CN1157016A - 低停留时间、高温和高速的木屑研磨 - Google Patents

低停留时间、高温和高速的木屑研磨 Download PDF

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Abstract

一种在初级研磨机最好为盘磨机(32)中将含木质纤维素的材料研磨成纸浆的方法。材料被预热(20、22、24)到高于材料中木质素玻璃转化温度的温度。材料保持在此温度一段时间，此时间间隔小于1分钟，最好在10～30秒的范围。加热后的材料然后放在研磨机中进行高强度研磨以形成纸浆。所得纸浆具有较高质量，为次级研磨加工(44)提供了很大灵活性。预热时间间隔根据不同目的例如降低总的单位能量(图2)或增加强度特性(图3和4)而可调节。

Description

低停留时间、高温和高速的木屑研磨
发明背景
本发明涉及纸浆生产领域，本发明具体涉及将木屑研磨成造纸用纸浆的方面。
在纸浆生产工艺中，众所周知单盘磨机和双盘磨机。用含本质纤维素的纤维材料采用具有初级研磨和二级研磨的二步法生产纸浆时通常采用这种盘磨机，在加热机械制浆(TMP)法中，木屑由第一填料螺旋送料器或第一旋转阀送入到加压的预热器并由蒸气预热。随后，第二螺旋传送器或第二填料螺旋送料器将木屑排出预热器。带式送料器接着将预热后的木屑送入研磨机、初步研磨成纸浆。如果用填料螺旋送料器作第二送料器，则预热器和研磨机中的系统压力可以分离。然后，初级研磨机排出的纸浆送入到第二研磨机作进一步处理。
研磨机通常操作在约30～50磅每平方英寸(207～345kPa)的压力下，对单盘研磨机转速为1500～1800r/min，而对双盘研磨机转速为1200～1500r/min。为生产要求质量的纸浆，木屑在预热器中与蒸气混和，并在初级研磨之前保持在预定温度和压力下。保留时间或停留时间直接影响纸浆质量。停留时间是木屑停留在第一填料螺旋送料器和带式送料器之间的时间。在分离系统中，停留时间间隔包括在预热器中以及从第二排出填料螺旋送料器到带式送料器的时间间隔。这两个停留时间间隔中的每一个均可以在不同压力下调节。木屑由带式送料器送入研磨机并通过研磨机盘的传送和研磨时间不计入停留时间。原因是传送和研磨时间的持续时间很短。对大多数研磨机，传送和研磨时间小于1秒。
在盘磨机与研磨纸浆的其它方法的竞争中的一个重要因素是操作盘磨装置所必需的能耗。从经济观点看，能量成本的快速增加使得盘磨机不能与生产纸浆的其它方法竞争。在这种工艺中众所周知，增加研磨机的操作速度可以减小生产质量大致相同纸浆所需的总的单位能量。在常规的单盘磨机中高速操作大于1800r/min，通常在约2300至2600r/min的范围内。对双盘磨机，高速操作超过1500r/min，通常在1800～2400r/min范围内。研磨机的较高转速导致所谓高强度研磨。研磨强度可以表示为每磨条冲击的平均单位能量或表示为单位研磨能。对于高强度研磨的更详细的定义，请参考K.B.Miles的文章“计算木屑研磨机中停留时间和研磨强度的简化方法”，该文载于Paper and Timber，1991，73：9。增加磨盘转动速度导致木屑冲击盘磨机研磨表面上磨条的冲击强度的增加。但是高速研磨可能对生产的纸浆产生副作用，在进一步加工时，这种副作用导致纸的强度降低。
减少整个造纸系统能量成本的另一个方法是回收预热木屑的高压蒸气。在常规的TMP系统中，有些研磨机需要加热压缩机或机械压缩机，使回收的预热蒸气压力升到可供给在别处研磨机的处理蒸气。在高压下操作预热器形成含有充分热量的蒸气，因而回收的预热蒸气可以直接应用在给定的处理过程中，或经济地下降到可满足处理要求的水平。
预热期间木屑上的压力影响纸浆的质量。重要的是要注意到，在研磨过程中高压和高温是同义的，因为两个变数直接相关。在研磨过程中的一个重要因素是在初级研磨之前木屑相对于木屑木质素玻璃转化温度(Tg)的温度。该温度取决于木屑的木种而改变。
在常规的停留时间在高温即大于玻璃转换点的温度下进行预热，可使木质素变软，达到使纤维完全分开。在这种高温或高压下分离的纤维大多未受到损害，其上包覆一薄层木质素。这使得要形成原纤维是很困难的。结果是要求高的单位能量并降低了用这种纸浆生产的纸的光学性能。
为减少由于使用较高速研磨机以及控制木屑和纸浆的温度高于和低于Tg温度所需的能耗，已经提出先有设计，PCT申请WO 94/16139公开一种低能耗方法，其中，材料在低于木质素软化温度Tg下引入到高速初级研磨机中。随后使研磨的纸浆保持在高于Tg温度约1分钟，然后才引入到第二高速研磨机中。
发明概要
本发明是一种在具有一个或多个研磨机的纸浆生产系统中的初级盘磨机上制浆的新的和改进的方法。该方法减小了能量需求，同时由于使用新方法改进了纸张质量。
本发明的方法包含高强度研磨纸浆，但显著降低总的单位能量需求，而且不损害纸浆强度和光学特性。获得这种结果的方法是，直接在进行初级研磨之前，将木屑加热到大于Tg的温度，而停留时间少于1分钟，对于特定木种的木屑，木屑温度最好保持在高于Tg至少10℃。然后将木屑送入高强度研磨机。该方法的单位能耗比常规TMP法至少降低20％。
一般地讲，对于特定的木种，与常的TMP质量相比要生产改进的TMP质量所用的停留时间(R)、压力(T)和速度(S)范围是10～40秒的停留时间、75～95磅每平方英寸的压力，对于单盘磨机，其转速大于1800r/min，对于双盘磨机，其转速大于1500r/min。例如，对于云杉/香脂冷杉木屑，操作单盘磨机时，其最佳的RTS范围是转速2600r/min，压力85磅每平方英寸，停留时间在10～30秒之间。本发明的RTS-TMP方法可以提供充分的加热软化，从而在高强度研磨时生成高级纤维，而减少能耗。
RTS-TMP方法生产的高质量纸浆使得可以应用各种次级研磨机。一些次级研磨机允许进一步节省能量，而其它一些次级磨机则可用来生产特种纸。
本发明的RTS-TMP方法还可以用于化学加热机械制浆法(CTMP)和碱性过氧化物加热机械制浆法(AP-TMP)中。
因此本发明的目的是提供研磨纸浆的方法，该方法对于达到一定的纤维质量可以减小能量需求。
本发明的另一目的是提供一种纸浆生产法，该法可生产较高质量的纸浆，而能耗比常规TMP法低。
本发明的再一个目的是提供一种在初级研磨机上生产改进纸浆的方法，使得在选择次级研磨方法时允许有更多的选择性。
本发明的又一个目的是提供一种用于在初级研磨机上生产改进纸浆的各不相同条件的方法，从而在次级研磨之后获得各种要求的最后特性。
本发明的又一目的是提供一种生产纸浆的方法，该方法需要的设备数量少。
另一目的是生产木屑，该木屑更容易在高强度进行初始分离纤维。
在以下说明中将显示本发明的这些和其它目的。
附图的简要说明
参照以下附图和说明可以明显看出本发明的其它优点，这些附图是：
图1是可以应用本发明RTS-TMP方法的双研磨机系统的示意图；
图2是用常规TMP法和本发明的RTS-TMP法研磨的纸浆的纸浆打浆度对所加能量的曲线图；
图3是用常规TMP法和本发明的RTS-TMP法研磨的纸浆的抗拉指数对所加能量的曲线图；
图4是用常TMP法和本发明的RTS-TMO法研磨的纸浆的破裂指数对所施能量的曲线图。
优选实施例的详细说明
图1中可以应用本发明RTS-TMP方法的研磨系统总的用编号10表示。双研磨系统10通过在填料螺旋入口12上引入木屑而开始操作。填料螺杆14通过在填料螺杆外壳13中的转动而将木屑送入研磨系统10。在某些系统中可以用旋转阀替代填料螺杆14。将加热木屑的蒸气通过管道16引入研磨机系统。蒸气和木屑在腔室18中混合并进入预热器20。已加热的木屑通过固有的重力垂直落入排出螺杆22。该排出螺杆22转动将已加热的木屑排入蒸气分离室24。蒸气通过管道26从蒸气分离室返回到腔室18。水或其它的处理化学试剂可以通过管道28加入到混合物。热处理后的木屑然后由高速带式送料器30输送到初级研磨机32上。初级研磨机32由马达33驱动。木屑在带式送料器30和研磨机32中的传送和研磨时间小于0.1秒。漂白剂可从漂白剂池40通过管道34和36及计量系统38加入在初级研磨机32内的纸浆中。
初级纸浆通过管道42送入次级研磨机44，该研磨机由马达46驱动。由次级研磨机44研磨后的纸浆通过管道48转移到其它装置，以便进一步加工成最后制品。
停留时间是木屑在填料螺旋送料器14和带式送料器30之间移动的时间。在分离系统中，填料螺旋进料器将取代排出螺杆22。因此在高压下的停留时间被定义为在螺杆22和带式送料器30之间的持续时间。根据本发明RST-TMP的这种替代方案，预热容器不是必需的。在典型的常规研磨法中，在初级研磨之前的木屑温度保持在低于Tg温度。低于Tg的温度可防止木屑中的木质素过分软化。这样便防止在中等薄片上的高度分离，否则这将导致高度分离的纤维包覆一层木质素，这使得要使纤维结构形成原纤维很困难。
希望进行高压研磨，以便经济地回收蒸气，使其进一步用于处理需要的蒸气。常规TMP和在高压的TMP的比较结果示于如下。
试验1    在1800r/min时压力的影响
                       常规TMP 高压TMP
初级研磨
转速                      1800   1800
压力(kPa)                 276    586
停留时间(s)               150    150
单位能量(kwh/ODMT)        705    505
次级纸浆
总的单位能量(kwh/ODMT)    1836   2185
打浆度(ml)                194    179
松密度                    3.04   2.73
破裂                      1.7    2.1
撕裂                      9.3    9.9
抗拉性                    36.3   41.0
伸长率(％)                1.83   1.90
T.E.A.                    28.05  32.78
亮度(实际纸张)            46.5   43.1
散射                      47.0   45.2
不透明度(％)              94.3   95.4
碎片含量(％)              1.28   0.40
+28网目(％)               48.5   37.9
参考上述试验，用高压法获得的纸浆最后制品的总的单位能量比常规法增加19％。纸张的光学质量降低3.4％。光学质量的降低是由于在高压下延长停留时间而使木质素中生色团退色的结果。
通常，初始研磨机32可以是单盘结构或双盘结构。常规初级研磨机对单盘机的转速为1500～1800r/min，而对双盘机在1200～1500r/min之间。此范围是由于交流电源的频率所致，北美的频率为60Hz，而大多数欧洲国家为50Hz。在单盘结构中在两种操作频率下超过1800r/min的磨盘速度被认为是高速研磨。对于双盘结构，在两种频率下，高于1500r/min的转速认为是高速研磨。
以下试验比较常规TMP法和高速TMP法。在此试验中，高速TMP在2600r/min转速下进行。
试验2  常规研磨压力下转速的影响
                         常规TMP    高压TMP
初级研磨
转速                      1800      2600
压力(kPa)                 276       276
单位能量(kwh/MT)          974       876
停留时间(s)               150       150
次级纸浆
总的单位能量(kwh/ODMT)    2045      1621
打浆度(ml)                153       178
松密度                    2.83      3.05
破裂                      2.0       1.7
撕裂                      9.2       9.4
抗拉性                    38.3      40.7
伸长率(％)                1.83      1.86
T.E.A.                    31.1      29.3
亮度(实际纸张)            46.7      48.0
散射                      48.6      49.1
不透明度(％)              94.5      94.3
碎片含量(％)              1.64      2.48
+28网目(％)               35.5      35.4
提高研磨机的转速到2600r/min和保持所有其它参数相同导致在初级研磨机中生产的纸浆的特性与常规TMP的产品特性相同。增加研磨机速度导致需要的总的单位能量降低15％。
将高速研磨和长停留时间的高温预热相结合导致在工业上不能接受的研磨法。造成在初级研磨机的磨盘之间的板间隙损耗，并使得纸浆的亮度下降到不能接受。在高压下过分地热软化可以防止在初级研磨机上施加相当大的单位能量。
然而已经发现，降低在高压、高强度研磨下的停留时间可以以较低的能量需求生产质量可接收的纸浆。试验了减少停留时间的三个例子。在下面的试验3中示出了试验结果。该结果证明，在温度大于Tg的小于1min的停留时间内可以避免在常规长停留时间的高压高强度研磨所形成的劣质纸浆质量。本发明的优化停留时间小于40秒。
试验3    在高压高强度研磨时停留时间的影响
                    例1     例2     例3
初级研磨
转速(r/min)         2600    2600    2600
停留时间(s)         120     24      13
单位能量(kwh/MT)    570     610     536
次级纸浆
总的单位能量(kwh/MT)1817    1646    1587
打浆度(ml)          168     186     148
松密度              2.71    2.89    2.83
破裂                1.9     1.8     2.1
撕裂                9.4     9.4     9.3
抗拉性              41.1    37.6    42.1
伸长率(％)          1.93    1.61    2.06
T.E.A.              33.8    26.5    36.5
亮度(实际纸张)      43.8    46.6    46.5
散射                46.5    48.9    48.2
不透明度            95.4    94.3    95.1
碎片含量(％)        0.60    0.73    1.24
+28网目(％)         31.5    33.3    37.7
在上述试验3中，用云杉木屑作试验用的含木质素纤维的材料，虽然10～30秒的范围便表现出显著的优点，但最佳的停留时间是13秒。在高压下的该停留时间的结果是充分加热软化木屑，使得纤维易于在高强度下开始纤维化，而不会完全软化纤维和使纤维包覆一层木质素。在TMP的纸浆中，在初级研磨机32中的木屑开始分离纤维期间便已经引起大量的破碎的纤维。本文的目的是在减少单位能量需求下建立改进的初级研磨机纸浆特性。这便是本发明的RTS-TMP方法。
在试验4中比较了本发明的RTS-TMP方法与常规的TMP方法。
试验4  常规法的和RTS-TMP法的纸浆特性及能量需求比较
                      常规TMP1  常规TMP2 RST-TMP
初级研磨
转速(r/min)           1800      1800     2600
压力                  276       276      586
停留时间(s)           150       150      13
单位能量(kwh/ODMT)    1243      705      536
次级纸浆
总的单位能量          2030      2011     1567
打浆度(ml)            148       148      148
松密度                2.82      2.85     2.83
破裂                  1.8       2.0      2.1
撕裂                  9.3       8.9      9.3
抗拉性                37.1      38.6     42.1
伸长率(％)            1.66      1.93     2.06
T.E.A.                28.6      32.0     36.5
亮度(实际纸张)        46.6      46.1     46.5
散度                  47.0      52.3     48.2
不透明度％            93.7      94.8     95.1
碎片含量              2.18      1.44     1.24
+28网目(％)           32.1      37.7     37.7
表中1、2栏的常规TMP的系统温度和3栏的RST-TMP的系统温度分别是132℃和166℃。
参考试验4可以观察到，应用RST-TMP法可以降低常规研磨所要求的单位能量。表中示出常规法的两个不同试验的结果。这两个常规的操作在初级研磨和次级研磨之间分成不同的动力。以kwh/mt为单位的总的单位能量从约2000降到约1500，降低22.4％。即使需要的能量降低，但纸浆的打浆度仍然相同。
与常规TMP法相比，本发明的新颖的RTS-TMP法除减少所需能量外，还改进了纸浆的某些特性。
与常规的TMP法相比，本RTS-TMP法使以Nm/g为单位的纸浆的抗拉指数增加(图3)。在相同的单位能量下比较，RTS-TMP的抗拉指数平均高出约8Nm/g。同样，与采用纸浆研磨的常规TMP法相比，采用RTS-TMP方法，相对所加能量破裂指数增加(图4)。在相同单位能量条件下比较，RTS-TMP的破裂指数比常规TMP的指数平均高出约0.6kPa.m2/g。
由RTS-TMP法取得的改进的纸浆质量使得可以使用的次级研磨机的种类有很大的灵活性。在某些情况下完全不需要次级研磨。由初级研磨得到的纸浆可直接加工成纸。但是在大多数情况下，为获得纸张要求的纸浆质量，需要次级研磨。RTS-TMP的初级纸浆具有较小的破碎纤维和裂缝区。这种改进的纸浆特征不太容易使纤维降级，因而可以在第二级中使用节省能量的高强度研磨。改进了的纸浆质量允许多种的次级研磨。次级研磨机44的选择包括低浓度研磨(LCR)和高浓度研磨(HCR)两种。低浓度和高浓度是指在纸浆中固态物与总的物料量之比的百分数。HCR通在25～50％固态物之间，而LCR则小于10％的固态物。现有的HCR处理包括常规HCR、高速HCR和热HCR。作为本发明的RTS-TMP方法的结果，能量的使用减小22.4％，另外，通过回收高压蒸气可以节省另外的能量。因此本发明在能耗方面有这些改进，同时还具有改进纸浆质量的另外有利之处。
本发明的RTS-TMP法可用研磨的纸浆生产改进的新闻纸。在试验5中比较了用三种生产纸浆的方法生产的新闻纸。
            试验5  用常规、高速和RTS-TMP
            纸浆生产的100％TMP新闻纸特性
方法                 常规TMP法* RTS-TMP法** 高速法***
厚度(mm)             0.147       0.150        0.147
密度(g/cm3)         0.335       0.339        0.331
亮度                 40.1        42.8         43.2
不透明度             84.2        85.0         80.9
拉伸百分数-MD        3.34        3.12         3.12
拉伸百分数-CD        3.89        4.15         4.45
抗拉指数(Nm/g)-MD    21.13       22.33        17.49
抗拉指数(Nm/g)-CD    9.43        9.82         8.48
断裂长度(m)MD        6463        6831         5350
断裂长度(m)CD        2886        3004         2593
破裂指数(kPa.m2/g)  0.59        0.62         0.55
裂缝指数(mN.M2/g)MD 6.95        6.97         6.46
裂缝指数(mN.m2/g)CD 6.76        7.62         6.72
*1 800r/min，在276kPa压力下150s；
**2600r/min，在586kPa压力下13s；
***2600r/min，在276kPa压力下150s；
试验5表示用次级研磨机研磨后的纸浆作的新闻纸。所有三种初级研磨方法生产的纸浆在作成新闻纸之前均用同样的次级研磨方法研磨。与用常规TMP方法(1栏)生产的新闻纸比较，用RTS-TMP方法(2栏)作的新闻纸在亮度和不透明度的光学特征方面完全没有降低。用常规压力和停留时间的高速研磨法(3栏)生产的纸其粘接强度最低。
上述数据提供了RTS控制系统的基础，在该系统中，停留时间间隔可以根据特定纸浆的相对重要特性或处理条件进行调节。在图1所示的分离系统中这种时间间隔可以利用例如填料螺旋送料器22的转速进行调节。在试验3和图2～4中示出，一种材料(云杉木屑)在进入初级研磨机之前经受24秒或13秒不同停留时间的处理，结果对能耗、打浆度和涉及强度的特性产生不同的影响。这些数据清楚表明，利用能耗显著降低的RTS可以获得与用常规研磨法获得的纸浆特性相当的纸浆特性例如打浆度。在相当于常规研磨的能耗下，用24秒的停留时间与13秒的停留时间和常规研磨法两种情况(图3和4)相比，可以获得显著改进的强度。
虽然已经作为例示目的说明本发明上述方法的优化实施例，但是上述说明不应当认为是对本文所述发明的限制。因此这一领域的技术人员可以想到各种改变、匹配和替代装置而不违背本发明的精神和范围。

Claims (29)

1、一种用含木质纤维素的纤维材料通过具有初级研磨机的研磨系统生产纸浆的方法，其特征在于：
加热纤维到大于纤维中木质素玻璃转换温度的温度；
保持纤维的温度大于上述玻璃转换温度，保持小于1分钟的时间间隔；
在初级研磨机中高强度研磨加热后的纤维。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，研磨机是盘磨机。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用饱和的超大气蒸气进行纤维的加热。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，上述蒸气在加热上述纤维后，回收上述蒸气。
5、如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，纤维保持在约75～95磅每平方英寸的压力。
6、如权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，压力保持在80～90磅每平方英寸。
7、如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，时间间隔小于40秒。
8、如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，时间间隔在10～30秒之间。
9、如权利要求1～8中任一项所述的方法，其特征在于，上述初级研磨是在高浓度下研磨。
10、如权利要求1～9中任一项所述的方法，其特征在于，研磨机包括其转速大于1800r/min的磨盘。
11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，研磨机磨盘在高于2300r/min的转速下转动。
12、如权利要求1～9中任一项所述的方法，其特征在于，研磨机是双转盘研磨机，其转速大于1500r/min。
13、如权利要求1～12中任一项所述的方法，其特征在于，使初级盘磨机生产的纸浆承受由转盘分离纤维的次级研磨处理。
14、如权利要求13所述的方法，其特征在于，次级处理步骤在低浓度下进行。
15、如权利要求13所述的方法，其特征在于，次级处理步骤在高浓度下进行。
16、如权利要求15所述的方法，其特征在于，次级处理步骤是高速处理。
17、如权利要求13～16中任一项所述的方法，其特征在于，次级处理步骤由不同于初级研磨机的转动盘磨机执行。
18、如权利要求13～17中任一项所述的方法，其特征在于，将初级研磨机出来的纸浆在低于木质素玻璃转换温度的温度下输送到第二处理步骤。
19、如权利要求13～17中任一项所述的方法，其特征在于，将初级研磨机出来的纸浆在高于木质素玻璃转换温度的温度T输送到第二处理步骤。
20、如权利要求13～19中任一项所述的方法，其特征在于，在次级研磨机中的材料承受高强度的纤维分离。
21、如权利要求1～20中任一项所述的方法，其特征在于，初级研磨机向材料施加能量，施加的比率在400～800kwh/ODMT的范围内。
22、如权利要求1～21中任一项所述的方法，其特征在于，在初级研磨机(32)送料器机构(30)上游的增压螺旋传送器(22)中，纤维被加热到高于玻璃转换温度的温度，而且上述时间间隔依赖于从上述增压螺旋传送器(22)传送到初级研磨机的送料器机构(30)的传送时间。
23、如权利要求22所述的方法，其特征在于，上述时间间隔可以调节，方法是改变上述螺旋传送器(22)的速度。
24、如权利要求1～23中任一项所述的方法，其特征在于，对于一定的木质纤维素材料，上述时间间隔可以在施加相当高总能以便达到最大强度时的相当长的时间间隔和施加相当低总能使能量尽量减小以获得所需打浆度时的相当短的时间间隔之间变化。
25、如权利要求24所述的方法，其特征在于，上述相当长的时间间隔约24秒。
26、如权利要求24或25所述的方法，其特征在于，上述相当短的时间间隔约为13秒。
27、如权利要求24～26中任一项所述的方法，其特征在于，上述施加的相当高的能量在约1800kwh/ODMT以上。
28、如权利要求24～27中任一项所述的方法，其特征在于，上述施加的相当低的能量小于约1650kwh/ODMT。
29、如权利要求1～21中任一项所述的方法，其特征在于：
纤维在初级研磨机(32)紧上游的预热系统(20、22、24)中被加热到高于玻璃转换温度的温度；
上述时间间隔取决于通过上述预热系统的传输时间；
传输时间可在至少10～30秒的范围内调节。
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