CN111691215A - 一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺 - Google Patents

一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，属于制浆造纸领域。一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其制备工艺如下：步骤一：备料，收集所需的农业秸秆；步骤二：预处理，将农业秸秆进行碎草除尘后，精料送入预浸设备内，在常压和一定温度范围内，将上次蒸煮制浆的废水加入预处理设备再次使用，将上次低温制浆的黑液完全置入预处理罐中，同时补充部分清水，混合热予浸；本发明提供一种在低温常压条件下，制浆水零排放，提取的木质素分子量分布的均一化程度高，制得质量稳定草浆的零排放制浆工艺，可大规模利用废弃的秸秆等可再生资源造纸，节能环保，并且变废为宝，具有良好的社会效益和经济效益。

Description

一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺
技术领域
本发明涉及制浆造纸技术领域，尤其涉及一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺。
背景技术
我国农作物秸秆年产量高达7亿吨，其中可收集部分约4.5亿吨，但是综合利用率却不足40％。从某种意义上说制浆的过程就是处理木素和剥离纤维的过程，无论是化学制浆、机械制浆还是化学机械，其主要目的都是破解制浆原料中木素的粘合力，因为木素是存在于细胞间层间最主要的物质，它使细胞互相粘合而固结。化学制浆的原理是添加化学物质使木素溶出，从而破坏了纤维间的固结，但是产生黑液浓度高、粘度大、难降解，对环境污染严重，其污染物的排放量约占整个造纸过程排污量的90％。制浆黑液中主要含有木质素、纤维素和半纤维素降解产物、色素、残碱等，是一种高碱性、高COD的复杂污染源。据不完全统计，我国造纸工业制浆黑液中蕴含高达3000万吨以上的木质素，对黑液中木质素的合理利用，可以实现造纸废水的资源化利用和环境保护双赢的目标。木质素含有酚羟基、羰基、醇羟基等多种活性基团，可作为人造板胶黏剂、土壤改良剂、水处理剂、减水剂、聚氨酯等产品的前驱物。碱法制浆过程中，原料中的木质素在碱性作用下发生不同程度的碎片化，形成分子量分布范围较广的碱木质素。示差沉淀、有机溶剂沉淀和超滤技术均能实现黑液中不同分子量木质素的分级分离，其中超滤膜分离技术因具有选择性好、分离过程中无化学变化、能耗低等优点，已在制浆黑液中木质素的分级分离上应用。但以竹材、禾本科植物为原料的制浆黑液粘度大、成分复杂、有机物分子量分散性大、流动性差，制约了超滤膜技术在黑液中木质素分级分离的应用。目前，利用超滤膜技术分级分离黑液中的木质素通常需要采用以下辅助手段：1、黑液需稀释到含较低固形物浓度才能进行超滤，固形物浓度一般在3-7％；2、由于膜通量衰减速度快，需经常清洗膜组件；3、尽量提高黑液温度，以降低黑液粘度。
目前在草类碱木质素利用中存在的主要问题是木质素中的活性基团较少，分子置分布范围较广，造成其改性反应点少，反应不均匀性高，在碱性条件下经过氧化氢氧化后，木质素中的酚羟基含量大幅增加，木质素分子量分布的均一性提高，可供改性的反应点增多；产物的苯酚含量上升，分子量下降，并且分子量分布的均一化程度得以提高，这些变化将有利于提高氧化木质素的表面活性，降低其水溶液的表面张力。可以采用DTUF(碟管式超滤)即可解决避免物理堵塞现象：DT组件采用开放式流道设计，料液有效流道宽，避免了物理堵塞。最低程度的结垢和污染现象采用带凸点支撑的导流盘，料液在过滤过程中中形成湍流状态，最大程度上减少了膜表面结垢、污染及浓差极化现象的产生，允许SDI值高达20的高污染水源，仍无被污染的风险。同时DTUF(碟管式超滤)浓缩倍数高：DT组件操作压力具有 75bar，150bar，200bar三个等级可选，是目前工业化应用压力等级最高的膜组件，在一些浓缩倍数高的应用中，其含固量可以达到30％以上，浓缩倍数高。
随着国家环保力度的加大、农村能源结构的调整，秸秆生活利用率降低，大量纸厂、稻麦草化学制浆厂关闭，秸秆再利用率大为降低，现在农村多采用焚烧的方式来处理这些废弃秸秆，对大自然环境造成严重的污染，为了最大限度的全资源利用秸秆，需要把秸秆的有效成份分离出来，再分门别类作为原料使用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中秸秆制浆在制备过程中能耗高、提取率低，木质素不能提取只能作为废物进行生化处理的问题，而提出的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其制备工艺如下：
步骤一：备料，收集所需的农业秸秆。
步骤二：预处理，将农业秸秆进行碎草除尘后，精料送入预浸设备内，在常压和一定温度范围内，将上次蒸煮制浆的废水加入预处理设备再次使用，将上次常温制浆的黑液完全置入预处理罐中，同时补充部分清水，混合热予浸，一段时间后，经挤浆机a挤压分离浆料 A1和黑液B1。
步骤三：蒸煮：浆料A1进入高浓水力碎浆机内，加入高浓缩溶液c1，在温度90-100℃下进行反应，反应60-90分钟；在PH值一定的情况下，加入高浓缩溶液c2，保持温度90-100℃，继续反应30-60 分钟，经挤浆机b挤压分离浆料A2和黑液B2。
步骤四：斜管沉淀：黑液B1进入斜管沉淀，完成固液分离，下层固体C经过板框压滤机滤饼送至锅炉进行燃烧处理，液体D重新回到斜管中再次进行沉淀,得到上层清液E。
步骤五：两级DTUF(碟管式超滤)：上层清液E首先经过初次 DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F1和透过液G，其中超滤浓液F1 进入板框压滤机，透过液G再次进行DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F2和透过液G，超滤浓液F2经过喷雾干燥器得到分子量在 5000Da到20000Da木质素产品H，两次的透过液G均进入DTNF(碟管式纳滤)进行脱盐处理，浓液F进入初次DTUF(碟管式超滤)进行回滤。
步骤六：高浓磨浆，将浓度为30％的秸秆纤维半成品浆，送入高浓磨浆机里，在尽可能保留纤维长度的基础上，使其表面分丝、帚化，进而改善其抄造性能。
步骤七：成浆：浆料A进入高浓磨浆机进行分丝帚化达到高品质浆后经过消遣、除渣、压力筛最终成为高品质纸浆。
优选的，所述步骤二中预处理液包含以下重量份原料：NaOH 5-10 份，尿素2-5份。
优选的，所述步骤二中黑液B1和清水的总量与秸秆纤维原料液的重量份比重为1：6-10。
优选的，所述步骤二中混合热予浸温度为80-90℃。
优选的，所述步骤二中预处理30-60分钟。
优选的，所述步骤三的高浓缩溶液c1包含以下重量份原料：NaOH 溶液5-20份、亚硫酸钠8-15份，高浓缩溶液c2包含以下重量份原料：双氧水10-20份，加入硅酸钠2-5份，硫酸镁0.2-0.5份，金属离子螯合剂0.1-2份(以上所有添加化学原料都以对绝干原料量进行计算添加)。
优选的，所述步骤三中PH值为10，且当PH值低于10时，可加入少量NaOH进行调节。
优选的，所述步骤五中的透过液G可再次回收利用。
优选的，所述初次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为20000Da，所述再次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为5000Da，且初次DTUF(碟管式超滤)和再次DTUF(碟管式超滤)之间可根据需要插入一次或多次节留目标分子量的DTUF(碟管式超滤)。
优选的，所述黑液B可用于下次预处理操作。
与现有技术相比，本发明提供了一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，具备以下有益效果：
1、该秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，本工艺集制浆、木质素回收、废水回用于一体的零排放制浆工艺，省去了传统技术中投资巨大的高度浓缩焚烧法提取而不能彻底治污的过程。
2、该秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，通过在常压和一定温度范围内，采取多级DTUF(碟管式超滤)提取并浓缩黑液中木质素技术，使黑液内木质素与杂质分离并脱色，DTNF(碟管式纳滤)后透过液全循环使用,黑液排放为零，大大减少了对环境的污染，节约了社会资源。
3、该秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，适用于各类秸秆制浆原料及相应纸种的制浆要求，且造纸废水零排放。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明提供一种在低温常压条件下，制浆水零排放，提取的木质素分子量分布的均一化程度高，制得质量稳定草浆的零排放制浆工艺，可大规模利用废弃的秸秆等可再生资源造纸，节能环保，并且变废为宝，具有良好的社会效益和经济效益。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其制备工艺如下：
步骤一：备料，收集所需的农业秸秆。
步骤二：预处理，将农业秸秆进行碎草除尘后，精料送入预浸设备内，在常压和一定温度范围内，将上次蒸煮制浆的废水加入预处理设备再次使用，将上次常温制浆的黑液完全置入预处理罐中，同时补充部分清水，混合热予浸，一段时间后，经挤浆机a挤压分离浆料 A1和黑液B1。
步骤三：蒸煮：浆料A1进入高浓水力碎浆机内，加入高浓缩溶液c1，在温度90-100℃下进行反应，反应60-90分钟；在PH值一定的情况下，加入高浓缩溶液c2，保持温度90-100℃，继续反应30-60 分钟，经挤浆机b挤压分离浆料A2和黑液B2。
步骤四：斜管沉淀：黑液B1进入斜管沉淀，完成固液分离，下层固体C经过板框压滤机滤饼送至锅炉进行燃烧处理，液体D重新回到斜管中再次进行沉淀,得到上层清液E。
步骤五：两级DTUF(碟管式超滤)：上层清液E首先经过初次 DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F1和透过液G，其中超滤浓液F1 进入板框压滤机，透过液G再次进行DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F2和透过液G，超滤浓液F2经过喷雾干燥器得到分子量在 5000Da到20000Da木质素产品H，两次的透过液G均进入DTNF(碟管式纳滤)进行脱盐处理，浓液F进入初次DTUF(碟管式超滤)进行回滤。
步骤六：高浓磨浆，将浓度为30％的秸秆纤维半成品浆，送入高浓磨浆机里，在尽可能保留纤维长度的基础上，使其表面分丝、帚化，进而改善其抄造性能。
步骤七：成浆：浆料A进入高浓磨浆机进行分丝帚化达到高品质浆后经过消遣、除渣、压力筛最终成为高品质纸浆。
进一步的，所述步骤二中预处理液包含以下重量份原料：NaOH 5-10份，尿素2-5份，根据绝干原料的种类不同，加入量也有差异。
进一步的，所述步骤二中黑液B1和清水的总量与秸秆纤维原料液的重量份比重为1：6-10。
进一步的，所述步骤二中混合热予浸温度为80-90℃。
进一步的，所述步骤二中预处理30-60分钟。
进一步的，所述步骤三的高浓缩溶液c1包含以下重量份原料： NaOH溶液5-20份、亚硫酸钠8-15份，高浓缩溶液c2包含以下重量份原料：双氧水10-20份，加入硅酸钠2-5份，硫酸镁0.2-0.5 份，金属离子螯合剂0.1-2份。(以上所有添加化学原料都以对绝干原料量进行计算添加)。
进一步的，所述步骤三中PH值为10，且当PH值低于10时，可加入少量NaOH进行调节。
进一步的，所述步骤五中的透过液G可再次回收利用。
进一步的，所述初次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为 20000Da，所述再次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为5000Da，且初次DTUF(碟管式超滤)和再次DTUF(碟管式超滤)之间可根据需要插入一次或多次节留目标分子量的DTUF(碟管式超滤)。
进一步的，所述黑液B可用于下次预处理操作。
本发明中，本工艺集制浆、木质素回收、废水回用于一体的零排放制浆工艺，省去了传统技术中投资巨大的高度浓缩焚烧法提取而不能彻底治污的过程；通过在常压和一定温度范围内，采取多级DTUF(碟管式超滤)提取并浓缩黑液中木质素技术，使黑液内木质素与杂质分离并脱色，DTNF(碟管式纳滤)后透过液全循环使用,黑液排放为零，大大减少了对环境的污染，节约了社会资源；适用于各类秸秆制浆原料及相应纸种的制浆要求，且造纸废水零排放；本发明提供一种在低温常压条件下，制浆水零排放，提取的木质素分子量分布的均一化程度高，制得质量稳定草浆的零排放制浆工艺，可大规模利用废弃的秸秆等可再生资源造纸，节能环保，并且变废为宝，具有良好的社会效益和经济效益。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，其制备工艺如下：
步骤一：备料，收集所需的农业秸秆。
步骤二：预处理，将农业秸秆进行碎草除尘后，精料送入预浸设备内，在常压和一定温度范围内，将上次蒸煮制浆的废水加入预处理设备再次使用，将上次常温制浆的黑液完全置入预处理罐中，同时补充部分清水，混合热予浸，一段时间后，经挤浆机a挤压分离浆料A1和黑液B1。
步骤三：蒸煮，浆料A1进入高浓水力碎浆机内，加入高浓缩溶液c1，在温度90-100℃下进行反应，反应60-90分钟；在PH值一定的情况下，加入高浓缩溶液c2，保持温度90-100℃，继续反应30-60分钟，经挤浆机b挤压分离浆料A2和黑液B2。
步骤四：斜管沉淀，黑液B1进入斜管沉淀，完成固液分离，下层固体C经过板框压滤机滤饼送至锅炉进行燃烧处理，液体D重新回到斜管设备中再次进行沉淀,得到上层清液E。
步骤五：两级DTUF(碟管式超滤)，上层清液E首先经过初次DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F1和透过液G，其中超滤浓液F1进入板框压滤机，透过液G再次进行DTUF(碟管式超滤)，得到超滤浓液F2和透过液G，超滤浓液F2经过喷雾干燥器得到分子量在5000Da到20000Da木质素产品H，两次的透过液G均进入DTNF(碟管式纳滤)进行脱盐处理，浓液F进入初次DTUF(碟管式超滤)进行回滤。
步骤六：高浓磨浆，将浓度为30％的秸秆纤维半成品浆，送入高浓磨浆机里，在尽可能保留纤维长度的基础上，使其表面分丝、帚化，进而改善其抄造性能。
步骤七：成浆，浆料A进入高浓磨浆机进行分丝帚化达到高品质浆后经过消遣、除渣、压力筛最终成为高品质纸浆。
2.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤二中预处理液包含以下重量份原料：NaOH5-10份，尿素2-5份。
3.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤二中黑液B1和清水的总量与秸秆纤维原料液的重量份比重为1：6-10。
4.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤二中混合热予浸温度为80-90℃。
5.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤二中预处理30-60分钟。
6.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤三的高浓缩溶液c1包含以下重量份原料：NaOH溶液5-20份、亚硫酸钠8-15份，高浓缩溶液c2包含以下重量份原料：双氧水10-20份，加入硅酸钠2-5份，硫酸镁0.2-0.5份，金属离子螯合剂0.1-2份。
7.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤三中PH值为10，且当PH值低于10时，可加入少量NaOH进行调节。
8.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述步骤五中的透过液G可再次回收利用。
9.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述初次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为20000Da，所述再次DTUF(碟管式超滤)的节留分子量为5000Da，且初次DTUF(碟管式超滤)和再次DTUF(碟管式超滤)之间可根据需要插入一次或多次节留目标分子量的DTUF(碟管式超滤)。
10.根据权利要求1所述的一种秸秆零排放制浆和生产木素新工艺，其特征在于，所述黑液B可用于下次预处理操作。
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