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刍议本色浆的高效率洗涤系统

A Elementary Comment for High Efficiency Washing System on Unbleaching Pulp(Sun Xuecheng) (Lin Qiaoyuan)Pulp and Paper Industrial Research Institute of China,Beijing,100020摘要 本文概述了洗涤过程的机理、方式。并试从原理上对本色浆的高效率洗涤方式进行分析，指出了在实际应用中应注意的事项。

关键词 洗涤 挤浆机 洗浆机 高效〔ABSTRACT〕The pinciple and way of washing were introduced in the alyses high efficiency washing way on unbleaching pulp,and will be indicate application methods of this process.

碱法制浆的本色浆洗涤系统，具有洗净浆料和提取黑液的双重作用。其要求以最少量的清水或生产回用水，经济地除去最大量的蒸煮浆中溶解有机物和可溶性无机物。在离开密闭洗浆系统后，任何存在于浆中的可溶性固形物均将有害于漂白和抄纸生产，而且这些固形物进入废水处理系统，还将增加废水的生物耗氧量、化学耗氧量和色素。1 洗涤过程的机理

烧碱法或硫酸盐法蒸煮后，黑液中一小部分(约占总体积的5％)保留在细胞壁内部毛细管中，部分黑液(约占总体积的15％～20％)包含在纤维的胞间层和胞腔中。其余占总量75％～80％的黑液是围绕在单根纤维或纤维束周围的游离黑液。

浆料洗涤过程中发生的最重要的物理力学过程和物理化学现象包括：黑液从浆料中挤出；黑液穿过浆料的过滤；黑液溶解物质从浆料纤维向外扩散；由于吸附和解吸的再平衡，而呈吸附状态的黑液溶解物质的部分解吸溶出；黑液的起泡[1]。下面我们简单地分析一下这些过程和现象。

挤压：通常挤浆机都是利用机械挤压把黑液从浆料中排出来，这种方法的优点是可以将未被稀释的黑液分离出来。但是单段挤压不能保证黑液分离得那样完全，因为挤压过程所产生的压力，不足以使浆料纤维内部毛细管中的黑液排出。众所周知，液体在毛细管中上升的高度由下式确定：

式中：δ—液体的表面张力；r—液体的密度；d—毛细管直径；h—毛细管液柱高度相应的毛细管中压力为:挤压时浆料排出黑液，直到毛细管内的压力由于浆料压实和毛细管直径变小而升高，并与外部施加压力达到平衡为止。为此有人对硫酸盐和亚硫酸盐浆进行了相关的实验[2]：在一个不大的实验室装置中进行静态挤压实验。当压力达到15MPa时，浆中残留的黑液量为0.7kg/kg风干纤维，相应的相对干度约59％。纤维壁的超显微孔隙中水分含量约0.3g/g风干纤维。因此在15MPa压力下，不仅纤维细胞壁中残留有黑液，而且纤维腔中也有。当然在挤浆机的实际操作中，15MPa的压力是不可能达到的，另外即使达到，浆料在这样的干度下，对于后段的稀释洗涤也是相当困难的。

过滤：化学工艺学中把过滤解释为通过滤布或多孔薄膜分离悬浮液，阻留固体粒子，滤出液体的过程。所有洗浆方法均需要有一个液体穿过纤维物料的通道，液体穿过通道的速度取决于纤维的性质、液体的粘度、液体中悬浮物的数量和规格，以及在很大程度还取决于纸浆的浓度和纤维物料所受的作用力。真空洗浆机的转鼓浸在浆料悬浮液的浸没区分离黑液时即发生这一过程。在转鼓洗涤区洗涤液(水或稀黑液)从浓缩浆层滤出，由浆层置换出浓黑液。在洗料池，蒸煮锅或扩散器中洗涤时，其整个过程和液体通过浆层的办公桌过滤一样。

扩散：依靠扩散可以把溶解物质由浆纤维中提取出来。其扩散速度与扩散面积、扩散系数和纤维废液内外的浓度差成正比。而扩散系数与洗涤时的温度、粘度和压力有关。扩散微分方程近似积分的结果说明，对于浸没在水中的单根浆纤维，可在不到一秒的时间内把黑液分离出来，但是黑液由体积1cm2的立方形纤维束中扩散出来，将需要一个多小时的时间[1]。

Mc－kibbins由蒸煮后保持木片形状的浆料中直接提取黑液[3],测定了钠离子的扩散系数(见表1)。纤维横向上的扩散系数约为纵向的1／2，温度每提高10℃，碱在纤维中的扩散系数就增加0.2～0.3倍，活化能为20～27kJ/mol。因此要加速洗涤中的扩散，必须使用热水。表1 钠离子的扩散系数扩散方向 扩散距离 扩散系数D×105cm2/s mm 38°C 52°C 65°C 71°C 纤维纵向 3 0.硅钙71 1.20 1.80 1.90 6 0.84 1.40 2.10 - 纤维横向 3 0.36 0.58 0.68 - 6 0.36 0.60 0.75 -

吸附：众所周知，浆纤维是对金属离子有很大吸附力的物质。在碱性介质中羧基是吸附中心，随离子价数的提高，吸附能力增加。洗涤时钠离子的吸附具有实际意义，它影响洗后浆料带走的碱量，硫酸盐浆对钠离子的吸附具有可逆性。其他钠盐(NaCl，Na2S)和氢氧化钠补加到黑液中能强化钠离子的吸附。在一个工厂的测定表明[4],扩散洗涤后，每吨硫酸盐风干浆含吸附形式的碱量为0.6～2.5kgNa2O。

黑液的起泡：转鼓式洗浆机洗涤时，黑液泡沫会造成很大困难。针叶木蒸煮后，黑液中存在大量表面活性物质，主要是树脂皂和脂肪皂引起的泡沫。皂化物能降低黑液和空气间界面上水的表面张力，因此吸附在表面层形成具有结晶结构、强度很大、包覆的空气泡的密封膜。气泡的数量和规格对滤水速度也有一定影响。当用含有悬浮空气的稀黑液代替浓黑液时情况更是如此。空气泡具有固态性质，而且完全被纤维物质过滤出来，因而堵塞流体通道，降低滤水速度。2 洗涤方式

所有本色浆洗涤只有一个目的，就是将蒸煮过程中的可溶性有机和无机固形物以最高的浓度提取出来，而用最少量稀释水，同时在纸浆离开洗浆系统时，要保持最低的可溶性固形物损失。只有采用多段逆流洗涤才有可能在较小的稀释因子下充分发挥扩散作用，取得较好的洗涤效果。

不同的工艺条件对洗涤效率有较大影响。草浆含硅量大，杂细胞多，纤维短，蒸煮后黑液粘度大，洗涤时滤层中孔道的平均直径比实际上木材纤维小得多，故其脱水速度慢，易糊，大大降低了洗浆效率。蒸煮出的浆太软，脱水困难，而太硬的浆洗后浆中残留的黑液多，都影响提取率。纸浆含泡沫时，气泡会堵塞纤维之间的孔隙，影响脱水，浆料的温度高，黑液的粘度小滤水容易。

关于洗浆设备可分成以下几类[5]：

1.稀释、混合和挤压过滤

稀释、混合和挤压过滤一般指的是双辊挤浆机和螺旋挤浆机等。在这种洗涤方式中，纸浆由喷放锅喷出后，直接经挤浆机挤压提取黑液，再用稀黑液对纸浆稀释并搅拌，以促进纸浆中浓黑液和稀黑液之间的扩散，最后达到平衡浓度，然后转入下一段挤浆机。在逆流洗涤装置中，这种洗涤纸浆的效率取决于两个因素：(1)在搅拌时期内达到平衡状态的程度;(2)段间提取的程度。

2.厚浆层置换

固定床间隙置换：如球下洗浆池(采用静滤法)。

固定床连续置换：如置换洗浆机、蒸煮锅内热洗。

移动床连续置换：如立式连续蒸煮器内热洗。

3.薄浆层固定床连续置换

如水平带式真空洗浆机、鼓式洗浆机(真空洗浆机、压力洗浆机)等。在转鼓洗浆机上连续洗涤是现在最广泛应用的硫酸盐浆洗涤方法。可以使用任何形式的转鼓式洗涤机洗涤针叶木和阔叶木硫酸盐浆和烧碱法浆。转鼓式洗浆机常为多段逆流式并附有利用洗涤水和黑液的封闭系统。水平式洗浆机目前也是有效和可靠的洗涤机，仅从经济上考虑对中小型纸厂也是值得选用的。它与鼓式洗浆机相反，水平式洗浆机可将几个洗涤段合置于一台设备中，取消了段间稀释。洗涤段数多(可达6段)，最大限度地提高了黑液浓度而洗涤水量又少，并且不需高额的设备投资。

以上各种设备均可多段串联逆流洗涤。

采用挤浆机可将纸浆浓缩到30％～35％，是提取黑液的好方法。以往采用几段逆流洗涤方式，但这类设备最大稀释能力只能把浓度从35％降到10％左右。这一浆浓很难使随纸浆进入的浓黑液，与稀释用的稀黑液之间的浓度充分平衡。另外，浆料通过挤浆机会受到强烈的挤压和摩擦。有的专家认为[1]:在这样的挤浆机中处理会影响浆的机械性能，引起纤维扭绞。

有时各种形式的挤浆机还可同转鼓式洗浆机(或水平带式洗浆机)联合用于洗涤流程，将两者有机结合在一起的流程，洗涤实践虽然不是很多,但这种方法，相信会是一种高效率的洗涤方式，这种洗涤流程对草浆的洗涤是尤其必要的。在草浆洗涤时，往往单同时也为仪器仪表科技与产业的发展提供了强大的推动力单采用以过滤脱水作用为主的真空洗涤机或带式洗涤机，难以达到较高的黑液提取率和取得较高浓度的黑液。而单单采用挤压脱水设备则更不易将草浆黑液提取率提高到90％以上。为此，我们提出采用挤压-扩散-置换设备组合提高麦草浆黑液提取率的方法[6],其流程见图1所示。图1 挤压-扩散-置换设备组合提取黑液流程3 洗浆系统的工艺条件

以一饰兽类瓦吨绝等于或小于2氧化碳类产品的全球变暖潜值干麦草粗浆为基准，采用不同的流程(流程1如图1所示，流程2为浆料从蒸煮器喷出后，在喷放锅直接经回流黑液稀释，然后进入洗浆机)。表2的数值是按某个特定变数而言，在实际计算中，它们都用实测值。表2 采用不同洗浆流程洗涤效果对比

流程1(挤压-扩散-置换) 流程2(扩散-置换) 原浆 黑液固形物含量,% 16.02 吨浆固形物含量,kg/t浆 1450 黑液量,m3 8.34 挤浆机 进浆浓度猫眼,% 9.95 - 出浆浓度,% 19.8 - 挤出黑液量,m3 4.62 - 提取黑液固形物含量,% 15.62 - 设备提取率,% 53.87 - 出浆带走固形物(kg固形物/t浆) 668.89 - 调浆池(或喷放锅) 进浆浓度,% 19.8 9.95 出浆浓度,% 2.6 2.6 池内黑液固形物含量,% 8.41 11.45 回流的黑液量,m3 32.14 26.99 洗浆机 进浆浓度,% 2.6 2.6 出浆浓度,% (洗) 10.0 10.0 先涤水温,°C 60 60 洗涤用水量,m3 12 12 稀释因子 3 3 洗涤损失量,kg(固形物/t浆) 145 247 提取黑液 固形物含量,% 7.43 9.99 提取液量,m3 6.78 11.45 整个洗浆系统 设备提取率,%(以总固形物计) 90 83 提取黑液 固⑥ 重新校验胶膜阻力(校验胶膜阻力方法详见“本公官-技术专区”处：校订方法)形物含量,% 10.83 9.99 提取液量,m3 11.40 11.45

采用流程1，当设备的洗涤用水量为12m3／t浆，假设设备的总提取率为90％，则当该系统达到平衡时，洗浆机的进浆中黑液固形物浓度为8.41％，而当采用流程2时，洗浆机的进浆中黑液固形物浓度为11.45％，很明显流程2的进浆固形物含量与流程1有较大的差别，正是这个差别才有可能使同样的洗浆机

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