CN108472660A - 玉米秆预处理设备和从玉米秆制造纸浆的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明开发一种不同于常规技术的用于外皮、内部和废料分离的设备和技术，这已经是高质量造纸纸浆的大批量生产的最大障碍，由此实现高质量纸浆的生产，使得所生产未漂白纸浆由于所述纸浆的极佳强度能够用作用于制造工业包装用纸的原料，使得漂白的玉米化学纸浆适合于厕纸、洁面纸和纸巾的制造，且可通过混合具有不同特性的例如漂白的针叶化学纸浆、漂白的叶片化学纸浆和漂白的化学热机械纸浆(BCTMP)的纸浆而应用于各种造纸技术。

Description

玉米秆预处理设备和从玉米秆制造纸浆的方法
技术领域
本发明涉及一种玉米秆预处理设备，且更明确地说，涉及一种用于外皮、木髓和废料分离的设备和技术，这已经是高质量造纸纸浆的大批量生产的最大障碍，由此不仅将具有极佳强度的所生产未漂白纸浆用作用于制造工业包装用纸的材料并且将漂白的纸浆用作例如纸巾和玻璃纸的特制纸的材料和用于高级印刷和书写纸中的材料而实现高质量纸浆的生产。
背景技术
一般来说，已知将木浆用作主要材料而制造纸。尽管长久以来已经在归因于小规模家庭手工业相对缺乏木材资源的国家中使用例如麦秆、甘蔗渣、芦苇等等草本植物制造纸浆，但纸浆质量极差且难以对纸浆进行脱水，这呈现为造纸工艺中的困难。该现实使得偏好使用木浆自然地制造高级纸。然而，由于文明已经快速发展和城市化，环境破坏已经恶化，使得最近，例如臭氧耗竭、气候变暖等等后果正导致威胁人类生存的严重问题，例如生态系统变化、突然的气候变化等等。
此类环境变化已迫使大量碳排放的主要工业化国家加入气候变化公约，甚至已经形成认证减排(certificated emissions reduction，CER)的市场，使得使用能源的行业已付出许多努力获得CER和生物能源。
同时，在公知是主要木材生产国的印度尼西亚已经限制伐木作业以作为环境保护政策的部分，在称作地球的肺的巴西已经禁止伐木作业。这些变化不仅引起木浆价格的升高并且引起对于获得用于制造纸的纸浆的斗争。这种全球趋势已造成对获得具有相对较短生长周期的纤维源的兴趣。
作为代表性实例，已经尝试通过培养具有相对较短生长周期的洋麻用于纸浆资源回收，且已经尝试通过生长迅速的热带阔叶树植树造林，以便将其用作纸浆制造材料。然而，即使有这些努力，还是尚未找到基本解决方案。因此，每年再生的草本植物和农业废弃物的纸浆资源回收正引起关注。
确切地说，草本植物在形态上和化学上的性质不同于木材。尽管韧皮纤维和一些草本植物纤维的长度长于木浆纤维，但大多数草本植物相较于木浆包括较大量的相对精细或较短的薄壁组织细胞。因此，当用作造纸材料时，归因于其较差脱水和低强度性质，草本植物难以利用且在较不发达国家或缺乏木材资源的国家中仅已用于低级造纸材料中。草本植物的化学性质类似于阔叶树，但通常具有低木质素含量和高半纤维素含量。
同时，在稻秆之后，玉米秆产生大多数农产品。除了部分用作饲料，其不具有特定用途而被扔掉。因此，尝试通过利用源纤维的废弃物将玉米秆用作纸浆源，不仅有助于环境保护，而且有助于提高农村家庭收入。
确切地说，由于玉米秆的纤维长度比阔叶树略微更长且更精细，因此预期到确保松密度(bulk)的困难。然而，可通过预提取半纤维素而部分改进松密度问题。当玉米秆替代木浆的10到40％时，对纸质量没有负面影响。当出于例如玻璃纸等等特定目标而使用时，玉米秆相较于木浆更为有利。并且，相较于木材，由于更低的木质素含量和较高半纤维素含量，玉米秆具有足够用于制造纸的化学性质。
由于玉米秆的木髓包括极细的薄壁组织细胞和大量二氧化硅，因此除非与外皮分离，否则木髓在用作造纸纸浆时会引起许多问题。由于尚未研发出如所描述的分离木髓的技术，因此玉米秆通常并不用作造纸材料。确切地说，由于当存在纤维大小极小的薄壁组织细胞时脱水进行得不是很好，因此制造纸时生产速度无法较高且会出现大量断头(webbreak)。基于这些原因，甚至在生产大量玉米秆的中国，玉米秆被限于在生产低级包装用纸时的部分用途。
玉米秆处理设备已经在韩国专利登记第10-1156148号(标题为：用于去除玉米壳的设备，登记于2012年6月7日)中公开。
以上技术配置为用于理解本发明的相关技术且并不意味着是本发明所属的技术领域中熟知的常规技术。
发明内容
[技术问题]
由于从玉米秆去除木髓的现有设备执行以下极复杂操作：纵向劈开玉米秆且将劈开的玉米秆布置于某一方向上，接着压榨所述玉米秆以使其变宽变平，以及从其耙出木髓，所述设备的生产率和处理能力对于需要每天供应最小数万吨到最大数十万吨玉米秆碎片的纸浆厂是不足的。因此，需要弥补此问题。
因此，本发明提供玉米秆预处理设备和使用玉米秆制造纸浆的方法以弥补上述问题。大规模生产高质量玉米秆纸浆的最重要技术为：分离木髓部分的操作，其降低纸浆的成出率和质量、增大化学消耗且包括大量二氧化硅导致难以吸收液体化学品。本发明提供用于分离玉米秆木髓的设备和方法，这对于使用玉米秆的大规模纸浆生产是非常重要的，能够在经济地生产高质量纸浆。
另外，本发明还提供玉米秆预处理设备和制造玉米秆纸浆的方法，通过最大化玉米秆纸浆的优点以及弥补松密度问题，提供制造例如工业包装用纸、厕纸、纸巾、印刷纸等等具有各种性质的纸的方法。
[技术方案]
根据本发明的一个方面，玉米秆预处理设备包括：原料粉碎单元，其接收、切割和粉碎玉米秆；异物去除单元，其接收粉碎的玉米秆并滤出异物；第一分离单元，其接收已经去除了异物的玉米秆且将所述玉米秆分离成外皮和木髓；第二分离单元，其在玉米秆已经分离之后再次将所述玉米秆分离成外皮和木髓，且将所述外皮和所述木髓压碎且精细地粉碎成碎片形式；旋流器，其接收呈碎片形式的木髓且分离所含外皮；最终分拣单元，其接收通过所述第二分离单元分离的外皮碎片和通过所述旋流器分离的外皮碎片，且最后分离和排出外皮碎片和木髓碎片；以及集尘单元，其收集、净化和排出在异物去除单元和最终分拣单元中产生的灰尘。
第一分离单元可包括外壳，其接收切割的玉米秆且引导其排出；滚筒，其通过离心力将流入所述外壳的玉米秆分离成外皮和木髓且将其排出；第一传送运输机，将外皮传送和供应到第二分离单元；和第一排出运输机，其引导木髓的排出。
第二分离单元可包括壳体，其引导通过第一分离单元分离的外皮且将外皮插入到其顶部中，使用自由下落方法经由其底部排出；和转子，其轴向地插入到壳体中，且在分离外皮和木髓时将流入其中的外皮压碎成碎片形式。
所述转子可包括轴向地插入在壳体中且通过外力旋转的轴；覆盖部件，所述轴以可旋转方式插入和固定到所述覆盖部件中，且所述覆盖部件连接到壳体的整个敞开顶部或敞开顶部的一部分；和压碎部，其在所述轴的圆周表面上形成且压碎引入到壳体中的外皮和木髓。
第二分离单元可包括鼓风机，其将外部空气吹到壳体中以延长外皮和木髓与压碎部接触的时间段。
压碎部可包括沿着轴的轴向方向形成的多个板和沿着每个所述板的边缘形成的多个棒。
压碎部可包括可分离地形成在所述棒处以压碎掉落的外皮的压碎肋条。
集尘单元可包括集尘管道，其连接到异物去除单元和最终分拣单元，且传送和引导所产生灰尘；和集尘器，其净化和排出经由集尘管道传送的灰尘。
根据本发明的另一个方面，使用玉米秆制造纸浆的方法包括：将玉米秆切割成长度为10到60mm的碎片；使用分离单元，在压碎切割的玉米秆时，将切割的玉米秆分离成外皮和木髓且将其排出；通过过滤玉米秆的外皮和木髓和外皮片而预处理所述玉米秆；去除外皮的一部分半纤维素；以及使用苛性钠和碳酸钠蒸煮已经去除了一部分半纤维素的外皮。
可去除外皮的30到80wt％的含量的初始半纤维素。
已经去除了半纤维素的外皮中，纤维素含量与半纤维素含量的重量比可介于2.2与7.69之间。
已经去除了半纤维素的外皮中，半纤维素含量可为11.5到31.3wt％。
可通过使用在130到210度的温度下液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的水预处理所述外皮达30到200分钟而执行一部分半纤维素的去除。
可通过使用在130到190度的温度下液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1且具有0.1到1.5％的酸以作为催化剂的水预处理所述外皮达30到180分钟而执行一部分半纤维素的去除。
可通过使用在120到180度的温度下液比(碱溶液：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的5到21％的活性碱(Na2O)预处理所述外皮达30到150分钟而执行一部分半纤维素的去除。
可通过切割玉米秆、压榨切割的玉米秆、压碎和粉碎压榨的玉米秆以及将粉碎的玉米秆分离成外皮、木髓和叶片的操作而制造外皮。
[有利效果]
如上文所描述，不同于常规技术，根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备和制造玉米秆纸浆的方法，可在相较于现有技术温和得多的条件下，通过提供能够使用农业废弃物玉米秆制造高质量纸浆的预处理和碎片制造技术而制造高质量纸浆。
本发明可通过提供用于生产高级纸的技术大大促成农村家庭收入的提高和环境保护，在所述技术中将未漂白纸浆用作原料以用于生产工业用纸，或所述技术经由按比例充分混合漂白的软木化学纸浆、漂白的硬木化学纸浆、漂白的化学热机械纸浆等等与漂白的玉米秆纸浆不仅可用于生产纸巾并且可用于生产印刷纸。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的配置图。
图2为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第一分离单元的放大视图。
图3为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的放大视图。
图4为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的主体的分解视图。
图5为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的压碎部的分解视图。
图6为说明根据本发明的一个实施例的使用玉米秆制造纸浆的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，根据本发明的玉米秆预处理设备和使用玉米秆制造纸浆的方法的实施例将参考附图描述。此处，为了清楚描述和便利起见，可以放大图式中展示的线的厚度、组件的大小等。并且，下文描述的术语在本发明中考虑到其功能而界定，其可随用户和操作员的意图或实践而改变。因此，应基于贯穿本说明书的内容而给定此类术语的定义。
图1为根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的配置图。
图2为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第一分离单元的放大视图，且图3为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的放大视图。
图4为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的主体的分解视图，且图5为说明根据本发明的一个实施例的玉米秆预处理设备的第二分离单元的压碎部的分解视图。
参考图1到5，根据一个实施例的玉米秆预处理设备包括原料粉碎单元100、异物去除单元200、第一分离单元300、第二分离单元400、旋流器500、最终分拣单元600和集尘单元700。
原料粉碎单元100为接收、切割且将玉米秆粉碎成具有一定大小或更小的小块的设备。
确切地说，原料粉碎单元100的外部形状由主体110形成使得玉米秆可经供应、切割、粉碎和排出，且主体110中包括粉碎切割机120。可提供粉碎切割机120以划分成用于切割供应到主体110中的玉米秆的区域和用于粉碎玉米秆的区域。粉碎切割机120可经修改成各种形状，且可提供各种数目的此类粉碎切割机120。
并且，异物去除单元200接收通过原料粉碎单元100的粉碎切割机120粉碎且从主体110排出的玉米秆并过滤例如灰尘、玉米叶片等等异物。
此处，从主体110排出的玉米秆通过外部空气管130移动到异物去除单元200。此处，外部空气管130使用外部空气泵(未展示)强制性地将外部空气从原料粉碎单元100传送到异物去除单元200。
确切地说，异物去除单元200包括框架210，其接收通过粉碎切割机120粉碎的玉米秆且排出已经去除了异物的玉米秆，且包括设在框架210内部的筛选器220以从玉米秆筛出异物。
框架210可经修改成各种形状。
筛选器220在允许粉碎的玉米秆在其中通过的同时，通过位于其圆周表面处的孔分离和排出例如灰尘、玉米叶片等等与粉碎的玉米秆混合的异物。
此处，筛选器220通过驱动源222旋转且可修改成各种形状。
并且，沿着定量传送运输机230将通过框架210排出的玉米秆供应到第一分离单元300。
定量传送运输机230可以恒定速度定量地传送丢弃的玉米秆，从而将玉米秆定量地供应到第一分离单元300。并且，定量传送运输机230在感测到并非定量的丢弃数量时可以恒定速度传送玉米秆，从而仅在感测到为定量的丢弃数量之后将玉米秆定量地供应到第一分离单元300。
同时，第一分离单元300接收已经去除了异物的玉米秆且将玉米秆分离成外皮和木髓。此处，外皮是指玉米秆的外层，且木髓是指内部部分。
确切地说，第一分离单元300包括外壳310、滚筒(drum)320、第一传送运输机330和第一排出运输机340。
外壳310形成为接收切割的玉米秆且引导切割的玉米秆的排出。外壳310可应用为各种形状和各种材料。
滚筒320具有可旋转地设于外壳310中的圆柱形形状，且经安装以沿着轴向方向逐渐向上倾斜。
接着，供应到滚筒320的玉米秆受到离心力，并被分离成外皮和木髓。此处，玉米秆被分离成体积相对较大或比重较重的外皮和体积相对较小或比重较轻的木髓。确切地说，外皮经倾斜、移动到滚筒320的低位处的一侧、从其排出且传送到第二分离单元400。此外，木髓可经倾斜和移动到滚筒320的高位处的另一侧且接着向外排出。
第一传送运输机330将经分离且通过外壳310排出的外皮传送和供应到第二分离单元400，第一排出运输机340引导经分离且通过外壳310排出的木髓的排出。
此处，第一传送运输机330和第一排出运输机340可修改成各种形状，且排出外皮和木髓的侧面处于外壳310的不同部位。
并且，第二分离单元400将已经被分离成外皮和木髓的玉米秆再次分离成外皮和木髓，且通过压碎分离的外皮和木髓而将该分离的外皮和木髓粉碎成碎片。
此处，第二分离单元400包括壳体410和转子420。
壳体410使用自由下落方法，将玉米秆的外皮和木髓从上方插入且从下方排出。壳体410可修改成各种形状且为方便起见以圆柱形形状展示。另外，各种材料均可应用于壳体410。
确切地说，壳体410经形成以使外皮和木髓自由落下。这使得壳体410中的外皮和木髓不会堆叠，使得可持续供应外皮和木髓且可即时排出通过压碎外皮和木髓形成的碎片。
并且，转子420轴向地插入到壳体410中。并且，转子420以可旋转方式安装在壳体410中。并且，将外皮和木髓供应到壳体410的顶部且接着压碎在壳体410中且以碎片形式向下排出。
确切地说，转子420包括轴430、覆盖部件440和压碎部450。
并且，轴430轴向地插入到壳体410中。即，安装轴430以垂直立于壳体410中。并且，通过驱动电动机432在一个方向上旋转轴430。可应用将驱动电动机432的驱动力传送到轴430的各种方法。
另外，覆盖部件440固定轴430的位置且防止外皮和木髓在与转子420碰撞时朝向壳体410的顶部散开。
即，覆盖部件440可分离地形成在壳体410的顶部处，且轴430以可旋转方式安装在中心。尽管在图式中未展示，但轴430可包括滚珠轴承且可经装配以免在旋转时与覆盖部件440碰撞。
确切地说，覆盖部件440形成为覆盖壳体410的整个敞开顶部或敞开顶部的一部分。
此处，当覆盖部件440覆盖壳体410的整个敞开顶部时，壳体410包括分离地形成在上部圆周表面处以接收外皮和木髓的入口412。此处，入口412形成在壳体410的上部圆周表面处以便延长供应到壳体410中的外皮和木髓在壳体410中经压碎以达外皮和木髓的最大化压碎的时间段。
另外，当覆盖部件440封闭壳体410的敞开顶部的一部分时，壳体410的顶部的敞开部分执行入口412的功能。覆盖部件440可修改成各种形状且经由例如栓接等等各种方法与壳体的顶部可分离地耦合。另外，覆盖部件440可以可分离地形成在壳体410的底部处但可施加于壳体410的顶部从而以碎片形式平稳地排出外皮和木髓。
并且，压碎部450形成于轴430的圆周表面上且直接粉碎通过壳体410的入口412插入的外皮和木髓。压碎部450固定地形成在轴430处，以便归因于轴430的旋转而使施加到外皮和木髓的压碎力最大化。
确切地说，压碎部450包括板452、棒454和压碎肋条456。
轴430的圆周表面上形成多个此类板452。此处，所述多个板452沿着轴430的轴向方向形成，且板452的形状和材料可以各种方式修改。
另外，使用例如夹持等等各种方法将板452耦合和固定到轴430。板452可与轴430一体形成。板452的数目并不限制。
另外，沿着各板452的边缘形成多个此类棒454。设置一对棒454以压碎外皮和木髓。确切地说，具有不同长度的一对棒454可提供为具有不同长度的交替布置棒。这是为了增大对外皮和木髓的压碎力。
另外，棒454可以可分离地形成在板452处。
此处，棒454包括弯曲部分455。弯曲部分455弯曲地形成于棒454的圆周表面上，其与外皮和木髓直接接触且执行压碎外皮和木髓和在分离期间防止或使损坏最小化的功能。
另外，轴430连接到齿轮箱(未展示)且可调整旋转速度。这是为了调整轴430的旋转速度以防止由过度压碎外皮和木髓引起的粉碎。所述齿轮箱连接驱动电动机432和轴430。
并且，压碎肋条456可分离地形成在棒454处且压碎掉落的外皮和木髓。即，直接通过压碎肋条456压碎外皮和木髓以便达成碎片形式。压碎肋条456可分离地形成在棒454处，以便可维修和可修复。
确切地说，压碎肋条456形成在棒454的面向旋转方向的一侧处以最大限度地压碎外皮和木髓。压碎肋条456可修改成各种形状。
同时，第二分离单元400可以进一步包括鼓风机460。
鼓风机460将外部空气吹到壳体410中，以使得外皮和木髓漂浮在壳体410中，以便延长外皮和木髓接触棒454和压碎部450的压碎肋条456的时间段。
另外，旋流器500接收碎片形式的木髓且再次分离附在对应木髓的外皮。
此处，旋流器500致使流入木髓旋转。当木髓在旋流器500中旋转时，木髓和外皮彼此分离，使得比重较重的外皮从下方排出，而比重较轻的木髓从上方排出。
此处，旋流器500可修改成各种形状。
另外，最终分拣单元600接收通过第二分离单元400分离的外皮碎片和通过旋流器500分离的外皮碎片且最后分离和排出外皮和木髓。
此处，通过第二分离单元400分离的外皮碎片沿着第二传送运输机470定量地传送和供应。第二传送运输机470可定量地一起传送通过第二分离单元400分离的外皮碎片和通过旋流器500分离的外皮碎片。
确切地说，最终分拣单元600的外部形状由主体610形成，通过第二分离单元400和旋流器500分离的不同外皮碎片流入所述主体且最后分离的外皮碎片和木髓碎片从所述主体排出。
所述外部形状包括形成于其中的圆柱体620，且圆柱体620包括形成在其圆周表面处以使分离的外皮碎片通过的孔。另外，所述圆柱体包括可旋转推进器(screw)630。推进器630在外皮碎片分别从圆柱体620排出之后传送木髓。
因此，最终分拣单元600最后仅分离外皮,以可利用最后分离的外皮生产高质量纸浆等等。
同时，集尘单元700收集异物去除单元200的框架210和最终分拣单元600的主体610内部产生的灰尘以供净化和排出所收集灰尘。
集尘单元700包括集尘管道710和集尘器720。
集尘管道710连接到异物去除单元200的框架210和最终分拣单元600的主体610，且强制性地或自然地传送和引导其中产生的灰尘。
集尘器720传递通过集尘管道710传送的灰尘并净化，且接着排出所述灰尘。
确切地说，当集尘单元700的集尘管道710抽吸框架210和主体610内部的灰尘或流入其中的灰尘时，需要调整吸力以免使框架210中的外皮和主体610中的外皮流入集尘单元700。
另外，由于集尘单元700抽吸框架210和主体610中的灰尘，因此最后排出的外皮并不具有附着到其的灰尘或充分地减少所附着灰尘，使得可收集干净外皮，且相应地可提高生产的纸浆的质量和生产率。
集尘管道710可连接到主体110、外壳310和壳体410，且可将灰尘传送和引导到集尘器720。
图6为说明根据本发明的一个实施例的使用玉米秆制造纸浆的方法的流程图。
参考图1和6，根据本发明的一个实施例的使用玉米秆制造纸浆的方法包括切割操作S10、分离操作S20、玉米秆预处理操作S30、半纤维素去除操作S40和蒸煮操作S50。
切割操作S10为将玉米秆供应到原料粉碎单元100且将玉米秆切割成长度为10到60mm的碎片的过程。
当将玉米秆切割成小于10mm的碎片时，会使玉米秆的纤维切割现象恶化。当将玉米秆切割成大于60mm的碎片时，会出现玉米秆未很好地被分离成外皮和木髓的问题。
确切地说，通过异物去除单元200从切割的玉米秆去除灰尘、玉米叶片等。
另外，分离操作S20为切割的玉米秆被第一分离单元300和第二分离单元400分离成外皮和木髓且被压碎以转变成碎片形式的过程。此处，第一分离单元300和第二分离单元400指代上述装置。
另外，玉米秆预处理操作S30为过滤玉米秆的外皮和木髓和外皮片的过程。使用旋流器500和最终分拣单元600执行此过程S30。
此处，“玉米秆的外皮”是指从玉米秆包括外皮、木髓或玉米芯和叶片的部分去除叶片和木髓或玉米芯部分的部分。另外，仅玉米秆的外皮部分用于制造玉米秆纸浆。当使用构成玉米秆的外皮、木髓或玉米芯和叶片的全部制造纸浆时，考虑到在蒸煮期间消耗的大量化学品，纸浆制造效率低。另外，由于含有大量纤维长度极短的薄壁组织细胞纤维，因此脱水性能可能较差，且使用玉米秆纸浆制造的纸的强度可能较低。
另外，除外皮之外，分离的木髓或玉米芯和叶片还用于包括制造纤维素乙醇的生物精炼过程中。因此，玉米秆纸浆可同时体现出其可提高其副产物的工业实用性或可重用性。
在根据本发明的一个实施例的方法中，执行包括从玉米外皮洗提一部分(eluting)半纤维素的通过预处理去除半纤维素部分的过程S40。
玉米外皮包括半纤维素、纤维素、木质素等等。经由成浆(pulping)过程去除具有疏水性的木质素，以使用玉米秆制造纸浆。确切地说，由于纤维的固有性质引起的高柔性，使用玉米秆制造的纸浆相较于木浆具有较高纤维间粘合的性质。另外，不同于木材，由于玉米秆包括在纤维间粘合上发挥重要作用的大量半纤维素，因此松密度和不透明度在制造纸时过度降低。
因此，可在玉米秆预处理操作S30之后执行洗提和去除玉米外皮的纤维中半纤维素的部分的过程S40。
基于此，调整了纤维间粘合能力以维持强度以及改进松密度和不透明度，使得可体现增大由玉米秆纸浆取代木浆的价值的效果。
至于半纤维素，洗提和去除玉米外皮的初始半纤维素含量的30到80wt％。在以上范围内，可提供改进纸的松密度和不透明度以及纸的强度的效果。优选地，去除40到65wt％，且更优选地去除42到55wt％。
半纤维素并不受限且可为戊聚糖、聚己糖、木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡甘露聚糖、木葡聚糖或其混合物。
确切地说，在已经去除一部分半纤维素之后，玉米外皮中的纤维素B与半纤维素A的重量比B/A可介于2.2与7.69之间。在以上范围内，可提供改进纸的松密度和不透明度和纸的强度的效果。优选地，所述重量比可为2.56到3.85。
另外，在已经去除一部分半纤维素之后，玉米外皮中半纤维素的含量可为11.5到31.3wt％。在以上范围内，可提供改进纸的松密度和不透明度和纸的强度的效果。优选地，含量比率可为20.3到28.1wt％，且更优选地为22.6到26.3wt％。
此处，可使用一般方法测量纸浆纤维中半纤维素的含量。举例来说，可使用定量含量的戊聚糖(TAPPI测试方法T223、PAPTAC测试方法G.12)测量纸浆纤维中半纤维素的含量。
另外，在已经去除一部分半纤维素之后，玉米外皮中半纤维素的含量可为68.7到88.5wt％。在以上范围内，可提供改进纸的松密度和不透明度和纸的强度的效果。优选地，含量比率可为71.94到81.47wt％，且更优选地为72.62到77.3wt％。
半纤维素可根据需要通过调整玉米秆的预处理条件从玉米外皮经洗提和去除。
作为预处理方法的一个实例，去除半纤维素的操作S40可通过使用在130到210度的温度下液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的水预处理玉米外皮30到200分钟而执行。在以上条件下，根据本发明将玉米外皮的初始半纤维素含量调整为优选范围内，使得可制造维持强度性质且具有改进型松密度和不透明度的玉米秆纸浆。
优选地，可使用在140到180度的温度下的液比为6:1到8:1的水执行预处理达60到150分钟。
作为预处理的另一实施例，去除一部分半纤维素的操作S40可通过在液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的水中预处理达30到180分钟且使用在130到190度的温度下和具有0.1到1.5％(基于相对于玉米外皮的重量)的酸以作为催化剂的水而执行。在以上条件下，根据本发明将玉米外皮的初始半纤维素含量调整为优选范围内，使得可制造具有改进型松密度和不透明度的玉米秆纸浆。
此处，举例来说，所述酸可利用硫酸、甲酸、盐酸等等。然而，当使用大于以上条件的过量的酸时，除半纤维素之外甚至还会分解玉米秆纸浆的主要元素-纤维素，导致出现低分子量现象且过度降低纸浆强度。
酸溶液浓度可为0.1到2.5％(相对于水的重量参考)。
优选地，可使用在140到180度的温度下的液比为6:1到8:1且具有0.5到1.5％的酸以作为催化剂的水执行预处理达60到150分钟。
作为预处理方法的另一实施例，去除一部分半纤维素的操作S40可通过在120到180度的温度下液比(碱溶液：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的5到21％的活性碱(相对于玉米外皮的重量)进行预处理达30到150分钟而执行。在以上条件下，根据本发明将玉米外皮的初始半纤维素含量调整为处于可优选范围内，使得可制造具有改进型松密度和不透明度的玉米秆纸浆。
活性碱可采用NaOH、Na2CO3、NaOH/Na2S或KOH等等的混合物但不限于此。
优选地，可使用在140到170度的温度下的液比为6:1到8:1的5到10％的活性碱(如Na2O)执行预处理达60到120分钟。
所述预处理可包括简单处理、加热等但不限于此。
可直接使用如所描述的通过预处理玉米外皮所获得的产物以用于通过蒸煮过程制造玉米秆纸浆。然而，为了进一步改进玉米秆纸浆的性质，所述方法可以进一步包括去除从以上所得或分解的半纤维素洗提的半纤维素的操作S42，以使得不仅洗提的半纤维素可用于合成适用化学品，并且例如防止蒸煮化学品的不必要消耗。
举例来说，可使用例如过滤、沉淀、相分离等等方法分离和精炼半纤维素或分解的半纤维素。
分离的半纤维素或分解的半纤维素可用作用于通过额外精炼或过程制造例如木糖、乙醇等等有用化学材料的材料。
另外，蒸煮操作S50为使用苛性钠和碳酸钠蒸煮通过半纤维素去除操作S40或分解的半纤维素去除操作S42获得的玉米外皮的过程。
蒸煮条件可根据玉米秆纸浆的用途而不同。即，当利用未漂白玉米秆纸浆制造工业用纸时，可使用更温和条件。另一方面，当制造经漂白纸浆且将其用于印刷和书写纸时，可使用更为强烈的条件。
举例来说，蒸煮操作S50可使用苏打法、牛皮纸(kraft)法等等但不限于此。
当应用苏打法时，可通过加热在130到190的温度下液比(碱溶液：玉米秆碎片的重量比)为4:1到9:1的14到20％的活性碱(Na2O)达90到180分钟而执行苏打法，但不限于此。
碱溶液的碱可为NaOH、Na2CO3、KOH等等且溶剂可为水，但不限于此。
并且，蒸煮过程中，可将蒽醌用作添加剂以用于提高产出率和提高质量。浓度可为0.05到0.8％。当应用牛皮纸法时，可通过在130到180的温度下加热液比(牛皮纸溶液：玉米秆碎片的重量比)为4:1到8:1的硫化度为20到30％的13到18％的活性碱(Na2O)达70到150分钟而执行牛皮纸法但不限于此。
牛皮纸溶液的牛皮纸蒸煮化学制品可为NaOH和Na2S，溶剂可为水，但不限于此。
详细地说，可通过在12到16％的活性碱浓度和在120到150℃的温度下液比为3:1到6:1的情况下执行蒸煮操作S50达60到150分钟。
并且，在蒸煮操作S50中，可添加0.05到0.2％的蒽醌以使半纤维素的分解最小化且提高纸浆产出率。
并且，在蒸煮操作S50之后，可进一步包括排出蒸煮液，除尘、筛选、增浓等过程以及漂白的漂白操作S52。可通过施加用于木浆或现有玉米秆纸浆的任何漂白方法而执行漂白。可包括漂白以生产纸巾、印刷或书写纸、厕纸等等。
根据本发明的一个实施例制造的玉米秆纸浆可用于制造高级纸、涂布原纸、厕纸、印刷纸等等，但不限于此。
确切地说，根据本发明的一个实施例的使用玉米秆的预处理方法提供用于使用玉米秆制造高质量纸纸浆以用作用于在漂白之后制造工业包装用纸或生产厕纸和纸巾的材料的技术。另外，提供通过弥补使用玉米秆纸浆制造的纸中印刷纸的质量问题通过按比例混合具有各种性质的多种类型的纸浆，例如软木漂白化学纸浆、硬木漂白化学纸浆、漂白的化学热机械纸浆(BCTMP)等等制造高质量印刷纸的方法。
使用玉米秆制造高质量纸浆中在经济上最重要的因素为：分离和去除具有相对较短纤维长度的薄壁组织细胞和具有高二氧化硅含量的木髓部分。当未能充分去除这些部分时，不仅化学品的消耗增大并且纸浆产出率降低。另外，由于包括对应于所制造纸浆中的细粒的大量薄壁组织细胞，因此脱水不能很好地进行，使得无法提高造纸速度且纸张强度降低。另外，出现用以提供各种功能的添加到纸的化学添加剂选择性地被薄壁组织细胞吸附的问题，使得添加剂的效率降低。
在外皮高效去除木髓时，切割长度是重要的。由于当切割的玉米秆的长度太长时外皮部分不能很好地经分离，在施加外力时外皮部分难以分离和去除。通过本研究，发现当玉米秆切割成长度为15mm到60mm的碎片时，外皮和木髓易于分离。
不同于木材，玉米秆具有低木质素含量和高半纤维素含量，如表1中所示，因此其成浆更容易。尽管有可能应用可用于制造木浆的各种成浆法，即牛皮纸法、亚硫酸盐法、苏打-AQ法等等，但仅使用苏打法彻底执行脱木质素。因此，根据需要，蒸煮化学品可为NaOH和含有Na2CO3的混合物。将所引入化学品转变成Na2O，且应用12到16％的活性碱使得可在温和条件下执行蒸煮时获得具有较好性质的纸浆。施加上述温和蒸煮条件，使得有可能省略使用例如MgCl2或MgCO3的纤维素保护添加剂的预处理过程。可经由省略所述过程而减少化学品和能量成本，且可减少生产时间。并且，可添加0.05到0.2％的蒽醌以便使半纤维素的分解最小化且提高纸浆产成出率。可取决于待获得的纸浆的性质将液比调整为处于3:1到6:1范围内。当液比增大时，蒸煮液体化学品的浓度降低，使得会出现化学反应显著降低的问题。根据所引入的应用化学品的量、温度和待制造纸浆的性质，将蒸煮温度调整为处于120到150℃范围内，且将蒸煮时间调整为处于60到150分钟范围内。
[表1]木材和玉米杆的化学成分比较
原料 纤维素(％) 戊聚糖(％) 木质素(％)
软木 40到50 10到14 24到30
硬木 40到50 16到24 18到28
玉米秆 42到51 26到28 16到18
通过洗涤从完全蒸煮的纸浆去除液体化学品，通过在制造木浆时筛选等而去除不完全蒸煮的玉米秆碎片或较大污染物，且使用灰尘清洁器去除具有高比重的污染物。使用振动筛筛选所筛选部分，使得不完全蒸煮的和分解的纤维块送回到浸煮器。
在彻底完成洗涤和污染物去除之后，未漂白玉米秆纸浆单独使用、或与未漂白软木牛皮纸浆或未漂白硬木牛皮纸浆混合以用作用于制造工业包装用纸或卡纸板的材料。此处，执行精炼过程以获得充分强度。由于玉米秆纸浆比木浆弱得多，因此在0.2到1.0Ws/m的低强度下执行精炼。通过将纸浆的游离度调整为500到350ml的CSF游离度，制造具有所需基本重量的工业用纸。
需要对玉米秆纸浆执行漂白过程以将所述纸浆用作用于制造例如面巾纸、玻璃纸等等特制纸或高级纸的原料。如表1中所示，由于玉米秆具有低木质素含量，因此脱木质素极其简单。因此，不同于木浆，可通过将漂白次数的数目限制为3而获得足够高的亮度。并且，最近，由于在将氯元素用作漂白剂时会产生二恶英，因此漂白序列可采用无氯元素或完全无氯方法。尽管已经将漂白方法应用于木浆的漂白且通常执行5个漂白序列，但考虑到玉米秆纸浆的漂白较简单，在生产亮度为80到90％的纸浆时施加3个漂白序列。然而，当需要90％的尤其高的亮度时，可施加4个漂白序列。如ECF漂白方法，可施加各种漂白过程，例如DED、DEP、DEO、DEZ、PED、PEP、DEDP、DEOZ、DEDZ、DEOP、DEPD等等。此处，D为二氧化氯的缩写，E为碱提取物的缩写，P为过氧化物的缩写，O为氧气的缩写，且Z为臭氧的缩写。
为了针对每个相应用途提供必要特性，当制造高级纸或涂布原纸时，需要包括精炼、纸浆掺合、上浆、过滤器负载等等备料过程。相同地在不仅使用木浆并且使用所有可用类型的纸浆时施加所述过程。然而，为了弥补玉米秆纸浆的缺点和满足待生产纸的性质，关键是优化掺合木浆、填充料、上浆剂、助留剂等等的应用。因此，在本发明的实施例中，主要将描述与使用现有木浆的情况的差异。
如表2中所示，玉米秆纸浆具有纤维相较于木浆精细得多的性质。并且，由于半纤维素含量如表1中所示较高，因此当仅使用漂白的玉米秆纸浆制造纸时，出现导致不透明度降低的过高密度的缺点。在高级纸的情况下，可易于认识到松密度和不透明度极其重要，且需要补偿。当使用现有木浆制造纸时，为了弥补每种纸浆的缺点，软木纸浆、硬木纸浆和少量机械纸浆混合且使用。
[表2]木材纸浆和玉米杆纸浆的性能
原料 平均纤维长度(mm) 平均纤维直径(mm)
软木 2.7到4.6 32到43
硬木 0.7到1.6 20到40
玉米秆 1.0到1.5 18到22
由于玉米秆纸浆如上文所描述具有细纤维，因此柔性极佳，半纤维素含量较高，使得纤维粘合相较于其它纸浆纤维中的纤维粘合较好。因此，可易于通过仅操作碎浆机而非精炼而获得充分强度。在造纸过程中，干燥过程之后的精炼过程需要大量能源。在木浆的情况下，用于通过精炼降低100mL的游离度CSF所消耗的电力达到每吨纸浆约71kW/t(硬木)到84kW/t(软木)。当假设每天精炼1,000吨纸浆且施加和转换硬木精炼能量时，可节约71,000kW电能，且可通过每年操作300天节约21,300,000kW电能。当将玉米秆纸浆如上文所描述用作造纸材料时，可通过省略精炼减小制造成本的较大部分，考虑到存在加强压力以减少温室气体排放的情况，这是用于造纸工业面对的困难的合适解决方案的希望。
由于在生产例如厕纸的纸巾时基重较低，为了提供强度，并不使用填充料，且尤其在制造厕纸时，吸收率、水冷退火性质和柔软性极其重要。由于其相较于硬木具有略微更长的纤维长度和更细直径且具有高半纤维素含量，玉米秆纸浆具有尤其适合于制造厕纸、纸巾和玻璃纸的性质。由于玉米秆纸浆很弱但具有极佳粘合性质，仅使用碎浆机处理玉米秆纸浆2或3次就足够了。此处，碎浆机指代仅将轻力施加到纸浆纤维的设备。另外，精炼(refining)指代原纤维形成或通过施加压缩、拉伸和剪切力切割纤维的操作。
由于使用100％玉米秆纸浆制造面巾纸，如表3中所示，获得极佳性质。当需要具有略微大体积的结构和吸收率的厕纸，例如用于坐浴盆的厕纸时，通过按比例混合5到10％的漂白的软木牛皮纸浆、20到40％的漂白的硬木牛皮纸浆和40到60％的玉米秆纸浆而制造厕纸。此处，精炼木浆且调整400到550ml的游离度CSF以便混合。
为了制造印刷纸，松密度、不透明度、平滑度等等被视为重要因素。为了补偿玉米秆纸浆的由其固有性质引起的低松密度和低不透明度，将漂白的软木化学纸浆、漂白的硬木化学纸浆、漂白的化学热机械纸浆等等与其混合以制造纸。可取决于待制造的纸的性质将混合比率调整为处于1到5％的漂白的软木化学纸浆、20到50％的漂白的硬木化学纸浆、20到50％的玉米秆纸浆和5到10％的漂白的化学热机械纸浆的范围内。仅使用碎浆机处理玉米秆纸浆，如同制造厕纸，且精炼软木和硬木化学纸浆以具有400到500ml的游离度CSF。
作为填充料，可使用沉淀碳酸钙(PCC)、经研磨碳酸钙(GCC)、滑石和黏土，且可根据待制造的纸的用途将其引入量调整为处于5到25％范围内。
作为上浆剂，可使用烷基烯酮二聚体(AKD)、烯基琥珀酸酐(ASA)、强化松香乳液等等，且可将其引入量调整为处于0.05到6％范围内。
由于填充料和上浆剂无法附着到纸浆纤维，因此需要使用助留剂。作为助留剂，可使用阳离子淀粉、两性淀粉、阳离子和阴离子聚丙烯酰胺、聚乙烯亚胺、胶态二氧化硅、膨润土、有机微粒等等。
实施例
以下实施例涉及一种方法和使用玉米秆生产纸浆的质量和造纸，展示本发明的优异性。相应地，本发明的范围并不由实施例限制或界定。
[实施例1]
玉米秆被切割成1.5cm长度，使用高速旋转机器压碎10分钟，且通过筛选器分离成木髓和外皮。采用400g的分离的外皮且引入到实验室浸煮器(容积为4升)中，且引入作为对应于15％的水性溶液的13％的活性碱和氢氧化钠。液比为5:1，且使用其上的金属重量按压玉米秆碎片以便充分浸没在蒸煮液下方且在150℃的温度下蒸煮70分钟、90分钟和120分钟。洗涤完全蒸煮的玉米秆碎片，且使用振动筛去除不良品。测量完全经筛选纸浆的纸浆产出率、卡帕值和亮度，在无重量的情况下使用实验室搅拌器将轻机械力施加到所述纸浆达10分钟，且接着使用实验室手抄纸机器制造基重为60g/m2的手抄纸。在恒定温度下将所制造手抄纸在恒温恒湿箱中干燥且润湿一天且接着基于TAPPI标准测量表观密度、拉伸指数和耐破指数。表3中总结了实验结果，可以看出，考虑到其质量，未漂白玉米秆纸足够用作工业造纸材料。
[表3]玉米杆的纸浆性能和未漂白纸浆的材料性能
[实施例2]
最初将100％漂白的玉米秆纸浆与木材化学纸浆混合且与KS标准和试验制品进行比较以便评估漂白的玉米秆纸浆的厕纸性质。使用玉米秆纸浆制造的厕纸的断裂强度、抗拉强度和吸收性均满足KS标准，且尤其断裂强度比市售厕纸好。
[表4]使用玉米杆纸浆和其他制得的厕纸的材料性能比较
[实施例3]
执行实验室研究以提供通过混合漂白的玉米秆纸浆与漂白的软木化学纸浆、漂白的硬木化学纸浆、漂白的化学热机械纸浆等等而制造具有极佳松密度和不透明度的纸。应用将经研磨碳酸钙用作填充料且将膨润土和阳离子聚丙烯酰胺用作助留剂的微粒系统。根据实验结果，可见玉米秆纸浆的最大缺点-松密度和不透明度通过混合多种类型的纸浆而改进。
[表5]玉米秆纸浆和其他纸浆混合初的实验结果
尽管已经参考附图描述本发明的实施例，但应理解，其仅为实例且可由所属领域的技术人员进行其各种修改和等效物。因此，本发明的真正技术范围应由所附权利要求书界定。

Claims (15)

1.一种玉米秆预处理设备，其特征在于，包括：
原料粉碎单元，其接收、切割且粉碎玉米秆；
异物去除单元，其接收粉碎的玉米秆且滤出异物；
第一分离单元，其接收已经去除了异物的玉米秆、且将玉米秆分离成外皮和木髓；
第二分离单元，其在所述玉米秆已经分离之后，再次将所述玉米秆分离成外皮和木髓、且将所述外皮和所述木髓压碎和精细地粉碎成碎片形式；
旋流器，其接收呈碎片形式的木髓且分离含有的外皮；
最终分拣单元，其接收通过所述第二分离单元分离的外皮碎片和通过所述旋流器分离的外皮碎片、且最后分离和排出外皮碎片和木髓碎片；以及
集尘单元，其收集、净化且排出所述异物去除单元和所述最终分拣单元中产生的灰尘。
2.根据权利要求1所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述第一分离单元包括：
外壳，其接收切割的玉米秆且引导所述切割的玉米秆的排出；
滚筒，其利用离心力将流入所述外壳中的玉米秆分离成外皮和木髓且将其排出；
第一传送运输机，其将所述外皮传送和供应到所述第二分离单元；以及
第一排出运输机，其引导所述木髓的排出。
3.根据权利要求1所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述第二分离单元包括：
壳体，其通过自由下落方法引导通过所述第一分离单元分离且插入到其顶部中的外皮经由其底部排出；和
转子，其轴向地插入到所述壳体中、且在分离外皮和木髓时将流入到其中的外皮压碎成碎片形式，且
其中所述转子包括：
轴，其轴向地插入在所述壳体中且通过外力旋转；
覆盖部件，所述轴以可旋转方式插入和固定于所述覆盖部件中，且所述覆盖部件连接到所述壳体的整个敞开顶部或敞开顶部的一部分；以及
压碎部，其形成于所述轴的圆周表面上、且压碎供应到所述壳体中的外皮和木髓。
4.根据权利要求3所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述第二分离单元包括鼓风机，其将外部空气吹到所述壳体中以延长外皮和木髓与所述压碎部接触的时间段。
5.根据权利要求3所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述压碎部包括：
沿着所述轴的轴向方向形成的多个板；和
沿着每个所述板的边缘形成的多个棒。
6.根据权利要求5所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述压碎部包括可分离地形成在所述棒处以压碎掉落的外皮的压碎肋条。
7.根据权利要求1所述的玉米秆预处理设备，其特征在于，所述集尘单元包括：
集尘管道，其连接到所述异物去除单元和所述最终分拣单元、且传送和引导所产生灰尘；和
集尘器，其净化且排出经由所述集尘管道传送的灰尘。
8.一种使用玉米秆制造纸浆的方法，其特征在于，包括：
将玉米秆切割成具有10到60mm长度的碎片；
在压碎切割的玉米秆时，使用分离单元将所述切割的玉米秆分离成外皮和木髓且将其排出；
通过过滤玉米秆的外皮、木髓和外皮片而预处理所述玉米秆；
去除所述外皮的一部分半纤维素；以及
使用苛性钠和碳酸钠蒸煮已经去除了一部分半纤维素的外皮。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，去除所述外皮的30到80wt％的含量的初始半纤维素。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，已经去除了半纤维素的外皮中的纤维素含量与半纤维素含量的重量比介于2.2与7.69之间。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，已经去除了半纤维素的外皮中的半纤维素含量为11.5到31.3wt％。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使用在130到210度的温度下液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的水预处理所述外皮达30到200分钟而执行一部分半纤维素的去除。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使用在130到190度的温度下液比(水：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1且具有0.1到1.5％的酸以作为催化剂的水预处理所述外皮达30到180分钟而执行一部分半纤维素的去除。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过使用在120到180度的温度下液比(碱溶液：玉米外皮的重量比)为5:1到10:1的5到21％的活性碱(Na2O)预处理所述外皮达30到150分钟而执行一部分半纤维素的去除。
15.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过以下操作制造所述外皮：
切割玉米秆；
压榨切割的玉米秆；
压碎且粉碎压榨的玉米秆；以及
将粉碎的玉米秆分离成外皮、木髓和叶片。
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