挤压机械法制浆与设备

挤压机械法制浆与设备曹堪洲李进国张晓利利用双螺杆挤压搓揉机进行制浆的方法称为挤压机械制浆(EMP Extruder Mechanical Pulping)方法。它利用两根平行、啮合且同向旋转的积木组合式 螺杆和特殊结构的螺杆元件，使纤维浆料在输送的同时受到动态挤压，依靠高浓 高压下纤维间的揉搓，完成纤维离解和细纤维化。双螺杆挤压搓揉机源于塑料和食品工业使用的双螺杆挤压机，是塑料挤出工 程原理和现代造纸制浆工艺有机结合的产物。1975年法国Clextral公司首先对双螺杆挤压机进行技术开发，力图用于制浆 造纸业。1983年6月C-E Bauer公司进行了双螺杆挤压机用于制浆工业的生产试 验，处理原料为南方松和杨木木片，生产出的机械浆外观上类似TMP系统第一段 压力磨磨出来的浆料，但纤维分离的更好，纤维束含量比传统TMP少30%;经高浓 盘磨机精浆后，其浆料性能类似TMP,但节约磨浆能耗30%。为区别于其它制浆方 法而将之称为EMP ( Extruder Mechanical Pulping)。90年代初期，法国 Clextral公司成功地将双螺杆挤压机应用于制浆工业生产，并将此设备称之为 Bivis (Bi-双，Vis-螺杆)o90年代中期，我国天津、昆山某造纸厂曾分别引进一条生产线，用于生产棉 短绒和三级棉漂白浆料，抄造证券和钞票等高级漂白纸张。这是高级漂白棉浆制 备工艺和设备的重大改革，被称为“法兰西银行的革命”。现在这种设备已经成功用于棉、麻等长纤维原料和木片、非木纤维的化学机 械浆制备、渣浆再磨、废纸处理、浆料洗涤和高浓混合漂白等工艺环节。80年代末，国内学者开始关注并研究挤压机械法制浆，90年代末期实现 了挤压机械法制浆实验设备的国产化，本世纪初挤压机械法制浆技术进入工业化 应用阶段。近年来，国内造纸机械厂家纷纷进入该技术和设备的研究和开发，有 力的推动了挤压机械法制浆技术的发展和应用。双螺杆挤压搓揉机的特殊结构使之可以在完成浆料（或原料）磨解的同时， 实现化学浸渍、置换逆流洗涤、高浓混合漂白等功能，具有占地面积少、吨浆水 耗低、制浆过程少用或不用蒸汽、综合能耗低、制浆浓度高并节省化学药品等特 宓。以双螺杆挤压搓揉机为主机，配以相应辅机，可以代替传统的制浆过程，完 成蒸煮、漂白、磨解等工序，使制浆生产流程大为简化。已经证实，挤压机械制浆法正是人们长期以来所追求的机械制浆技术上的重 大突破。双螺杆挤压机在制浆造纸领域的工业化应用标志着一场制浆技术的革 命。1基本原理无论磨石磨木浆，还是盘磨机械制浆方法其基本原理都是采用反复压缩/减 压作用使纤维壁疲劳进而分离纤维。减压期间释放出的能量绝大多数转化为热。 这些热可使纤维软化，有利于分离出具有较长分布的纤维，但是过度的热软化， 即达到甚至超过木素玻璃化转移点时，磨出的浆中会含较多长而僵硬的纤维。由 于能量以很多次低强度作用的方式传递到纤维上，因此，对纤维的解离作用相当 低，大量的能量被用于加热水进而变成蒸汽，磨浆时实际能耗远远大于纤维处理 到一定程度本身所需有效能量。有人证实，纤维完成磨浆作用本身所需能量仅占 磨浆过程所耗机械能的3%。虽然今天已经可以将盘磨机磨浆过程中产生的压力蒸汽重新利用，用于加热 清洁水和纸机干燥，但是，热量的有效利用并不能降低实际磨浆电耗，这不能满 足降低磨浆耗能的最终目的。现代制浆设备的研究和发展基础应当建立在明了能量传递原理的基础上，即 搞清楚能量是如何传递给浆料纤维的，以及如何使能量更好的起到磨浆作用。研 究和开发一些作用原理不同于传统磨浆机（如盘磨机）的新型制浆设备，并在此 基础上建立更为有效的新型工艺始终是制浆造纸工作者面临的研究课题。为提高浆的质量，我们希望纤维分离不是在胞间层而是在S1-S2层间分离， 即在纤维壁上产生细纤维化作用，但在纤维壁破裂之前的变形过程中，能量消耗 是很大的。ill1982年，Billfraiser指出，木材轴向受压时产生的皱曲作用能使纤维分 离，即利用木材轴向受压磨浆时，可在低能耗下，生产出纤维长而结合力好的 浆。挤压机械制浆方法正是依据该理论而产生的。这是在制浆理论方面的一个重 大突破。由于制浆机理的不同，双螺杆挤压搓揉机制浆过程中是利用压缩力和剪切力 使木材纤维化并纵向（轴向）分裂细胞而无碎片产生，这些力可产生足够的热量 以软化木素，同时也为顺利分离纤维创造了良好的条件。由于温度大大低于木素 玻璃化转移点，因而纤维是在S1-S2层间而不是在胞间层分离，但对纤维初生壁 （P层）和次生壁外层（S1层）却有极好的破坏效果，这有利于成浆和提高纸的 质量。2双螺杆挤压搓揉机和主要功能2. 1双螺杆挤压搓揉机双螺杆挤压搓揉机由电动机、特种齿轮箱、齿形联轴器、组合式螺杆、机筒、支撑轴承总成、液压站、润滑站、强制喂料器及药液（或清水、蒸汽）注入系统、废液回收系统所组成（如图1）。对平行、啮合且同向同步 旋转的积木组合式螺杆和电机与齿轮箱，齿轮箱与螺杆联接均采用鼓 式齿轮联轴器（专业设 计）联接，保证设备运行 精度和可靠性。其工作部分是由一1双螺杆挤压搓揉机示意图内部可更换衬套的剖分式机筒组成。机筒上设有多段液体（或气体）注入孔和用 于提取液体的过滤器。螺杆由芯轴和套装其上的正向螺旋套和反向螺旋套组成。螺杆可根据工艺需-268-要组成多段挤压输送浓缩区、挤压搓揉区、浸渍处理区、均化混合区。（如图2)挤压输送浓缩区：挤压输送浓缩区由正向螺旋套组成，其螺距由大变小，浆料被两个相互啮合的正向螺旋强制性高效率输送，同时增加浆料密实度并脱水浓 缩;挤压搓揉区：挤压搓揉区螺旋套为反向，浆料反向运动。反向螺旋螺棱表面 上开有许多由轴心向外延伸的豁槽，浆料受到挤碾、撕裂和均化，磨解细化的浆料由豁槽挤出，进入下一个磨解区。物料在受到正向螺旋套和反向螺旋套产生的 正向和反向推送挤压时，产生定向（纤维轴向）挤压和输送作用，纤维物料在此 高压区里受到很大的轴向挤压力，有利于在纤维表面产生裂纹，强化了药液浸透 和纤维分离作用。通过豁槽个数和大小的变化，可以控制药液浸透和磨解效果。 并将机械能转变成热能，使浆料升温；浸渍处理区：加入药液并赖搅拌.摩擦作用使浆料和药液保持在一定温度;fl lUmWMMh加入清水即可完成 洗涤作用；步受到挤碾、磨解和混合升温。2.2主要功能a）、浆料磨解输送螺旋象一台高效率的螺杆泵一样高效率地图2螺杆示意图均化区：浆料进一将浆料强制性的定向挤压和输送，浆料在挤碾区纤维轴向受到较大的挤压力和搓 揉作用，可使纤维产生扭转，并在纤维壁产生裂纹，强化药液渗透和纤维分离作 用，从而完成磨解功能。b）、化学浸渍该机可进行磺化、漂白等多种化学处理，并可将药液注 入壳体不同的工作区域。它是高效率的高浓度混合器，浆料通过挤碾区时被强有 力地搓揉，同时在压力和温度的作用下使浆料在高浓度下加快化学反应。c）、置换洗涤-该机在高压区装有有效的过滤器，可以对化学机械浆EJ和半化学浆磨解的同时进行置换洗涤，根据工艺要求设置为数段置换洗涤区。高 挤压力和有效的搓揉作用可实现高效率的洗涤。同时还可以节约用水，减少污水的回收或排放。d）、高浓混合漂白可作为高浓度反应器完成浆料和漂白剂的高浓度-271-#-混合，浆料浓度可达到40%以上，具有高浓、高效、快速漂白的优点。并可节约 漂白剂和其他化学药品。3典型应用IU3.1三级棉、棉短绒、麻等长纤维原料的连续制浆、洗涤和漂白。具有节 约能耗30-40%,节水80-90%,人员配备减少50-60%,减轻废水污染，节省占地面 积和简化操作程序，减轻劳动强度等优点。漂白棉浆质量可以达到间歇蒸煮的质 量水平，以次等棉为原料制造漂白棉、麻浆，生产钞票纸、证卷纸等高级纸张。 以不用蒸汽加热，在较低温度下去除油脂和杂质，达到制浆目的。3.2替代杨木、桦木等阔叶木材碱性过氧化氢漂白化学机械浆（APMP、P-RC APMP）关键制浆设备单螺旋挤压撕裂机（MSD）和浸渍螺旋，通过计量泵向机内定 量加入化学药剂完成挤压浓缩、撕裂、高浓混合并能准确控制进入反应仓前的浆 料浓度，控制撕裂状态、节约化学药品，实现高效高浓反应。3.3针叶木、阔叶木、硬杂木、枝極材、竹片、棉杆、蔗渣、麦草及稻草 等半化学浆和化学机械浆的制备。可完成浆料的挤压浓缩、撕裂、浸渍、与化学 药剂的高浓混合和纤维离解。3.4棉短绒化纤浆浆粕的生产，可根据工艺要求灵活控制浆粕的聚合度， 是对化纤浆制备工艺和装备的革命性突破，可有效解决目前国内该领域的环境污 染，降低环保压力，实现清洁制浆。3.5用于难碎解废纸（例如加有大量湿强剂和施胶剂的废纸）磨解。3.6漂白制浆的高浓混合反应器，可在较短时间内高效完成漂白反应。3.7破布、鞋底及废旧麻袋等回收原料的机械浆的制备。4典型试验和应用示例TEP80双螺杆挤压搓揉机 60.75kw12t/d （风干浆） 国内某厂来浆振筐平筛4. 1节渣浆处理原料：落叶松硫酸盐化学浆节渣浆，抄造工业包装纸 设备型号 配置功率 生产能力 用 户 工艺流程 使用效果节浆渣浆该厂原系统节浆回煮，渣浆SiTEP80双螺杆搓揉机|经打浆机处理后抄造工业包装 纸。安装本机后，节渣浆混合处理。节浆不需回煮，节省化学药品和锅容，提高产浆 量，降低了能耗，同时，使生产 环境大为改观，减轻了劳动强 度，提高了经济效益。主要指标：4.2木片半化学浆抄造高强瓦楞原纸或箱板纸原料：硬杂木亚氨法半化学浆，抄造高强瓦楞原纸 设备型号：TEP185双螺杆挤压搓揉机 配置功率：261kw生产能力：60t/d （风_肚力碎浆机杠TEP185双螺杆搓揉机 干浆）rrj用户：河北某造纸厂工艺流程：|cx筛浆机检测数据4327.3611509.21160活底料仓检测项目厂定指标渣浆节渣浆混合定量/g矿280 土 481.0耐破度/kpa225372裂断长/km撕裂度/mNf浆池一 d） 450锥形盘磨机一成浆主要指标：-274-打浆度定量裂断长环压指数SR g/m2 km N.m/g27.033.542.0149.8150.0144.06.527.437.8318.3018.5817.744 3木片或麦草片化学机械浆生产试验 原料：硬杂木木片麦草片设备型号：TEP185双螺杆挤压搓揉机KRK盘磨机（4）300日本产） 生产能力：60t/d （风干浆）工艺流程： 制浆试验部分:制浆试验部分：木片或草片洗涤和浸泡 料（90C以上热水，20分钟）烧碱溶液1#TEP18,反应仓2#TEP185（90C以上，60分钟）实验室实验部分：粗浆料-消潜-KRK盘磨机-抄纸页-测定物理性能 （来自 2#TEP185）主要指标：4. 4 APMP制浆试验原料：杨木木片70%杨木和30%白松木片 设备型号：TEP185双螺杆挤压 搓揉机KRK盘磨机（4）300日本产） 电机功率：250kw （直流调速 电机）生产能力：60t/d （风干浆）工艺流程：硬杂木木片CEMP纸样指标用緘量打浆度定量裂断长环压指数 /% /SR /g/m2 /km /N.m/g46828.032.031.5146.6148.8145.02.623.033.6011.4011.5312.90麦草片CEMP纸样指标用碱量打浆度定量裂断长环压指数 /% /SR /g/m2 /km /N.m/g449.049.050.0144.5151.8147.05.577.118.0012.7714 8817.12-276-制浆试验部分:木涤 汽蒸漂液EP185 mA装塑料袋保温反应_til粗浆料实啓室实验部分:|Om| H_Krk 盘磨机（来自 2#TEP185）主要工艺条件：木片洗涤：水温50-60C汽 蒸：温度95-98C,时间5-10分钟热碱预处理：温度90-95C, 30-40分钟，2%NaOH （绝干木片），液比1: 4漂白化学品用量：nrvr抄纸页|测定物理性能IIIHRNaOHNa2SiO3DTPA4%2.5%1.5%0.5%反应条件：温度70-80C,时间30分钟成浆质量指标：杨木APMP浆打浆度SR57裂断长km4.01撕裂指数mN.mJgT4.1不透明度% 白度%ISO.475.得率894.5棉短绒漂白化机浆原料：棉短绒漂白浆抄造证券纸 设备型号：TEP185双螺杆挤压搓揉机70%杨木和30%松木59.4.714.591.4-278-电机功率:400kw （直流调速）-279-#-生产能力：15t/d （风干浆） 工艺流程：开棉机T输送风机重杂物旋风（除尘）分离器f输送风机f中间凝棉器f 输送风机T金属重物分离器-纤维压实器fl#双螺杆挤压机（氧碱漂白）-斜螺 旋输送机-1#中间反应仓T水平输送螺旋T2#双螺杆挤压机洗涤、漂白（棉短 绒） - 2#中间反应仓-水平输送螺旋-稀释洗涤浆槽-稀释槽浆泵f洗涤螺旋 压榨机T搅拌稀释洗涤槽T贮槽备用（漂白液体棉浆）-抄浆贮浆池-浆板机- 打包包装-入库主要工艺条件：1#TEP185机：2-5% NaOH棉浆浓度35%反应时间30分钟2#TEP185机：1-2% NaOH3-5%為（）2出口浓度35%反应时间60分钟成浆质量指标：打浆度SR白度%IS012-148090纤维平均长度2 8-3 2mm尘埃 JKmm2/500g305双螺杆挤压搓揉机的特点及优势5. 1使制浆生产流程大为简化以双螺杆挤压搓揉机为主机，配以相应辅机，可以代替传统的制浆过程，完成蒸煮、漂白、磨解等工序。5.2水，电，汽消耗较传统制浆生产线大幅度降低磨解、制浆浓度为25-40%。制化机浆吨浆耗水10T4立方米，为传统用水量的10%左右。电能消耗可较传统生产降低20-50%。制浆和磨浆过程中由于浆料摩III擦产生大量热，可满足蒸解或漂白温度要求，因此，制浆过程可不加蒸汽或少加 蒸汽。5.3多功能 该设备可在磨解过程中完成脱水浓缩、洗涤、排出废液、加药液（或 蒸汽）等功能。因此，可利用该设备完成蒸煮、洗涤、漂白和磨解等功能。5. 4制得浆料质量咼该设备用于制浆时，搓揉区浓度高达25-40%,系高浓制浆。磨解浆料时纤维切断作用小，磨后纤维长，浆质量好，脱水速度快。该设备用于制浆时，因其具 有高效混合功能，浆料和化学药剂的反应速度快，制得浆料质量高。5. 5磨解程度调节方便该设备可以根据需要设置不同的磨解段，每个磨解段还可以采用不同特征参数的磨解元件，从而调节搓揉机对浆料的磨解程度。5. 6设备操作简单、维修方便该设备的机筒为剖分式，可随时停机打开上机筒，检查螺杆元件、了解浆料磨解或反应情况;螺杆元件为积木组合式，更换方便，设备运行时操作容易。螺 杆兀件更换和运行费用低。参考文献1刘长恩磨浆理论与设备黑龙江科技出版社，19942. 制浆造纸手册 第六分册 机械法制浆 中国轻工业出版社19933. 法国Clextral公司产品样本4. J.A.Kurdin, W丄.Bohn. Mechanical pulping by Extrusion265-2741984 Pulping Conference :5吴福骞棉短绒连续制浆纸和造纸,1995（5） : 11-146. 河北天正筛选制浆设&有限公司产品样本（2006）-281-