CN101666056B - 一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种粉煤灰矿纤纸浆及其制备工艺，具体是将矿渣、硅石和焦炭按要求混合造粒，焦料比确定为0.12-0.23之间，将上述混合物高温熔化，其熔体经离心机甩丝形成矿纤维，然后矿纤维分散软化、除渣、浓缩、抄浆脱水后得到粉煤灰矿纤浆。上述工艺制备适用于造纸用的矿纤浆，可替代或部分替代造纸木浆，节省原木损耗，保护森林资源，比有机植物纤维造纸降低20％成本，且制作工艺简单、制作过程环保。

Description

一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法

技术领域

本发明公开一种粉煤灰矿纤纸浆及其制备工艺，属于造纸原料类制造技术领域，具体的说是以粉煤灰等为原料纸浆实现造纸技术。

背景技术

近年来，我国的能源工业稳步发展，发电能力年增长率为7.3％，电力工业的迅速发展，带来了粉煤灰排放量的急剧增加，燃煤热电厂每年所排放的粉煤灰总量逐年增加，1995年粉煤灰排放量达1.25亿吨，2000年约为1.5亿吨，到2010年将达到3亿吨，给我国的国民经济建设及生态环境造成巨大的压力。另一方面，我国又是一个人均占有资源储量有限的国家，粉煤灰的综合利用，变废为宝、变害为利，已成为我国经济建设中一项重要的技术经济政策，是解决我国电力生产环境污染，资源缺乏之间矛盾的重要手段。

粉煤灰中含有SiO₂、AL₂O₃、FeO、Fe₂O₃、CaO、MgO等多种成分，以粉煤灰纤维为原料配制纸浆可以替代天然植物纸浆生产文化用纸、包装纸及特种纸品，目前粉煤灰的这一应用是较新的领域，但其应用前景广阔。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，是以工业矿碴配以其他辅料按一定比例配合熔炼，将熔体甩丝形成矿纤维，然后经进一步处理得到矿纤纸浆。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其包括以下步骤：

一、将粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物、无机添加剂和焦炭按要求混合造粒，其中混合前确定粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物和无机添加剂的化学成分，使矿纤浆大致化学成分一般控制酸度系数在

$K_H=\frac{\mathrm{SiO}+{\mathrm{Al}}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}=1.2-1.4$ 之间

，而焦料比为确定为0.12-0.23之间；此处的焦料比为焦炭和前两者矿渣和硅石混合比例。

二、将上述混合物高温熔化，其熔体经离心机甩丝形成矿纤维；

三、将甩丝形成的纤维分散软化、除渣、浓缩、抄浆脱水后得到粉煤灰矿纤浆。

进一步，所述的粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物包括火力发电、炼钢炼铁等煤炭燃烧后产生的飞灰或固态残留物经处理后得到的矿渣，其主要化学成分要求：

SiO₂  Al₂O₃ CaO   MgO    FeO+Fe₂O₃

32-42 8-15  3 6-43    7-15   ＜2

精度范围：40-60mm；中等粒度：50mm；其中小于40mm者最多不超过10％，小于10mm的碎料不超过1％。

进一步，所述的无机添添加剂为硅石，其化学成分指标：

SiO₂ CaO    MgO    Fe₂O₃

＞94  ＜1.5  ＜0.1  ＜1。

进一步，所述的焦炭为铸造焦或冶金焦，主要指标：

水分＜5％ 灰分＜10％ 挥发份＜2％ 热值＞6500J/kg

粒度要求：60-80mm其中粒度超上下限不超过10％；小于30mm不超过5％；小于10mm不超过2％。

步骤二中，混合物熔化是在冲天炉内进行，其焚烧炉控制温度500-850℃。

步骤二中高温熔体经水冷却可调流槽流至离心机高速运转的离心辊上，在辊子的表面就会形成一层熔体薄层，粘在薄层上的熔体在离心力作用下熔体甩制形成直径3-7微米的矿纤维。

步骤三中，纤维分散软化是矿纤维进入带有分散软化剂容器内进行软化处理，其中软化剂选自盐酸、硫酸、醋酸、烷基酸金属盐其中的一种或其混合物；分散剂选自多磷酸钠、藻酰酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、氧化聚乙烯或乳化甲基硅油其中一种或多种。

步骤三中，除渣是去除矿纤维中含有的矿物颗粒，除渣过程中要进行补水，除渣后的矿纤浆进行浓缩及抄浆脱除多余的水后得到商品化的矿纤浆。

本发明合理利用粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物，主要经过制纤和抄浆处理，制备适用于造纸用的矿纤浆，可替代或部分替代造纸木浆，节省原木损耗，保护森林资源。

本发明制备的矿物纤维纸浆和有机植物纤维纸浆相比较，具有以下有益效果：

(1)、本发明制备的矿物纤维造纸时，可降低成本，比有机植物纤维造纸降低20％成本；

(2)、本发明制备的矿物纤维制作工艺简单、且制作过程环保，而制作有机植物纤维纸浆过程复杂，且对环境造成一定的污染；

(3)、制作有机植物纤维纸浆需要大量的森林树木，影响了大自然的生态平衡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例1、：取矿渣，某工厂矿渣成分酸度系数为1.01左右，则需要调节料，加入硅石，确定其酸度系数

$\frac{\mathrm{SiO}+A{l}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}$

为1.2，具体配比矿渣∶硅石∶焦炭＝700∶50∶100，其粒度分别为50mm∶20mm∶40mm。

制纤工序

原料及焦炭用铲车分别运入料仓，按照设定配方经称量后，落到料仓下方的输送皮带并被送进料罐中。电葫芦将料罐提升并沿轨道送至冲天炉室三楼平台待命，根据指令将罐中原料和焦炭投入冲天炉。

冲天炉内的焦炭，借助冲天炉废气系统经换热送来的约为500℃热风，使焦炭充分燃烧放热，将炉内的原料熔化。熔体从冲天炉侧下方设备的固定流液口流出，焦炭燃烧产生的废气进入废气处理系统。

冲天炉周壁是水冷夹套式，无需耐火材料作炉衬，夹套中的冷却水为软水，循环使用。

高速四辊离心机把从冲天炉固定流液口流出的溶体纤维化。熔体经活动溜槽导向落到离心机1#辊轮上，四个辊轮高速旋转，熔体经1#辊轮布料到2#辊轮，在2#辊轮上借助离心力，一部分熔体被甩成纤维，多余的熔体甩到3#辊轮上，以此类推直到4#辊轮将最后剩余的熔体纤维化.

离心机甩出的纤维沿辊轮的径向飞去，为收集这些纤维，在离心机四个辊轮周边设置了吹离风环，风环的出口喷出高压风，将离心机甩出的纤维折向，即沿辊轮的径向飞去，并借助诱导风使矿纤维带入集棉室。

高速四混离心机的4个辊轮采用水冷式，每个辊轮均定的冷却水流量，冷却水为软水，循环使用。4个辊轮由于高速旋转，轴承采用油雾润滑。

矿纤维进入集棉室，飘浮在集棉室上方空间。而集棉室内设有一条网式输送机及吸风系统，借助吸风系统造成的负压，促使漂浮的矿纤维迅速降落到集棉室网式输送机上。网式输送机向前运动的过程中，矿纤维越积越厚，形成一定厚度的棉层被送出集棉室。吸风系统的排气为避免有细纤维带出去，设有收尘室，由厚度50mm，密度60kg/m³的矿棉板作滤材，废气经过滤后排入大气，被收集的细纤维回收。

从集棉室送出的矿棉毡，经过撕棉机将棉毡撕成碎棉块，落到皮带输送机上并被送到下道工序的除渣系统。

抄浆工序

首先，矿渣或造粒后的粉煤灰经过燃烧，甩丝作用，形成直径3-7微米的矿纤维。这样的纤维分别经过分散软化，除渣，浓缩，进一步软化，抄浆等作用，最后成为商品的矿纤浆。具体生产过程简要描述如下：

第一步，分散软化

矿纤维首先进入1#分散软化槽，后依次按顺序进入2#-3#分散软化槽，在这里在分散剂及软化剂的作用下，进行较为充分的分散及软化过程，使纤维浆料适合于除渣要求。

第二步，除渣

经过分散及软化后的浆料被泵送至三段布置的除渣系统，进行多段除渣最后成为洁净的浆料。

除渣器三段布置的目的是：尽可能的除去纤维中的杂质，同时减少纤维流失，提高除渣效率。即第一段良浆直接进入下一工序，尾渣经稀释进入第二段，二段良浆进入一段的进浆，依次类推。

第三步，浓缩

浓缩并进一步软化。经过除渣后的浆料质量已经达到要求，只是浓度太低，不适于运输和存放，需要经浓缩机浓缩脱去这部分多余的水分。同时为了能获得高质量的浆料，将提浓后的浆料在浆塔内存放一段时间，这步的目的是获得最佳的软化效果。

第四步，抄浆及打包

经过前三段处理过的浆料再经抄浆机进一步脱去水分后，即可获得商品化的矿纤浆。浆料经由自动包装机，根据情况打包成小袋(50kg/袋)或大包(400-700kg/包)后即可装运入库。

具体工艺及相关设备介绍

下料制度可以分为，混合下料法和分层下料法。混合下料法是将焦炭和各种原料均匀地混合在一起加入冲天炉；分层下料法是将焦炭混合的原料分别加入冲天炉，即先加焦炭后加混合原料。如此往复但要求每批焦炭能铺成两个粒径大小的高度。一般情况下常采用混合下料法每批总量在750-900kg之间，必要时可以扩大或缩小。

1、冲天炉及控制工艺

①、冲天炉的结构式用来熔化原料的重要设备，它大至由上下两部分水夹套组成。上部有加料口、废气出口、观察口等；下部有风孔、流液孔和入孔门；底部有水套、炉底及炉底门、带放铁口。

冲天炉分为5个部分：炉体、进风系统、冷却水系统、流料系统系、废气排放系统各个部分结构及作用概述如下：

1)、炉体：分为炉底、炉身、炉缸三部分。

炉底作用是积存熔制中产生的铁水，除需定时放铁水外，应在生产4-6天停炉清理残存炉底的铁和结石等残物。

炉缸：炉缸作用是储存焦炭支持燃烧且又是熔体和铁水储存的地方，位置在炉底以上风口以下。

炉身：炉身占整个冲天炉高度90％左右，位置在加料口至风口以上。其内膛称为炉膛，作用是提供焦炭燃烧，原料预热熔化的工作空间是冲天炉熔化原料的主要工作区域。因此，炉身段又被称作为冲天炉的有效高度。

2)、进风系统

冲天炉的进风系统包括其外部均匀的风环和风口，为了保证炉内焦炭充分燃烧和温度均匀，在冲天炉周围设有多个均匀可通的进风管和风口。

3)、冷却水系统

将水泵送来的冷却水均匀的送入冲天炉夹套内来保护炉体在高温下的正常工作，系统由水冷夹套和匀布管路组成。

4)、流料系统

将一个活动流槽固定在炉罐流口处引导流口溢出的熔体，准确稳定地流至四辊离心机的第一辊上。因此，流槽设计成具有一定的存储量且可前后左右上下随意调节的形式。

5)、废气排放系统

其作用是冲天炉产生的废气(CO₂、CO、H₂S、SO₂)以及粉尘经焚烧、除尘、脱硫以后由烟囱排出。

②、冲天炉熔制工艺

冲天炉熔制工艺控制的基本参数：

1)、点火时的底焦量900kg，第一批100kg，第二批800kg。

2)、冲天炉鼓风量约3000-6500m³/hr；冲天炉的鼓风压力350-850mm H₂O；冲天炉的鼓风温度200-400℃，最高450℃。

3)、放铁水时间6-8小时(可根据炉况及铁水量适当延长或缩短)。

4)、焚烧炉控制温度500-850℃。

5)、冲天炉冷却水：出水温度30℃-90℃，出水报警温度整定90℃.

二、离心机及成棉工艺

1、四辊离心机的作用是把冲天炉流出的熔体变成纤维。

①、离心机的组成结构：四辊高速离心机装配有四个离心辊轮，其排列法使熔体依次从一个棍落到另一个辊，每一个辊按各自的速度运转，各个辊有自己的电机带动。

离心机还有一个用以整定和调节各离心辊水量的水量表(四个流量计)，一台连续润滑芯轴的油雾润滑装置以及管路系统。

②、四辊离心机的冷却水量一般控制在1#辊600-800L，2#、3#、4#辊1200-1400L。

③、四辊离心机油雾润滑工作参数：油量30滴/分钟；空气压力2kg/cm左右；油最大工作粘度150℃2.0-2.3×10⁵m²/S。

2、成棉工艺

①、成棉原理：高温熔体(约1400-1500℃流至高速运转的离心辊上，在辊子的表面就会形成一层熔体薄层，粘在薄层上的熔体在相当的离心力作用下熔体内部结构中Si-Ca、Si-Mg等结合键发生断裂，而纤维伸长的Si-O键强大而不会析晶。主要原因在于骤然冷却而使熔体变成冷却液体形成玻璃态，当然在此过程也会有部分熔体不能成为纤维而变成渣状球状，我们称之为渣球。渣球率的高低与熔体的化学成分、温度、粘度、设备状况、操作控制等因素有关(与吹离风机也有关)这就要根据具体情况调整。

②、成棉过程：四辊离心机成棉过程主要包括布料和离心两个阶段，而其离心过程是采用四个高速运转但速度不同的滚轮来实现的。

1)、布料阶段：布料采用水冷却可调流槽，水冷可调流槽可以前后左右调节。在进行布料时将水冷可调流槽调节到流出的流股在合适工作位置，熔体在1辊的落点和辊心连线与垂直轴线的夹角为30-45°这样可使熔体成一线流，熔体在表面张力的作用下均匀流动离心辊。

2)、离心过程：对于四辊机的离心成棉过程分为四个辊分别阐述。

a、1号辊主要作用是控制熔体对以下各辊的布料工作状态和对熔体进行初级分散形成纤维极少。

b、2号辊，熔体自1号送到2号辊由于1号辊的加速离心作用，熔体在2号辊的表面温度有所下降产生较大的附着力并增大工作表面积。因而，熔体层有2号辊上变薄从而更易被离心分散，相应提高成棉率。但是由于熔体的表面积的增加更易冷却，也相应地增加了熔体冷却速度和粘度造成成棉不利的条件。为此要提高2号辊的速度，在2号辊上设有成棉的熔体得到更好的分散被送到3号辊上。

C、3号辊，熔体进入第三辊因温度逐步降低粘度增大但3号辊速度更高同时有较适宜的制棉熔体粘度，因此3辊成棉率最高质量也好。

d、4号辊的转速更高，在3号辊未甩成纤维的熔体由于被3号辊高度分散同时温度进一步降低粘度增大，但4号辊转速更高使粘度增大的熔体进一步被离心成棉。4号辊成棉的大小要视熔体流股流量及温度而定，当产量低时4号辊成棉少而且纤维的质量也差。

三、集棉及送棉工艺

在离心机将高温熔体甩制成棉的同时通过喷吹风环的作用将制的棉纤维吹入集棉室内进行收集。

1、集棉室的组成及作用

①、高压风吹离系统：高压风通过风环使离心机甩制的纤维沿生产线方向运动进入集棉室，本系统的高压风是由高压风机提供的。

②、渣球辊：在风环的前下方设有一个回转方向与纤维前进方向相反的辊子叫渣球辊。因为在成棉时总有一部分熔体未能成纤，它们的容重比棉团大得多，在高压风的作用下纤维漂浮而从渣球辊上方进入集棉室，渣球则不能越过渣球辊进入集棉室而被挡进渣球坑中运转。

③、负压风轴吸系统：本系统为了使棉在沉降室网带上均匀分布，抽出的气体经过过滤室净化后排入大气。过滤室的面积为190-220m²；过滤材料为岩棉板(50-80kg/m³)，更换周期30天；过滤室负压上室＞2750Pa，下室＞2600Pa，上下压差＜200Pa。

④、棉毡输送系统：本系统的作用是将收集好的棉运出集棉室，它主要由集棉室网带机和密封辊两个部分组成。出集棉室的棉由宽1.8m皮带输送到1号沉砂罐进入下一工序制浆工序。

四、矿纤浆的软化和筛选

我们在制浆工段所制得矿物纤维和有机纤维相比一般具有柔性差、脆性大、易折断、絮团等缺陷。不能直接制成矿纤浆需要添加我公司专门研制的软化剂进行表面处理，使之具有机木浆相似的特点，加之我们在制纤工序纤维含有20％左右矿物颗粒(我们称之为渣球)需除去，所以必须对矿物纤维进行筛选。

该系统包含有三个390m³沉砂罐和3套搅拌系统，三个排渣系统和一个补水系统及一个软化剂添加系统。

软化剂加在1号沉砂罐，添加量＝W×2％，W是指制纤工序的产量。

五、矿纤浆的净化

经过筛选送的矿纤浆有些渣球因为尺寸较小而没有被除去大约10％左右，需要采用离心分离办法除去，我们采用二级三段锥形除渣器组进行矿渣浆净化。

该系统由一段冲浆泵、二段冲浆泵、三段浆泵、二级良浆泵、一段渣浆槽、二段渣浆槽、一段良浆泵；一级36个CMC150除渣器、一段36个CMC150除渣器、二段12个CMC150除渣器以及三段12个606除渣器、9个125除渣器组成。该系统要求一段进浆浓度4±1‰；二段进浆浓度3±1‰；三段进浆浓度2±1‰。各段补水量应按此调整且做好浆水平衡计算(物料平衡的原理)。

六、矿纤浆的浓缩和包装

矿纤浆经过净化后浓度一般较低(0.1-0.3％)之间，难以达到商品化产品的要求这就需要进行浓缩处理，达到一定浓度包装成商品。

该系统包含有斜筛、压滤机、包装机、中间浆罐、上浆泵等组成。斜筛浓筛后的浓度4-5％；压滤机浓缩后矿纤浆浓度50±2％；产品包装采用取内衬塑料膜编织袋50±0.5kg。

实施例2：取矿渣和硅石，确定其化学成份后使其酸度系数

$\frac{\mathrm{SiO}+A{l}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}$

为1.35，具体配比矿渣∶硅石∶焦炭＝600∶100∶150，其粒度分别为40mm∶18mm∶50mm。

具体制作过程同实施例1，不再赘赘述。

实施例3：取矿渣和硅石，确定其化学成份后使其酸度系数，

$\frac{\mathrm{SiO}+A{l}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}$

为1.2，具体配比矿渣∶硅石∶焦炭＝650∶100∶150，其粒度分别为60mm∶25mm∶70mm。

具体制作过程同实施例1，不再赘赘述。

实施例4：取矿渣和硅石，确定其化学成份后使其酸度系数，

$\frac{\mathrm{SiO}+A{l}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}$

为1.4，具体配比矿渣∶硅石∶焦炭＝650∶80∶120，其粒度分别为55mm∶20mm∶80mm。

具体制作过程同实施例1，不再赘赘述。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所为做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。

Claims (7)

1.一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(一)、将粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物、无机添加剂和焦炭按要求混合造粒，其中混合前确定粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物和无机添加剂的化学成分，使矿纤浆大致化学成分控制酸度系数在

$K_H=\frac{{\mathrm{SiO}}_2+{\mathrm{Al}}_2{O}_3}{\mathrm{CaO}+\mathrm{MgO}}=1.2-1.4$ 之间

，而焦料比为确定为0.12-0.23之间，其中所述的粉煤灰或煤炭燃烧固态残留物包括火力发电、炼钢炼铁中煤炭燃烧后产生的飞灰或固态残留物经处理后得到的矿渣，其主要化学成分要求：

SiO₂    Al₂O₃    CaO      MgO     FeO+Fe₂O₃

32-42   8-15     36-43    7-15    ＜2

粒度范围：40-60mm；中等粒度：50mm；其中小于40mm者最多不超过10％，小于10mm的碎料不超过1％；

(二)、将上述混合物高温熔化，其熔体经离心机甩丝形成矿纤维；

(三)、将甩丝形成的纤维分散软化、除渣、浓缩、抄浆脱水后得到粉煤灰矿纤纸浆。

2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：所述的无机添加剂为硅石，其化学成分指标：

SiO₂    CaO      MgO      Fe₂O₃

＞94    ＜1.5    ＜0.1    ＜1。

3.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：所述的焦炭为铸造焦或冶金焦，主要指标：

水分＜5％    灰分＜10％    挥发份＜2％    热值＞6500J/kg

粒度要求：60-80mm，其中粒度超上下限不超过10％；小于30mm不超过5％；小于10mm不超过2％。

4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：步骤(二)中，混合物熔化是在冲天炉内进行，其焚烧炉控制温度500-850℃。

5.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：步骤(二)中高温熔体经水冷却可调流槽流至离心机高速运转的离心辊上，在辊子的表面就会形成一层熔体薄层，粘在薄层上的熔体在离心力作用下熔体甩制形成直径3-7微米的矿纤维。

6.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：步骤(三)中，纤维分散软化是矿纤维进入带有分散软化剂容器内进行软化处理，其中软化剂选自盐酸、硫酸、醋酸、烷基酸金属盐其中的一种或其混合物；分散剂选自多磷酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、氧化聚乙烯或乳化甲基硅油其中一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种粉煤灰矿纤纸浆的制备方法，其特征在于：步骤(三)中，除渣是去除矿纤维中含有的矿物颗粒，除渣过程中要进行补水，除渣后的矿纤浆进行浓缩及抄浆脱除多余的水后得到商品化的矿纤浆。