—20 % капиталовложения [51]. Для размола щепы используют не дефибреры, а компактные дисковые машины — рафинеры. В процессе размола щепы ( 5, а) пучки волокон сжимаются под действием сближающихся ножей 1 и 2 рафинера. На каждой набегающей стороне А ножей происходит ударное сжатие волокон, которые на сбегающей стороне В стремятся вернуться в исходное положение. В результате сопротивления, оказываемого ножам древесиной, и трения между ними в пограничных областях возникают усилия среза и %2, действующие друг против друга и расслаивающие пучки волокон [51]. В процессе размола щепы выделяют три стадии. На стадии 1 ( 5,6) масса измельченной щепы еще скользит между дисками и разбивка ее на так называемые спички может продолжаться до зоны размола. На стадии 2 волокна должны быть отведены по возможности неповрежденными от древесного комплекса. Стадия 3 размола заключается в фибриллировании отдельных волокон без их укорачивания.

технологическая схема производства белой и химической древесной массы из щепы. Из бункера 1 щепа подается в установку 2 для промывки горячей водой. В результате удаляются инородные включения и происходит размягчение древесины. Перед первой ступенью размола в рафинере 5 хвойная щепа подвергается интенсивной промывке горячей водой, а лиственная щепа — пропитке химикатами в котле периодического действия 4. Особенно оправдало себя применение импрессфайнера 3 — винтового пресса непрерывного действия, работающего в условиях высокого давления. В прессе из щепы удаляется воздух, благодаря чему осуществляется равномерная и полная ее пропитка под давлением, а также предварительный размол. Полученная масса разбавляется водой до концентрации 25 % и поступает в первую ступень размола, где установлены мельницы 5 с одним вращающимся диском. Затем масса поступает в промежуточный бассейн б и на сортировку 7. Грубую массу после сортировки 7 сгущают в устройстве 8 для обезвоживания и повторно размалывают в рафинере 9, а отсортированную массу направляют в сборный бассейн 10, откуда она поступает на третью ступень размола 13. Полученная масса направляется на сортировку 14 и после обезвоживания в устройстве 11 размалывается в рафинере 12. Отсортированную массу направляют на переработку.

Процесс получения целлюлозы сводится к освобождению ее от других сопровождающих веществ, находящихся в древесине. Поскольку таким основным веществом является лигнин, процесс извлечения целлюлозы называют делигнифика- цией. Волокнистый продукт, получаемый из древесины в результате делигнификации, называют технической целлюлозой, которая не требует дополнительного размола для разделения на волокна. По величине выхода технические целлюлозы делятся на три основные категории [46]. Волокнистый продукт с выходом от 40 до 50 от массы древесины называется целлюлозой нормального выхода, а с выходом волокна от 50 до 60%—целлюлозой высокого выхода. Продукт с выходом волокна примерно от 60 до 80 % от массы древесины называется полуцеллюлозой.

Целлюлоза нормального выхода делигнифицирована тем больше, чем глубже она проварена и чем меньше ее выход из исходного сырья. Потеря выхода целлюлозы при глубоком проваре объясняется не только более полным растворением лигнина, но и частичным разрушением самой клетчатки. По степени провара в зависимости от остаточного лигнина целлюлозы нормального выхода могут быть мягкими, полужесткими и жесткими. Мягкие целлюлозы содержат остаточного лигнина не более 1,5%, полужесткие — от 1,5 до 3,0%, жесткие — от 3 до 8%. Целлюлоза высокого выхода содержит еще более значительное количество сопутствующих веществ.

В производстве полуцеллюлозы лигнин и гемицеллюлозы растворяются лишь частично, поэтому волокна могут быть разделены и превращены в целлюлозную массу в две ступени. Вначале частично осуществляется делигнификация щепы, а потом следует механический размол. Остаточный лигнин может содержаться здесь в количестве 15—20% [46]. Способ производства полуцеллюлозы наиболее экономичен. Он дает возможность получить из лиственной древесины, древесных отходов, сучьев и хвороста высококачественный волокнистый продукт для производства бумаги и картона. Из всех известных промышленных методов получения целлюлозы наибольшее распространение получили сульфатный и сульфитный. Производство сульфатной целлюлозы развивается быстрее, чем сульфитной, так как сульфатный метод позволяет перерабатывать в целлюлозу все виды растительного сырья.

Процесс получения целлюлозы из древесины называют варкой. Варку щепы производят в котлах периодического или непрерывного действия по специальному графику, в котором определены все стадии варочного процесса и его параметры. Для варки применяют вертикальные котлы объемом от 50 до 400 м3, изготовленные из биметаллических листов.

Сульфитную целлюлозу получают путем варки щепы с сульфитной кислотой. Она представляет собой водный раствор сернистой кислоты, содержащий некоторое количество бисульфита кальция, магния, аммония или натрия. Получение целлюлозы в котлах периодического действия состоит из следующих операций: загрузки щепы, заливки кислоты, заварки, варки, опорожнения котла. В процессе загрузки щепу специальным паровым устройством уплотняют на 30—40 %, что позволяет увеличить производительность котла. Пар конденсируется в щепе й нагревает ее до 70—80 °С. После загрузки щепы в котел через нижние штуцеры насосами подают кислоту. Первой стадией варки является заварка, назначение которой полностью и равномерно пропитать щепу. Проникновению кислоты способствует пористое строение древесины, лишь небольшая часть объема которой заполнена древесным веществом. Компоненты варочной кислоты могут проникать в щепу вместе с жидкостью за счет капиллярного всасывания, путем диффузии из жидкой фазы в жидкую, а также путем газовой диффузии сернистого газа [46]. За счет капиллярного всасывания щепой поглощается около 90 % жидкости. Жидкостная пропитка происходит в котле в нижних слоях щепы, находящихся под гидравлическим давлением столба кислоты. Скорость жидкостной пропитки вдоль волокон хвойных пород в 50—200 раз больше, чем в поперечном направлении. Диффузия кислых растворов вдоль волокон происходит быстрее, чем поперек, примерно в 10—12 раз.

Большое значение для пропитки имеет плотность древесины. Чем выше плотность, тем труднее пропитка, особенно диффузионная. Трудно пропитывается плотная древесина сучков и крени. После варки сучки дают твердые, нефибриллируемые образования— непровар. Варка древесины с большей плотностью хотя и затрудняет пропитку, но снижает удельный расход сырья и увеличивает производительность котла.

Повышенная начальная влажность щепы практически исключает жидкостную пропитку, вызывает разбавление кислоты внутри щепы, поэтому требует применения концентрированной кислоты. В то же время повышенная влажность не только не препятствует диффузионной пропитке, но даже и облегчает ее при высокой концентрации сернистого газа. Пересушенная щепа из-за наличия в ней воздуха плохо пропитывается. Если из древесины не удалить воздух, получается костричная и неравномерно проваренная целлюлоза. Для ускорения процесса пропитки используют пропарку, давление, вакуумирование. После заварки следует процесс варки, во время которого в раствор переходит лигносульфоновая кислота и ее соли, образовавшиеся в период заварки. Одновременно с удалением лигнина происходят гидролиз и растворение части гемицеллюлоз и небольшого количества целлюлозы.

Варку целлюлозы осуществляют с принудительной циркуляцией и непрямым обогревом варочной кислоты ( 6,а). Щелок из котла 1 через сеточный пояс 2 забирается насосом 4 и прокачивается через пароподогреватель 3. Далее щелок по трубам подается в верхнюю и нижнюю части котла. Во время варки в котле поддерживается постоянное давление 0,6— 0,7 МПа. Температурный режим зависит от марки целлюлозы. Подъем до конечной температуры 130—155 °С длится 1—3 ч, после чего происходит процесс варки. Полный оборот процесса длится от 7 до 16 ч. По окончании процесса варки из котла отбирают щелок и направляют его на переработку. Полученную целлюлозную массу промывают и очищают от сучков, непровара и минеральных загрязнений. Затем ее обезвоживают и направляют на производство бумаги или на сушку, если она предназначена для отправки на другие предприятия.

В настоящее время существует несколько методов варки, основанных на использовании сульфитных растворов. Наряду с сульфитной варкой применяют варку с сернистой кислотой, бисульфитную, бисульфит-моносульфитную и нейтрально-сульфитную [3]. Сульфитные растворы в этих процессах отличаются концентрацией водородных ионов и содержанием связанного сернистого газа.

За последние годы широкое развитие получил бисуль- фитный метод варки, где варочным реагентом является раствор бисульфита магния. Этот метод обеспечивает защиту водоемов от загрязнения отработанными щелоками, эффективную регенерацию химикатов и экономичное использование органической части щелоков для получения пара. Бисульфитная целлюлоза близка по свойствам к сульфитной, но отличается большой механической прочностью и более легкой способностью разделяться на волокно при высоком выходе. Между сульфитным и бисульфитным методами нет принципиального различия. Разные температуры и продолжительность варки применяют при этих способах для достижения определенной степени делиг- нификации.

Нейтрально-сульфитный метод, где в качестве реагента применяется сульфит натрия или сульфит алюминия, получил большое развитие в послевоенные годы для получения полуцеллюлозы из лиственной древесины [46]. Технологическая схема непрерывного производства полуцеллюлозы способом «де- фибратор» [51] приведена на  6,6. Щепа, загружаемая в бункер 1, вначале пропаривается в трубе 2 при низком давлении, затем с помощью шнекового питателя 3 направляется в зону пропитки 4 над варочным котлом 5 непрерывного действия. Щепа при этом перемещается, как показано стрелками. После пропитки, осуществляемой при рабочем давлении варки, древесина поступает в варочный котел 6. Уровень щепы в котле поддерживается с помощью регулятора 5. Достигнув требуемой степени провара, сваренная щепа через днище котла под рабочим давлением варки поступает на размол в дефибратор 7. После размола масса через циклон S, где давление снимается, поступает в массный бассейн.

Широкое применение для производства полуцеллюлозы находят котлы непрерывного действия системы «Пандия» ( 6,в). Щепа из бункера 1 с помощью шнекового дозатора 2 подается в батарею труб. Сюда же через штуцеры 3 к 4 одновременно подаются пар и химикаты. В зависимости от требуемой степени провара и производительности установка может состоять из 6—8 труб длиной 5—9 м, диаметром 600— 1000 мм. Трубы снабжены шнеками и взаимосвязаны, что обеспечивает беспрепятственный переход щепы и варочного раствора из одной секции в другую. Сваренная щепа разгружается в сборный бассейн 5 посредством специального устройства, затем насосом 6 транспортируется к дисковым мельницам для размола.

Наряду с нейтрально-сульфитным, полуделлюлозу получают и бисульфитным методом. Бисульфитная полуцеллюлоза обладает лучшей мягкостью и требует меньшего расхода энергии на размол [3].

- Сульфатную целлюлозу получают варкой щепы из древесины любых пород со смесью едкого натра и сульфида натрия. На заводах, перерабатывающих главным образом лиственную древесину, применяют натронный метод с раствором едкого натра. Сульфатная целлюлоза труднее размалывается и отбеливается, но легче проклеивается, более долговечна и термостойка. При одинаковой степени провара выход сульфатной целлюлозы на 3—4 % ниже, чем сульфитной. Поэтому предложено много модификаций сульфатного метода с более высоким выходом. По всем показателям механических свойств сульфатная целлюлоза превосходит сульфитную. За высокую прочность жесткая сульфатная целлюлоза получила название к р а ф т - целлюлозы. Для получения небеленой крафт-целлюлозы, целлюлозы высокого выхода и полуцеллюлозы применяют наряду с окоренной и неокоренную древесину.

Варку щепы сульфатным методом ( 7) производят в котлах периодического или непрерывного действия при температуре 165—175 °С и давлении 0,7—1,0 МПа [54]. Варочный раствор носит название белого щелока, где помимо основных компонентов содержится некоторое количество соды, сульфата натрия и других соединений. Щепа загружается и уплотняется в котлах так же, как и при сульфитном процессе производства. Пропитка щепы происходит в процессе заварки. Если вся щепа пропитана равномерно, процесс растворения лигнина происходит с одинаковой скоростью по всей толщине. При недостаточной пропитке наружные слои древесины в щепе подвергаются варке быстрее внутренних. Целлюлоза получается с неравномерным проваром и неоднородной по качеству. Влажная древесина пропитывается легче, чем сухая, так как раствор щелочи значительно быстрее вытесняет воду. Пропитка щепы заканчивается при температуре 120—130 °С, после чего начинается процесс делигнификации. В зависимости от вида получаемой целлюлозы время варки колеблется от 0,5 до 2,0 ч. В этот период подача пара в подогреватель прекращается, а циркуляция щелока осуществляется насосом до окончания варки. По истечении заданного времени варки котел 1 опорожняют выдувкой массы в резервуары 2.

Сваренная целлюлоза пропускается через сучкоуловитель 3 и направляется в вакуум-фильтр 4 на промывку для удаления

из нее отработанного черного щелока. После промывки целлюлоза подвергается сортировке в устройстве 5 и очистке в вихревом конусном центриклинере 6. Очищенная целлюлоза обезвоживается и сгущается до концентрации 3—6 % в сгустителе 7, откуда направляется в сборный бассейн 8.

Отработанный черный щелок собирается в баке 9, откуда направляется в отдел регенерации и частично (в количестве от 20 до 60%) вновь возвращается в котел, где смешивается с белым щелоком. Отработанный щелок предварительно упаривается в выпарных аппаратах 10 до концентрации 50—55 % сухого вещества. После упаривания щелок сжигается в содореге- нерационном агрегате 11. В результате сжигания образуется плав, состоящий из соды и сернистого натрия. Из печи плав поступает в бак 12 со слабым щелоком, где растворяется и образует так называемый зеленый щелок. В каустизаторе 13 его обрабатывают известью, в результате чего вновь получают белый щелок. Шлам поступает в отвал, а белый щелок — в резервуар 14.

В результате варки щепы с тем или иным химическим реагентом получают небеленую целлюлозу. Такой волокнистый продукт имеет не только относительно низкую белизну, но и содержит еще значительное количество сопровождающих клетчатку примесей. Дальнейшее освобождение от них бывает связано с нежелательным повреждением целлюлозы и ухудшением ее свойств [46]. Чтобы получить химически чистый продукт белого цвета, освобожденный от лигнина, смол и других примесей, небеленую целлюлозу обрабатывают отбеливающими реагентами. В зависимости от степени отбеливания получают беленую или полубеленую целлюлозу. Иногда при отбелке для более глубокого удаления гемицеллюлоз проводят дополнительную щелочную обработку, получая облагороженную целлюлозу.

Полуцеллюлоза, целлюлоза высокого выхода, небеленая целлюлоза различной степени провара, беленая, полубеленая и облагороженная целлюлоза как волокнистые полуфабрикаты находят широкое применение для выработки разнообразных видов бумаги и картона. Особое значение имеют бумаго-образую- щие свойства целлюлозы как основы бумажного листа. Бумажная промышленность заинтересована в механической прочности волокна, его гибкости, эластичности, белизне, способности к размолу, гидратации, расщеплению и образованию слизи. Для нужд бумажного и картонного производства используется около 93 % целлюлозы. Остальная часть служит сырьем для химической переработки на искусственное вискозное или ацетатное волокно, кинопленку, пластмассу, бездымный порох, целлофан и другие продукты. Для химической переработки используют исключительно беленую и большей частью облагороженную, химически чистую растворимую целлюлозу со строго определенными физико-механическими и коллоидными свойствами.