ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛЕСОХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

Целлюлозно-бумажное производство

В состав целлюлозно-бумажного производства входит по лучение волокнистых полуфабрикатов — целлюлозы и древес ной массы — и их переработка в различные виды бумаги и картона.

При варке измельченной древесины, т. е. обработке ее рас­твором химических реагентов (варочным раствором) при по­вышенных температуре и давлении, происходит ее делигнифи - кация — большая часть лигнина растворяется, клетки древе­сины разъединяются и получается волокнистая техническая целлюлоза.

Основными методами получения целлюлозы являются суль­фатный и сульфитный; применяют также бисульфитный, ней­трально-сульфитный, различные комбинированные и ступенча­тые методы варки. Перспективными являются окислительные методы — кислородно-содовый, кислородно-щелочной и др., которые не связаны с использованием серосодержащих реаген­тов и поэтому оказывают меньшее влияние на окружающую среду.

Путем соответствующего подбора реагентов и условий варки регулируют выход технической целлюлозы и ее свой­ства, в первую очередь остаточное содержание лигнина. Чем полнее удален лигнин при варке, тем волокно светлее, но вы­ход его меньше. Целлюлозу вырабатывают нормального вы­хода (40—50 % от массы абсолютно сухого сырья), которая подразделяется на жесткую (содержащую 3—8% лигнина), среднежесткую (1,5—3%) и мягкую (менее 1,5% лигнина) и высокого выхода (50—60 %)• Получают также полуцеллю - лозу (выход 60—85 %), содержащую половину или более ис­ходного лигнина и требующую механического размола для превращения ее в волокнистую массу.

Техническая небеленая целлюлоза пригодна для изготовле­ния многих видов продукции — газетной и мешочной бумаги, тарного картона и др. Для получения высших сортов писчей и печатной бумаги, где требуется повышенная белизна, исполь­зуют среднежесткую и мягкую целлюлозу, которую отбели­вают химическими реагентами, например хлором, двуокисью хлора, гипохлоритом кальция или натрия, перекисью водорода.

Особо очищенную (облагороженную) целлюлозу, содержа­щую 92—97 % альфа-целлюлозы (т. е. фракции целлюлозы, нерастворимой в 17,5%-ном водном растворе едкого натра) используют для изготовления химических волокон, в том числе вискозного шелка и высокопрочного вискозного кордного во­локна для производства автомобильных шин.

Древесную массу получают механическим разделением дре­весины на волокна. Большое количество волокнистой массы вырабатывают из вторичного сырья — макулатуры, доля кото­рой в производстве бумаги и картона превышает 20% от всего используемого волокна. На некоторых предприятиях целлю­лозу получают из тростника.

Сырье для - производства волокнистых полуфабрикатов. Ос­новным видом сырья является древесина. Для производства сульфатной целлюлозы пригодна древесина любых пород; наи­более часто используют древесину сосны и лиственницы, од­нако все больше возрастает доля древесины лиственных пород. В то же время для производства сульфитной целлюлозы необ­ходима малосмолистая древесина, преимущественно ели и пихты. Поэтому дальнейшее развитие целлюлозного производ­ства происходит в основном за счет сульфатного, а также но­вых методов варки.

Древесина поступает на предприятия в основном в виде ба­лансов— бревен длиной 4,5 м и более (долготье), толщиной в верхнем отрубе 6—24 см или отрезков длиной 1,25—1,5 м (коротье), а также в виде технологической щепы. Такая щепа изготовляется на лесозаготовительных и лесопильно-деревооб­рабатывающих предприятиях из отходов основного производ­ства. Отдельные предприятия используют также крупные опилки.

Доставка древесины на предприятия производится сплавом (в баржах или плотах), железнодорожным и автомобильным транспортом. Щепа доставляется железнодорожными ваго­нами— щеповозами и специальными автощеповозами большой вместимости, 12—40 м3.

Лесные склады современных целлюлозно-бумажных пред­приятий хорошо оснащены механизмами для выгрузки сырья из транспортных средств, укладки его и подачи в производ­ство— вагонаопрокидывателями, мостовыми, кабельными и стреловыми кранами, конвейерами, кучеукладчиками (стаке­рами) и др. Хранят древесину в штабелях, кучах и в незамер­зающих рейдах на воде.

В кучи укладывают балансы в окоренном виде, используя для окорки корообдирочные (окорочные) барабаны или ротор­ные окорочные станки. Долготье предварительно разделывают на многопильных станках (слешерах). Окорка является очень важной операцией, так как кора плохо проваривается, а при сульфитном методе вовсе не проваривается, в результате чего снижается производительность варочного оборудования и цел­люлоза загрязняется частичками коры. Снятую кору исполь­зуют в качестве топлива, для приготовления сельскохозяйст­венных удобрений и др.

Щепу хранят в кучах по 150—250 тыс. м3, высота куч до 30 м. Насыпают щепу в кучу и подают ее в производство пре­имущественно пневмотранспортом.

Балансы и технологическую древесину измельчают на дисковых многоножевых рубительных машинах. Размеры щепы, мм: длина (вдоль волокон) 16—20, ширина 20—25, толщина 2—3. Более крупные щепки (в среднем 8 % от всей щепы) и мелочь (опилки, пыль — около 2%) отделяют от год­ной щепы на плоских щепосортировочных установках. Круп­ную щепу дополнительно измельчают в дезинтеграторах. От­ходы от измельчения и сортировки (суммарно около 3%) сжигают.

Производство сульфатной целлюлозы. Схема производства сульфатной целлюлозы приведена на рис. 2.1. Варят целлю­лозу с варочным раствором (сульфатным, или белым, щело­ком), содержащим едкий натр, сернистый натрий, небольшое количество карбоната и сульфата натрия.

/ — варочный котел; 2 — выдувной резервуар; 3 — сучколовитель; 4 — промывной фильтр; 5 — сборник щелока; 6 — сортировка; 7 — центриклннер; 8 — сгуститель; 9 — бассейн целлюлозы; 10 — сборник белого щелока; // —известерегенерационная печь; 12 каус - тизатор; 13 — растворитель плава; 14 — содорегенерационный котлоагрегат; 15 — вы­парной аппарат; / — варочный цех; // — промывной цех; /// — очистный цех; IV — цех регенерации

Едкий натр и сернистый натрий составляют активную часть белого щелока. Их суммарная концентрация в пересчете на N320 колеблется от 70 до 120 г/л. Чем больше активной ще­лочи в варочном растворе и чем выше температура и давление в варочном котле, тем быстрее идет варка и полнее удаля­ется лигнин, но тем ниже выход волокна. Обычно температура варки 165—180 °С, давление в котле 0,7—1,2 МПа (1 МПа ра­вен 9,81, округленно 10 кгс/см2). Гидромодуль, т. е. объем жидкости в кубических метрах на 1 т абсолютно сухого сырья, составляет 4ч-4,5 : 1.

Порядок варки целлюлозы в котлах периодического дейст­вия следующий. В котел загружают щепу в количестве 0,3— 0,35 м3 на 1 м3 вместимости котла, а при применении пропарки щепы или специальных уплотнителей — 0,4 м3 или даже больше. Затем заливают варочный раствор, закрывают котел и начинают нагревать его содержимое, для чего щелок непре­рывно прокачивают циркуляционным насосом через подогрева­тель. Температуру в котле поднимают до заданной конечной величины (этот период называют заваркой), потом следует стоянка при этой температуре (собственно варка). Заварку ведут медленно, чтобы щепа хорошо пропиталась варочным щелоком; в этот период для удаления воздуха и образующихся летучих продуктов (скипидара, метилового спирта и др.) про­изводят сдувку парогазовой смеси — терпентинную сдувку. Па­рогазовая смесь поступает в щелокоуловитель и далее подвер­гается дробной конденсации. От конденсата во флорентине от­деляют сырой сульфатный скипидар в количестве 8—12 кг из сосновой древесины, 1—2 кг из еловой древесины в расчете на 1 т выработанной целлюлозы.

При производстве вискозной и кордной целлюлозы щепу в котле сначала подвергают предгидролизу с целью удаления гемицеллюлоз. Для этого ее обрабатывают 0,3—0,5%-ной сер­ной кислотой при 120—130 °С или водой при 160—170 °С. Предгидролизат отбирают из котла и направляют на произ­водство дрожжей, после чего в котел заливают варочный рас­твор и начинают варку. По окончании варки, обычно не сни­жая давления в котле, целлюлозную массу выдувают из него в выдувной резервуар, осматривают котел и готовят к новой загрузке.

Полный оборот котла продолжается 5—8 ч, в том числе загрузка щепы и заливка щелока примерно 1—1,5 ч, заварка 2—4,5 ч, варка до 1 ч, конечная сдувка, выгрузка целлюлозы и осмотр котла около 1 ч.

Стационарный варочный котел (рис. 2.2) стальной, облицо­ван внутри легированной сталью. Общая высота 13—17 м, диа­метр цилиндрической части 3,6—4,5 м, загрузочной горловины 800 мм, выгрузочной — 700 мм, вместимость 100—200 м3. Ще­лок забирается из средней части котла и возвращается цирку­ляционным насосом в верхнюю и нижнюю его части.

/ — циркуляционный насос; 2 — корпус; 3— всасывающий трубопровод; 4 — заборный па­трубок; 5 —сита; б —уровень щелока; 7—щепа; 8 — сдувочный патрубок; 9 — бун­кер; 10 — загрузочная горловина; 11 — кольцевой спрыск; 12 — колонки задвижек; 13 — нагнетательные трубопроводы; 14 — подогреватель; /5 —изоляция; 16 — патрубок по­дачи пара; 17 — выдувной вентиль; 18 — выгрузочная горловина

На многих заводах котлы периодического действия осна­щены автоматизированными системами управления технологи­ческими процессами (АСУ ТП), ведущими варку по заданной программе.

Выгруженную из котла целлюлозу промывают водой в диф­фузорах или на барабанных фильтрах и затем подвергают многоступенчатой очистке от сучков, непровара, частичек коры, песка и др. Сначала производят грубое сортирование на виб­рационных или центробежных сучколовителях, потом тонкое сортирование в центробежных сортировках, вихревых очисти­телях (центриклинерах) и др.

Варочный котел непрерывного действия «Камюр» (рис. 2.3) имеет общую высоту 45 м, диаметр 4,7 м, дает в сутки 450— 500 т целлюлозы (имеются также установки производитель­ностью 800—900 т/сут).

Щепу из бункера подают при помощи питателя низкого давления в пропарочную цистерну, где из щепы удаляются

Вода и скипидар. Пропаренная щепа перемещается винтовым конвейером к роторному питателю высокого давления, который подает ее в котел и одновременно служит запорным клапаном. Выходящая из питателя высокого давления щепа транспорти­руется щелоком к загрузочному устройству котла, оснащен­ному вертикальным вращающимся винтом. Варочный щелок подают насосом в верхнюю часть котла. Щепа опускается в котле под собственной тяжестью.

В верхней зоне котла идет заварка, в средней варка, в нижней частичная промывка целлюлозы слабым щелоком. Целлюлозная масса концентрацией 14—16%, охладившаяся до 80—85 °С, непрерывно выгружается и поступает в выдув­ной резервуар. Щепа в каждой зоне находится 1,5 ч, а всего 4,5 ч.

Для получения из древесины лиственных пород целлюлозы высокого выхода и полуцеллюлозы используют преимущест­венно непрерывнодействующую установку «Пандия» (рис. 2.4). Варку проводят в варочных трубах при 160—180 °С. Число труб от 2 до 8, они имеют диаметр 0,6—1,2 м, длину 6—12 м, оснащены винтами.

В установке «Пандия» нет зоны заварки, целлюлоза выгру­жается без промывки, поэтому время пребывания щепы в ап­парате сокращается до 15—60 мин, но выход волокна и его прочность несколько снижаются.

По окончании варки щелок (7—10 м3/т целлюлозы) имеет почти черный цвет, поэтому его называют черным щелоком. В щелок переходит большая часть лигнина древесины в виде щелочного лигнина, а также часть гемицеллюлоз, которые в щелочной среде гидролизуются и окисляются, образуя в ос­новном оксикислоты. Ацетильные группы древесины при варке отщепляются, образуя уксусную кислоту, находящуюся в ще­локе в виде уксусно-кислого натрия.

Черный щелок упаривают в многокорпусных вакуум-выпар - ных установках, добавляют сульфат натрия для возмещения потерь щелочи, происходящих в производстве (отсюда и на­звание способа), а затем щелок сжигают в топках специаль­ных паровых котлов — содорегенерационных котлоагрегатов (СРК). При этом сгорает органическая часть щелока, а суль­фат натрия превращается в сернистый натрий; едкий натр пе­реходит в углекислый натрий.

Плав растворяют в слабом белом щелоке или в воде и по­лучают зеленый щелок, который обрабатывают гашеной из­вестью для перевода углекислого натрия в едкий натр. Полу­чается белый щелок, который снова используют для варки целлюлозы.

Смоляные и жирные кислоты, содержащиеся в древесине, при варке превращаются в натриевые соли. Эти соли при от­стаивании собираются на поверхности черного щелока, обра­зуя сульфатное мыло.

Путем подкисления черного щелока серной кислотой или двуокисью углерода из него можно выделить щелочной лигнин, применяемый в производстве пластических масс, резинотехни­ческих изделий и др. Из черного щелока можно получить дру­гие лесохимические продукты. Например, из подкисленного упаренного черного щелока можно извлечь метилэтилкетоном уксусную и муравьиную кислоты, различные оксикислоты и др.

Производство сульфитной целлюлозы. Еловая или пихтовая щепа из хорошо окоренной древесины варится с сульфитной варочной кислотой в периодически действующих стальных фу­терованных или биметаллических варочных котлах вмести­мостью 160—400 м3.

Варочная кислота представляет собой водный раствор би­сульфита кальция, либо магния, натрия, аммония с большим избытком свободного сернистого ангидрида. Для получения варочной кислоты сжигают серу или серный колчедан в печах, печные газы очищают, охлаждают и пропускают через башни с известковым камнем, орошаемые холодной водой, либо че­рез абсорберы, орошаемые соответственно магнезиальным мо­локом, водным раствором карбоната натрия, гидроокиси ам­мония.

Готовая варочная кислота содержит при кальциевом осно­вании 3—4 % сернистого ангидрида, в том числе более поло­вины в свободном виде. При натриевом или аммониевом ос­новании содержание сернистого ангидрида достигает 8 % или более, в том числе свыше 3/4 в свободном виде.

Повышение содержания сернистого ангидрида в варочной кислоте ускоряет варку, несколько увеличивает выход целлю­лозы и повышает ее качество. В процессе варки лигнин пре­вращается в лигносульфоновые кислоты и переходит в раствор.

Порядок варки следующий. В котел загружают щепу, про­паривают ее с целью полного удаления воздуха, затрудняю­щего пропитку щепы варочной кислотой, и одновременно за­качивают варочную кислоту. При заварке щепы температуру в котле повышают до 104—115 °С и поддерживают ее необхо­димое время. Заварка длится 2—6 ч. После этого температуру повышают до 130—155 °С и ведут варку при этой температуре. Чтобы давление в котле не превышало заданной величины (от 0,4 до 0,7 МПа), в процессе нагревания производят сдувку па­рогазовой смеси. Общая продолжительность оборота котла со­ставляет 6—10 ч.

На каждую тонну полученной целлюлозы приходится 6,5— 8 м3 сульфитного щелока. Часть щелока удаляют из котла после варки самотеком, часть вытесняют оборотным щелоком. Затем целлюлозную массу из котла вымывают оборотным ще­локом, щелок отделяют от массы. Такой ступенчатый способ позволяет использовать для дальнейшей переработки до 90 % всего щелока без значительного разбавления его водой.

Остающуюся в сцеже целлюлозу промывают, очищают, сор­тируют, отбеливают и облагораживают так же, как сульфатную целлюлозу. При одинаковой степени делигнификации, т. е. при одинаковом остаточном содержании лигнина, выход суль­фитной целлюлозы немного больше, чем сульфатной, а проч­ность немного меньше.

Скипидар, содержащийся в древесине, в процессе сульфит­ной варки сильно изменяется. Он улавливается из сдувочных газов и носит название сульфитного масла, или сульфитного скипидара, или сырого цимола. Сульфитное масло содержит до 80—85 % п-цимола, образующегося в процессе варки из терпеновых углеводородов, главным образом из пинена. Вы­ход сульфитного масла из еловой древесины 0,6—1 кг/т цел­люлозы.

Производство древесной массы. Существуют два основных способа получения древесной массы. Путем истирания еловых или пихтовых балансов длиной 1 —1,2 м дефибрерными кам­нями в дефибрерах получают дефибрерную древесную массу, а путем размола древесной щепы любых пород на дисковых мельницах (рафинерах)—рафинерную. Преимущественное развитие в последнее время получает производство рафинер­ной древесной массы. Качество ее значительно улучшается,

Если перед размолом щепу пропарить; получаемый продукт называют термомеханической древесной массой. Наиболее вы­сокое качество у химико-термомеханической древесной массы,, для получения которой щепу перед размолом пропитывают не­которыми химикатами и пропаривают.

Выход обычной древесной массы 95—96 % от древесины, химико-термомеханической около 90 %• Древесная масса при­меняется при изготовлении большинства видов бумаги и кар­тона, составляя около 40 % от всех используемых волокнистых полуфабрикатов.

Производство бумаги и картона. Ассортимент бумаги и кар­тона очень широк — более 500 видов бумаги и 100 видов кар­тона. Для каждого вида бумаги и картона установлена опреде­ленная композиция, т. е. соотношение количества и вида волок­нистых полуфабрикатов и различных добавок (наполняющих, проклеивающих и других веществ). Например, в композицию по волокну газетной бумаги входит 25—30 % небеленой суль­фитной целлюлозы и 70—75 % древесной массы; в компози­цию типографской бумаги высшего качества —70—80 % суль­фитной беленой хвойный целлюлозы, 0—20 % сульфатной бе­леной хвойной целлюлозы и 10—20 % сульфатной беленой лиственной целлюлозы, а мешочной бумаги—100% сульфат­ной небеленой хвойной целлюлозы и т. д. Более 40 видов бу­маги и картона (в основном тароупаковочные материалы и санитарно-гигиенические изделия) содержат очищенную волок­нистую массу из макулатуры. В композицию некоторых спе­циальных видов бумаги входят асбестовые, стеклянные, синте­тические волокна.

Производство бумаги и картона начинается с приготовле­ния бумажной массы (суспензии волокна в воде). Сначала производят массный размол волокнистых полуфабрикатов в конических, цилиндрических и в последнее время преимуще­ственно в дисковых мельницах с целью повышения пластично­сти волокон и способности их к сцеплению между собой. Да­лее массу проклеивают гидрофобными (водоотталкивающими) веществами, главным образом канифольным клеем. Различают бурый клей, в котором смоляные кислоты нейтрализованы ще­лочью полностью, и белый клей, где часть смоляных кислот (обычно до 20%) остается в свободном виде. Готовый клей фильтруют, разводят водой в горячем виде в инжекторе или роторно-пульсационном аппарате для достижения тонкого эмульгирования, хорошо перемешивают и доводят холодной водой до требуемой концентрации (20—25 г/л).

Клей вводят в бумажную массу, перемешивают и осаждают частицы смолы на волокне с помощью коагулянтов (сульфата алюминия, алюмината натрия, квасцов), создающих кислую среду (pH 4,5—5). Расход канифоли 0,5—3,5% от массы во­локна, в зависимости от требуемой степени проклейки, однако многие виды бумаги вырабатывают без проклейки. Применяют

Также различные виды композиционного клея, например кани- фольно-парафиновый, синтал и др. Для проклейки некоторых видов картона, где допустим темный цвет, применяют более дешевые проклеивающие вещества — битумные и латексные эмульсии, клей из таллового пека и др. Для проклейки обер­точной бумаги используют также клеевые составы на основе сульфатного лигнина.

При изготовлении многих видов бумаги, особенно для пе­чати и письма, в массу вводят минеральные наполнители, чаще всего каолин, улучшающие белизну и печатные свойства бумаги. Для лучшего удержания наполнителя волокном до­бавляют полиакриламид или другие реагенты. В массу для выработки окрашенных сортов бумаги вводят также соответ­ствующие красители.

Изготовление бумаги производится на плоскосеточных бу­магоделательных машинах (рис. 2.5). Бумажная масса, раз­бавленная водой до концентрации волокна от 0,1 до 0,8% (в зависимости от ее состава и степени размола волокна) и очищенная от посторонних включений, поступает в напорный ящик сеточной части машины. Из него масса выливается на горизонтальную сетку, непрерывно движущуюся при помощи сетковедущего вала. Напорный ящик устроен так, что масса равномерно распределяется на сетке по всей ее ширине. Под сеткой расположены гидропланки и отсасывающие ящики, в ко­торых создается небольшое разрежение, способствующее по­степенному обезвоживанию массы и формированию бумажного полотна. Содержание сухого вещества в бумажном полотне (сухость) достигает 8—12%. Более значительно разрежение в отсасывающей камере гауч-вала, после которого сухость по­лотна доходит до 20—22%.

С сетки мокрое бумажное полотно с помощью вакуум-пе - ресасывающего устройства подхватывается движущимся прес­совым сукном и поступает в прессовую часть машины, где по­следовательно проходит между валами прессов и обезвожива­ется до сухости 30—40 %. Затем бумага пересасывается на су­шильное сукно и поступает в сушильную часть машины для окончательного обезвоживания на полых сушильных цилинд­рах, нагреваемых изнутри паром до 80—115 °С. Сушильная часть машины закрыта колпаком, что облегчает удаление во­дяного пара и улучшает условия труда работающих.

Далее бумажное полотно поступает в отделочную часть ма­шины. Проходя между шлифованными и полированными ва­лами машинного каландра, бумага приобретает повышенную прочность и гладкость. На накате ее сматывают в рулон, кото­рый разрезают на более узкие рулоны заданной ширины на продольно-резательном станке.

Некоторые бумагоделательные машины оснащены двумя сетками и формование бумажного полотна производится между ними.

Тарный картон также вырабатывают на плоскосеточных машинах, а переплетный, коробочный и другие виды много­слойного картона — на круглосеточных (цилиндровых) маши­нах. Сеточная часть таких машин состоит из нескольких ванн с сеточным цилиндром. В ваннах находится бумажная масса. В первой ванне на поверхности цилиндра формируется пер­вый элементарный слой массы, во второй ванне на него наслаи­вается второй элементарный слой и т. д. Многослойный кар­тон прочнее, чем однослойный такой же толщины, к тому же внутренние слои многослойного картона можно изготавливать из более дешевых полуфабрикатов.

На современных машинах отдельные ее части и даже от­дельные прессы в прессовой части, группы цилиндров в су­шильной части приводятся в движение индивидуальными элек­тродвигателями. Обеспечение постоянной скорости частей ма­шины при установившемся режиме ее работы осуществляется автоматизированной системой регулирования скорости машины и ее секций.

Производительность бумаго - и картоноделательных машин зависит от их скорости, обрезной ширины полотна и массы

1 м2 бумаги или картона. Большинство видов писчей и печат­ной бумаги имеет массу 60—80 г/м2, газетная бумага значи­тельно легче, 45—50 г/м2. Масса 1 м2 картона 170—250 г/м2.

Скорость машины определяется на накате и при выработке бумаги составляет 600—1000 м/мин и даже выше, при выра­ботке картона 200—800 м/мин. Обрезная ширина бумаги 1680—

10500 мм, картона до 6300 мм.

Современные широкоформатные скоростные машины выра­батывают свыше 300 т/сут газетной бумаги, 800—900 т/сут тарного картона.

Бумагу получают также сухим способом, т. е. предвари­тельно высушенное волокно потоком воздуха подается на сетку машины.

Лесопромышленные комплексы. Весьма эффективной фор­мой организации производства являются лесопромышленные комплексы (ЛПК), представляющие собой крупные комби­наты, сочетающие химическую, химико-механическую и меха­ническую переработку древесины. Так, Усть-Илимский ЛПК будет согласно проекту перерабатывать в год 7 млн. м3 дре­весного сырья и вырабатывать 550 тыс. т целлюлозы, 250 тыс. м3 древесностружечных плит, 1200 тыс. м3 пиломатериалов, 44 тыс. т кормовых дрожжей, 12 тыс. т фурфурола и свыше 30 тыс. т талловых продуктов. На современных ЛПК в ре­зультате комплексной переработки будет использоваться до 94 % поступающей древесины и лишь 6 % составят отходы и потери.